何自璋，朱永國，2，孫士平

（1.南昌航空大學　航空制造工程學院，南昌 330063；2.江西洪都航空工業(yè)集團有限公司，南昌330024）

基于ProModel的連桿生產(chǎn)線構建與仿真*

何自璋1，朱永國1，2，孫士平1

（1.南昌航空大學航空制造工程學院，南昌 330063；2.江西洪都航空工業(yè)集團有限公司，南昌330024）

連桿是汽車發(fā)動機的重要組成部分，因此連桿生產(chǎn)效率的高低將直接影響到汽車發(fā)動機的生產(chǎn)量。文章以連桿生產(chǎn)線為研究對象，結合ProModel軟件構建的連桿生產(chǎn)線仿真模型和利用數(shù)值模擬方法對工廠的實際生產(chǎn)狀況進行了仿真分析，得到了連桿生產(chǎn)過程中的力能參數(shù)，并以仿真實驗結果為依據(jù)，對生產(chǎn)過程中的各工位及生產(chǎn)設備的使用率進行了研究，找出了連桿在生產(chǎn)過程中所遇到的瓶頸，針對該瓶頸問題，制定了相應的連桿生產(chǎn)線優(yōu)化方案，從而進一步提高了連桿的生產(chǎn)效率。

連桿生產(chǎn)線；仿真；ProModel

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多工廠的生產(chǎn)線日益增多而且變得越來越復雜，這就給生產(chǎn)帶來了許多的問題，如，因為生產(chǎn)車間的車間布局復雜，使得車間的物品運輸經(jīng)常發(fā)生堵塞，設備利用率下降，資源得不到充分的利用，從而導致車間的生產(chǎn)效率嚴重下降，而作為汽車發(fā)動機重要組成部分的連桿，其生產(chǎn)也遇到了同樣的問題，因此，為了能夠提高連桿的生產(chǎn)效率，給企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本，需要對整個連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)的性能進行分析和優(yōu)化改進，只有這樣才能為企業(yè)創(chuàng)造出更大的利益。為了更好的解決生產(chǎn)中遇到的類似問題，S.G.Lee等運用Arena軟件對于自動庫存補貨系統(tǒng)進行了仿真，以使得在巷道狹窄的倉庫可以盡量減少搬運工具，提高物流效率［1］。Henk de Swaan Arons等運用離散事件仿真模型，將模型存入特定數(shù)據(jù)庫中，在Arena模擬軟件中研究了庫存補貨戰(zhàn)略［2］。昆明理工大學的詹躍東、駱瑛基于Petri網(wǎng)理論對煙草行業(yè)的卷接包車間的AGVS進行了分析，并對該系統(tǒng)構造了一Petri網(wǎng)模型，并進行了仿真研究［3］。安徽工業(yè)大學的李明河、魯蔚鋒提出了一種基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)車間物料運輸系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型，可以將該系統(tǒng)的物理過程通過網(wǎng)系統(tǒng)形象地表示出來，并反映出系統(tǒng)的動態(tài)特性。同時用ARENA仿真軟件對該系統(tǒng)進行了模型仿真研究［4］。王英凱，安曉東進行了基于遺傳算法的物流建模與仿真分析［5］。他們在對傳統(tǒng)算法討論的基礎上提出了一種基于遺傳算法的物流配送最佳路徑選擇建模方法，并應用實例進行了仿真分析。鄭順水提出了基于生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化技術，建立了應用對象、類庫、仿真模型，進行了物流和生產(chǎn)調度仿真，對瓶頸設備與故障進行了分析及生產(chǎn)線能力評估，為生產(chǎn)線規(guī)劃與生產(chǎn)調度計劃的制定提供了可靠的科學依據(jù)［6］。

本文主要是運用專業(yè)的優(yōu)化仿真軟件-ProMode構建連桿生產(chǎn)線仿真模型，通過離散事件系統(tǒng)仿真方法進行優(yōu)化設計，以仿真實驗結果為依據(jù)，分析各工位和生產(chǎn)設備的利用率，找出連桿在生產(chǎn)過程中遇到的瓶頸，并針對該瓶頸問題，對連桿生產(chǎn)線進行了相應的改進，從而進一步提高了連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1　離散事件系統(tǒng)仿真流程

根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)是否隨時間連續(xù)變化，可以將系統(tǒng)仿真劃分為連續(xù)系統(tǒng)仿真和離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真，基于ProModel軟件的連桿生產(chǎn)線仿真研究屬于離散系統(tǒng)仿真的范疇。就經(jīng)常接觸的離散系統(tǒng)，其仿真流程一般可以歸結為系統(tǒng)調研、仿真目標確立、收集數(shù)據(jù)、系統(tǒng)模型建立、仿真模型運行、仿真結果分析、仿真結果輸出以及優(yōu)化方案的比較。離散系統(tǒng)仿真流程圖如圖1所示。

圖1　離散系統(tǒng)仿真流程圖

2　連桿生產(chǎn)線的組成及功能分析

連桿是汽車發(fā)動機的重要組成部分。本例中的研究對象連桿生產(chǎn)線主要是由數(shù)控機床、一臺鉆床、一臺磨床及兩個工作臺等設備組成。此外，還包括一臺自動測量儀，一個檢驗臺和成品測量儀等，而這些設備主要是用來完成連桿制造質量檢測和控制的。連桿生產(chǎn)線的工位及設備構成如圖2所示。

圖2　連桿生產(chǎn)線的工位及設備構成

由圖2可以看出，此連桿生產(chǎn)線是按加工的先后順序進行生產(chǎn)的，各工位和設備之間存在著串聯(lián)的關系，這是屬于比較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，當某個工位的加工速率較低或是工件到達的速率大于工位的加工速率時，工件就會出現(xiàn)排隊現(xiàn)象，很顯然，排隊的隊列越長，加工工件等待的時間就越長，這就造成了其他工位和設備出現(xiàn)了空閑狀態(tài)，從而導致工位和生產(chǎn)設備的利用率降低，使得生產(chǎn)線的效率下降。因此為了盡量減少工件的排隊等待現(xiàn)象、提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，可以適當調整各加工工位及其生產(chǎn)設備的性能參數(shù)，使各工位的節(jié)拍相近甚至是相同。另外還可以增加瓶頸工位設備的數(shù)量，形成功能相同的并行加工工位。

但是也不能盲目的調整各工位及其設備的性能參數(shù)或增加設備數(shù)量，因為這樣做不僅會增加生產(chǎn)成本、造成生產(chǎn)設備閑置，還會形成新的瓶頸工位。所以要想很好的解決這類問題，可以通過仿真找到連桿生產(chǎn)線的最合理配置，從而達到提高生產(chǎn)效率的目的。

3　構建連桿生產(chǎn)線的仿真模型

本生產(chǎn)線生產(chǎn)的5種不同型號的連桿分別是：Pw6k、Pw4k112、Pw4k100、Pw4k94和Pw2000，在Pro-Model仿真模型中，分別用5種不同的實體代表上述5種不同型號的連桿。

現(xiàn)用ProModel軟件對連桿生產(chǎn)線進行建模，建模過程如下：

（1）Locations是模型中活動發(fā)生的地方，是仿真系統(tǒng)中承載東西的場所?？捎糜诩庸嶓w，儲存物品，提供服務，Locations一般包括存貨的貨架，材料加工的機床，接收材料的碼頭，傳送貨物的傳輸帶，在下游“Location”中等待被加工物件的隊列等等。本系統(tǒng)中設置的工位有兩類：一類是圖2所示的12個加工和檢測工位；另一類是等待工位，由于各生產(chǎn)加工工位的節(jié)拍不是很一致，因此在某些工位之前或工位之后會設立一些緩沖區(qū)（如圖3中的3個托盤），用以臨時存放待加工工件，直到下一個加工工位可用。在ProModel仿真模型中，用15個位置（locations）表示15個工位。

（2）Entities是模型中加工的對象，也是一個模型的基本元素。例如零件，原材料，文書工作，訂單，顧客和其他一些在系統(tǒng)中流動的東西。本系統(tǒng)中設置的主要是連桿。

（3）PathNetworks的主要作用是設置被加工零件在各工位被搬運的運行路線，也是資源的運行路線，每條路線節(jié)點需要連接到對應的工位才有效。本系統(tǒng)中每類工位間設置一條路線，共14條。

（4）Resources相當于現(xiàn)實系統(tǒng)當中的叉車，員工等，主要是作為搬運被加工零件的載體。本系統(tǒng)中設置了4位員工，分別設置在數(shù)控機床、數(shù)控車床、鉆床和檢驗儀的位置上。

（5）Arrivals可以設置零件到達該系統(tǒng)的規(guī)律?！癆rrivals”定義了“Entity”是怎樣進入模型的。假定本系統(tǒng)的待加工零件不缺貨，其到達規(guī)律為每分鐘到達“毛坯”一個。

（6）Processing是用來描述在位置上對實體進行的一種操作，也是建模過程中較為復雜的部分，因為這個過程需要對部分的編程語言進行設置。Processing表是模型的命令和控制中心。正是Processing定義了Entities在模型運轉過程中發(fā)生什么，它決定了模型中的事情怎樣發(fā)生。

制造系統(tǒng)是動態(tài)的加工系統(tǒng)，加工對象需要在不同的加工工位之間流動。因此在連桿生產(chǎn)線的仿真模型中，設置了4個搬運工人，其中，工人1負責工件在物料傳送帶、檢驗臺、數(shù)控機床、自動測量儀和托盤1的操作；工人2負責工件在數(shù)控車床和托盤2的操作；工人3負責工件在鉆床和托盤3的操作；工人4負責工件在磨床、工作臺1、檢驗儀、工作臺2、成品測量儀和成品區(qū)的操作。

建模完成后的連桿生產(chǎn)線仿真模型如圖3所示。

圖3　連桿生產(chǎn)線仿真模型

4　仿真結果分析及系統(tǒng)優(yōu)化

對于連桿生產(chǎn)線而言，研究的目的主要是通過仿真結果來分析此生產(chǎn)線資源配置的合理情況、各生產(chǎn)階段生產(chǎn)設備使用率情況，連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)的擁擠情況，還有就是找到該生產(chǎn)線的瓶頸工位以及評價生產(chǎn)線的性能。通過運行圖3的連桿生產(chǎn)線仿真模型，得出加工實體的性能指標如表1所示，各工位的性能指標如表2所示。

表1　加工實體的性能指標

表2　各個工位的性能指標

4.1仿真結果分析

由表1可知，5種連桿在生產(chǎn)線中所占的時間最少的是加工這塊，只占零件在生產(chǎn)線中總時間的4.36%到9.41%，而處于堵塞和等待的狀態(tài)達到了90%以上，最高的是加工Pw2000這種型號的連桿，堵塞和等待這兩種狀態(tài)的總時間竟高達95.42%。

由表2可知，檢驗臺、數(shù)控機床、數(shù)控車床、自動測量儀等工位處堵塞現(xiàn)象嚴重，堵塞率從31.88%到71.14%；而且除了2臺數(shù)控機床外，其余的工位空閑率都很高，由此可知設備處于加工狀態(tài)的比率非常低，造成了嚴重的資源浪費，通過以上數(shù)據(jù)可以初步斷定：待加工連桿在生產(chǎn)線中的大部分時間都處于等待或是堵塞狀態(tài)，生產(chǎn)線中各工位的利用率很低，從而導致生產(chǎn)線的效率嚴重低下。

4.2優(yōu)化改進及仿真結果

為了消除生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸、提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，可適當增加平行工位和資源，（改進后的連桿生產(chǎn)線仿真模型如圖4所示）然后再次運行仿真模型，得到各加工實體的狀態(tài)指標如表3所示。

圖4　改進后的連桿生產(chǎn)線仿真模型

表3　增加平行工位和資源后加工實體的性能指標

通過表3的實驗數(shù)據(jù)與表1的實驗數(shù)據(jù)對比，可以很明顯的看出，在連桿生產(chǎn)線瓶頸位置增加了平行工位和資源之后，連桿加工狀態(tài)的比率大幅度提升，而處于等待狀態(tài)的比率則是大幅度下降（如圖5所示），由此可知，在調整了系統(tǒng)設置后，連桿生產(chǎn)線的性能得到了很大的改善，大大的提高了生產(chǎn)效率。但同樣我們也看到了，雖然生產(chǎn)線的效率得到了改善，但工件在系統(tǒng)中的堵塞率并沒有發(fā)生太大的變化。其原因就在于工件到達模式不合理，進入系統(tǒng)的節(jié)拍與各工位的生產(chǎn)節(jié)拍不一致。因此為了盡量降低系統(tǒng)中的堵塞率，對工件的到達模式進行了適當調整，再次運行仿真模型，可得到表4所示的實體性能指標。

表4　調整工件到達模式后加工實體的性能指標

由表4可以看出，經(jīng)過調整工件到達模式后，工件的堵塞現(xiàn)象有所改善（如圖6所示），但是并沒有完全消除。這可能是由于在系統(tǒng)仿真中設置了工位的隨機故障以及工人班次中休息時間等原因導致的工件堵塞，可以進一步加以完善和優(yōu)化處理，使其堵塞時間盡量減小。

圖5　改進前后的等待時間與總時間比值比較

圖6　改進前后的堵塞時間與總時間比值比較

5　結論

（1）研究結果說明了按加工的先后順序進行生產(chǎn)的傳統(tǒng)連桿生產(chǎn)線中的工位與設備之間的布局不合理，從而導致工位和設備的使用率下降，以至于連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率不高。由此可知，工位與設備之間的合理布局可以提高連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

（2）本文運用ProModel軟件構建的連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)過確認驗證，符合實際的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此可以作為各種生產(chǎn)狀況的仿真實驗工具，用來分析各項績效指標。

（3）可以通過模擬仿真求出客戶訂單需求的循環(huán)時間，并預測訂單生產(chǎn)的完成時間，為企業(yè)接單安排與答復客戶交期提供了良好的依據(jù)。

（4）本文的主要創(chuàng)新點是運用了ProModel仿真軟件構建了連桿生產(chǎn)線系統(tǒng)整個流程的仿真模型，通過運行仿真模型，可以隨時看出各生產(chǎn)階段生產(chǎn)設備使用率，資源配置的合理情況，系統(tǒng)的擁擠情況。還可以很快找出生產(chǎn)系統(tǒng)中的瓶頸位置，針對該瓶頸問題，對原仿真模型進行了一定的優(yōu)化，然后再次運行，結果表明，連桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率的確有了很大的提高。

（5）本文研究的領域內(nèi)還存在很多尚待解決的問題：如，在模擬研究中未對員工休息、輪班、最優(yōu)批量等在實際中經(jīng)常需要考慮的因素進行模擬；沒有考慮作業(yè)的生產(chǎn)、運輸?shù)某杀镜葐栴}。

［1］S.G.Lee，R.de souza，E.K.Ong.Simulation modeling of a narrow aisle automated storage and retrieval system（AS/RS）serviced by rail-guided vehicles［J］.Computers in Industry，2000（30）：241-253.

［2］Henk de Swaan Arons，Csaba Attila Boer.Storage and retrieval of discrete-event simulation models［J］.Simulation Practice and Theory，2001（8）：555-576.

［3］詹躍東，駱瑛.基于Petri網(wǎng)的物流自動化系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2001，13（24）：501-504.

［4］李明河，魯蔚鋒.基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)車間物料運輸系統(tǒng)建模與仿真［J］.安徽工業(yè)大學學報，2004，21（1）：45-48.

［5］王英凱，安曉東.基于遺傳算法的物流建模與仿真分析［J］.中北大學學報，2005，26（6）：421-423.

［6］鄭順水.生產(chǎn)線仿真技術研究［J］.先進制造技術，2004，23（4）：22-23.

［7］姚雨良，趙飛，張東升.基于球桿儀的空間誤差測量分析方法研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（8）：72-75.

［8］滕福林，李宏勝，溫秀蘭，等.數(shù)控機床輪廓誤差的插補預測補償控制研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（1）：47-50.

［9］唐娟，劉志，費志敏.制造車間瓶頸漂移因素貢獻度的數(shù)字化描述方法［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（9）：68-7.

（編輯 趙蓉）

Building and Simulation Research on Production Line of Connecting Rod Based on ProModel

HE Zi-zhang1，ZHU Yong-guo1，2，SUN Shi-ping1
（1.School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Corporation Linited，Nanchang 330024，China）

The connecting rod is a vital part of the car engine，so its productivity can makes a direct impact on the production output of engine.This paper analyzed the production lines of connecting rod，and in order to get the mechanical parameters of the connecting rod production，the simulation model of assembly lines that built on ProModel and numerical simulation method were combined to make a credible simulation for the real implement status.Based on the simulation results，the efficiency of each workstation and equipment was researched，and the bottlenecks of the production were revealed.To solve the bottlenecks，an optimization for the assembly lines was established，which can further improving the production efficiency.

the production line of connecting rods；simulation；ProModel

TH162；TG65

A

1001-2265（2015）02-0138-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.039

2014-06-03；

2014-08-15

國家自然科學基金（AA201306202）

何自璋（1989—），男，江西上饒人，南昌航空大學碩士研究生，研究方向為制造業(yè)信息化、系統(tǒng)仿真，（E-mail）hezizhang_0791@126. com。