李占賢， 許劍利， 孟麗麗

（華北理工大學(xué)河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北唐山 063210）

0 引言

生產(chǎn)制造系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[1]，它是將原材料變成所需產(chǎn)品而進(jìn)行的不同特征的子系統(tǒng)的集合。離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)易受到隨機(jī)因素的影響并難以用數(shù)學(xué)方法解析[2]。而生產(chǎn)制造系統(tǒng)所追求的目標(biāo)是：合理利用資源，提高系統(tǒng)效率，增加系統(tǒng)柔性，降低成本，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益[3]，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了達(dá)到這一目標(biāo)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

Extendsim是一款可視化仿真軟件，可對(duì)離散事件、連續(xù)事件、流體等進(jìn)行仿真，具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性[4-5]。該仿真軟件對(duì)常見系統(tǒng)都可進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)一些通過數(shù)學(xué)建模不易解決的問題能夠給出解答，并可動(dòng)畫顯示操作過程，界面友好，操作簡單。本文基于Extendsim軟件對(duì)零件的生產(chǎn)制造過程進(jìn)行仿真研究與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)比分析找到系統(tǒng)瓶頸并提出解決方案。

1 基于Extendsim的仿真

1.1 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)為一零件的制造系統(tǒng)，車間有4臺(tái)機(jī)床，且功能各不相同，每種機(jī)床只有1臺(tái)。共有3類零件需要加工，零件按指數(shù)分布到達(dá)車間，間隔為10 min，零件比例及其加工工藝見表1。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一類零件在到達(dá)工位以及不同加工工位之間移動(dòng)時(shí)所需時(shí)間服從參數(shù)為（7,12,15）min的三角分布，其余2類服從參數(shù)為（8,10,12）min的三角分布。加工完成后都要經(jīng)過檢驗(yàn)，檢驗(yàn)時(shí)間服從正態(tài)分布，見表1。其中有2臺(tái)檢驗(yàn)臺(tái)，檢驗(yàn)臺(tái)2有條件開啟，如果檢驗(yàn)臺(tái)1的隊(duì)長超過10就開啟檢驗(yàn)臺(tái)2，檢驗(yàn)臺(tái)2一旦開啟，要工作1 h，再停止工作。根據(jù)以往數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品為90%，不合格的產(chǎn)品10%，要經(jīng)過一臺(tái)綜合加工中心進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)時(shí)間見表1，該加工中心需進(jìn)行定期維護(hù)，每工作50 h進(jìn)行1 h的維護(hù)，而且隨機(jī)故障會(huì)有發(fā)生，服從間隔為100 h的指數(shù)分布，修理時(shí)間為1 h。經(jīng)修復(fù)的產(chǎn)品幾乎100%合格，合格的產(chǎn)品由2臺(tái)叉車搬運(yùn)到零件庫，搬運(yùn)批量為10件/批，搬運(yùn)時(shí)間為20 min，叉車1只搬運(yùn)零件類型1和2，叉車2只搬運(yùn)零件類型3。零件工序如圖1所示。

1.2 Extendsim仿真模擬

該模型是由零件的加工、檢驗(yàn)、修復(fù)和搬運(yùn)四大部分組成，仿真模型總圖如圖2所示。

表1 各種零件比例及加工工藝表

圖1 零件加工工序圖

圖2 仿真模型總圖

在該零件制造系統(tǒng)中，由于零件在到達(dá)不同加工工位的移動(dòng)時(shí)間與零件到達(dá)不同工位上的加工時(shí)間的不同，成為該系統(tǒng)建模的難點(diǎn)。僅通過模塊設(shè)置較為繁瑣，所以利用Equation(I)、Activity和Random Number等模塊結(jié)合If語句組合使用，完成該部分建模。具體模塊與If語句如圖3所示。

圖3 零件到達(dá)不同工位的移動(dòng)時(shí)間及加工時(shí)間的設(shè)置

2 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

由于仿真中隨機(jī)因素的影響，通常需要多次運(yùn)行，得到準(zhǔn)確結(jié)果。我們?cè)谠}設(shè)的情況下，運(yùn)行仿真模型240 h（15 d，每天24 h），仿真次數(shù)10次。將各個(gè)模塊的運(yùn)行結(jié)果以圖表的方式匯總?cè)缦拢?/p>

從圖4可以看出，有些機(jī)器的利用率已達(dá)到70%～90%，明顯大于其他設(shè)備的利用率。由約束理論可知[6-7]，這些設(shè)備已經(jīng)成為該系統(tǒng)的瓶頸。

圖4 各機(jī)床的利用率

表2 產(chǎn)能及周期一覽表

對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：為了均衡各機(jī)器的利用率，使生產(chǎn)系統(tǒng)資源合理利用的同時(shí)為系統(tǒng)提供好的策略，決定調(diào)整機(jī)器的數(shù)量達(dá)到優(yōu)化的目的，我們對(duì)機(jī)器數(shù)量的值進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)并多次重復(fù)運(yùn)行仿真模型，最終找到最佳機(jī)器數(shù)量組合：機(jī)床1、2、3、4的數(shù)量分別設(shè)為2、2、2、1臺(tái)；由于叉車的利用率較低，在不影響產(chǎn)量及其他設(shè)備的情況下，將叉車2去掉，僅叉車1搬運(yùn)3種零件。其他設(shè)備數(shù)量不變。得到如圖5所示數(shù)據(jù)。

圖5 參數(shù)優(yōu)化后各機(jī)床的利用率

表3 參數(shù)優(yōu)化后的產(chǎn)能及周期一覽表

參數(shù)優(yōu)化后我們發(fā)現(xiàn)：增加了某些機(jī)器的數(shù)量后，其利用率較之前有所減小，同類設(shè)備利用率相差不大，這就避免因機(jī)器的利用率過高或過低，導(dǎo)致機(jī)器損壞，迫使停產(chǎn)或影響生產(chǎn)的事情發(fā)生；各零件的生產(chǎn)周期都有所降低，生產(chǎn)效率隨之提高；參數(shù)優(yōu)化后，總產(chǎn)量提高，可獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

仿真是通過仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬，從而能準(zhǔn)確地掌握實(shí)際的生產(chǎn)情況，為生產(chǎn)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)提供理論依據(jù)。本文根據(jù)離散事件仿真的特點(diǎn)，基于Extendsim軟件，對(duì)零件的生產(chǎn)制造系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，多次獨(dú)立運(yùn)行模型，得到能夠消除系統(tǒng)瓶頸的最佳方案。從整體角度對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行觀測、分析和改進(jìn)，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。本文相關(guān)成果將為生產(chǎn)制造系統(tǒng)仿真的研究提供一定的參考和依據(jù)。

[1] 段波,趙穩(wěn)莊,仉樹軍.Petri網(wǎng)在制造系統(tǒng)建模與仿真中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2008,5(8):24-27.

[2] 周海榮.離散制造企業(yè)生產(chǎn)物流系統(tǒng)建模與仿真[D].西安:西安交通大學(xué),2010.

[3] 王偉,路春光,鄧程程,等.基于Flexsim的電動(dòng)游覽車裝配線的規(guī)劃與仿真[J].機(jī)械工程師,2014(6):133-135.

[4] 楊銀,路春光.基于Petri網(wǎng)的裝配生產(chǎn)過程建模與仿真分析[J].機(jī)械工程師,2008(11):88-90.

[5] 秦天保,王巖峰.面向應(yīng)用的仿真建模與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:5-6.

[6] 戚曉耀.基于約束理論的管理方法及其應(yīng)用[J].工業(yè)工程,2005,8(1):19-23.

[7] 高德拉特,科克斯.目標(biāo):a process of ongoing improvement[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[8] 吳正佳,劉碧波.基于Witness的齒輪生產(chǎn)裝配線的仿真設(shè)計(jì)與改善[J].機(jī)械工程師,2014(2):121-123.