吳正佳， 劉碧波

（三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院，湖北宜昌443002）

0 引言

在機(jī)床、車輛、船舶等傳動(dòng)裝置內(nèi)，齒輪作為最重要的機(jī)械傳動(dòng)裝置之一被廣泛地應(yīng)用于各種主要部件中［1］。但對(duì)于制造行業(yè)中的仿真研究問題，我國(guó)開展的工作并不深入，特別是對(duì)于齒輪生產(chǎn)的整個(gè)過程研究甚少，現(xiàn)有的研究也多數(shù)是從齒輪自身的強(qiáng)度、特性以及適用性等方向出發(fā)進(jìn)行探討。所以本文通過Witness軟件，將物流仿真的概念與齒輪的生產(chǎn)裝配過程相結(jié)合，對(duì)中國(guó)一拖某齒輪生產(chǎn)裝配線進(jìn)行仿真，從而建立一種可視化的動(dòng)態(tài)顯示界面。通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)的優(yōu)化，找到合適的優(yōu)化方案。

1 齒輪生產(chǎn)裝配線現(xiàn)狀分析

對(duì)一拖齒輪生產(chǎn)車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，依據(jù)齒輪生產(chǎn)裝配線的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，收集齒輪生產(chǎn)裝配線的生產(chǎn)時(shí)間數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)車間的布局?jǐn)?shù)據(jù)、工位布置規(guī)劃、零部件明細(xì)、零部件的存放、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)人員和生產(chǎn)工時(shí)等。該線上生產(chǎn)的主要零部件包括細(xì)長(zhǎng)花鍵軸、驅(qū)動(dòng)齒輪、齒輪軸等。

圖1 齒輪生產(chǎn)線物流結(jié)構(gòu)圖

該企業(yè)主要生產(chǎn)工程機(jī)械變速齒輪箱，其中副箱驅(qū)動(dòng)齒輪由齒輪軸、驅(qū)動(dòng)齒輪、細(xì)長(zhǎng)花鍵軸組成。每個(gè)生產(chǎn)部件由不同的生產(chǎn)車間單獨(dú)完成加工，其中細(xì)長(zhǎng)花鍵軸必須經(jīng)過熱處理車間。齒輪軸與驅(qū)動(dòng)齒輪加工后進(jìn)行裝配，再與完成熱處理過程的細(xì)長(zhǎng)花鍵軸進(jìn)行裝配。各加工時(shí)間服從正態(tài)分布，生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)物流圖如圖1所示。

加工齒輪軸要求用車床組、插齒機(jī)組、銑床組和磨床機(jī)組4組機(jī)器來完成4道工序，每一道工序都要按照先前的工藝順序規(guī)定在指定的機(jī)器組上完成，通過觀測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間為27 min。

加工驅(qū)動(dòng)齒輪使用了7組機(jī)器∶車床組、滾齒機(jī)組、插齒機(jī)組、剃齒機(jī)組、倒角機(jī)組、清洗機(jī)組、磨床機(jī)組。按照順序進(jìn)行事先規(guī)定好的工藝流程，通過觀測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間為19.7 min。

細(xì)長(zhǎng)花鍵軸的原材料是棒料，其加工工序?yàn)椋捍蚩住④囃鈭A、粗車卡簧槽、滾齒、打標(biāo)記、清洗、精車。完成一道工序后，工件會(huì)進(jìn)入下一道工序或者處于等待進(jìn)入狀態(tài)，進(jìn)行規(guī)定的工藝順序，通過觀測(cè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間為15.2 min。

在熱處理車間主要是對(duì)細(xì)長(zhǎng)花鍵軸表面進(jìn)行熱處理，在軸表面進(jìn)行一系列的物理變化及化學(xué)變化，提高表面的硬度，使半成品具有耐磨、耐疲勞、耐腐蝕等優(yōu)良性能，還需進(jìn)行冷卻處理，該工序?qū)τ谔岣弋a(chǎn)品的使用性能具有重要的意義，該工序的加工時(shí)間

為10 min。

在裝配車間一階段，主要是將加工后的齒輪軸與驅(qū)動(dòng)齒輪進(jìn)行裝配，裝配完成后檢驗(yàn)合格的放入緩沖站傳入下一工序，裝配時(shí)間為20 min。

在裝配車間二階段，主要是把裝配車間一中得到的組合件與熱處理車間加工冷卻后的零件進(jìn)行組合，并對(duì)得到的成品進(jìn)行檢驗(yàn)，將成品入庫(kù)，該段為整條生產(chǎn)線的最后一段，對(duì)產(chǎn)品要求較嚴(yán)，涉及總檢，加工時(shí)間為18 min。

2 基于Witness的齒輪生產(chǎn)裝配線仿真

2.1 Witness仿真軟件介紹

Witness軟件是由英國(guó)Lanner公司開發(fā)出的一種基于離散事件仿真的功能強(qiáng)大的工具軟件，該軟件不僅適用于生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真，而且也適用于其他領(lǐng)域的仿真，不僅可以為企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施和規(guī)劃提供模擬環(huán)境及可視化顯示，還可以為合理利用生產(chǎn)系統(tǒng)資源提供一種好的策略［2－3］。

2.2 構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型

模型不能表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的所有方面。表示系統(tǒng)所有細(xì)節(jié)模型通常是差的模型，我們應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)仿真的基本步驟，首先定義問題和設(shè)定目標(biāo)，然后建立解決問題的模型。本研究的目標(biāo)是在保持車間連續(xù)工作的狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，計(jì)算設(shè)備利用率、產(chǎn)量和庫(kù)存量。進(jìn)而通過不同方案下仿真模型的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，提出最優(yōu)方案。

表1 元素定義

定義系統(tǒng)元素，并布置可視化模型的結(jié)構(gòu)圖，本模型主要有3種離散型元素：機(jī)器元素、緩沖區(qū)元素和零部件元素。本模型中采用被動(dòng)式的進(jìn)入規(guī)則，就是要進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)零部件就可以被拉入模型進(jìn)行生產(chǎn)。我們?cè)O(shè)定生產(chǎn)齒輪箱所需的零部件的供應(yīng)是充足的，能夠滿足生產(chǎn)的需要。本系統(tǒng)有6組機(jī)器，3種零部件元素，6個(gè)緩沖區(qū)，元素的相關(guān)定義如表1。

2.3 結(jié)構(gòu)模型的設(shè)置

對(duì)各元素進(jìn)行可視化設(shè)置和細(xì)節(jié)設(shè)置，可視化設(shè)計(jì)中設(shè)置各元素的Text、Icon、part Queue，細(xì)節(jié)設(shè)置中設(shè)置各元素的參數(shù)及相應(yīng)的程序代碼，設(shè)置完成后的顯示結(jié)果如圖2。

圖2 各個(gè)實(shí)體元素的顯示特征

2.4 模型的運(yùn)行及結(jié)果分析

在選擇仿真運(yùn)行長(zhǎng)度時(shí)，不考慮啟動(dòng)時(shí)間、資源失效可能間隔時(shí)間、處理時(shí)間等因素。因此，在運(yùn)行模型前不設(shè)定系統(tǒng)的“預(yù)熱期”。在保持車間逐日連續(xù)工作的條件下進(jìn)行 30 d 8 h（30×8×60=14 400 min）的仿真運(yùn)行，計(jì)算設(shè)備利用率、產(chǎn)出量和庫(kù)存量因素。運(yùn)行結(jié)果如圖3。

由仿真結(jié)果可知：生產(chǎn)車間1、2、3設(shè)備利用率都為100%，處于滿負(fù)荷的狀態(tài)，這對(duì)設(shè)備的損耗很大，這樣會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)備的使用壽命。因此生產(chǎn)齒輪軸、驅(qū)動(dòng)齒輪、細(xì)長(zhǎng)花鍵軸的車間1、2、3為本系統(tǒng)的瓶頸。緩沖區(qū)的功能主要是用于存放上一工站加工完而下一工站來不及加工的零件，因此容量不是很大，但緩沖區(qū)2和緩沖區(qū)4上一月累積的零件數(shù)分別達(dá)到了197件和410件，這顯然嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)線的平衡，而這也正是生產(chǎn)裝配線存在的一些問題。庫(kù)存量最高的是裝配車間2的庫(kù)存，即生產(chǎn)線產(chǎn)出量為533件，因此建設(shè)倉(cāng)庫(kù)時(shí)，與裝配機(jī)組2的距離不宜過長(zhǎng)，可以降低運(yùn)輸成本。

圖3 仿真運(yùn)行結(jié)果

3 齒輪生產(chǎn)線的改善及評(píng)價(jià)

根據(jù)原工廠的實(shí)際調(diào)研情況，原廠的投產(chǎn)順序可以改變，但原料投產(chǎn)批量是固定的，依據(jù)公司資金周轉(zhuǎn)的情況，公司同一種類型的設(shè)備最多只能添加1臺(tái)，并且添加設(shè)備的總臺(tái)數(shù)不能超過2臺(tái)，并且企業(yè)可以引進(jìn)新設(shè)備和新技術(shù)改變局部車間生產(chǎn)的加工時(shí)間，但需要增加資金投入，能改變的車間分別為：生產(chǎn)車間1（24 min），生產(chǎn)車間 2（14 min），生產(chǎn)車間 3（20 min），裝配車間 1（11 min），裝配車間2（15 min）。故依據(jù)工廠的實(shí)際情況和上述仿真模型的結(jié)果分析，在保證緩沖站上積壓總量不大的情況下，現(xiàn)提出了以下方案。方案1：改變不同原料的投產(chǎn)順序；方案2：把加工車間1、2和裝配車間1的數(shù)量變?yōu)?；方案3：在所有車間都引進(jìn)新技術(shù)；方案4：把加工車間1的數(shù)量變?yōu)?，并且在加工車間2、裝配車間1、2處引進(jìn)新技術(shù)改變生產(chǎn)時(shí)間。按各方案運(yùn)行結(jié)果如表2。

通過對(duì)上述4種方案的仿真發(fā)現(xiàn)，方案1改變?cè)系耐懂a(chǎn)順序，使得產(chǎn)線緩沖站上累積達(dá)到了平衡，所有車間的利用率都減小了，但加工車間1的利用率為99.64%，還是沒有解決整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸問題，產(chǎn)量變?yōu)?20件，產(chǎn)量不增反減，所以方案是不可取的。

表2 運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

方案2增加車間數(shù)量，雖然產(chǎn)量增加到782件，但所有車間的利用率改變很大，并且裝配車間2的利用率為97.73%，仍然很大，并且其他車間的利用率相對(duì)較低，所以也沒有解決系統(tǒng)的瓶頸問題，方案是否可取有待比較，有很大的參考價(jià)值。

方案3在所有的車間都引進(jìn)新技術(shù)降低車間的加工時(shí)間，在保證緩沖區(qū)平衡的前提下，可以看到車間利用率變化后，適當(dāng)?shù)亟档土塑囬g的利用率，但降幅太大，并且產(chǎn)出降為467件，增加成本反而起到了負(fù)面的作用，這是不可取的。

最后通過綜合比較發(fā)現(xiàn)較優(yōu)的方案是方案4。因?yàn)榻?jīng)過此優(yōu)化后的模型，得到緩沖區(qū)內(nèi)產(chǎn)品的累積量也大大降低，車間的利用率也降低到恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，既提高了利用率也不至于降低設(shè)備的使用壽命，盡管熱處理車間和裝配車間1的利用率提高幅度不大，但在所有方案中是最優(yōu)的，不僅解除了存在于系統(tǒng)中的瓶頸問題，而且產(chǎn)量由原來的533件提升為880件，因此該方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用Witness仿真軟件，對(duì)中國(guó)一拖某一條齒輪生產(chǎn)裝配線來進(jìn)行仿真，通過對(duì)仿真模型輸出數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程的瓶頸，并通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，多次獨(dú)立運(yùn)行模型，得到能夠消除系統(tǒng)瓶頸的改善方案，再通過對(duì)不同改善方案的對(duì)比分析，得出一個(gè)能提高產(chǎn)線產(chǎn)能的較優(yōu)的系統(tǒng)配置，能為生產(chǎn)管理者制定生產(chǎn)決策提供很好的決策參考，同時(shí)也對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造系統(tǒng)的改善與優(yōu)化有一定的借鑒意義。

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