基于Flexsim的汽車空調生產線優化研究

袁亞銀 葉學敏

(上海馬勒熱系統有限公司，上海 201206)

1 引言

在全球化日益成熟的今天，對于制造業，有效的工廠布局和規劃有助于控制制造業成本和制造時間。尤其，在面對客戶日益多變的需求和多品種小批量的產品需求時，實現制造的快速響應是至關重要的。工廠設施的合理設計可以加速物料的流轉，縮短資源運輸時間和產品的生產周期。另外，設備布局的合理性有助于提高制造系統的運行性能，有效地降低平均制造成本[1]。

Flexsim軟件是由美國FlexSim公司開發的生產系統仿真軟件，旨在對離散事件系統、連續流體生產系統及物流系統進行模擬。在國外，該軟件應用涉及生產設施和布局優化、航空公司對機場進行規劃設計，以及政府和金融部門的統籌規劃等領域。國內目前對該軟件的應用也趨近廣泛，如石宇強應用達寶易和Flexsim軟件對產品生產線進行分析，找出瓶頸工序并進行優化，提高生產線平衡率[2]。王珊珊、吳保國等使用Flexsim仿真軟件建立了小麥粉生產線加工流程模型并進行實驗分析，大大提高了設備利用率[3]。石菁菁通過Tecnomatix軟件對燃氣輪機數字化生產線進行了仿真實踐，介紹了數字化工廠的技術路線和主要功能[4]。通過以上這些研究分析，將Flexsim軟件應用于碼頭相關物流仿真的相對較多，而用于分析加工制造業領域的相對較少。

本文結合生產實際，使用Flexsim三維仿真軟件對A公司汽車空調生產線進行建模仿真。通過對生產線的相關數據進行統計和分析，確定關鍵瓶頸工序后提出優化方案，對優化前后生產線進行仿真模擬和數據結果分析比較，進而對生產線進行系統優化改造，提高生產效率。

2 制造流程簡析

A公司是一家開發、生產汽車電子設備系統(汽車溫度控制系統)及相關零部件現代化高科技企業。該企業擁有多條汽車空調生產線，是行業內規模最大的汽車溫度控制系統的制造企業之一。

本文主要對A公司汽車空調系統的生產線進行研究。該生產線流程由各分布式殼體運動機構裝配、左右側殼體及風門裝配、暖風熱泵及電機裝配、線束裝配、分布式殼體及新回風殼體合殼裝配、管路及支架等后出風模塊裝配、密封條及防火墻裝配、空調總成功能檢測以及最后的目檢裝箱等多部分組成。具體生產線工藝流程如圖 1。

圖1 汽車空調生產線流程圖Fig.1 HVAC flowchart

3 現狀分析及建模仿真

3.1 生產現狀

生產節拍(cycle time)是衡量生產線平衡的指標之一[5]，它是指相鄰兩個工位之間傳輸的時間間隔[6]。若工位的操作時間與節拍接近，則此工位處于平衡狀態；若工位的操作時間大于節拍，則此工位處于滯后狀態，也將這樣的工位成為瓶頸工序；若工位的操作時間小于節拍，則表示此工位的工作內容不足，同樣會影響其緊前和緊后工位，進而影響生產線平衡[7]。根據對該公司汽車空調生產線的實地觀察測定，得到各工位的操作時間，如表1所示。

表1 空調生產線各工位操作時間Tab.1 HVAC assembly line labor time for every stations

根據表1可以看到，各工位的加工時間非常不均衡，其中“暖風熱泵蓋板及電機裝配”和“管路，支架、后風道線束等裝配”兩個工位加工時間遠大于其他工位，是整條生產線中的關鍵瓶頸工序。

同時，根據該生產線每天有效工作時間(8h)和最長工位加工時間(220s)，得出該生產線每天汽車空調產能和線平衡率分別為：

(1)

(2)

3.2 生產線建模與仿真

建模活動是通過對實際系統的觀測和檢測，在忽略次要因素以及不可檢測變量的基礎上，用物理或數學的方法進行系統描述，從而獲得實際系統的簡化近似模型[8]。對生產線的優化過程，首先要對產品的生產工藝流程、各生產工段的加工時間進行建模和仿真分析，找出影響生產效率的主要因素；并在此基礎上針對影響生產效率的問題制定相應的改進方案。由于該汽車空調生產線涉及的設備較多且流程較復雜。本文在采用Flexsim仿真軟件進行建模仿真時，為使仿真模型盡量簡單實用，在保證功能實現的前提下，對其工藝流程進行了合并簡化：即使用一臺設備模擬代替某一生產工段。

3.2.1 模型建立

根據生產線流程，采用Flexsim仿真軟件進行建模，首先對汽車空調生產線的相關工序(詳見圖1)進行實體定義，設置1個發生器(Source 1)用以表示進入生產線的物料；11個處理器(PWS1, WS1～WS10)表示各道工位；2個暫存區(Queue1，Queue2)用來暫時分別存放加工配件和成品。并將各實體進行A或S連接[9](其中：A連接為實體連接，使相鄰的Ports產生聯系，可以交換flow items；S連接類似信息流，能夠使操作者對被操作者發出各種指令并執行)，使各實體構成連貫的生產線模型，完成可視化模型結構基本布置。

完成可視化模型結構基本布置后，需設定假設條件以保證該模型運行可行。假設條件如下：汽車空調生產線各中間產品在各工位上的加工時間基本服從正態分布且標準差較小；暫存區最大庫存量為1 000個；中間產品在傳送帶上的傳遞時間由于較短設置為0；中間產品資源量無限(即不考慮因零部件不足而造成停線的狀況)。在完成假設條件的設定后，根據該產品生產工藝流程建立的仿真模型如圖2所示。

圖2 生產線仿真模型示意圖Fig.2 HVAC assembly line schematic diagram of simulation model

3.2.2 結果分析根據A公司汽車空調系統生產線實際生產計劃，設定有效工作時間仿真鐘后，得到該生產線模擬運行數據結果，詳細見表2。

表2 生產線模型優化前仿真結果Tab.2 HVAC assemblyline simulation results before model optimization

結合上述數據可以看出：

(1)WS4暖風熱泵蓋板及電機裝配和WS7管路、支架、后風道線束等裝配(含后出風模塊預裝配)兩個工位的繁忙率最高，達到90%以上，為該生產流程關鍵瓶頸工序。

(2)WS1分布式殼體運動機構裝配、WS2左側殼體及風門裝配熱泵及電機裝配、WS3右側殼體及風門裝配熱泵及電機裝配、WS5線束裝配、WS8密封條及防火墻裝配、WS9空調總成功能檢測以及WS10目檢裝箱工位的有效加工率都在70%以下，空閑率比較高，存在很大的浪費。

(3)WS1分布式殼體運動機構裝配、WS2左側殼體及風門裝配熱泵及電機裝配、WS3右側殼體及風門裝配熱泵及電機裝配，配件堵塞率超過45%，影響該生產線產能。

同時，結合3.1中生產線平衡率計算結果，可以看出，該生產線不同工位之間加工時間相差較多，整條生產線平衡狀態較差。

4 生產工藝流程優化方案

結合上述生產線平衡率計算數據和生產線模擬仿真結果，制定如下生產工藝流程優化方案。

4.1 工位優化方案

(1)當前生產線加工時間最長的工位是暖風熱泵蓋板及電機裝配和管路、支架、后風道線束等裝配(含后出風模塊預裝配)，時間分別為220 s、200 s。結合仿真結果和考察實際發現，該工序同時存在容易導致下一道工序線束裝配、密封條、防火墻裝配空閑時間過長。經核實現場SOP( 標準作業指導書) ，暖風熱泵蓋板及電機裝配工序包括暖風熱泵預裝配及暖風熱泵蓋板及電機裝配兩個主要動作，分別是94 s和110 s，根據工藝要求，無法減少步驟。因此，增加一臺機器和一名操作工，進行暖風和熱泵的預裝配，優化后該工位加工時間94 s。

(2)將暖風熱泵蓋板及電機裝配工位優化后，管路、支架、后風道線束等裝配(含后出風模塊預裝配)成為新的關鍵瓶頸工序，加工時間為200 s。結合仿真結果和考察實際發現，管路、支架、后風道線束等裝配(含后出風模塊預裝配)工序包括將管路、支架、后風道線束等裝配和后出風模塊預裝配這2個主要動作，分別是100 s和116 s。因此，同樣增加一臺機器和一名操作工，預裝后出風模塊，然后交給下一站進行密封條、防火墻裝配。經過優化，該工位工時為116 s。

(3)根據表2的阻塞率數據，分布式殼體運動機構裝配工位、左右側殼體及風門裝配工位存在配件堵塞的情況。結合仿真結果和考察實際，采用增加兩個工位優化工時為96s和98s。同時增加兩臺機器和一名操作工可以有效解決配件堵塞的情況。

4.2 流程優化方案

采用工位優化方案后，發現瓶頸工位移動至右側殼體及風門裝配工位，其工時為120 s。對其前后工位進行細化分析，發現該工位打螺釘時間為10 s，后續工位打螺釘時間為15 s，因此考慮優化為: 將右側殼體及風門裝配工位和后續工位的打螺釘動作合并到一個打螺釘工位上。經過上述流程優化，右側殼體及風門裝配工位工時為85 s，后續工位暖風熱泵蓋板及電機裝配工時為74 s。

5 優化前后數據對比分析

制定上述生產工藝流程優化方案后，運用Flexsim三維仿真軟件來對該汽車生產線重新建立生產線仿真模型，如圖3所示。

圖3 優化后生產線仿真模型圖Fig.3 Simulation model diagram of the optimized production line

重新建立生產線仿真模型后，將暖風熱泵蓋板及電機裝配工位和分布式殼體新回風殼體及蒸發器殼體裝配工位都增加一個處理器，并將各個工位的加工時間按照表3進行修改。

表3 優化后生產線工位加工時間表Tab.3 Optimized production line station processing schedule

根據A公司汽車空調系統生產線實際生產計劃，設定有效工作時間仿真鐘后，得到該生產線模擬運行數據結果，如表4所示。

表4 生產線優化后模型的仿真結果Tab.4 HVAC assemblyline simulation results aftermodel optimization

將優化前和優化后仿真數據整理對比如表5所示。

表5 優化前后仿真數據對比Tab.5 Comparison of simulation data before and after optimization

結合上述數據可以看出：優化前各工位的平均利用率只有58.98%，平均空閑率較高，達到24%；優化前各工位的平均利用率得到很大提升，達到89.52%，平均空閑率降低到1.1%。

基于上述數據分析，A公司汽車空調系統生產線采用工位和流程優化方案進行系統改造，汽車空調生產線上總工時由1 276 s縮短至987 s，每天產量由163 臺增加到310 臺。該生產線合理地實現了各工序間人員的調度，閑置時間大大減少，產量大幅提升。

6 結語

本文針對A公司汽車空調系統生產線實際流程特點，應用Flexsim三維仿真軟件建立模型并進行系統仿真計算，并結合生產線平衡率計算結果，找到制約生產的關鍵瓶頸工序，制定相應優化方案并進行驗證。對該汽車空調系統生產線實施改進后，生產線平衡率和生產產能得到大幅提升。