基于Flexsim的扭桿生產(chǎn)線仿真分析研究

郝慧慧，馬 濤，張 鵬，趙文軍，劉文忠，馮美喜，武 絡(luò)

（特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室，內(nèi)蒙古 包頭 014032）

0 引言

Flexsim是美國Flexsim Software Products公司基于OpenGL技術(shù)開發(fā)的一款通用離散事件系統(tǒng)仿真軟件，可以方便地建立生產(chǎn)線模型并通過仿真進行效能評價[1]。目前多用在生產(chǎn)線仿真研究[2-4]、車間調(diào)度優(yōu)化研究[5-6]、物流系統(tǒng)建模研究[7]，也有部分維修故障仿真方面的研究[8-9]。

運用Flexsim，對扭桿熱處理前后生產(chǎn)線工藝流程建立了仿真模型，通過對現(xiàn)行的作業(yè)內(nèi)容、工時和作業(yè)人員等數(shù)據(jù)進行仿真測試，得到了產(chǎn)線生產(chǎn)能力、設(shè)備利用率。通過分析給出了優(yōu)化建議，生產(chǎn)線建設(shè)決策者可根據(jù)優(yōu)化建議綜合考慮后對生產(chǎn)線布局及工藝流程進行優(yōu)化，以達到提高生產(chǎn)線產(chǎn)量及設(shè)備利用率的目的。論文所用的研究方法為扭桿生產(chǎn)企業(yè)提供了借鑒，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 扭桿熱處理前后生產(chǎn)線作業(yè)流程分析

扭桿是特種輪式車輛懸掛系統(tǒng)的重要零件，整體需求量大。其剛性、疲勞強度、綜合機械性能等直接影響車輛行走指標(biāo)和整車安全性能。

1.1 扭桿熱處理前生產(chǎn)線

扭桿熱處理前生產(chǎn)線工藝流程是鍛造→銑兩端面/打兩端中心孔/套車兩端外圓/打標(biāo)記→校直→粗車→半精車→精車，設(shè)備組成包括1臺銑端面打中心孔機床、1臺校直機、3臺數(shù)控車床、1套龍門桁架物流系統(tǒng)，由龍門式桁架系統(tǒng)完成扭桿自動上下料及過程轉(zhuǎn)運，加工工藝流程如表1所示。

表1 加工工藝流程表

人員配置方面，將銑兩端面、打中心孔、套車外圓、打標(biāo)記、校直工序由1人進行操作和監(jiān)控；粗車、半精車、精車工序由另1人進行操作和監(jiān)控；兼職輔助管理人員1人，共由3人完成整體生產(chǎn)線加工任務(wù)。

1.2 扭桿熱處理后生產(chǎn)線

扭桿熱處理后生產(chǎn)線工藝流程是花鍵滾壓→磨外圓→磨圓弧→探傷→桿部滾壓→強扭，生產(chǎn)線布局采用直線式布置，設(shè)備組成包括1臺花鍵滾壓設(shè)備、3臺數(shù)控外圓磨床、1臺探傷機、1臺桿部滾壓設(shè)備、1臺扭轉(zhuǎn)試驗臺、1套龍門桁架物流系統(tǒng)，同樣由龍門式桁架系統(tǒng)完成扭桿自動上下料及過程轉(zhuǎn)運，加工工藝流程如表2所示，扭桿生產(chǎn)線布局如圖1所示。

表2 加工工藝流程表

圖1 扭桿生產(chǎn)線平面布局簡圖

2 扭桿生產(chǎn)線仿真模型建立

2.1 仿真目標(biāo)

以降低制造成本、優(yōu)化資源配置和提高制造效率為出發(fā)點，依據(jù)扭桿生產(chǎn)線布局、制造過程和物流過程，建立效能評估仿真模型，在項目論證的同時，運用數(shù)字化仿真手段分析、驗證項目預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的合理性，為生產(chǎn)線改造項目論證和實施提供技術(shù)支撐。

2.2 仿真模型創(chuàng)建

為了更好地描述生產(chǎn)線工藝流程、更準(zhǔn)確地創(chuàng)建仿真模型，分別繪制了扭桿熱處理前及熱處理后生產(chǎn)線工藝流程圖，其中熱處理前生產(chǎn)線工藝流程圖見圖2。

圖2 扭桿熱處理前生產(chǎn)線工藝流程圖

本文所使用的計算機硬件設(shè)施為惠普Z800工作站，能滿足Flexsim的運行要求，運用Flexsim7.5.4 版本創(chuàng)建模型。按照生產(chǎn)線的實際布局情況建立仿真模型。首先在模型中添加所需的實體模塊，扭桿由Source實體產(chǎn)生；所有加工、試驗工位由處理器Processor定義；中間存放區(qū)由Queue對象定義；操作人員由Operator實體定義；龍門桁架起重設(shè)備由Crane實體代替，由于同跨起重設(shè)備仿真過程中易出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，對Crane實體定義了碰撞邏輯，規(guī)避了碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。最后，依照生產(chǎn)線的工藝流程圖采用對應(yīng)的連接方式連接各個實體模塊，根據(jù)收集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)設(shè)置了實體模塊的參數(shù)，根據(jù)邏輯規(guī)則編制了邏輯代碼，最終構(gòu)建的仿真模型見圖3。

圖3 扭桿生產(chǎn)線仿真模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真模型運行時間

仿真模型共運行118200min，即118200min/60min=1970h，按國家標(biāo)準(zhǔn)單班制，日常無加班，周六日雙休。

3.2 扭桿熱處理前生產(chǎn)線仿真結(jié)果

扭桿熱處理前生產(chǎn)線仿真結(jié)果見表3。

表3 扭桿熱處理前生產(chǎn)線各工位設(shè)備狀態(tài)分析

由表3及圖4可知，扭桿熱處理前生產(chǎn)線五個主要設(shè)備的平均利用率為72.13%，其中利用率最高的是數(shù)控車床MJ760-3，利用率約90.13%，利用率最低的是自動校直機，利用率僅30.06%，原因是該工序工時與其它工序工時相比短大約3倍。

圖4 生產(chǎn)線各工位設(shè)備狀態(tài)柱狀圖

由表4可知，扭桿熱處理前生產(chǎn)線的兩臺龍門桁架物流系統(tǒng)的利用率分別為37.71%、48.12%，利用率雖不高，但是為了滿足產(chǎn)量的需求，并考慮設(shè)備可能存在的故障問題，所以不能做減量調(diào)整。

表4 扭桿熱處理前生產(chǎn)線物流設(shè)備狀態(tài)分析

3.3 扭桿熱處理后生產(chǎn)線仿真結(jié)果

扭桿熱處理后生產(chǎn)線仿真結(jié)果見表5。

表5 扭桿熱處理后生產(chǎn)線各工位設(shè)備狀態(tài)分析

由表5及圖5可知，扭桿熱處理后生產(chǎn)線七個主要設(shè)備的平均利用率為69.71%，其中利用率最高的是扭轉(zhuǎn)試驗臺，利用率約89.52%，利用率最低的是數(shù)控外圓磨床3，利用率僅33.07%，原因是該工序工時與其它工序工時相比小很多。

圖5 生產(chǎn)線各工位設(shè)備狀態(tài)柱狀圖

由表6可知，扭桿熱處理后生產(chǎn)線的兩臺起重設(shè)備的利用率分別為52.09%、50.83%，為了滿足產(chǎn)量的需求，并考慮設(shè)備可能存在的故障問題，所以不能做減量調(diào)整。

表6 扭桿熱處理后生產(chǎn)線物流設(shè)備狀態(tài)分析

4 結(jié)論

扭桿熱處理前生產(chǎn)線的銑端面打中心孔工序（即工序1）和精車兩端工序（即工序5）是瓶頸工序，建議對其進行工藝優(yōu)化，通過仿真優(yōu)化得出，使其工序時間盡可能縮短至13min，可使扭桿熱處理前生產(chǎn)線年產(chǎn)量提高10.9%。

扭桿熱處理后生產(chǎn)線在桿部滾壓工序（即工序5）和扭轉(zhuǎn)試驗工序（即工序6）存在瓶頸，需要進行優(yōu)化，優(yōu)化思路是優(yōu)化工藝縮短工時，或者增加工位，比如可以考慮增加1～2臺扭轉(zhuǎn)試驗臺，通過仿真優(yōu)化得出，若增加1臺扭轉(zhuǎn)試驗臺可使產(chǎn)量提高1.76倍，若增加2臺扭轉(zhuǎn)試驗臺產(chǎn)量會提高2.3倍。若增加1臺桿部滾壓設(shè)備及2臺扭轉(zhuǎn)試驗臺，則年產(chǎn)量能提高2.61倍。