基于Flexsim仿真的生产线精益优化

王辉

(北京建筑大学，北京 100044)

基于Flexsim仿真的生产线精益优化

王辉

(北京建筑大学，北京 100044)

精益生产对提高生产线效率有着重要的意义。目前制造业向着小批量多品种方向发展，F公司精益生产改造已是大势所在。应用Flexsim仿真软件，对现有生产线进行仿真，在系统分析仿真数据的基础上，以精益生产设计、生产线平衡、物流优化设计为理论，对生产线进行优化。再次仿真优化后的生产线，得出相应数据证明优化方案的可行性。研究结果表明：精益生产线设计、生产平衡、物流优化对提高生产线效率有着重要的意义。

Flexsim仿真；精益生产线设计；生产平衡；物流优化设计

0 引言

精益生产方式是战后日本汽车工业在“资源稀缺”和“多品种、少批量”的市场条件下的产物，它是从丰田相佐诘开始，经丰田喜一郎及大野耐一等人的共同努力直到20世纪60年代才逐步完善而形成的生产方式[1]。1981年大野耐一应邀来到中国长春，首次把丰田生产方式介绍到我国。随后很多企业开始进行精益生产的改造。尤其是在《改变世界的机器》[2]一书在中国制造业风行以来，广大学者开始研究精益生产。邓修权等[3]将精益生产方式拉动生产系统的支撑条件分作设计性条件和改善性条件，并在仅考虑设计性条件的情况下对精益生产方式拉动生产系统的设计程序进行了初步的总结和研究。魏大鹏[4]较为全面、系统地分析了准时化生产方式的技术支撑体系以及各项技术间的相互关系。赵晓波等[5]主要研究了丰田生产系统中以Kanban为信息传播媒介的生产管理方式，着重说明该系统的两个核心概念 JIT和 Automation，同时探讨在我国开发丰田生产系统的可行性。

文中主要根据F公司的实际情况，对该公司的生产线进行优化。借助Flexsim仿真软件以精益生产设计、生产线平衡、物流优化设计为理论基础，提出优化方案，再运用Flexsim软件仿真优化后的生产线，分析优化方案的可行性。

1 现有生产线问题分析

该生产线生产36种产品，其中20%的产品订单比较多，80%的产品订单较少。服从2∶8原则。订单较多的产品具有较高的研究价值。

K518产品是该生产线产量较大的产品，具有一定的代表性，所以用这种产品做研究。BOM是产品结构的分解，它将产品层层分解，直至最底层的外购零件或原材料，它描述了产品的构成及数量，产品结构的层次性决定了BOM也应该有的层次性，能反映零部件间的相对位置和层次级别。K518产品的BOM如图1，该BOM反映出的是该生产线的工艺结构及各部件工艺流，最底层的构件并不全是外购件，有些是其他线生产的部件。

K518产品在圆形生产线加工的工艺顺序依次是：OP30工位的压装过滤砖，OP40工位的焊接过滤砖，OP90A工位的压装进气分总成和压装端盖，OP110A工位的焊接进气分总成和焊接端盖，OP110工位的焊接3个套筒，OP120工位的对套筒、端盖和进气分总成进行补焊，OP130工位的气密性检查，OP140工位的在大外皮上刻字，OP170工位的擦拭产品及焊接飞溅的检查，OP180工位的用通用止规检查套筒孔。各工位工艺及CT时间见表1。

表1 K518产品在圆形生产线各工位工艺及CT时间表

根据生产流程对现有生产线进行建模，根据工厂的生产线布局图(图2)，设置生产线设备的位置。根据表1设置处理器的运行时间。根据每条线的产品合格率，设置合格产品到下一条线、不合格产品流出线外。仿真时间设置为工厂一天的生产时间，F公司一天生产8 h，所以仿真生产时间为28 800 s。模型布局如图3所示。

运行模型得出相关数据输出，如图4和图5所示。

生产线存在的问题分析：

(1)生产线的设备利用率相差很多，生产线存在严重的不平衡。

(2)生产线有一些设备的利用率不高。

(3)生产线在制品的数量过高。在制品的过量堆积会占用很大的空间，从而所需的花费是浪费的。

(4)操作员的利用率不高，空闲时间较长，存在人员冗余现象。

REGP线10台设备中利用率最高的为OP140工位的，达到89.15%，所以该工序为瓶颈工序。仿真结束后，成品数量为114，在制品数量为77。根据各工序的生产时间算出需求生产节拍，公式为：

(1)

式中：T为需求生产节拍；

Ta为可用工作时间(Time Available)，min/d；

Td为客户需求时间(Time Demanded or Customer Demand)，件/d。

客户需求量为每天125件，需求生产节拍为3.84 min/件，此生产线的生产能力为4.21 min/件，此生产线不能满足生产需求。

2 生产线优化设计

生产线优化设计要从精益生产线设计、生产平衡、生产物流优化设计3个方面进行优化，但是这3个方面不是单独存在的，是存在相互联系的。所以在研究一个方面的优化时必须考虑已经优化的方面，这样优化会更加全面具体。

2.1 精益生产线设计

精益生产线设计要遵循“总分总”的原则，即从整条生产线到单个工位再到整条生产线的优化过程。首先从生产线布局入手，该生产线为U型布局，U型布局符合精益原则，这种布局可以满足客户的少量、多变、及时的要求，减少搬运是其中一个比较大的优点，而且I/O一致、操作工人间信息可流通也是此生产线布局的优点。但是在生产过程中，料箱和成品箱堆积在生产线外，不利于生产员工的装卸，因此根据实际生产线的特点设计了一种改良的U型生产线，称为U型不对称生产线，把来料箱和成品箱放到相应的位置，节约空间。

OP30、OP40工位所需的设备体积较小，把两个工位合并，一前一后通过机械手实现两个工位间的物流。OP130和OP140工位合并。OP180此工位其他产品生产时很少用，而且此工位不需要任何复杂的机械设备，基本上有个工作台就能实现，所以把该工位改成可移动工位，这样在不需要此工位时就可以把它移到指定区域，节省物流距离。

2.2 生产线平衡

生产线平衡(Line Balance)，是对生产线的全部工序进行负荷分析，通过调整工序间的负荷分配使各工序达到能力平衡(作业时间尽可能相近)的技术手段与方法，最终消除各种等待浪费现象，提高生产线的整体效率。生产线的平衡用生产节拍来衡量，生产节拍符合下列公式：

CT=δ×Max(Ti)

(2)

Ti=Th+Tm-Tb

(3)

(4)

式中：CT为生产节拍；δ为节拍波动因子；Th为第i道工序的手动操作时间；Tm为第i道工序的机器加工时间；Tb为第i道工序的手工与机器的并行加工时间；公式(4)为生产平衡率的计算公式[6]。

由公式(1)可以看出生产线的生产节拍取决于加工时间最长的工序，也就是生产瓶颈工位的时间，由表1可以判断出生产瓶颈为OP170。由公式(4)计算出生产平衡率为66.4%，各工序节拍不平衡。

由公式(3)可以看出手动操作与机器加工的并行时间决定了生产节拍时间，手动操作时间和机器加工时间基本不会改变。所以通过压缩手动操作与机器加工的并行时间来调节生产线的生产平衡率。其次把CT时间过长的工序拆成两道工序，CT时间短的工序相互合并，从而调节生产线平衡率。

2.3 生产物流优化设计

生产线上的物流优化主要从两方面入手：(1)物料流；(2)人员流。首先进行物料流的优化，根据工艺的特点进行物流设备的改造，同时优化运输工具释放人力。生产线加工设备在装夹工件时，只要通过Y方向的转动就都能实现，所以工位与工位之间的物流通过传送带来完成。其次进行人员流的优化。把OP30和OP40工位的操作员合并只留一个，把OP90A和OP110A工位的操作员合并只留一个，把OP110和OP120工位的操作员合并只留一个，把OP130和OP140工位的操作员合并只留一个，由于OP170和OP180工位为手工操作，OP170为瓶颈工序，OP180为潜在瓶颈工序，增加一个操作员在两个工位轮流操作。

3 优化方案仿真

根据上述的优化方案进行生产线改造，生产线布局和人员配置情况如图6所示，工艺流程及节拍时间如表2所示。

生产工位加工工艺CT时间/sOP30压装过滤砖、焊接过滤砖142OP90A压装进气分总成和端盖130OP110A焊接进气分总成和焊接端盖132OP110焊接3个套筒和出气管153OP120对套筒、端盖和进气分总成进行补焊141OP130气密性检查、在大外皮上刻字156OP170擦拭产品及焊接飞溅的检查145OP180用通止规检查套筒孔141

根据图6和表2进行生产线仿真，得出仿真数据如图7—8所示。

4 结论

优化完成后设备和员工的利用率明显得到提高。成品数量由114件提高为135件，在制品数量由77件降低为48件，生产线能力得到了提高，提高为3.6 min/件，满足了客户需求。缓存区数量减少，节约成本。由公式(4)得出优化后的生产线平衡率为91.34%，较原来的66.4%有明显的改善。

生产线布局由原来的U型生产线优化为改良的U型生产线，合并一些冗余的工位和人员，有效提高了生产线的精益程度。

【1】王立柱.精益生产在亚特公司的应用研究[D].北京:北京交通大学,2009:11.

【2】JAMES P W,DANIEL T J,DANIEL R.The Machine That Changed the World[M].Beijing：The Commercial Press,1999.

【3】邓修权,齐二石.精益生产方式拉动生产系统设计程序的研究[J].工业工程与管理,2004(5):28-31.

【4】魏大鹏.准时化生产方式的技术支撑体系[J].工业工程与管理,1998(2):30-33.

【5】赵晓波,周兆英.丰田生产系统特性分析[J].中国机械工程,1997(1):62-65.

【6】梁中华.精益生产设施布局优化[J].江苏科技信息,2015(8):43.

中国标准动车组通过高速试验

“大考”为投入运用考核奠定基础

由中车青岛四方机车车辆股份有限公司研发并生产的时速350 km中国标准动车组，2015年11月18日在大西(大同至西安)客运专线跑出了385 km/h的试验速度，列车各项技术性能表现优异。

就像飞机需“试飞”一样，任何一款新型动车组在正式投入运营之前，都需要进行试验。中国标准动车组自2015年6月30日起在北京铁科院进行了为期近4个月的环线试验，顺利完成了静态和时速160 km/h以下速度等级低速试验。为进一步验证中国标准动车组各项性能，中国标准动车组10月24日抵达大西客运专线，开始更为关键的高速试验，并在11月18日下午开始以385 km/h试跑。

中车青岛四方机车车辆股份有限公司总工程师梁建英表示，高速试验的路段条件复杂，不仅有桥梁隧道，沿途还有国内坡度最大的路段，坡度达3%，以及8 000 m半径大弯道。根据现场试验结果，列车的动力学性能、空气动力学、弓网受流、牵引性能、噪声等各项关键技术指标均表现优异，全部达到设计要求。这意味着中国标准动车组顺利通过了高速试验“大考”，为下一步投入运用考核打下了坚实基础。

此次在大西线，中国标准动车组除高速试验外，还将进行重载试验。预计全部型式试验在2016年2月完成，之后正式投入6×105km线路运用考核。

(来源：中国科技网)

Production Line Lean Optimization Based on Flexsim Simulation

WANG Hui

(Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044,China)

Lean production is of great significance to improve the efficiency of production line. At present manufacturing industry is developed toward small batch more varieties, F company lean transformation is a general trend. Flexsim simulation software was applied to simulate the existing production line. Based on the simulation data, with lean production design, production line balancing, logistics optimization design theory, the production line was optimized. The optimizated production line was simulated again, the corresponding data proved the feasibility of the optimized scheme. The results show that lean production line design, production balance, logistics optimization are of great significance to improve the efficiency of production line.

Flexsim simulation; Lean production line design; Production balance; Logistics optimization design

2015-11-29

王辉(1989—)，男，硕士，研究方向为生产过程管理。E-mail：wh1018321593@126.com。