转向单元装配线仿真建模及优化研究

陈红霞，王晓昱

（1.内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051； 2.装甲兵技术学院 机械系，长春 130117）

0 引言

装配是制造过程中的一个重要环节，由于其过程复杂、技术要求高、自动化程度较低，对其生产过程进行优化存在着较大潜力。高效率的装配线是企业完成生产的重要环节，可以决定生产企业的整体劳动生产率和产品质量[1]。

某企业的产品为重型车辆传动部件，其中转向单元是其主要产品。随着市场的发展，转向单元的需求量与日俱增。但该企业的转向单元装配线投产至今，一直没有在优化平衡方面做深入研究，存在整条装配线不平衡、生产率低的问题。由于装配线各工序负荷的不均衡，极易造成工时损失甚至生产的中止，所以，急需对原有的转向单元装配线进行优化，提高生产率，降低成本，满足企业扩大产量的需求。

装配线仿真优化是以计算机支持的仿真技术为前提，对装配线的各个单元进行仿真建模，在仿真环境中模拟出装配线的装配全过程，根据仿真分析结果，制定出优化方案。

1 转向单元装配线简介

1.1 产品介绍

转向单元部件专用于某重型车辆，位于传动路线末端，是一个回转类部件，成品如图1所示。该部件具有零件多、重量大、结构复杂和装配工艺路线长的特点，转向单元包含的主要零件如图2所示。

1.2 装配线介绍

图1 转向单元

图2 转向单元主要零件

该企业转向单元装配线每天三班连续生产，每班6小时（不含工休20分钟），共18小时生产时间。由于采用人工操作，可以认为无设备故障。在每个工位装配完成后，当即进行检验，可以假设产品100%合格。装配线由一条总装线及三条支线组成，共35个工位。三条支线分别负责装配三套组件，之后将装配好的组件输送给总装配线完成总装配。该装配线目前存在的问题是生产率低，节拍不稳定，装配线不平衡。

由于“仿真”研究具有投资少、周期短、见效快、可控、安全无破坏性、极易修改结构及参数、易于考虑多种因素的综合作用等优点，对转向单元装配线采用Flexsim仿真软件作为研究平台，制定优化平衡方案。

2 仿真研究

2.1 建立仿真模型

2.1.1 原装配线建模

在Flexsim仿真软件环境中，根据装配线的实际配置，建立仿真模型，如图3所示。合成器与处理器工位在装配线中，用大写英文字母“Z”开头；字母后用数字表示所属装配工位，例如：“Z206”表示2号支线中的第6个工位，也代表模型中的对应实体，以此类推。

图3 Flexsim建立的装配线仿真模型

2.1.2 设置参数实体

在Flexsim仿真软件环境中进行装配线建模的常用参数包括：零件到达时间、暂存区容量、操作员数量、预置时间、装配时间（或处理时间）及仿真运行时间等。在转向单元装配线建模过程中，使用了如下参数：

1)零件到达时间。在实际装配生产过程中，该装配线有专人负责零件供应，所以装配线不受零件供应缺乏影响。所以，设置参数为常值60，即可满足仿真需要。

2)预置时间。在装配线中，有些工位需要对零件进行涂抹润滑脂等操作，所以预置时间根据调研数据，按常值进行设置。

3)装配时间(或处理时间)。在装配线中，用处理机及合成器实体模拟处理及装配工位，该时间包括工位的装夹、装配、检验等时间。各工位数据详见表1～表4。

表1 1号支线数据

续表

表2 2号支线数据

表3 3号支线数据

表4 4号支线数据

4)仿真时间。该装配线每个班次工作后，当即进行车间清理，每个班次互不干涉。所以，仿真模型模拟装配线一个班次的装配即可，仿真时间设置为216000秒（6小时，已排除工休时间），无预热时间。

5)其他参数设置。对于仿真结果无影响的参数可以选择软件默认值。

2.2 运行仿真模型

运行上述仿真模型，可得到如图4所示透视图。

图4 仿真透视图

从仿真运行截图中可以观察到，零件供给暂存区内零件供应充足，1号支线中在Z102工位前，2号支线在Z202，Z211工位前，Z116工位与4号支线连接处，四处工位前的暂存区存在堆积。3号支线的工位Z301需要手工装销，效率很低,可以推断3号支线的供应速度比工位Z101慢，造成工位Z102等待3号支线供件，所以形成Z102工位前的暂存区零件堆积；Z116工位与4号支线连接处暂存区出现堆积，是因为1号线供应速度慢，造成工位Z116等待，再对比数据，可知是3号支线的装配速度慢，降低了1号线装配效率，造成堆积；2号支线在Z202，Z211工位装配速度慢于其他工位，造成上游堆积；3号支线与4号支线内工件流畅。由统计数据可计算，在仿真时间216000秒内共装配出成品240件，装配节拍为90秒。

从理论上说“只有达到平衡”各种资源的利用率和效率才最高。流量平衡化产生效率最佳化是所有生产系统追求的终极目标。流水线作业效率可以用生产线的平衡率来评价[2]。计算公式如下：

在Flexsim软件仿真数据报告中，可以得到各个工序的空闲率，所以生产线的平衡率计算公式可以变换如下[3]：

即：

定义原装配线的平衡率为η0，根据上述公式及统计数据，由于Z301的空闲率最低，认定该工位是整条装配线的瓶颈。可以计算，η0＝41.82%。说明原装配线平衡效率低，需要进行平衡。

2.3 造成装配线不平衡的原因

1）装配车间的工人年龄跨度大，且男女工人都有，在工作分配时考虑到装配线劳动强度，实行岗位工资制，并把年长和女性工人分配在相对清闲的工位，年轻的男性工人分配在繁忙的岗位。

2）整条装配线基本是每个工位装配一个零件，由于技术条件的限制，导致装配工作的强度和时间不同，并且某些工艺存在不足。

3）由于企业经费问题，只有钳工工作台适合多人操作，装配线使用的装配工作台只适合一名工人操作，且车间空间无法容纳同工位布置多个工作台，因此导致零件装配时间长的工位，无法依靠增加人员解决速度问题。

2.4 装配线优化平衡思路

1）改进缺陷工艺：把同工位的多个技术条件进行分散；工作负担重的工位技术条件少，反之亦然；增加自动化工具，提高装配效率。

2）应用启发式平衡方法，对原装配线进行平衡。

2.5 优化方案

使用启发式装配生产线平衡方法，并结合装配车间的装配线实际情况，对现有装配线进行优化，方案如下：

1）按照启发式方法所遵循原则更改工艺，先分配后继作业多且作业元素重要的工位，在原有号线的工位Z206后，接入1号线工位Z115进行装配，这样减少了工位Z115需要保证的技术条件数量，做到把技术条件分散，同时减轻工位Z115操作工人的操作强度，也相当于后继作业多的工位向前移动；再将2号线的Z207工位接入到原1号线工位Z115后，工序对应为原Z207，Z208，Z209，Z213，Z210，Z211，Z212，Z116（在新方案中按命名规律重新为工位编号），原3号线和4号线的接入位置不变。

2）再次应用启发式平衡方法，考虑由于实际情况限制原工位的作业元素不可分，所以只能对原工位做合并调整。将Z105、Z109、Z113、Z117、Z119、Z206、Z402工位并入上游工位（原工位编号取消），合并后的装配时间是原工位装配时间之和再加上转换时间，这个时间，接近或等于装配线预期节拍。合并后取消装配线中对应的工位编号。黏贴产品合格证的工作内容增加到工位Z123，这样装配车间原来做这个工作的岗位可以取消。调整后，各个工位的操作时间均小于等于60秒，所以预计装配线的生产节拍控小于60秒。调整后的装配线（仿真模型）如图5所示。

图5 合并后的装配线模型

3）为装配线配置电工扳手，提高螺栓连接工位的装配速度。

2.6 新方案仿真分析

运行新方案仿真模型，统计数据如表5所示。

表5 仿真数据报告

计算装配线平衡率：指定新的方案后，Z301仍是瓶颈工序，定义优化后的装配线平衡率为η1，使用公式（3）计算，装配线平衡率为η1＝75.75%。一般情况下，当装配线的平衡率在75%～90%之间的时候，认为装配线处于平衡状态。还可从统计数据知：优化后的装配线共28个工位，较原装配线减少7个工位，装配线优化平衡后，生产节拍是60秒。

2.7 装配线优化前后方案对比

原装配线经过优化，取得明显的成效：工位数量精简，生产节拍加快，装配线平衡率增加，具体如表6所示。

表6 数据对比

通过以上比较可知，按上述方案对装配线进行优化平衡是可行的。

3 实际应用效果

企业根据上述优化方案进行了装配线改造：重新设置工位，为相关工位配备了电动扳手、电动修磨机及液压轴承安装机。试运行期间，仍按原排班方式进行装配生产，统计结果显示，日产量提高50%左右，整条装配线半成品堆积现象明显好转，部分工人反应劳动强度稍有增加但可以接受，企业对结果十分满意。

4 结论

本文结合调研掌握的实际情况及数据，使用Flexsim仿真软件建立原有装配线仿真模型，运行并统计仿真结果，研究原装配线产生瓶颈的原因，以启发式平衡方法作为理论基础结合工艺改进，制定出对原有装配线进行优化平衡的方案。主要包括：重新分配作业元素；改进原有装配生产线的装配工艺，对装配时间短、操作简单且相邻的工位进行合并，减少设备及人员数量；添加先进工具，使装配工作自动化水平相对提高。对优化装配线的方案进行建模及仿真分析，统计数据显示：工位由35个减少到28个；装配线节拍由90秒减少到60秒；平衡率由41.82%提升到75.75%。采用优化方案优化后的装配线生产效率明显优于原装配线，且是平衡的装配线，实际应用效果良好。

[1] 陈红霞, 刘军, 王晓昱, 等.机械制造工艺学[M].北京.北京大学出版社.2010.

[2] 张群, 张杰, 译.威廉史蒂文森.生产与运作管理[M].北京: 机械工业出版社.2000.

[3] 陈红霞, 王晓昱, 周歆华.Conform连续挤压铝扁管生产线仿真建模及优化研究[J].锻压技术.2010 (3).