基于仿真优化的汽车焊接生产线问题研究毕业论文.doc

2015届毕业论文 基于仿真优化的汽车焊接生产线问题研究院 、 部： 安全与环境工程学院 学生姓名： 梁 宇 彬 指导教师： 刘爱群 职称 副教授 专 业： 工业工程 班 级： 工业1101班 完成时间： 2015年6月 摘 要随着时代的进步，制造行业的快速发展，计算机技术应用越来越广泛，系统仿真得到了制造企业广泛的重视。越来越多的制造企业运用系统仿真软件建模的方法，来解决生产流水线的潜在问题，从而设计出最优的生产方式。这也是目前制造企业发展的必然趋势。本文根据系统仿真技术，运用Flexsim仿真软件对成都一汽车企业车身焊接生产线进行仿真建模，进而分析仿真结果，找出该焊接生产线的潜在问题，从而提出最优生产方案，降低了企业生产成本，提高了生产效率。本文首先介绍了系统仿真技术的研究背景、国内外的研究现状；其次概述了系统仿真的主要内容、分类和一般步骤，还有离散系统仿真的相关内容及仿真软件Flexsim；然后具体介绍了汽车车身的焊接技术、该企业的车身焊接工艺流程和车间的作业时间采集；最后利用Flexsim仿真软件建立车身焊接生产线模型。通过分析仿真得出的数据，找到了该企业车身焊接生产线潜在的问题，提出改进方案，并再次利用Flexsim软件验证提出的改进方案，从而选择其最优方案。本课题的研究成果：降低了工位的闲置率，减少了工位数量，节省了企业人力资源。使该企业车身焊装生产线的生产效率得到了很大的提高，大大增加了企业收益。 关键词：系统仿真；焊接生产线；Flexsim；生产线优化IIIABSTRACTWith the progress of time, the rapid development of manufacturing industries, computer technology more widely, system simulation has been manufacturing a wide range of attention. More and more manufacturers use system simulation software modeling methods to address the potential problem of production lines, so design the optimal production. Which is currently manufacturing the inevitable trend of enterprise development. Based on system simulation technology, using Flexsim simulation software Chengdu, a car body welding line business simulation modeling, and then analyze the simulation results, identify potential problems in the welding production line, which made the optimal production program, reducing production costs, improve production efficiency.This paper introduces the research background system simulation technology, current research; secondly outlines the main contents of the system simulation, classification and general steps, as well as discrete system simulation of relevant content and simulation software Flexsim; then introduced the car body welding technology, the working time of the enterprise body welding process and plant collection; Finally Flexsim simulation software to establish the body welding production line models.By analyzing the simulation data obtained, the company found the body welding line potential problems, suggest improvements program, and re-use Flexsim software verification proposed improvement program in order to select the optimal solution.Research this subject: Reducing the stations vacancy rate, reducing the number of stations, saving corporate human resources. So that the production efficiency body welding production line has been greatly improved, greatly increased corporate earnings.Key words：System Simulation; welding production lines; Flexsim; production line optimization目 录1. 前言11.1 研究背景11.2 研究意义11.3 国内外相关研究22. 系统仿真及仿真软件32.1 系统仿真技术概述32.2 系统与系统模型分类32.2.1 系统32.2.2 系统模型分类42.3 离散系统仿真42.3.1 离散系统建模方法52.3.2 离散系统分类52.3.3 离散系统仿真要素62.4 系统仿真的一般步骤72.5 Flexsim 仿真软件83. 汽车焊接生产线概述93.1 汽车车身焊接概述93.1.1 汽车车身焊接特点93.1.2 车身骨架的焊接与蒙皮93.1.3 车身拼装焊接工艺103.2 焊接方式与设备103.2.1 焊接主要方式103.2.2 焊接主要设备113.3 公司现状简析113.3.1 车身焊接工艺流程113.3.2 企业焊装车间介绍133.3.3 车间作业时间采集134. 基于 Flexsim 的车身焊装生产线仿真144.1 建立仿真模型154.1.1 仿真模型简化154.1.2 Flexsim建模步骤154.1.3 建立车身焊接生产线模型164.2 运行模型及分析仿真结果204.2.1 仿真模型的运行204.2.2 仿真结果及分析215. 车身焊接生产线的优化225.1 生产线平衡相关概念及原则225.1.1 生产线平衡相关概念225.1.2 生产线平衡原则235.1.3 影响生产线平衡的要素235.2 焊接生产线优化方案236. 总结26参考文献27致谢281. 前言1.1 研究背景现今，随着我国科学技术的发展与进步，逐渐在世界生产制造板块中占据一席之地。但国内许多制造企业存在大量的生产问题，没有更新企业的生产模式。其中企业生产制造车间的工位摆放顺序也很落后，没有合理规划车间生产区域，这些对企业的现代化管理、企业的生产效率和生产成本都有着很大的影响。进入21世纪以来，国家之间生产力的竞争越来越剧烈，许多中小型企业开始转变生产模式，着手解决企业落后的生产方式，积极使用现代化生产模式。加大了模块化，多品种小批量的生产，柔性制造等先进生产技术的重视程度，应用也越来越广泛，通过使用这些技术，使公司能够加强其在竞争中的整体竞争力。这能够使企业在新一轮的国际竞争冲击中立于不败之地。 在长期的生产活动的实践中，车间设备布局的质量直接影响到整个企业生产系统的综合性能，如人流、物流、信息流、产能、生产率、生产成本以及安全性能等。不同的车间设施布置，在建造成本上有很大差别。然而，规范合理的生产车间布置，可以很好的提高企业产品的生产效率，节省了企业人力资源，从而简化了生产线1。而且优良的平面布置可以使物料费用减少10%到30%，可以大大降低生产系统的运营成本，可以提高生产系统的盈利能力空间。1.2 研究意义使用系统仿真相关技术，我们可以在发现现行体制的问题之前，建立和完善制度，并提出改进意见，从而得到提高生产效率的结果。通过这种方法，不仅可以减少员工的劳动强度，体现人性化原则；还可以增加公司的利润，对公司平稳快速的发展有着重大意义。本文的研究目的是通过模拟仿真汽车车身的焊接生产线流程，使该生产线产能得以提高，提高企业效益。生产流水线的系统仿真是在计算机仿真的前提下，针对生产流水线的生产流程和每个要素进行系统仿真建模，在计算机仿真软件中模拟出生产流程，进而构造有效的生产计划，从而达到提升生产流水线的生产速率和减少工位的闲置情况2。运用这种方法。运营商不需要增加新的生产设备，只需要对现有设备布置这些地方进行整体变动和改善，就能降低物料的运输成本,提高生产的连续性；防止物料被堵塞、延误，保持生产和安排的柔性；提高空间、设备、人员等资源的利用率；适应组织生产结构和方便管理，达到提高企业的生产效率和经济效益的目的 3。1.3 国内外相关研究在国外，直接用模拟方法在生产系统中已经相当普遍，通常对企业物流系统使用商业模拟或仿真软件的分析。M.Eric,Johnson等利用Flexsim的仿真语言对HP公司在北美新配送中心仿真,建立一个自动分拣系统、订单采集、大量订单出货和再包装过程四个子模型,针对每个模型仿真模拟，获得整个配送中心的最佳模型,加速了HP公司在北美新配送中心的建设。YoungshinHan 等对Flexsim的如使用晶圆厂整个生产系统建模与仿真，以及工厂自动化物料搬运系统的详细研究，以获得周转时间减少处理系统的方法。K.S.EI一Kilany等通过开发了一种用于快速建立自动化搬运系统的仿真模型的工具,解决了半导体生产设施逐步的转向300mm制程的问题。在国内，虽然在仿真模型研究起步较晚,但是许多学者都在这方面进行研究并取得了一定的成果。何智春对基于Flexsim的机加工车间设施布置进行了建模与仿真，对基本布局形式、物流基本形式以及搬运系统设计对车间布置阶段的研究,提出了三者之间的相互关系是机加工车间设施布置的科学方法。李艾斌对航空紧固件企业的机加车间进行了建模仿真优化，深入分析了航天及固件企业机加车间的特点提出了运用系统仿真技术优化航天及固件企业机加工车间生产线设施布置，用仿真得出的数据结果作基础，从三个方面出发，提出了航天固件企业机加工车间的优化方案。这三个方面包括：确定最好的运转批量、调整每一个工位加工设备的数量和基于柔性制造的车间设施布置优化。2. 系统仿真及仿真软件2.1 系统仿真技术概述把计算机和其他专业软件作为仿真工具，对现实或想象的系统建立仿真模型进行测试，根据仿真模拟得出的数据和物流系统的相关资料，分析仿真结果，并做出相关决策。这就是系统仿真，一门实验性和综合性的学科。系统仿真的理论基础包括系统理论、控制理论、相似理论、数理统计、信息技术和计算技术等。系统仿真是一种人工操纵的实验手段，仿真实验是在根据现实环境人为制造的虚拟系统中进行的实验。当建立数学模型不能解决系统问题时，仿真技术就可以很好的解决这些问题。基于计算机技术的系统仿真模拟较为真实的演示了现实系统的运行情况。仿真技术的广泛应用，对现今制造行业的发展有着难以想象的推动作用。仿真技术可以为我们提供解决一些复杂问题所需要的相关信息；可以很好的处理一些不能建立数学模型的生产系统；为了能更好的分析系统的构成，可以利用仿真技术把复杂的系统分成多个子系统来分析；还能找出系统中存在的问题，有利于及时处理4。在发达国家的企业中，大多使用系统仿真技术来提高企业的生产竞争力。20世纪90年代，系统仿真真正被美国国家关注，在美国提出的二十二项国家关键技术中，系统仿真技术排在第十六位；美国国防部二十二个国防主要技术里面，系统仿真技术也排在前列。因此美国严格规定，研究所有重要的武器时，必须在投入生产使用之前进行仿真试验。据统计，在上世纪80年代末，根据系统工程来解决方案的管理和政策问题时，使用系统仿真方法的日本企业已超过80%。英国制造业解决物料控制、人员配置，调度，评估，投资决策和生产均衡等问题时也常常用到系统仿真的方法。据国外统计，优化系统的设计与规划时采用系统仿真，能使投资减少30%，可减少库存控制方面的15%的库存。2.2 系统与系统模型分类2.2.1 系统系统一词创成于英文system的音译，中国的钱学森说过：系统是由若干个有着相互作用、相互依赖关系的部分组成的，具有一定功能的有机整体。同时，这个系统又从属于另一个更大的系统。这也是目前系统的普遍定义。从上述定义中可以看出，系统有三个特性：多样性、相关性和整体性。（1）多样性 系统是由若干个部分组合在一起而形成的。（2）相关性 这些组成系统的部分互相联系、互相制约。（3）整体性 系统是所有组成部分形成的一个统一的、具有特定功能的整体。2.2.2 系统模型分类（1）物理模型物理模型就是真实系统的缩小或放大，它可以表现出系统每个组成部分之间的关系和系统的主要特性。如铸造时，制作砂型用的工具、汽车的制造模型、桥梁和建筑的木质模型等。（2）图形模型图形模型就是用图形、表格、符号等，把系统的实际情况抽象的表现出来，如网络图（层次与顺序、时间与进度等）、物流图（物流量、流向等）。（3）模拟模型使用一个原理相似，但容易解决或控制处理的系统来代替或模仿另一个系统，前者为后者的仿真模型。一般有两个类型：一个是可接收输入并进行动态仿真的可控模型；另一个是用计算机模拟和编程语言表达的仿真模型。（4）数学模型当把系统以及要素之间的联系用数学表达式、图像、图表等形式抽象地表示出来时，就是数学模型。就是用数量描述系统行为。一般分为确定型和随机型、连续型和离散型。各种模型特性的比较如图1。图1 各种模型特性比较2.3 离散系统仿真根据系统的特性可以对系统进行分类，可分为连续系统和离散系统。在系统中，系统的情况是根据时间连续变化的就是连续系统；在离散的时间点上系统情况发生变化的则是离散系统。其中导致系统情况发生变化的因素就是“事件”，因为“事件”一般发生在随机的时间点上，所以也叫做随机事件。根据上述分类的标准，本文描述的汽车车身焊接生产系统就是离散型系统。2.3.1 离散系统建模方法目前，现代制造系统的建模方法有很多种，如非经典控制论、进程交互法、时间序列分析、定性推理、Petri 网理论、成组技术、IDEF等5。 离散生产系统是一个比较经典的离散事件动态系统。UML（Unified Modeling Language）在1997年作为OMT 组织批准的一种标准建模语言。它把系统解释为：为众多离散的却又互相联系产生作用的因素并为外部用户提供功能的结构模型。因为是应用的图形表示法，是一种可视化的建模语言，具有广泛的应用前景。在建立的Petri网模型中，事件是系统中实体发生的动作，条件即系统的状态。当条件满足时动作发生，并系统到达下一状态。系统中的事件是由系统的状态来决定的，系统的状态变化又是由系统的事件来驱动的，而这些状态可以用条件来进行描述。利用Petri网建模可以全面地模拟出系统的结构和动态行为，并且可以为系统的评估和改进提出建议。作为一种图形化的工具，Petri网具有像流程图、块图和网络图一样的可视组件来构成系统的结构模型，并且用托肯数（tokens）的变化来模拟系统的动态行为图形化的表达方式可以使建模都易于表达复杂的数学模型，并且使使用者易于理解模型。同时，Petri网还可以用数学方式建立系统的状态方程、关联矩阵、代数方程等，便于建模都对模型进行分析。集成计算器辅助制造（IDEF）方法则是通过建模程序来获取某个特定类型的信息。IDEFX系列关于描述系统的方法总共有16种。用来表达各种系统的图像、系统模块的分析、系统的最优模式创建和利于不同的系统的转换。2.3.2 离散系统分类离散事件系统仿真根据处理方法可以分成：面向对象的离散事件系统仿真和面向过程的离散事件系统仿真。 （1）面向对象的离散事件系统仿真 一切事物把对象做为唯一的模型，对象之间除了相互传递信息之外，没有其他的联系。构成任何面向对象系统的首要步骤是决定可以用来实现该系统的实体的集合。这些实体以及其之间的相互作用就是这个面向对象系统的体系结构的基础。图2就是运用面向对象方法的仿真过程。图2 面向对象的仿真建模过程与传统的面向过程的方法相比，面向对象的建模方法具有独特的优势：如果有改变的功能出现，面向过程的方法可以是相当繁琐，相对而言，只需针对这些变化来修改的面向对象的建模方法就简单多了。由此得出结论，面向对象建模方法设计的系统有利于扩展和修改，有利于在不同的项目中重复使用同一对象，因此，更多的帮助设计人员理解系统。 （2）面向过程的离散事件系统仿真 主要是关于仿真过程中发生的事件及模型中根据先后顺序活动的实体的研究，这些都是有次序的。仿真时钟的推进依赖于这些事件和活动在当前的仿真时间发生的顺序，模拟过程中需要确定下次事件发生或实体确定条件触发启动和停止活动满足处理当前仿真时间系统状态改变的操作后，前进到下一个时刻。2.3.3 离散系统仿真要素离散事件系统仿真的基本元素有如下8种。（1）实体实体是边界内的对象,它是构成系统模型的基本要素之一。（2）属性每个实体都有自己的特性,通过属性的集合加以说明。如机加工车间中的运输工具有编号、有搬运速度和搬运效率等。（3）状态状态是系统中的实体在任何一个时间的所有属性的集合。（4）事件事件是由于行为和起因引起系统状态变化。（5）活动活动是两个事件之间的活动的持续时间。（6）进程进程是由若干某类实体相关的事件及活动有序的组成。（7）仿真时钟仿真时钟是显示着仿真时间的变化。（8）规则规则是用来描述实体之间约定的逻辑关系和系统运行策略。2.4 系统仿真的一般步骤每一个成功的仿真研究项目，应用程序包含在图3中显示的具体步骤。无论仿真项目和研究目的是否有不同的类型，其基本过程是不变的：一、理解系统问题；二、制定优化目标；三、概述系统并表格列出所有假设；四、列出所有可以替代的方案；五、采集系统信息与相关数据；六、利用计算机仿真建模；七、校验模型是否符合现有系统；八、运行模型；九、分析仿真结果。仿真研究不能简单地按照这九个步骤进行，得到系统的内部细节后，一些项目可能要返回到先前的步骤。同时，对仿真过程，每一步都需要验证和确认。图3 系统仿真的一般步骤2.5 Flexsim 仿真软件本文应用的是Flexsim仿真软件。这里稍微概述下Flexsim软件。Flexsim是由美国的Flexsim Software Production公司生产出品的,是一款商业化离散事件系统仿真软件。Flexsim采用面向对象技术,并具有三维显示功能。软件的突出特点是快速、简便，具有很强的建模能力。这个强大的软件功能，提供原始数据的拟合、输入建模、图形建模、虚拟现实显示、运行模型仿真、结果的优化、生成的三维动画视频文件等功能，而且还提供了与其他软件工具的接口6。图4是Flexsim软件构成的结构图。图4 Flexsim软件结构模块结构图Flexsim软件有这些特点：（1）Flexsim的建模功能都适应离散型和连续型事件。（2）Flexsim具有平面与三维建模窗口，且在建模窗口中可以直接导入AutoCAD的平面布置图。（3）Flexsim的部件具有柔韧的特点。（4）Flexsim是拖放图形建模型方法，是通过从固定类部件库，执行类部件库，流体类部件库，以及用户部件库中拖放实体模型。（5）Flexsim具有完全的C+面向对象性7。3. 汽车焊接生产线概述本文主要研究的是汽车车身的焊接生产线。作为汽车车身生产过程中的第一道程序，是组成汽车生产过程的重要部分。 汽车车身的焊接有点复杂。汽车车身的焊装包括了金属框架焊接和蒙皮附着。需要大量的人力物力把零散的车身冲压件焊接成一个完整的车身，在这过程中还会有许多因素来影响车身的质量和产量。因此，对焊接技术和焊接流程进行仔细研究，对生产线进行仿真优化设计，能提升车身制造水平和车间生产效率。 3.1 汽车车身焊接概述3.1.1 汽车车身焊接特点（1）车身构件汽车的车身是一个复杂的结构，它是由几百种，甚至上百的薄板冲压件连接在一起的，通过焊接，铆接，机械粘接和连接的方法。由于大都是由有着良好焊接性能的低碳钢制成的车身冲压件，因此，焊接已成为现代焊接机械制造的一种必需的工艺方法，广泛应用于汽车制造行业8。（2）生产规模汽车车身的生产效率与车身焊接的方法密切相关。在单件小批量生产中，大多是运用手工焊接的方法，所有的焊接工作都在一个或多个工位上做完，焊接夹具很少。随着批量的增加，焊接工作转为流水线式，尤其是车身的总装经常是在有多个工位的焊接线上完成的，其中每个工位都有夹具来保证焊接的质量。如果是大批量生产，焊接工作就是在具有快速正确定位的焊接夹具和完善的质量控制手段的自动化生产线上完成的。有的生产线上还装配了很多焊接机器人，以适应快节奏的生产和保证焊接质量的稳定。（3）工艺特点制造车身广泛使用电阻焊，此外，还有二氧化碳气体保护焊。汽车车身的主要焊接工作流程为:将金属冲压件制作成车身零件，然后把车身零件焊接成半成品的车身，最后通过生产流水线作业，把半成品车身组成成品车身9。3.1.2 车身骨架的焊接与蒙皮构成车身骨架的冲压件部件都是在冲压车间中生产完成，然后运送到焊接车间。车身一般是由所谓的六大片组成，即前端分总成、侧围分总成、后端分总成、顶盖总成及底架。而其他很少一部分的零部件因为比例很小，又不属于这六大片，所以在这里将其忽略10。用来制造汽车车身的材料大多是低碳钢。因为低碳钢的电焊性能良好，不需要采用特别的设备和工艺，只需要简单的循环焊接，用强规范或弱规范都能获得很好的焊接质量。在大批量生产的条件下，使用强规范不但可以避免大肆浪费电力的情况出现，还能确保焊接成的车身骨架结构不会变形，从而大大增加了车身焊装车间的产量11。汽车车身是由车架和蒙皮焊装构成，车身骨架是用来支撑和承载整个车身的部件，蒙皮则是外观部件。蒙皮和车身骨架的焊装包括：(1) 前端蒙皮与骨架的焊装；(2) 后端蒙皮与骨架的焊装； (3) 左右侧围蒙皮与骨架的焊装； (4) 顶盖蒙皮与骨架的焊装；(5) 车门蒙皮与骨架的焊装。3.1.3 车身拼装焊接工艺车身总成是由焊接好的车身骨架局部或者同时加热、加压接合在一起的。点焊技术在汽车车身制造中应用最为广泛，车身的强度受焊接好坏的影响。因为车身骨架由低碳钢薄板构成，尺寸大、刚度小。必须使用高精度的焊装夹具、先进的焊装方法和焊接设备。尽量避免焊缝交汇在一点或密集布置。车身装焊工艺一般流程如下：（1）四门两盖总成焊接工序（2）侧围分总成焊接工序（3）车身底板焊接工序（4）车身总成拼装焊接工序3.2 车身焊接方式与设备3.2.1 车身焊接主要方式（1）点焊点焊是在焊件之间形成一个个的焊点，从而来粘合焊件。点焊有很多种不同的方式，大体可以分为单面点焊和双面点焊这两类。细分之下，这两类点焊方式还能分为单点、双点和多点焊这三种。在汽车车身的大量生产中，单面多点焊获得广泛的应用。（2）缝焊缝焊可以看作是进行不间断的点焊，只是把点焊所使用的条状电极用不停旋转的滚盘状电极来替代。所以缝焊从实质上来讲，还是属于点焊，是点焊的另类变型。（3）凸焊凸焊也是点焊的一种变型，在汽车车身骨架的焊接生产中，把比较小的金属零部件焊接到较大的金属零部件上所使用的焊接方式就是凸焊。（4）二氧化碳气体保护焊是一种融化极气体保护电弧焊接法，利用焊丝与工件间产生的电弧来融化金属，由二氧化碳气体作为保护气体，并采用光焊丝作为填充金属。3.2.2 车身焊接主要设备（1）固定式点焊机固定式点焊机在车身焊接中主要用来点焊合件、分总成和一些较小的总成。焊机不动，每焊完一个焊点后，焊件移动一个点距，以进行下一个焊点的焊装。（2）移动式点焊机有些汽车车身零部件外形尺寸大，也较笨重，移动不方便，不便用固定式点焊机焊接。所以在车身制造中，移动式点焊机得到了广泛的应用。（3）二氧化碳气体保护焊自动焊机是由焊接电源、送丝机构、行走机构、焊炬、气路系统和控制系统等部件组成。3.3 公司现状简析在西南地区，成都安达特种车辆有限责任公司是一个较大的汽车生产厂家。该公司由于引进了许多先进的设备，使车间基本实现了自动化生产。其中汽车焊接生产线采用了先进的生产技术，能同时混线生产几种不同车型的汽车车身。3.3.1 车身焊接工艺流程该企业车身焊装工艺流程示意图见图5。 前端分总成焊装 底板分总成焊装 侧围分总成焊装 顶盖分总成焊装 后端分总成焊装6 六面体车身总成焊装7 骨架补焊8 焊缝修补9 车身骨架检测调整10 侧蒙皮张拉焊装1112 顶盖蒙皮张拉焊装13 前后蒙皮张拉焊装14 车门焊装 白车身检测调整 合格品送涂装车间图5 车身焊装工艺流程图3.3.2 车身焊装车间介绍该企业车身焊接生产线主要由以下几个区组成：左右侧围焊装区、底板焊装区、顶盖焊装区、前端焊装区、后端焊装区、四门焊装区、蒙皮张拉焊装区等。该焊装车间生产现状概括：（1）由于该汽车生产企业规模较大，装配了很多目前在国内比较先进的现代化焊接设备，所以整个焊装车间趋向自动化生产，焊接生产线运行流畅。但经过仔细观察，整个车间设施布置和焊接工序还是存在有不少的问题，使车间的焊接效率和零部件流通受到了影响。（2）由于设备较为先进，车间焊接装配线基本实现自动化生产，但车间有些地方设备布置不合理，导致不能进行自动化焊接，需要安排员工操作，加大了员工的劳动强度，浪费了企业的人力资源。3.3.3 车间作业时间采集因为焊接作业比较特殊，各个焊接工位中的每项工序的工作时间不确定，有时候几个工序同时作业，所以必须要考虑到整个工位完成作业所需的时间。于是，询问相关工位的技术人员，采集所需的经技术人员处理过的数据。表1为焊装车间各工序的作业时间表。表1 焊装生产线作业时间表工位工位名称作业时间/分工位工位名称作业时间/分1前端分总成焊装26.58焊缝修补5.12底板分总成焊装22.39车身骨架检测调整5.63侧围分总成焊装1910测蒙皮张拉焊装14.34顶盖分总成焊装11.411顶盖蒙皮张拉焊装16.75后端分总成焊装25.612前后蒙皮张拉焊装13.46六面体车身总成焊装39.613车门焊装18.67骨架补焊5.514白车身检测调整14.8通过上表和焊接车间现场车身部件堆放程度可以看出，该车身焊接生产线工序安排不合理，导致有的设备闲置率较高，车身部件堆积过多，影响了生产线的整体产能。以上生产线存在的问题通过Flexsim仿真软件建模运行后可以明显的看出来。4. 基于 Flexsim 的车身焊装生产线仿真 4.1 建立仿真模型 4.1.1 仿真模型简化仿真模型的原则为所构造的仿真模型在不影响仿真结果的前提下，模型应该尽可能的简化。由于本系统过于复杂，仿真模型不能反映真实系统，而且仿真模型也不是所有现实系统的重复，因此有必要进行模型简化12。一方面，可以减少工作量，另一方面是减少错误造成不必要的干扰，具体简化措施如下：（1）该焊接生产线中所有的车身构件质量全部合格，不需要再次检测。 （2）每个站点的流水线操作非常复杂，不可能每个工序的详细描述操作动作，因此每个站点在模型中被定义为一个处理器，每个处理器的具体操作参数根据现场实际操作时间设置。 （3）焊接生产线大部分机器状况良好，研究中并不考虑机器的损耗和维修。 （4）考虑的是系统内部的因素，假设到料最慢的原材料也不会影响生产系统的运作，即不会因为缺料而停工。（5）焊装设备所需准备时间可以忽略，焊装操作可以随时进入工作状态。 （6）该焊接车间每天只工作8小时。4.1.2 Flexsim建模步骤使用Flexsim软件建立仿真模型的步骤一般如下： (1) 在模型视景窗口中建立实体对象：用鼠标在实体库面板中将建模要用到的实体拖放到模型视景窗口中，一般说来，系统是由处理者和接受处理者两类个体组成。在Flexsim中实体是处理者，而临时实体就是接受处理者，生产线运行过程就是临时实体在模型上的移动过程13。 (2) 建立各实体之间的联系：在Flexsim软件中，实体之间是通过端口进行通信的。每个实体都可以有多个端口，端口数量没有限制。(3) 设置实体参数、属性。双击实体，设置该实体的属性和参数。要想在Flexsim中建立模型来模拟现实的生产情况，就必须要设置实体的属性和参数，这一步骤在建模过程中相当关键。实体属性、参数的设置根据现实生产线采集的数据为准。 (4) 仿真模型的运行与实验分析。第一步：鼠标左键仿真控制器按钮，打开控制组件，设置仿真生产线的运行时间，再依次点击“重置”和“运行”按钮，模型开始运行。 (5) 仿真结果的输出。将结果导入到Excel中，便于保存、查看。4.1.3 建立车身焊接生产线模型Flexsim中各实体与焊接生产线各工位的对应关系如表2所示。表2 实体模型与焊接工位对应表实体车间元素备注处理器焊装车间各处理工位暂存区临时储存生成器各部分总成原材料始发处合成器焊装车间各组装工位处理器子类吸收器涂装车间由上表所示对应关系对车身焊接生产线进行仿真建模，共计有5个生成器、1个吸收器、13个处理器、14个暂存区、1个合成器。由于现有Flexsim软件模型个数限制30个，简化掉跟仿真结果无关的模型。具体车间建模图如图6示。生成器1处理器6生成器2处理器7生成器3处理器8生成器4处理器9生成器5处理器10暂存区11暂存区12暂存区13暂存区14暂存区15合成器16暂存区19处理器18暂存区17处理器20处理器28暂存区29吸收器30暂存区21暂存区27处理器26暂存区25处理器24暂存区23处理器22图6 仿真实体流程图其中处理器及合成器对应的工位如表3所示：表3 模型与工位的对应关系模型对应工位模型对应工位处理器6前端分总成焊装处理器18骨架补焊处理器7底板分总成焊装处理器20焊缝修补处理器8侧围分总成焊装处理器22车身骨架检测调整处理器9顶盖分总成焊装处理器24侧蒙皮张拉焊装处理器10后端分总成焊装处理器26顶盖蒙皮张拉焊装合成器16六面体车身总成焊装处理器28前后蒙皮张拉焊装按如下步骤建立该车身焊装生产线的仿真模型：步骤一：从实体库中将流程图所需的实体模型拖到模型视景窗口中，并根据车身焊接流程连接各个实体模型。图7为完成的仿真模型。 图7 车身焊接生产线仿真模型步骤二：车身焊接生产线的起点是构成车身的零部件分总成到达焊接生产线，本文由于研究对象是车身焊接生产线，所以为了研究的便利性，设置发生器时间为26.5秒供应一个原材料。根据上文的数据可知该模型中，五个分总成焊接工位作业时间最长为26.5分，所以把发生器供应原料的时间设置为26.5秒，原材料不会发生中断的情况。如图8：图8 发生器参数设置步骤三：每个工位之间设置暂存区域，用暂存区域对象来表示半成品的堆积，也就是半成品中转站。因为中转站工件不会堆积得太高，设置最大容量为10。到达暂存区的最大容量后，工位将暂停，直到暂存区的工件不再饱和。因此会导致之后的工位暂时停止工作，但不会造成任何失真。因为在真正的装配线上，当暂存区产品积压太多，生产线将会短暂的断线，在此工位前的工人也将停止工作。暂存区的设置如图9所示。图9 暂存区参数设置步骤四：设置合成器。在该仿真模型中，前端分总成、底板分总成、侧围分总成、顶盖分总成和后端分总成是按照1：1：1：1：1的比例经过合成器组成车身骨架，因此对合成器的5个端口也需按照这个比例进行设置。合成器参数的比例设置时以端口一参数为基准，因此其他四个端口比例均设置成1即可满足条件。合成器参数设置如图10所示。图10 合成器参数设置步骤五：设置处理器。由于车身焊接过程使用得工作人员和设备较多，因此，不设置仿真模型的操作人员，但直接在处理器中设置所需的工作时间，简化仿真模拟过程，减少了计算量。同时由于处理器较少，从而省略了将数据从Excel电子表格转移到Flexsim软件的过程，并直接在每个处理器设置各自的操作时间。处理器参数设置示意如图11所示。图11 处理器参数设置4.2 运行模型及分析仿真结果4.2.1 仿真模型的运行建立了仿真模型后，开始模型运行前的准备工作。首先需要编译模型，点击编译按钮，等待完成后点击重置。要注意的是，改变的模型实体得参数设置之后，也需要重新编译运行，否则会引起软件崩溃。完成这些工作后，单击运行按钮，仿真模型就可以运行14。图12为生产线工作的运行状态图。图12 生产线模型运行状态模型仿真钟取时间单位为1秒钟，生产系统一个工作日的生产时间是8个小时，因此系统运行时间为86060=28800秒。模型运行的标准报告如图9所示，在模型低倍时间运行中能够展现系统的运作情况。4.2.2 仿真结果及分析表4 模型运行综合报告Objectstats_contentavgstats_outputstats_staytimeavgstate_since处理器60.99908108626.528810.87344处理器70.840765108622.29999928810.87344处理器80.71637410861928810.87344处理器90.429899108611.428810.87344处理器100.965156108625.628810.87344合成器160.99564154292.09845328810.87344处理器180.20712710855.528810.87344处理器200.19206310855.128810.87344处理器220.21089310855.628810.87344处理器240.538244108414.328810.87344处理器260.628332108416.70000128810.87344处理器280.50376108313.428810.87344由上表可知，处理器20的闲置率达到了81%。而且还有五个处理器的闲置率在50%以上。因此该车身焊接生产线的工位设施安排不合理，需要进一步优化。5. 车身焊接生产线的优化5.1 生产线平衡相关概念及原则5.1.1 生产线平衡相关概念生产线平衡研究的内容就是调整整个生产线的全部工序，使每个工序都尽可能的运行相同的时间。研究的目的在于减少生产线各个工序的闲置率、以及避免生产过剩14。生产线平衡是评价生产线质量优劣的一个重要指标，生产线各个工序作业越平均，生产线生产效率就越高。如果每个工序工作相同的时间，是一个完全平衡的生产线，生产线平衡率为百分之一百；所有进程的同步在这个时候进行，实现最大的工人和机器设备的使用，工作过程非常平稳。一个生产线中难免会出现生产节奏较慢的工序，其中节奏最慢的那道工序一般被称为“瓶颈”工序15。由于生产过程中“瓶颈”工序的存在，不仅仅减缓了该工序的生产速度，还降低了所有生产线工序的生产能力。“瓶颈”工序的出现也有着其必然性，因为生产线上每一个工序的作业时间都不可能完全相同。这类“瓶颈”工序的出现，不仅浪费了大量的成品生产时间，还造成了产品的大量堆积，对生产线的资源造成极大浪费，严重的还会造成生产过程的中断。空闲时间（idle time）具体是指员工、生产设备在规定时间内没有作业的那段时间。在一个生产流程中，除了“瓶颈”工序外，其他工序都会有空闲时间，闲置就是浪费，要尽量消除。工作要素（work element）有时就称为工序。它是流水线生产过程中最基本的一部分，是完成某项动作所进行的最小工作单元，即在进行生产线平衡优化时我们也不能将工作要素再行拆分。工作站（work station）有时也称工位，是装配线中的一个工作地，产品在此工作地要完成一个或几个动作。简单的可以理解为工件在装配线上停留等待加工的部位。总作业时间：在产品整个装配流程中，生产一个产品需要的时间，也就是一个产品从第一个工序到最后一个工序需要的所有作业工序的作业时间总和。根据以上概念我们可以看出，生产线平衡应该满足以下两个条件：（1）产线节拍不小于工序时间；（2）各工序时间的标准差最小。5.1.2 生产线平衡原则生产线平衡的改善包括以下两个原则：（1）既要调整每个流程的操作单元操作的时间小于生产线，也要遵守制造过程的优先级，还要使这一过程尽可能减少工序的数量16；（2）等待时间的过程尽可能少，而且尽可能每一工序相对同样的忙碌，使生产时间的损失减少到最低5.1.3 影响生产线平衡的要素影响生产线平衡的要素主要有三类：（1）工序的作业内容工序的作业内容是根据生产工艺的要求，在指定的位置来完成工作。工作的强度将直接影响完成作业的时间。（2）操作者的技术水平因为不同工作人员的知识背景，经验积累及身体状况的差别，即使是相同的工作内容，工人的技术水平也会有不同，从而会使处理时间产生差异。（3）工序设备的生产能力设备在一定的时间内组装产品的数量的能力和设备本身的利用率，是机器的生产能力。如果内容相同的工序是由不同类型的设备完成的，可能会有不同的数量和质量，这是因为由于现实情况，导致每台机器的处理速度和精度都有不同程度的差异。流水线生产的情况下，如果设备落后，在员工处理不当的情况下，可能会使整个生产线生产暂停。除了上面的三个点，其他如安排物流，原材料的质量，设计因素也能影响生产线平衡。5.2 焊接生产线优化方案及仿真结果分析根据得到的仿真数据和上述理论可以看出，处理器18、处理器20与处理器22闲置率都在80%左右，有很长的闲置时间。处理器18对应工位为骨架补焊，处理器20对应工位为焊缝修补，处理器22对应工位为车身骨架检测调整，经过工艺验证，三个工位可以整合。 建立整合后的仿