基于Flexsim的扭杆生产线仿真分析研究

郝慧慧，马 涛，张 鹏，赵文军，刘文忠，冯美喜，武 络

（特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室，内蒙古 包头 014032）

0 引言

Flexsim是美国Flexsim Software Products公司基于OpenGL技术开发的一款通用离散事件系统仿真软件，可以方便地建立生产线模型并通过仿真进行效能评价[1]。目前多用在生产线仿真研究[2-4]、车间调度优化研究[5-6]、物流系统建模研究[7]，也有部分维修故障仿真方面的研究[8-9]。

运用Flexsim，对扭杆热处理前后生产线工艺流程建立了仿真模型，通过对现行的作业内容、工时和作业人员等数据进行仿真测试，得到了产线生产能力、设备利用率。通过分析给出了优化建议，生产线建设决策者可根据优化建议综合考虑后对生产线布局及工艺流程进行优化，以达到提高生产线产量及设备利用率的目的。论文所用的研究方法为扭杆生产企业提供了借鉴，具有一定的工程应用价值。

1 扭杆热处理前后生产线作业流程分析

扭杆是特种轮式车辆悬挂系统的重要零件，整体需求量大。其刚性、疲劳强度、综合机械性能等直接影响车辆行走指标和整车安全性能。

1.1 扭杆热处理前生产线

扭杆热处理前生产线工艺流程是锻造→铣两端面/打两端中心孔/套车两端外圆/打标记→校直→粗车→半精车→精车，设备组成包括1台铣端面打中心孔机床、1台校直机、3台数控车床、1套龙门桁架物流系统，由龙门式桁架系统完成扭杆自动上下料及过程转运，加工工艺流程如表1所示。

表1 加工工艺流程表

人员配置方面，将铣两端面、打中心孔、套车外圆、打标记、校直工序由1人进行操作和监控；粗车、半精车、精车工序由另1人进行操作和监控；兼职辅助管理人员1人，共由3人完成整体生产线加工任务。

1.2 扭杆热处理后生产线

扭杆热处理后生产线工艺流程是花键滚压→磨外圆→磨圆弧→探伤→杆部滚压→强扭，生产线布局采用直线式布置，设备组成包括1台花键滚压设备、3台数控外圆磨床、1台探伤机、1台杆部滚压设备、1台扭转试验台、1套龙门桁架物流系统，同样由龙门式桁架系统完成扭杆自动上下料及过程转运，加工工艺流程如表2所示，扭杆生产线布局如图1所示。

表2 加工工艺流程表

图1 扭杆生产线平面布局简图

2 扭杆生产线仿真模型建立

2.1 仿真目标

以降低制造成本、优化资源配置和提高制造效率为出发点，依据扭杆生产线布局、制造过程和物流过程，建立效能评估仿真模型，在项目论证的同时，运用数字化仿真手段分析、验证项目预期技术指标的合理性，为生产线改造项目论证和实施提供技术支撑。

2.2 仿真模型创建

为了更好地描述生产线工艺流程、更准确地创建仿真模型，分别绘制了扭杆热处理前及热处理后生产线工艺流程图，其中热处理前生产线工艺流程图见图2。

图2 扭杆热处理前生产线工艺流程图

本文所使用的计算机硬件设施为惠普Z800工作站，能满足Flexsim的运行要求，运用Flexsim7.5.4 版本创建模型。按照生产线的实际布局情况建立仿真模型。首先在模型中添加所需的实体模块，扭杆由Source实体产生；所有加工、试验工位由处理器Processor定义；中间存放区由Queue对象定义；操作人员由Operator实体定义；龙门桁架起重设备由Crane实体代替，由于同跨起重设备仿真过程中易出现碰撞现象，对Crane实体定义了碰撞逻辑，规避了碰撞现象的发生。最后，依照生产线的工艺流程图采用对应的连接方式连接各个实体模块，根据收集的系统数据设置了实体模块的参数，根据逻辑规则编制了逻辑代码，最终构建的仿真模型见图3。

图3 扭杆生产线仿真模型

3 仿真结果分析

3.1 仿真模型运行时间

仿真模型共运行118200min，即118200min/60min=1970h，按国家标准单班制，日常无加班，周六日双休。

3.2 扭杆热处理前生产线仿真结果

扭杆热处理前生产线仿真结果见表3。

表3 扭杆热处理前生产线各工位设备状态分析

由表3及图4可知，扭杆热处理前生产线五个主要设备的平均利用率为72.13%，其中利用率最高的是数控车床MJ760-3，利用率约90.13%，利用率最低的是自动校直机，利用率仅30.06%，原因是该工序工时与其它工序工时相比短大约3倍。

图4 生产线各工位设备状态柱状图

由表4可知，扭杆热处理前生产线的两台龙门桁架物流系统的利用率分别为37.71%、48.12%，利用率虽不高，但是为了满足产量的需求，并考虑设备可能存在的故障问题，所以不能做减量调整。

表4 扭杆热处理前生产线物流设备状态分析

3.3 扭杆热处理后生产线仿真结果

扭杆热处理后生产线仿真结果见表5。

表5 扭杆热处理后生产线各工位设备状态分析

由表5及图5可知，扭杆热处理后生产线七个主要设备的平均利用率为69.71%，其中利用率最高的是扭转试验台，利用率约89.52%，利用率最低的是数控外圆磨床3，利用率仅33.07%，原因是该工序工时与其它工序工时相比小很多。

图5 生产线各工位设备状态柱状图

由表6可知，扭杆热处理后生产线的两台起重设备的利用率分别为52.09%、50.83%，为了满足产量的需求，并考虑设备可能存在的故障问题，所以不能做减量调整。

表6 扭杆热处理后生产线物流设备状态分析

4 结论

扭杆热处理前生产线的铣端面打中心孔工序（即工序1）和精车两端工序（即工序5）是瓶颈工序，建议对其进行工艺优化，通过仿真优化得出，使其工序时间尽可能缩短至13min，可使扭杆热处理前生产线年产量提高10.9%。

扭杆热处理后生产线在杆部滚压工序（即工序5）和扭转试验工序（即工序6）存在瓶颈，需要进行优化，优化思路是优化工艺缩短工时，或者增加工位，比如可以考虑增加1～2台扭转试验台，通过仿真优化得出，若增加1台扭转试验台可使产量提高1.76倍，若增加2台扭转试验台产量会提高2.3倍。若增加1台杆部滚压设备及2台扭转试验台，则年产量能提高2.61倍。