柴油機關鍵件生產線的方案設計研究

文傳奇，杜兵，張鵬

(1.上海船舶設備研究所，上海 200030；2.重慶紅江機械有限責任公司，重慶 402160)

0 前言

仿真技術是利用系統模型對真實或設想的系統進行動態研究的綜合性技術，在節約經費、減少損失、縮短開發周期、提高產品質量等方面起到了重要作用[1]。陳杰等人[2]用Plant Simulation對某柴油機缸體生產線進行仿真，對瓶頸工序配置緩存區，有效提高了設備的利用率和生產線的生產率。李慧等人[3]建立了處于設計階段的某航空發動機葉片生產線的Plant Simulation仿真模型，對生產線進行優化，節約了成本、縮短了設計周期。

《中國制造2025》中將海洋工程裝備及高技術船舶列為十大“加快突破的戰略必爭領域”之一。柴油機是其主要的推進動力，而作為柴油機“心臟”的燃料噴射系統對柴油機性能和排放有重要的影響，是柴油機的核心部件。H公司為提高產能和把控質量，正規劃設計一條柴油機核心零部件的自動生產線。本文作者對生產線方案進行研究[4-5]，并基于Plant Simulation軟件平臺建立3D仿真模型，對生產線進行仿真分析，對緩存區容量進行配置；從產能、設備利用率、建設成本、后期維護等方面綜合對方案進行評估。

1 生產線模型構建

1.1 生產線的描述

H公司生產的某柴油機燃油噴射系統核心零部件的需求量極大、加工精度高、加工工序復雜。主要工藝為：在熱處理前采用高精度數控車床一次性加工成形，熱處理后分多次進行磨削加工。H公司規劃設計一條生產該零件的自動生產線，該生產線位于恒溫車間，擬實行全天24 h無人干預運行模式，采用機器人進行上下料和工序間的周轉。該生產線主要承擔零件熱處理后的磨削加工、退磁及清洗工序。采集并記錄現場的加工數據，其工藝流程及相關生產數據如表1所示，其中加工時間是加工一批次產品所用的平均時間。

表1 工藝流程及相關生產數據

考慮場地、經濟性等方面，提出2種生產線方案。針對2種方案，分別建立Plant Simulation仿真模型，分析評估2種方案，為公司的決策提供依據。該生產線仿真模型主要關注3個方面：(1)月產量；(2)設備平均利用率；(3)在設計之初考慮到了緩存區，雖然取消緩存區將節約空間與成本，但也應考慮取消緩存區對產能與設備利用率的影響。

1.2 規劃方案說明

2種方案都可看作單元式布局。方案1采用5臺固定式機器人，如圖1所示。1個機器人與周圍4個裝置可看作1個單元。首先,機器人1從上料臺取零件，在機床1、機床2上依次完成2道工序加工，將零件放置于緩存區1，之后機器人2從緩存區1取零件加工，加工完后送入后續緩存區2，依次類推，最后機器人5將加工完成的零件送入下料臺。緩存區的設置有利于單元之間零件的傳輸。

圖1 方案1示意

方案2采用2臺運輸式機器人，如圖2所示。機器人可在固定的軌道上左右移動，1臺機器人可服務于多臺機床。同樣以緩存區為分割，方案2可以看作由2個單元組成，機器人1從上料臺取料，運輸零件并在機床1～機床6之間依次完成前6道工序的加工，加工完后將零件放置于緩存區；機器人2從緩存區取零件，在機床7～機床10上完成后續工序，最后將加工完成的零件送入下料臺。

圖2 方案2示意

2 仿真模型建立

2.1 Plant Simulation仿真模型

Plant Simulation是一款面向對象的工廠、生產線及物流仿真與優化的軟件，能夠對生產物流、產能、車間布局等進行定量驗證與優化，從而在方案實施前，通過仿真驗證實施之后的效果，并可以預測未知的狀況。根據所設計的2種生產線方案，建立生產線的Plant Simulation仿真模型[6-9]，如圖3、圖4所示。在仿真模型里，機床、緩存區和機器人的布置順序與方案示意圖一致，其仿真流程嚴格按照零件的加工工序進行?？紤]到工作空間的影響，2臺機器人之間要有足夠的距離，設備的外形尺寸見表1。建立完仿真模型后，方案1需要的場地尺寸為28 m×10 m，方案2為22 m×10 m。

圖3 方案1生產線的Plant Simulation模型

圖4 方案2生產線的Plant Simulation模型

2.2 參數設定

假設機器人總運輸時間等于第一軸旋轉到位時間加上裝卸時間，對于移動式機器人則還需要加上左右移動時間。設定機器人的裝夾與卸載時間為20 s、第一軸旋轉速度為12.5 s/圈、移動速度為1 m/s、加減速度為0.3 m/s2。仿真過程設置如下：

(1) 生產線24 h運行，仿真按照720 h進行，仿真一個月的產量；

(2) 上料充足，但產品最終合格率按95%計算，在最后的檢查工序進行檢測，零件合格進入下料臺，否則進入廢料盒;

(3) 每道工序的加工時間允許有5%的浮動；機床可利用率為95%，平均修理時間為20 min。

3 生產線仿真分析

離散事件具有隨機性，本文作者采用Plant Simulation中的Experiment Manager控件，設定每次試驗10次觀察次數、95%的置信率[10-11]，通過多次試驗計算均值得到仿真結果。

3.1 生產線方案的仿真與分析

首先假設零緩存，分析取消緩存區后生產線的產能與設備利用率。將2種方案的所有緩存區容量都設置為1，得到生產線運行結果如表2所示，某一次仿真的機床利用率分別如圖5、圖6所示。

表2 仿真結果

圖5 優化前方案1機床利用率

圖6 優化前方案2機床利用率

由表2可知：方案1的月產量約為8 800，設備的平均利用率51.4%;方案2的月產量約為5 100，設備平均利用率只有30.2%。在仿真期間，1臺機床所有的時間可分為四部分，分別為故障中、已堵塞、等待中和工作中。故障中是在仿真時設置了設備的可利用率為95%，圖5、圖6中各機床略有不同，但占比大體接近5%。等待中是機器人從機床上取走零件到重新裝夾零件之間的時間差造成的，等待時間與機器人的裝夾速度成正比。工作中是機床用于加工零件的時間，方案1的部分機床利用率能達到60%，而方案2機床利用率最高不超過40%。已堵塞表示機床加工好零件后，一直等待零件被取走的時間，可以發現2條生產線都出現了嚴重的堵塞[12]。主要原因有：

(1)生產線不平衡，各道工序加工時間不同，而單元內必須連續加工，一旦兩者加工時間相差較大，就會出現堵塞；從整個流水線來看，單元之間也是按照順序加工，各個單元之間的不平衡，甚至于某臺機床出現故障，都會導致整條生產線堵塞；

(2)無論是固定式機器人還是運輸式機器人，等待機器人裝卸及運輸，都會導致加工出現堵塞；經過試驗，將機器人的速度提高一倍，產量能上升2%左右，但受機器人性能的限制，以及考慮到生產安全因素，提高速度不可取。

3.2 生產線緩存區配置

顯然緩存區的存在不只是起到傳遞單元間零件的作用，還可以減少單元間的等待時間，減少堵塞時間。在某臺機床出現故障時，前序單元可以不受影響繼續加工，生產的零件放入緩存區內。而后續單元在緩存區有零件儲存的情況下，也可以繼續生產，這大幅度降低了單元之間的依賴性，使生產線更平衡。

在實際生產中，應確定每個緩沖區的容量，以便對緩存區進行建設。由于各個單元之間的不平衡，每個緩存區所需的容量不同。因此，通過仿真為每個緩存區配置最佳的容量?？紤]到實際生產緩存區不可能無限大，將緩存區的容量都設置為1 000，通過仿真，記錄每次試驗時每個緩存區所使用到的最大容量，從而確定各個緩存區的最佳容量。10次仿真結果如表3所示?？紤]到隨機因素的影響，按表3中各緩存區最大值上浮20%作為每個緩存區的容量值。

表3 優化仿真結果

由表3可知在緩存區容量充足的前提下，方案1、2的產能分別提升了24.9%和11.2%，優化后設備平均利用率分別提升了24.9%和10.9%。方案1機床利用率顯著提高，方案2雖然也有明顯提升，但與方案1仍差距很大。

圖7和圖8所示為緩存區容量配置好后的1次試驗中測得的設備利用率，方案1的部分機床的利用率達到了75%，方案2最高只有40%?？梢钥吹絻灮笥捎诰彺鎱^的影響，堵塞大大減少，這是機床利用率上升的主要原因。通過以上仿真分析，可知緩存區對產能與設備利用率的影響很大，因此緩存區的存在是必要的。

圖7 優化后方案1機床利用率

圖8 優化后方案2機床利用率

3.3 生產線方案評估

根據仿真得到的月產量、設備利用率及占地面積，同時考慮現場建設難度、成本以及后期維護因素，對2種方案進行綜合對比分析。對每項因素按1～5評分，得分高則更有優勢，其結果如圖9所示。

圖9 方案評估分析結果

由圖9可知：方案1需要安裝更多的機器人、建設更多的緩存區，因而需要的場地、建設成本以及建設難度都大于方案2。但方案1在產能與設備利用率方面遠優于方案2。從后期維護來看，方案1由于其分散性，更有利于維護。綜合分析2種生產線方案，方案1整體性能更優。

4 結語

本文作者為H公司規劃設計了2種生產線方案，并以Plant Simulation為平臺，構建了生產線的3D仿真模型。通過仿真分析，得出緩存區的存在是必要的。對緩存區容量進行配置，2種方案的產能及設備平均利用率都有很大提升。通過綜合分析，驗證了方案1的整體性能更優。