張曉光， 林財(cái)興， 趙翠蓮

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

基于Quest的生產(chǎn)線物流系統(tǒng)仿真

張曉光， 林財(cái)興， 趙翠蓮

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化生產(chǎn)線物流系統(tǒng)的應(yīng)用研究逐步受到重視．物流系統(tǒng)的仿真可以有效地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線的瓶頸環(huán)節(jié)，避免投資建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)．以某企業(yè)的生產(chǎn)制造系統(tǒng)為例，利用Quest實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的優(yōu)化仿真，指出系統(tǒng)出現(xiàn)的瓶頸環(huán)節(jié)并分析造成該問題的原因．然后，在一定的優(yōu)化目標(biāo)下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，并對(duì)比配置前后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，從而為整條生產(chǎn)線的最終物流優(yōu)化方案的確定提供決策參考．

物流仿真;系統(tǒng)優(yōu)化;瓶頸環(huán)節(jié);數(shù)字化建模

Abstract:With the development of computer simulation technology，digital production line logistics system receives increasingly more attention．Bottlenecks in a production line can be found in logistics simulation to avoid risk in the investment and construction．Logistics simulation is performed with the software Quest to achieve system optimization．The aim of simulation is to find bottlenecks in a production line and identify causes of the problem．The system configuration is optimized to meet certain optimization goals．Statistical parameters before and after configuration are compared to obtain an optimal solution．

Key words:logistics simulation;system optimization;bottleneck link;digital modeling

制造企業(yè)生產(chǎn)線的建造往往需要投入大量的資金，所以建造初期生產(chǎn)組織與規(guī)劃的合理與否就顯得尤為重要，不然就會(huì)造成資金的浪費(fèi)．研究資料［1-4］表明:許多國(guó)內(nèi)外已建成的復(fù)雜制造系統(tǒng)或生產(chǎn)線仍然存在很多問題，難以達(dá)標(biāo)，其中60%的原因是初期規(guī)劃不合理或失誤．Apple公司曾經(jīng)的MacintoshⅡ生產(chǎn)線就是因?yàn)樵O(shè)計(jì)不合理，使其在第一年的實(shí)際運(yùn)行中，制品數(shù)量堆積嚴(yán)重，操作人員的空閑時(shí)間過多，生產(chǎn)線產(chǎn)量比預(yù)期低30%．隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，利用物流仿真技術(shù)可以比較有效地解決這一問題．本研究以某液壓缸企業(yè)初期規(guī)劃的生產(chǎn)線為研究對(duì)象，利用Quest仿真軟件分析該生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃方案潛在的作業(yè)“瓶頸”和物流制約環(huán)節(jié)，為改善實(shí)際生產(chǎn)線提供決策依據(jù)，并最終實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)．

1 企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)規(guī)劃描述

本研究創(chuàng)建的物流仿真系統(tǒng)依托的對(duì)象是企業(yè)新規(guī)劃的油缸車間．該車間有3條生產(chǎn)線，分別為缸體生產(chǎn)線、活塞桿生產(chǎn)線及裝配線．該車間的生產(chǎn)任務(wù)規(guī)劃如下:設(shè)月產(chǎn)量為Fm=7 200個(gè)，每月的工作天數(shù)為Dm=30 d，日產(chǎn)量為Ft=Fm/Dm=260個(gè)，每天的工作時(shí)間為Tm=20 h．

1．1 生產(chǎn)工藝流程

該規(guī)劃車間的工藝流程如圖1所示．

1．2 生產(chǎn)線設(shè)施布局

該制造廠的3條生產(chǎn)流水線大致呈平行布置．活塞桿生產(chǎn)線為半U(xiǎn)形布局，缸體生產(chǎn)線和裝配線為線性布局．生產(chǎn)線設(shè)施布局如圖2所示．

圖1 加工工藝流程圖Fig．1 Flow diagrams for process plants

圖2 生產(chǎn)線設(shè)施布局圖Fig．2 Layout of the processing line

2 基于Quest的生產(chǎn)加工建模與仿真

2．1 仿真目標(biāo)的提出

本研究主要是通過對(duì)新規(guī)劃的油缸車間進(jìn)行物流仿真來驗(yàn)證預(yù)先規(guī)劃的工藝方案的合理性，以及挖掘潛在的制約生產(chǎn)能力的弊端工藝，從而輔助工藝部門提出改進(jìn)方案．

仿真目標(biāo)具體如下:① 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的驗(yàn)證，從而保證企業(yè)規(guī)劃產(chǎn)能的實(shí)現(xiàn);②驗(yàn)證物流堵塞情況，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線平衡;③通過工藝調(diào)整，提供機(jī)器設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)．

2．2 系統(tǒng)建模原理

系統(tǒng)建模首先需要從工藝規(guī)劃部門得到相關(guān)的工藝參數(shù)，然后在可視化虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字化工廠的初步布局．具體布局過程如下:① 車間宏觀建筑與輔助模型的布局;②車間微觀模型的布局，可細(xì)分為流水線布局、工作單元布局、工作單元內(nèi)設(shè)備布局、工作單元之間的聯(lián)系布局;③ 工裝線的布局;④配送工具的布局．最后，進(jìn)行物流系統(tǒng)的邏輯建模，包括工藝參數(shù)的導(dǎo)入、配送方案的設(shè)定、排隊(duì)方式的選擇等．

2．3 Quest環(huán)境下生產(chǎn)加工系統(tǒng)的建模

目前市場(chǎng)上有多種仿真軟件，其中達(dá)索公司的Quest和UGS公司的Em-Plant都屬于知名CAD公司的物流軟件，在大型制造業(yè)領(lǐng)域的仿真中都有比較成熟的應(yīng)用［5-7］．Quest相比其他仿真軟件有著更強(qiáng)大的后處理能力，更適應(yīng)大型制造業(yè)生產(chǎn)線，因此，本數(shù)字化生產(chǎn)線選擇了Quest仿真軟件．

本數(shù)字化車間所用模型可通過外部軟件Solidworks導(dǎo)入，所創(chuàng)建的零件分為兩大類:活塞桿類和缸體類．由于在仿真系統(tǒng)中，從原料到加工完成，每個(gè)工藝環(huán)節(jié)中工件的幾何特征都會(huì)改變，因此需針對(duì)每個(gè)類設(shè)置多種幾何特征．創(chuàng)建緩沖區(qū)時(shí)，應(yīng)該設(shè)置排隊(duì)邏輯．本研究中所有的緩沖區(qū)采用的排隊(duì)邏輯為先進(jìn)先出(first in first out，F(xiàn)IFO)．物流工具的配置方法如下:原料上活塞桿或缸體線使用自動(dòng)導(dǎo)航小車(automatic guided vehicle，AGV)，各個(gè)工位零件的移動(dòng)使用桁架手，涂裝線使用積放鏈系統(tǒng)．整條數(shù)字化生產(chǎn)線的仿真模型如圖3和圖4所示．

圖3 仿真系統(tǒng)全局圖Fig．3 Global map of the simulation system

表1 系統(tǒng)輸入?yún)?shù)匯總表Table 1 Summary of system input parameters

表2 物流參數(shù)輸入Table 2 Input parameters of logistics

2．4 生產(chǎn)加工系統(tǒng)的仿真

系統(tǒng)仿真模型建好之后，在運(yùn)行仿真之前，Quest要求用戶設(shè)定各個(gè)工位的加工時(shí)間以及系統(tǒng)的仿真時(shí)間．各個(gè)工位的輸入時(shí)間如表1所示．

為了分析該仿真系統(tǒng)一天內(nèi)的運(yùn)行情況，初步設(shè)定仿真時(shí)間為Tm=20 h(1 200 min)．由于在系統(tǒng)運(yùn)行初始，整條生產(chǎn)線是空的，為了把半成品鋪滿生產(chǎn)線的所有空位，通過對(duì)表1中各個(gè)工位數(shù)據(jù)的相加計(jì)算，可以得出理論規(guī)劃上活塞線鋪滿半成品需花費(fèi)的時(shí)間為62．4 min，而缸體線需花費(fèi)的時(shí)間為30．5 min．因此，仿真時(shí)間取最大值 62．4 min，加上初定的1 200 min，最后設(shè)定仿真時(shí)間為1 263 min．三種物流工具的物流參數(shù)輸入如表2所示．

2．5 仿真數(shù)據(jù)的分析

當(dāng)仿真時(shí)間達(dá)到用戶設(shè)定的時(shí)間或者用戶終止仿真后，Quest將提供多種仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其仿真結(jié)果輸出方式有數(shù)字輸出和圖形輸出．本系統(tǒng)確定的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有:生產(chǎn)節(jié)拍、在制品庫(kù)存、設(shè)備利用率．

生產(chǎn)節(jié)拍的計(jì)算結(jié)果如表3所示．設(shè)仿真系統(tǒng)的節(jié)拍為Tf，原始工藝規(guī)劃節(jié)拍為Ty，仿真系統(tǒng)的日生產(chǎn)總量為Tfm．削出口緩沖區(qū)及裝配線涂裝上線緩沖區(qū)的庫(kù)存堆積也比較嚴(yán)重．這些環(huán)節(jié)都是瓶頸環(huán)節(jié)，必須予以優(yōu)化．

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備利用率情況如圖5和圖6所示．可以看出，大部分設(shè)備的利用率都達(dá)不到50%，所以需要優(yōu)化系統(tǒng)，提高設(shè)備利用率．

表3 零件產(chǎn)生數(shù)量及加工成品統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of finished parts and product

表4 在制品的庫(kù)存統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of In-process inventory

圖5 缸體線各個(gè)工序代表設(shè)備負(fù)荷Fig．5 Load maps of the cylinder line equipments

圖6 活塞線各個(gè)工序代表設(shè)備負(fù)荷Fig．6 Load maps of the piston rod line equipments

可見，系統(tǒng)在輸入?yún)?shù)下的生產(chǎn)節(jié)拍較慢，所以必須找出瓶頸環(huán)節(jié)，然后優(yōu)化系統(tǒng)，使生產(chǎn)節(jié)拍滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)．

在制品的庫(kù)存統(tǒng)計(jì)如表4所示，其中5處緩沖區(qū)的在制品的庫(kù)存數(shù)量都較大，而活塞桿原料上線緩沖區(qū)的堆積現(xiàn)象更嚴(yán)重，在制品數(shù)量達(dá)到73件，等待處理的最長(zhǎng)時(shí)間間隔達(dá)到了11．534 min．另外，缸體車通過以上分析可以看出，該初始規(guī)劃的生產(chǎn)線存在如下問題:①平均加工節(jié)拍慢;② 設(shè)備的整體利用率低;③在制品庫(kù)存量大，庫(kù)存成本高;④最大的瓶頸環(huán)節(jié)為活塞桿車削中心產(chǎn)能低，很多零件都堆積到活塞桿原料上線緩沖區(qū)上;⑤涂裝線的上料區(qū)也存在嚴(yán)重的物流阻塞現(xiàn)象．

3 系統(tǒng)優(yōu)化

生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)可以分為以下3個(gè)方面［8-10］:① 優(yōu)化系統(tǒng)生產(chǎn)能力，即通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化來提高系統(tǒng)產(chǎn)能，使得系統(tǒng)生產(chǎn)能力滿足規(guī)劃需求;②優(yōu)化整體設(shè)備的利用率，即通過對(duì)系統(tǒng)各個(gè)因素的修正與優(yōu)化，從而提高整體設(shè)備的利用率，避免成本浪費(fèi);③在制品庫(kù)存量?jī)?yōu)化，在制品庫(kù)存量大會(huì)產(chǎn)生大量的庫(kù)存費(fèi)用，造成成本浪費(fèi)，而且也會(huì)影響其他優(yōu)化目標(biāo)．

上述各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)在各自的優(yōu)化過程中相互促進(jìn)、相互制約．而本研究將系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)先級(jí)定義為生產(chǎn)能力＞設(shè)備利用率＞在制品庫(kù)存．系統(tǒng)的優(yōu)化將從以下3個(gè)方面進(jìn)行．

3．1 驗(yàn)證規(guī)劃產(chǎn)能

結(jié)合平面布局圖2進(jìn)行分析．通過第2節(jié)的仿真數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的產(chǎn)能或節(jié)拍沒有達(dá)到規(guī)劃目標(biāo)，其具體原因是:原料處被加工零件的提供節(jié)拍完全滿足于目標(biāo)節(jié)拍，但被加工活塞零件在活塞桿車削工序環(huán)節(jié)的入口1處堆積現(xiàn)象比較嚴(yán)重;另外，涂裝線入口處的堆積現(xiàn)象也比較嚴(yán)重(由圖4可見，活塞桿車削環(huán)節(jié)1處有6臺(tái)加工車床)．

首先，利用Quest的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能分析發(fā)現(xiàn)，活塞線車削中心1處6臺(tái)加工車床的利用率都很低，均達(dá)不到50%．原因是由于桁架手的運(yùn)輸效率低，因此可初步認(rèn)為物流運(yùn)輸規(guī)劃不合理．同理，涂裝線入口的堆積現(xiàn)象是由下道工序物流運(yùn)輸能力不足所致．表5為設(shè)備利用率統(tǒng)計(jì)表．

表5 活塞桿車削中心1利用率統(tǒng)計(jì)Table 5 Utilization of the piston rod turning center 1

為了滿足生產(chǎn)節(jié)拍，初步的改進(jìn)措施如下:①活塞桿車削中心增加1個(gè)桁架手進(jìn)行配送，并且提高兩個(gè)桁架手的配送速度，直到滿足在一天的仿真時(shí)間內(nèi)活塞桿線入口緩沖區(qū)的在制品數(shù)量為5～6件;②增加涂裝線懸掛輸入鏈系統(tǒng)的運(yùn)輸小車到4個(gè)，提高輸送帶的速度直到滿足在一天的仿真時(shí)間內(nèi)涂裝線上線緩沖區(qū)的在制品數(shù)量為3～4件．通過運(yùn)行仿真系統(tǒng)，得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表6所示．

由此生產(chǎn)節(jié)拍基本滿足，生產(chǎn)線的整體規(guī)劃經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整后可以滿足規(guī)劃節(jié)拍．

表6 系統(tǒng)優(yōu)化后產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of the optimized system

3．2 從提高設(shè)備利用率的角度優(yōu)化系統(tǒng)

通過上述步驟的優(yōu)化可以發(fā)現(xiàn)，所有的設(shè)備利用率總體有了一定的提高，其中活塞桿線車削中心1的6個(gè)車床使用率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表7所示．

表7 系統(tǒng)優(yōu)化后活塞桿車削中心1利用率統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of piston rod turning center 1 of the optimized system

可見，當(dāng)前的車床利用率為71．08%，高于原來的不超過50%的利用率，所以該車削中心的車床利用率在系統(tǒng)優(yōu)化后得到了大大提升．但是缸體線刮輥工位設(shè)備的使用率還是相對(duì)較低，因此，合并刮輥機(jī)的兩個(gè)工位為一個(gè)工位，從而提高設(shè)備的使用率(空閑的另一個(gè)刮輥機(jī)以備產(chǎn)能擴(kuò)大后使用)．利用Quest的圖標(biāo)統(tǒng)計(jì)功能繪制出優(yōu)化前后設(shè)備的利用率對(duì)比圖，結(jié)果如圖7和圖8所示．

圖7 刮輥機(jī)工位原始狀態(tài)分析圖Fig．7 Initial state diagram of scraping roller machine

3．3 在制品庫(kù)存量?jī)?yōu)化

通過以上優(yōu)化措施，在制品的庫(kù)存量也大大降低了，但是在活塞桿線AGV卸料處還有較多庫(kù)存，必須予以優(yōu)化．經(jīng)過分析，這是由運(yùn)輸原料的AGV小車效率過高所致，因此，把物流工具AGV的加載速度從規(guī)劃的70 000 mm/min調(diào)整到60 000 mm/min．經(jīng)過優(yōu)化，該處的緩沖區(qū)半制品配置到8個(gè)左右．經(jīng)過最后的統(tǒng)計(jì)，整條生產(chǎn)線每天的在制品庫(kù)存量為40個(gè)左右，平均每條生產(chǎn)線20個(gè)左右．

圖8 刮輥機(jī)工位合并后的狀態(tài)分析圖Fig．8 State diagram after the processing station merged

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過仿真軟件Quest對(duì)實(shí)際的物流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出了優(yōu)化方案，并且對(duì)比優(yōu)化前后的仿真數(shù)據(jù)，得出了優(yōu)化措施可行性的結(jié)論．通過本仿真系統(tǒng)的研究可以發(fā)現(xiàn):①制造系統(tǒng)的物流運(yùn)輸能力對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率的影響很大，很多比較合理的工藝規(guī)劃達(dá)不到預(yù)計(jì)的生產(chǎn)效果，其原因大多由于物流運(yùn)輸效率不能滿足生產(chǎn)需求，因此對(duì)生產(chǎn)制造系統(tǒng)中物流運(yùn)輸?shù)慕Ｗ詈貌挥美硐霔l件假設(shè)，以免系統(tǒng)的可信度受到質(zhì)疑，達(dá)不到研究的目的;② 在多重優(yōu)化目標(biāo)的前提下，由于多目標(biāo)之間相互促進(jìn)與相互制約，所以必須把優(yōu)化目標(biāo)按優(yōu)先級(jí)排序，再逐級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，這樣就可以達(dá)到研究的目的．

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Simulation System of a Production Line Based on Quest

ZHANG Xiao-guang， LIN Cai-xing， ZHAO Cui-lian
(School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

TP 391．9

A

1007-2861(2012)05-0500-06

10．3969/j．issn．1007-2861．2012．05．012

2011-06-15

林財(cái)興(1951～)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镃IMS、多媒體技術(shù)與應(yīng)用．E-mail:cxlin@staff．shu．edu．cn