行星减速器装配线设计与仿真

□ 王 锐，周志勇，杨艳芳，杨 秒，柏 强

(1.武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063;2.湖北科峰传动有限公司，湖北 黄冈 438000)

1 引言

K公司行星减速器装配线是多品种、中小批量的混流装配线，一天能装配400台左右减速器，达不到市场需求。且存在以下问题：①装配组织形式为离散型装配，装配过程存在窝工、工序集中的现象，工位间负荷不均衡；②装配线及工位布局混乱，增加了工人的操作负荷，增加了装配线的管理难度；③装配线物流规划不合理，物流路线存在交叉，而且零部件运转过程存在磕碰、擦伤现象。

基于上述弊端，设计一条行星减速器装配生产线来降低工人的操作难度，提升装配线平衡率，提高生产效率，以满足公司的生产需求。

2 行星减速器装配线设计

本文主要以KPL90双级行星减速器为研究对象，故此首先介绍其零部件组成。该减速器采用的是齿圈固定，太阳轮主动，行星架被动的传动方式。一台KPL90双级行星减速器的组成零部件多达32种，总计62个。

装配线的设计主要是确定装配线的组织形式、装配线的生产节拍、装配线的工位工序划分及装配线的布局等，结合工厂实际，对构成装配线所需的设备和物流运输设备进行合理的选择和布置[1]。装配线优化设计的目的是减少装配线的投资费用，降低装配线的运行成本，保证其正常运行，提高装配设备的利用率，提高生产效率[2]。

本文所设计的装配线主要用于中、大批量的减速器生产，设计目标是一天(按8小时计算)装配行星减速器500台，因此采用流程型装配的组织形式。

2.1 装配工艺规划

2.1.1 搭建装配Petri网

本文结合Petri网技术来对行星减速器装配过程进行描述，装配过程是典型的离散事件驱动系统，装配过程各工序存在顺序、并发、冲突及同步等复杂关系，通过Petri网可以比较直观的表现这些关系。

用一个七元组表示行星减速器装配Petri网(Assembling Petri Net，即APN)，APN=(P,T,F,W,M0,PT,TM)。其中：P代表库所，指代装配的状态；T代表变迁集，指代装配动作的集合；F代表装配操作与状态之间的过渡流；W是弧上的权重，完成库所的过渡需要满足该库所的前集弧的权重值之和等于1，即完成该同步器的所有先决变迁的发生；M0指代变迁的初始状态；PT是先决变迁集；TM代表装配时间集。

2.1.2 装配顺序规划

在满足Petri网描述的装配顺序约束的前提下，在进行装配顺序规划时，还应该满足以下原则：

①先装基础件。产品装配过程要保持重心稳定，故先装配基础件；②先难后易。产品刚开始装配时基础件内空间较大，此时比较好安装、调整和检测，故先装配比较难装的零部件；③前后工序之间应该互不影响、互不妨碍；④类似工序、同方位工序集中安排。对使用相同工装、设备和具有共同特殊环境的工序应集中安排，以减少装配工装、设备的重复使用及产品的来回搬运。

划分装配单元是制定装配工艺规程中非常重要的一步，只有将产品合理地分解为可单独装配的单元后，才能合理安排装配顺序和划分装配工序，这对于批量生产尤为重要。行星减速器装配线装配过程分为三个部分，分别是零件清洗、部装、总装，其中部装又分为三大部分：前法兰部分、后法兰部分和齿圈部分。

装配顺序确定后，还应将装配过程划分成若干装配工位，并确定各工位工序内容、所用设备、工装和时间定额。在划分装配工位时，应该先根据行星减速器总装配时间及装配线生产目标确定生产节拍和工位数。已知装配一台减速器装配总时间为348秒，一天按8小时计算，可以算得生产线节拍为C=8×60×60÷500=57.6秒，理论最小工位数N*=348÷57.6=7(向上取整)，即装配线设计时应该将工序划分为7个工位，且每个工位操作时间应不超过57.6s。结合实际装配工序及装配流程进行装配工位设计，将装配流程划分为7个工位，考虑到实际，工位一为输出轴部分装配，这一部分装配不宜分开且时间太长，因此划分到一个工位，布置两个工作台。

2.2 装配布局设计

图1 装配线布局图

要对装配线布局进行规划设计，首先要弄清楚各个工位的顺序关系，由工位所需物料可以得到各工位之间的物流关系。装配线布局设计时，应尽量保证物料单向流动，避免物流路线出现交叉，避免零部件的堆积。还要考虑到各工位间的物流关系，合理利用现有资源，将厂区空间进行有效利用。考虑到未来可能对装配线的扩增及工人要有一定的活动区域，装配线各工位之间要留有一定的间隙[3]。

考虑到工厂实际情况，将装配区、检测区、成品仓库、零部件存储仓库与设计部布置在同一厂房中，装配线布局及装配线物流路线规划见图1所示。

这种装配线布局不仅实现了零部件物流的单向有序流动，还缩短了物流路线。装配线各工位之间通过传送带连接，利用传送带来对行星减速器半成品进行输送，不仅提高装配效率，还避免了零部件的堆积和空间占用。结合实际工厂大小，将装配线设计成U型布局，保证了各工位间的间距，提高了空间利用率。

3 装配线Flexsim仿真

行星减速器装配生产线设计复杂、投入较大，因此，在正式应用之前有必要进行建模仿真。装配线的系统仿真的目的是对装配线系统规划方案进行分析与评价，通过仿真验证装配线优化设计的可行性与有效性[4]。

本文采用Flexsim仿真软件对所设计的装配线进行仿真， 根据上文中设计的装配线建立Flexsim仿真模型。根据上文中各个工位的操作时间及装配线布局设置仿真参数，运行仿真模型，根据装配线仿真统计结果，本文所设计的装配线一天能装配减速器505台，完成检测431台，能满足公司生产需求。

根据仿真结果数据，装配区各工位处理器的利用率都在80%以上，拥堵率都在20%以下，无严重堆积现象。总体而言，装配线装配区基本能达到预期，可调整的程度不大。检测区存在堵塞现象，因此需要对检测区进行相应的改进。

4 结束语

本文通过对行星减速器结构进行分析，借助Petri网技术对各零部件装配顺序及约束关系进行描述，在此基础上，进行装配顺序规划和工位划分，并结合生产实际，对装配线布局及工位布局进行设计。最后通过Flexsim仿真软件对装配线系统进行仿真验证，仿真结果表明，本文所设计的装配线日装配量可达到505台，能满足K公司的生产需求，且装配区设备利用率都高于80%，装配线属于按流生产，有较高的生产效率。