基于仿真软件的铆接生产线设计的仿真研究

郭志成 周强 林浩 王刚

摘  要：文章在对某铆接生产线的基本构成、工艺规划和作业流程进行研究的基础上，使用仿真软件建立了铆接生产线仿真模型。首先针对生产线布局问题，利用遗传算法进行布局优化，在优化布局的结果上根据模型特点和仿真实验目的，设计了实验方案，对仿真实验结果进行数据分析，寻找生产线瓶颈，为生产线规划提供数据支持，并进行辅助决策。

关键词：仿真软件；生产线；遗传算法；仿真

中图分类号：TP391.9    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）06-0160-05

Simulation Research on Riveting Production Line Design Based on Simulation Software

GUO Zhicheng， ZHOU Qiang， LIN Hao， WANG Gang

（CEC Intelligent Technology Co.， Ltd.， Beijing  102200， China）

Abstract： Based on the research of the basic composition， process planning and operation process of a riveting production line， this paper establishes a simulation model of the riveting production line by using the simulation software. Firstly， aiming at the layout problem of the production line， Genetic Algorithm is used to optimize the layout. Based on the characteristics of the model and the purpose of the simulation experiment， an experimental scheme is designed on the results of the optimization layout. It conducts the data analysis on the results of simulation experiment to find the bottleneck of production line， provide data support for production line planning and make auxiliary decisions.

Keywords： simulation software; production line; Genetic Algorithm; simulation

0  引  言

生產线设计是制造系统实施的基础，对于生产线设计的传统方式为：确定生产线生产节拍及设计基限，设备选型及效率分析，工序同期化设计，作业人员数量计算，物流动线分析及物流方式设计，生产线整体布局设计。

生产线设计中的车间布局问题由于不同优化目标、不同种类以及不同设计阶段而呈现出多样性，其解空间极为庞大，属于组合优化问题且具有NP完全属性，传统计算方法难以获得最优解，使用仿真技术可以较为快捷有效解决车间布局问题。

通过仿真方式找到产线较优布局后，使用仿真对车间整体建模，在充分考虑到车间布局、工艺、作业流程等的基础上，仿真模拟的统计指标可以作为方案优化的重要辅助决策数据。

本文主要介绍了采用数字化仿真软件对某新建大型铆接生产线方案进行仿真分析的过程，以达到找出产线瓶颈、优化组织生产、提供生产效能、缩短生产周期的目的。

1  生产线仿真建模

1.1  生产线布局设计模型建立

车间布局问题是组合优化问题，难以用传统的枚举算法得到最优解，遗传算法对这类问题有比较好的应用。首先，针对这类车间布局问题描述如下：已知n个设备两两之间的物料搬运量大小（i=1， 2， …n；j=1， 2， …， n）以及n个工作位置，并且这n个工作位置之间的距离为（i=1， 2， …， n；j=1， 2， …n）。布局问题是将n个设备分配到n个工作位置，使得总的物min流成本最小。即：。将初始方案布局设置于模型中，模型对种群进行选择、交叉变异得到新一代种群，即新的工厂布局。

根据铆接产线的产线数据进行工位信息输入，包含工艺顺序、工位加工时长信息，建立布局设计模型，因产线加工产品种类较多，当前仅以A产品加工单元展开描述：该加工单元包含自动钻铆装备、型面检测工位、气瓶支架装配工位、激光投影辅助装配系统、形位公差测量系统等，负责A产品加工的设备初始布局如图1所示，运行程序后，计算得当前布局下30个工作日的运输成本总计11 855.6元。

以运输成本最低的目标函数进行程序设计，程序运行结束后，得到优化后布局如图2所示。

同时得到5组较优解序列，及其对应的运输成本，如表1所示。

遗传算法运行迭代图如图3所示，优化前与优化后桑基图如图4所示，蓝色线段代表物流流向，粗细代表物流流量大小。

从以上结果可以看出，经过遗传算法的选优，将之前物流压力较大的主线拆分和位置调整，缓解了主干道的运输压力，将部分物流活动分解给了原本空白部分区域，同时调整了下方原有工位顺序，使物流动线更加合理，将物流成本由原有的11 855.6元降低至了11 011.96元。

1.2  生产线整体仿真建模

考虑到生产线体的实际运行中，会涉及人员数量、班次设置、设备间的交互配合、物流运输的等待与阻塞等问题，需对生产线更多实体进行详细的仿真建模，以实现优化产线设计的目的。基于设备布局的最优序列表，使用仿真软件对铆接生产线进行整体仿真建模分析，拟定的流程如图5所示。

（1）将铆接生产线各产品设计的加工装配流程、工位人员配置、物流转运规则，厂区的生产班次设置以及产品的生产订单顺序等信息作为仿真的原始输入数据，进行仿真建模。

（2）通过对模型进行的校验与调试，保证输入参数的准确性与调度逻辑代码的准确性，使建立的仿真模型与现实系统保持较高的一致性。

（3）通过查看输出数据，包含：年产量数据，产品生产周期情况、人员、加工设备、转运工具的利用率等信息，对比规划需求，确认是否符合要求，分析产线瓶颈点，进行不断迭代优化，提出符合实际的优化方案。

图6为建模完成后的仿真基础布局图，该仿真模型按照比例因子0.05（一个像素点代表长度0.05米）的标准对方案图纸进行缩放后进行布局。

根据设备布局的最优序列表在各工位处布置工位控件，根据实际工作时长输出工位工作时长，模拟各工位加工活动，与工位连线相连的为缓存区控件，用于模拟线边存储活动，黄色长方形图形为产品及产品组件实体。横跨车间的蓝色长方形框为天车实体，黄色内部带箭头长方形图形为AGV实体。彩色人形实体代表该处有操作人员进行操作，灰色人形实体代表无操作人员进行操作状态。

2  仿真实验设计

2.1  仿真场景设定

仿真目标：在当前规划方案下产线仿真模拟运行一年，验证年产能是否能够满足实际需求，统计各产品完成时间情况及关键设备的利用率等，分析产线瓶颈点。

本仿真模型设定为：以规划设计方案布局为基础，还原产线的基础设备设施布局，在一年的仿真周期内，以每年250个工作日以及现场工作日历为仿真班次日历，根据仿真输入参数进行仿真输入，模拟产线工作装配过程。

在该场景下，各区域工作由仿真时钟推进触发，初始状态为2022/06/01 08：50：00.0000产线状态，仿真时钟推进至工作时间后，触发后续产线装配活动，当工位完成当前任务后，触发产品转运活动，根据紧后工作产品是否达到触发当前工位的紧后工作，无产品达到进入等待状态，有产品到达则触发紧后工作。

2.2  仿真输入参数设定

根据实验目标，需要进行铆接产线仿真实验的设备和设施输入参数的设置，根据仿真场景，确定实验的可变参数和不变参数。可变参数，如：AGV、天车数量和速度、班次日历、货物数量等均可以根据需求进行修改，是该模型中灵活性最高的输入参数。不可变参数，如：产线基本布局信息、输送线感应器位置信息等已经根据现实情况与仿真需要设计完毕，不可自行修改。表2为仿真实验的基本输入端参数（部分参数）。

考虑实际工作情况，为避免实验结果过度程式化以保证实验的真实性和准确性，其余作业指标均做了随机参数处理，如表3所示。

根据统计的历史数据可得出参数的最大值与最小值，因该参数会随每次工况不同而产生变化，故设置为均匀分布参数，如AGV插取效率参数，不同工作狀态会影响AGV的搬运效率，因统计的单次工作数值最大值为6分钟，最小值为5分钟，故设置AGV插取效率服从均匀分布，参数值为（5，6）分/托。

通过历史参数的拟合得，人工清点效率为3～5分钟完成一托拆盘，选择σ1=180，σ2=300的正态分布设置随机参数。

工位的加工效率因不同人员操作导致单次加工时间存在随机分布现象，设置为均匀分布，因产线工位较多，此处不再列举，以框环类组装装配工位为例，最短加工时长为7.5小时，最长加工时长为8小时，故在此设置加工效率服从均匀分布，参数值为（7.5，8）小时。

货物达到频率依据经验数值，在仿真中设置为密度Λ=

3 600的泊松分布用于描述货物的到达频率。

3  仿真结果分析

3.1  产能情况分析

采用单班制的工作制度，仿真运行一年后，对结果统计如表4所示。

其中产品J、产品O满足年产能20架的需求，其余产品均不满足，查看产品工艺，产品J与产品O流程相对独立，未与其他产品工作流程产生干涉，故单班制的模式能够满足该品类产能要求。

观察结果发现，各产品距离年需求数量差值不一，统计结果如表5所示。

根据分析结果，将仿真中单班制工作制度调整至双班制工作制度（此处将已满不再继续加工，且后续当产品满足年产要求后，不再继续加工该产品），运行仿真，结果如表6所示。

由结果表可见，当调整为双班制后，除产品F与产品G外，其余产品均可满足年产20架的需求。

3.2  工位效率分析

对关键工位进行效率分析，从利用率、等待率、阻塞率进行分析，利用率指工作时间比仿真时间的比率，等待率指设备等待产品进入时间比仿真时间的比率，阻塞率指工位已完成当前产品加工，但由于物流、紧后工位工作情况等原因滞留在当前工位的时间比仿真时间的比率。此处对工位7、8、17、21、30、34、36、45、39、49、55、60、61、62工位的效率进行统计分析，统计结果如表7所示。

（1）39工位（筒段自动钻铆装备），利用率最高，且等待率最低，阻塞率为0，由该数据可知，该工位在仿真时间内基本处于持续工作状态，小零件供应充足，无等待加工时间，且运输设备运输及时，无阻塞情况出现，但由最终结果可知，产品F和产品G产品未能满足年产20架的要求，该设备使用率已达到最高，需考虑增加工位设备以继续提高产能。

（2）由表7可知，工位等待率最长为60工位（激光投影辅助装配系统），查找仿真数据可知，60工位负责仪器仓产品装配工作，该产品于2021/3/8  22：45：45完成全部20架产品装配工作，距仿真结束的剩余时间均计算在该工位的等待时间中，故造成等待率较高，需考虑合理分配产品加工波次分配或考虑将该工位与其他工位进行合并处理，形成多功能工位。

（3）工位34（通用平板壁板自动钻铆机），由表7可知，等待时间较长，且利用率较低，最后完成加工活动的时间较晚，工位属性信息表如图7所示。

由此可知，空闲率相对较高，考虑该工位工艺，负责承接紧前工位33工位的产品G、产品D、产品C产品，造成等待时间较长的原因是与33工位的加工频率不一致，33工位加工时间较长，造成等待情况，考虑通过提高33工位的效率以减少34工位的资源浪费。

（4）由效率统计分析表可知，当前存在阻塞情况的工位为7，8，17，55，60，出现阻塞的情况原因在于天车效率限制，出现工作任务冲突，未能完成及时运输，其中工位7，8，17为第一跨（CAD布局图从上至下）天车负责，55，60为第二跨天车负责，考虑增加天车的数量以实现及时运输，但需考虑因为天车路径干涉造成的避碰等待问题，或考虑使用其他地面运输设备完成特殊情况下的产品转运。

4  结  论

本文应用仿真软件对铆接生产线布局方案进行了仿真研究和分析，使用遗传算法对生产线布局问题进行了求解，在优化后的生产线布局基础上，对模型进行详细建模，找出了生产线的运行瓶颈，并提出了优化方案。上述仿真结果表明了将仿真软件合理应用于生产实践，基于仿真结果对建设方案进行规划及调整，对全面分析生产线瓶颈及后续建设有显著的指导作用。

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作者简介：郭志成（1994—），男，汉族，山东诸城人，工程师，硕士，研究方向：智能制造。

收稿日期：2022-10-27