（管理科学与工程专业论文）混合生产线制造过程的建模与仿真研究.pdf

摘要 机械制造企业的混合生产线具有工艺过程与设备控制复杂、生产产品种类繁 多、生产周期长、在制品分部不均、各工序物流要求协调一致等特点。这些特点 为企业的生产计划调度、在制品的控制、车间的新产品生产调试及生产过程的优 化带来了相当大的难度。传统的生产管理方式很难全面管理整个生产过程，更难 以实现生产过程在时间、成本上的综合优化运行。系统仿真可方便进行管理，发 现运行中存在的问题，对运行中的问题进行方法实验，找出较优的改进方案，为 解决混合生产线制造过程的上述问题提供了一条有效的途径。 本文对某减速机企业的齿轮混合生产线进行了仿真研究，以达到优化组织生 产、提出排产优化方案和投产批量、提高设备效率、缩短齿轮生产线生产周期、 降低齿轮平均在制品库存时间、提高生产线的生产能力的目标。 首先，本论文应用工业工程的研究方法对齿轮混合生产线的生产物流状况、 设备参数、生产产品参数进行了详尽的采集、调研和分析，并以此真实的生产数 据为基础，抽象出了仿真模型的输入参数，作为仿真建模和运行分析的基础数据。 其次，基于w i t n e s s 大型仿真平台，应用面向对象技术建立了生产线各关 键设备的对象模型，以及齿轮生产线上关键搬运设备的对象模型；然后，抽象出 仿真产品对象的基本参数，建立了产品对象的生产工艺模型；最后将生产线设备 模型与产品工艺模型进行集成，形成生产物流模型。 第三，结合所建立的生产线物流模型以及齿轮混合生产线的主要生产任务， 运用参数化动态仿真、数理统计与数值分析、可视化图表等技术，实现了仿真模 型的动态运行，并对生产线的整线生产能力、关键设备生产负荷、生产线中的平 均在制品时间进行了统计分析。 最后，针对仿真结果分析的生产线中的问题，提出了排产优化方案、在制品 控制优化方案、人员配置优化方案分别重新建立了生产线物流的模型。将原生产 线模型和优化改进后的生产线模型的关键设备运行效率、以及平均在制品时间方 面进行了对比，并通过多次的反复优化得出了最终的生产过程优化方案。企业的 应用实践表明，齿轮混合生产线制造过程的数字化建模与仿真优化，能够优化企 业生产运行和调度方案，从而为企业的生产管理和优化调度提供有效的决策支 持。 关键词：机械制造业企业，生产线仿真，仿真优化，混合生产线，齿轮生产线 a b s t r a c t t h em i x e dp r o d u c t i o nl i n ei nm a c h i n em a n u f a c t u r e e n t e r p r i s e h a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l i c a t e dp r o c e s sa n de q u i p m e n t ，d i v e r s i t yo f p r o d u c tt y p e s ，l o n g p r o d u c t i o nc y c l e ，a n dt h ev o l u m eo fw o r ki np r o c e s s ( w i p ) g r e a ta n du n e v e n d i s t r i b u t i o n ，a c c o r d a n c eo fp r o d u c t i o nl o g i s t i c sa n ds t r i c t l ym a t c h e dp r o d u c t i o n r h y t h m i ti sd i f f i c u l tt oa r r a n g ep r o d u c t i o np l a n ，d e b u gn e wp r o d u c tp r o c e s s i n ga n d o p t i m i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s s t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nm a n a g e m e n th a st h e d i f f i c u l t i e si nm a n a g i n gt h ew h o l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dw h a t sm o r e ，i t sh a r dt o r e a l i z et h ew h o l eo p t i m i z a t i o ni nb o t ht i m ea n dc o s t s i m u l a t i o nc a ng r e a t l ys h o r t e n s y s t e mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tc y c l e ，f i n do u tt h ep r o b l e m si np r o d u c t i o n ，a n ds a v e d e v e l o p m e n tc o s t ，t h e r e f o r ep r o v i d ea ne f f i c i e n tw a yt os o l v ea b o v em a n a g e m e n t p r o b l e m i n t h i st h e s i s ，am i x e dg e a rp r o d u c t i o nl i n ei nas p e e dr e d u c e re n t e r p r i s ei s s y s t e m a t i c a l l ys i m u l a t e d ，i no r d e rt or e a l i z eo r g a n i z a t i o no p t i m i z a t i o n ，r a i s e do u t o p t i m i z a t i o np r o g r a mo fs c h e d u l i n g ，t h en u m b e ro fi n p u t ，i m p r o v ee q u i p m e n t e f f i c i e n c y , s h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l e , r e d u c et h ea v e r a g et i m eo fv o l u m eo fw i p a n df i n a l l yi m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h ew h o l el i n e f i r s t l y , w o r ks t u d ym e t h o do fi n d u s t r ye n g i n e e r i n gh a sb e e na p p l i e dt oi n v e s t i g a t e t h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c ss i t u a t i o n ，e q u i p m e n tp a r a m e t e r s ，a n dp r o d u c tp a r a m e t e r s i n p u td a t ao fs i m u l a t i o nm o d e lh a sb e e na b s t r a c t e db a s e do nt h e s er e a lp r o d u c t i o n d a t a s e c o n d l y , b a s e do nw i t n e s ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y , t h e m o d e lo ft h em a i np r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dm a i nt r a n s p o r te q u i p m e n ti n g e a r p r o d u c t i o nl i n ei s s e tu p t h e n ，t h ep r o d u c tp r o c e s s i n gm o d e li s d e v e l o p e db y a b s t r a c t i n gp r o d u c td a t af r o mr e a lp r o d u c t i o nl i n e f i n a l l y , t h ew h o l em i x e dg e a r p r o d u c t i o nl i n ei sf o r m u l a t e db yi n t e g r a t i n ge q u i p m e n tm o d e la n dp r o d u c tm o d e l t h i r d l y , d y n a m i c a lr u n n i n go ft h e s i m u l a t i o nm o d e li sr e a l i z e db ya p p l y i n g p a r a m e t e rd y n a m i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , m a t h e m a t i c ss t a t i s t i c sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i s ，a n dv i s u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y t h ep r o d u c t i o nl i n e sp r o d u c t i o nc a p a c i t y , k e y e q u i p m e n t sw o r k l o a dr a t ea n dt h ea v e r a g eo ft h et i m eo fw l pa r ea n a l y z e dd u r i n gt h e r u n n i n gp r o c e s s f i n a l l y , t h ep r o b l e mo ft h ep r o d u c t i o nl i n e i sd i a g n o s e db ys i m u l a t i o na n dt h e m o d e li sr e b u i l tb a s e do ns c h e d u l eo p t i m i z e ds c h e m e ，w i po p t i m i z e ds c h e m e ，p e o p l e o p t i m i z e ds c h e m e t h ef i n a lp r o d u c t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o ns c h e m ei s w o r k e do u t a t i e rs e v e r a lo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o n sb yc o m p a r i n gt h eo p t i m i z e dm o d e lw i t ht h e f o r m e rm o d e la tt h ea s p e c t so fa v e r a g ew i p t i m ea n dk e ye q u i p m e n t sw o r k l o a dr a t e t h ea p p l i c a t i o np r a c t i c eo ft h es i m u l a t i o ns t u d yi nas p e e dr e d u c e re n t e r p r i s es h o w s t h a tt h ed i g i t a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h em i x e dp r o d u c t i o nl i n ec a na n a l y z et h e p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n de q u i p m e n t s ，w o r k l o a d ，a n do p t i m i z et h ep r o d u c t i o nr u n n i n g a n ds c h e d u l i n gp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h ew o r kc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r tt h ed e c i s i o n m a k i n go fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n g k e y w o r d s ：m a c h i n em a n u f a c t u r e s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n ，m i x e d e n t e r p r i s e ，s i m u l a t i o n o fp r o d u c t i o nl i n e ， p r o d u c t i o nl i n e ，g e a rp r o d u c t i o nl i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：联慧 签字日期：。矿年) 月勿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 强慧 导师签名： 签字日期：，加。譬年j 月，矿e l 签字日期： ? 旧 防 p rr广 彤 乞辟 学位论文的主要创新点 1 、从管理与技术相结合的层面研究混合生产线的生产制造过程的 系统优化问题，一改以往单从技术层面或单从管理层面研究混合生产 线制造过程的优化问题的做法。 2 、用系统科学的思想系统的研究了混合生产线制造过程中的三个 可以改进的方面：排产问题，在制品的控制问题，人员的配置问题。 3 、基于w i t n e s s 2 0 0 3 大型仿真平台，应用面向对象技术对齿轮生 产线上各关键设备进行建模，建模内容包括：关键生产设备的组合建 模和关键生产设备及上下衔接环节的组合建模；然后，抽象出仿真产 品对象的基本参数，建立了产品对象的生产工艺模型；最后将生产线 设备模型与产品工艺模型进行集成，形成齿轮的生产物流模型。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的与意义 1 1 1 课题来源 本论文来源于天津市减速机股份有限公司与天津工业大学管理学院共同协 作的“天津减速机股份有限公司小批量多品种精益化生产研究”的研究课题。本 论文将重点研究该项目中的“混合生产线的仿真建模与分析 分系统。在该系统 中，将首先建立整个齿轮混合生产线的生产物流模型，然后以1 8 号和9 1 2 号 普通摆线齿轮为研究对象，从生产线的生产能力分析、关键设备生产负荷分析、 关键设备使用效率、生产周期、以及生产线中关键设备的平均在制品库存时间分 析等五个方面对齿轮的混合生产过程进行优化分析，从而提高生产线的整线生产 管理水平和运行效率，解决生产线中的排产问题和在制品库存问题。 1 1 2 课题研究的目的 随着市场经济的快速发展，市场逐步演变为动态多变型市场，产品更新周期 缩短，市场竞争同趋激烈。如何更好地加快我国机械制造业的发展步伐，增强企 业的竞争实力，是机械制造企业所面临的严峻任务。机械制造企业中的齿轮生产 线具有工艺过程与设备控制复杂、产品品种与新产品数量繁多、前后工序的物流 要求协调一致，时间节奏的匹配要求严格的特点，这些特点为生产计划调度、新 产品调试及生产过程的优化带来了相当大的难度： l 、由于生产设备庞大，原材料方坯、在制品、成品的附加成本高，在多个 品种的新产品投产、设备发生故障等情况下，必须花费大量的时间和成本对生产 线进行反复调试与试运行，才能实现量产或得到设备故障状态下的调度计划。 2 、由于生产过程是多品种、大批量、多阶段的复杂连续工艺过程，对生产 计划的连续性、一致性、协调性要求很高，也为生产计划调度与组织管理提出了 苛刻的要求。 3 、面对复杂的生产流程，难以及时发现影响生产物流平衡和生产设备负荷 平衡的瓶颈问题，难以对当f ； 的生产过程进行优化，从而阻碍了设备利用率和生 产线产能的进一步提高。 4 、传统的生产调度方式很难全面地把握生产过程，更难以实现生产过程在 第一章绪论 时i 、日j 、成本上的综合优化运行。企业必须借助科学的分析与决策手段，用于优化 组织生产、摸清工序能力、规范物流制度、提高设备效率以及新产品的开发效率， 才能达到不断提高生产线生产能力的生产目标。为此，提出了借助科学的计算机 仿真的方法，统计生产线产能，估测生产线设备负荷率，优化排产顺序，优化投 产批量，优化生产线流程，实现生产线物流的顺畅运行的研究课题 1 1 3 课题研究的意义 l 、对于即将投产的新产品，在试生产前可以通过仿真验证新产品的生产工艺， 找到不合理的生产环节并反复加以优化，直到整个生产流程协调顺畅再进行现场 调试，从而减少新产品反复在线调试时间，避免在原材料和设备成本上的大量投 入。 2 、对于已经投产的定型产品，通过对当前生产过程的仿真进行生产线产能、 效率、设备负荷率分析，大量的分析数据可以为生产计划与管理提供科学决策的 依据。同时，通过仿真可以发现当前生产的瓶颈问题，并通过调整各种生产运行 参数来模拟各种改进的生产方案，从而不断地平衡设备负荷、优化生产计划、提 高生产线的产能。 3 、通过模拟故障状态下的生产流程重建过程，可以对设备故障或设备检修情 况下的生产线产能、负荷、瓶颈进行预测评估，找到合理的调整方案，从而为合 理安排生产、缩短工艺整时间提供决策依据，以达到减少因生产线停工带来的时 间和经济损失的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 仿真建模技术的研究技术 近些年来，研究人员对离散动态系统的建模、分析等方面的研究取得了很大 进展，开发了很多新的建模技术。概括地讲，根据仿真对象与目的的不同，在制 造系统建模与仿真领域所采取的主流技术包括： 1 、面向功能( f u n c t i o n - o r i e n t e d ) 的建模与仿真技术 面向功能的建模与仿真采用功能分解法和递阶层次控制来建立制造系统各个 不同视图中的模型。由于功能分解法采用统一的活动单元来描述整个系统各个递 阶层次中的功能模块，因而具有较好的通用性和一致性。然而由于面向功能的建 模与仿真使用单一的活动单元模型，无法表达丰富的建模语义，因此难以满足制 造系统对复杂模型描述和动态运行的要求。该类仿真的代表方法有i d e f o 等方 2 第一章绪论 法。 2 、面向过程( p r o c e s s - o r i e n t e d ) 的建模与仿真技术 面向过程的建模与仿真以过程模型为核心，用控制视图与严密的数学关系来 描述活动间的逻辑关系和约束规则，建立由多个活动交互形成的系统运行业务 流，有效地集成控制流、物料流和信息流。然而当业务过程复杂时，面向过程的 建模与仿真所涉及的任务与活动数量会剧烈增加，活动之间的关系也由于复杂性 而难以描述。该类仿真的代表方法有p e t r i 网方法等。 3 、面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ) 的建模与仿真技术 面向对象的仿真根据系统的对象及相互作用来构造仿真模型，并把对象实体 及其关系描述的系统静态结构和功能，同对象行为表达的系统动态过程有机地结 合起来。面向对象的仿真控制结构，通过专门的控制对象提供仿真运行或模型控 制策略，实现仿真模型中不同控制功能的分离，形成更为灵活、可重用、与实际 一致的控制结构。该类仿真的代表方法有：f l e x s i m 、w i t n e s s 等。f e l x s i m 是 f e l x s i m 美国公司开发的迄今为止世界上第一个在图形环境中集成了c + + i d e 和编译器的仿真软件，面向中小企业，可以直接在个人电脑上运行：e c n o m a t i x 的 e m - p l a n t 软件采用进程交互法，它具有丰富的建模单元，能够模拟各种物流系 统中的处理单元；w i t n e s s 是l a n n e rg r o u p 公司开发的功能强大的仿真软件系 统，主要用于离散事件系统的仿真。它采用面向对象建模的编程方法，打破以往 仿真软件面向过程的方式，因而建模灵活，使用方便。w i t n e s s 的仿真钟推进方 法采用的是事件调度法。即，时问控制部件从事件表中始终选择具有最早发生时 问的事件记录，然后将仿真钟修改到该事件发生时刻。当前，w i t n e s s 代表了最 新一代仿真软件的水平。w i t n e s s 经常被用于解决诸如投资规划、物料输送策略、 识别生产瓶颈、生产计划与调度、人力需求规划、成本估算等问题。 4 、面向代理( a g e n t o r i e n t e d ) 的建模与仿真技术 面向代理的建模与仿真是近年来新兴的一种仿真技术，它将具有自主控制能 力和功能独立的设备作为系统研究的智能体，这些智能体响应环境的变化或来自 其他主体消息，同时也具有自主的决策能力。每个智能体在独立完成自身任务的 同时又相互协作，共同完成制造任务。这类仿真特别适合柔性制造系统、自治生 产单元等具有一定自治能力的离散制造系统仿真。 1 2 2 仿真技术在机械制造业加工过程的研究现状 目前进行的制造业的机械加工过程仿真，主要有两种情况：一种是从研究金 属切削的角度出发，仿真某具体切削过程内部各因素的变化过程，研究其切削机 理，供生产实际与研究应用：另一种则足将加工过程仿真作为系统的一部分，重 第一章绪论 点在于构造完整的虚拟制造系统。这两种方式的仿真方法是相同的，即首先对机 械加工工艺系统建立连续变化模型，然后用数学离散方法将连续模型离散为离散 点，通过分析这些离散点的物理因素变化情况来仿真加工过程。 1 2 3 仿真优化技术在制造业生产线的研究现状 在生产制造业生产线的研究主要集中在以下几个方面： l 、对制造业生产线平衡的优化 r o b e r t ssd ，v ill acd 等人建立了求解混合流水线平衡的整数规划模型， 这种模型是对单一流水线平衡方法的修改，变量个数与约束条件随着a l b 问题规 模的增大而急剧增加，因而只有理论意义n 1 ：t h o m o p o u l o snt 给出了混合流水 线平衡问题的最短路径算法，这也是对r o b e r t ssd ，v i l l acd 等人提出的算 法的改进，局限性在于不能解决大规模的混合流水线问题心1 ：e r d a le r e l ，h a d i g o k c e n 等人给出了在面向定单环境下的混合流水线平衡的新的启发式算法口1 。周 亮，宋华明，韩玉启等人针对随机型生产线，给出了在一定完工率条件下的负荷平 衡的遗传算法，对经典生产线平衡问题建立随机模型h 1 ：吕冬梅给出了四种生产 节拍平衡的动态研究方法分别为：短周期生产计划、设备产能的均衡、实现设备 “零故障 、产品切换最小化，用仿真的手段解决生产平衡问题隅3 。冯志刚通过 对生产线中负荷的优化来平衡优化生产线叩，。 2 、对制造业生产线在制品库存的优化 m o n d e n ，y 分析了日本丰田公司的看板管理模式。看板属于分散式拉动控制系 统，看板系统使用卡片严格控制工序问的在制品库存，系统内的在制品总量等于 卡片总数口1 。s p e a r m a n ，m l ，w o o d r u f f ，d l 等人提出一种新的在制品库存控制模 式，称为c o n w i p ( c o n s t a n tw l p ，恒定在制品库存系统) 。c o n w i p 系统并不控制 每个工作站的在制品库存，而是控制整个生产系统的在制品库存徊1 。张洁，汪宇， 刘世平，李培根等人建立工序间在制品库存控制数学模型，通过在制品a g e n t 调 度协调，保证生产系统中在制品库存最低阳1 程曙，张浩，樊留群等人用蒙特卡洛 法的性能优化仿真计算方法优化在制品库存的控制n 们。张涛，于瑞峰，王建才等人 用网络排队法优化在制品库存，。 3 、对制造业生产线排产计划的优化 国内对这方面的研究文献采用“调度问题 ，“机器排序问题”等提法，常常 划分为单台机器的排序问题和多台机器的排序问题，对于多台机器的排序问题， 按工件加工路线的特征，分成单件车间( j o b s h o p ) 排序问题和流水车间 ( f l o w - s h o p ) 排序问题。在排序的目标上，国内的研究文献以“制造周期( m a k e s p a n ) ”为目标，多以加工制造流水线为研究对象：国外对投产排序的目标多以“准 4 第一章绪论 时制”为目标，多以装配流水线为研究对象一般采用的方法有：运筹学方法、 模拟退火算法、遗产算法、蚁群算法、启发式算法。 4 、对制造业生产线工艺路径的优化 赵宁，宁汝新，武志军等人在对生产线进行分析的基础上提出了虚拟生产线集 成仿真平台的思想，通过工艺与生产线的并行规划来获得优化的工艺n 引。 1 3 论文研究结构和内容 1 3 1 论文的主要内容 齿轮生产线的制造过程是典型的离散事件，对齿轮生产线的物流系统进行仿 真，建立可信的系统模型是最重要的前提，这也是仿真中比较困难的部分。 w i t n e s s 是一种对离散动态系统建模与规划的有效工具。本文以某国有大中型减 速机厂的齿轮生产为研究对象，利用面向对象的w i t n e s s 对其进行仿真建模，并 为将来实现制造业数字建模提供理论和实践的参考。 本文对机械制造业的仿真优化的应用研究主要是针对系统中存在的一系列 问题，提出数学模型，然后通过计算机仿真模型比较现有的生产物流系统或是建 议的系统，预测系统在可能运行条件下的发展趋势和变化特征，研究单个营运参 数变化对系统未来营运的影响，籍以探寻影响生产线生产能力的瓶颈，减少在制 品堆积现象，提高生产线的生产能力，提出对系统的执行准则和模型参数修改方 案，为生产线的设计和生产管理提供主要技术指标和信息，为决策者提供最优的 决策方案，为机械制造业的发展提供指导依据。 综上所述，本文将主要对以下的问题加以研究： l 、基于面向对象w i t n e s s 的齿轮生产线的系统建模 对齿轮生产线六个月的数据进行收集，详细分析了该生产线的组成以及生产 作业流程，在此基础上研究齿轮生产线的面向对象w i t n e s s 的建模方法，建立起 w i t n e s s 模型。 2 、齿轮生产线车间内排产的优化 针对该齿轮生产线排产比较混乱的现象，综合各种排产算法，提出了改进的 启发式算法，对齿轮车问内的排产进行优化。将该优化思想和齿轮生产线生产过 程的仿真模型相结合，建立新的仿真模型，对仿真结果进行对比分析，证明了改 进的排产方法的可行性和有效性。 3 、齿轮生产线车间内在制品控制的优化 针对该齿轮生产线中在制品堆积现象比较严重的问题，根据在制品相关因 素，建立在制品控制的数学模型，结合经过排产优化的仿真模型，建立了在制品 5 第一市绪论 控制的优化模型，对仿真结果进行比较分析，为该车问的在制品控制提供了指导 依据。 4 、齿轮生产线车间内操作人员的优化 为了能使生产线达到更好的平衡，用模拟退火算法对生产操作人员进行优 化，使得生产周期缩短，在制品减少，生产线达到更好的平衡状态。 1 3 2 论文结构 本文运用仿真和优化技术，对某减速机厂的齿轮生产线的生产过程进行了数 字化建模，并对该生产线的排产问题，在制品问题，人员优化问题进行了研究。 本文以仿真为线索，按照齿轮生产线分析仿真建模仿真优化的顺序对以 上问题进行了论述。全文共分了六章，图1 1 为本文的结构图。 图1 1 全文结构图 6 第二章混合生产线制造过程的分析 第二章混合生产线制造过程的分析 2 1 混合生产线 在现代化大生产中，诸如以汽车、家电等产业为代表的大量生产方式是一种 主要的生产类型，而在大量的生产条件下，流水生产线由于能将高度的对象专业 化的生产组织方式和劳动对象的平行移动方式有机地结合起来，是一种较好的被 广泛采用的生产组织形式。 现代流水生产组织方式起源于福特制【1 3 】，h e n r yf o r d 于2 0 世纪1 0 年代创立 了汽车工业的流水生产线，由此揭开了现代化流水生产的序幕，引起了制造业的 一个根本性变革。近一个世纪以来，流水生产方式不仅在制造业中而且在服务业 中获得了广泛的应用，在内容和形式上不断地发展。 2 0 世纪8 0 年代以来，出现了被称为“准时制”的新型生产方式，使这一制 造业的主要生产方式从单一流水向多品种混合流水发展。单一流水生产方式体现 的是“以生产为中心 的管理思想，混合流水组织方式体现的是生产与经营一体 化的管理思想，是生产组织方式的一大进步。2 0 世纪9 0 年代，美国乔治华盛 顿大学一个专门小组对新兴技术发展作了预测，提出了世界未来的8 5 项新兴技 术，其中有大批量定制技术，到2 0 1 5 年大约有3 0 的产品可以大批量定制。大 批量定制技术推动了流水生产组织方式向更具柔性的方向发展【1 4 1 。当前，制造 业竞争的全球化和用户需求的多样化对产品的要求是：更多的产品变化，更短的 产品生命周期，更低的产品成本和更高的产品质量，多品种柔性混合生产制造成 为一种趋势。 混合流水生产系统能够适应多品种生产需要，它是在基本上不改变现有生产 手段、生产条件和生产能力的条件下，通过改变生产组织的方法，在一条流水线 上进行多品种搭配，有序地生产多种产品。在混合流水线上，由于不同品种的工 序和作业时间都不相同，所以生产计划必须考虑混合流水线上产品的投入顺序， 即排产问题，实行有节奏、按比例的混合连续生产，使品种、产量、工时、设备 负荷达到全面均衡。这是混合流水生产系统中所要解决的一个主要问题。 混合流水线的出现是在下列背景下：1 、市场竞争的压力；2 、产品生命周期 的缩短；3 、市场需求的多样化和个性化。混合流水线的出现可以降低库存，满 足顾客的多样化与个性化需求，缩短产品的上市时问，提高企业的竞争力。 近二三十年来，混合流水线在日、美、欧等发达图家已经被广泛采用，混合 7 第二章混合生产线制造过程的分析 流水线上生产的多种产品通常是结构、工艺相似，但规格、型号不同的系列产品。 混合流水线的使用要求生产系统具有更大的弹性，换装是快速而经济的，产品可 以以很小的批量，甚至是单件在线上生产。因此混合流水线必须在一定的、比较 严格的条件下才可能组织。这些条件是： l 、品种设计结构要系列化、标准化和通用化： 2 、加工装配工艺能够快速调换工、模、央具： 3 、有严密的生产计划管理体系，编制出可行的混流生产计划： 4 、各个生产环节衔接协调，实行生产过程的同步化生产： 5 、应有熟练掌握多种操作技能的生产工人： 在混合流水线上，不同产品混合、连续地进行，线上的产品一般是模块化设 计的一个产品家族。这些产品( 称为一种基型、多种变型) 在功能上和作业方式上 基本相同，仅仅在规格以及型号上有区别。比如，微机制造商生产同一品牌不同 规格的电脑，显示器有1 4 i n c h ，5 i n c h ，1 7 i n c h 等3 种规格；c p u 有p e n t i u m 39 0 0 m ， p e n t i u m 41 1 g ，p e n t i u m 41 4 g 等3 种型号；在其它方面的配置中有：附带调制 解调器( m o d e m ) 与不附带调制解调器的2 种规格等等，由这些模块可以组合成基 本功能相似，规格与型号有差异的庞大电脑家族。在汽车工业、家电工业中，生 产的产品经常是一族产品，在生产过程中，其大部分的生产工序是相同的，更换 产品品种时基本不需要调整生产线。 混合流水生产系统，可以生产大批量标准化产品，也可以按照客户订单生产 小批量非标准化产品，满足了顾客对产品的多样化需求；与单一型流水线相比， 混合流水线具有更高的灵活性，线上工作站的可变性大，适应性高，有助于提高 产品质量。混合流水线是多品种小批量的一种生产组织方式，使得企业对市场的 快速反应不再依赖于成品的库存，提高企业对市场环境变化的快速反应能力，实 现“只在需要的时候，按需要的量，生产所需的产品”的目标【”】。 2 2 混合生产线的运作方式 由于混流生产线可以忽略从一个产品的一种类型转换到另一种类型所需的 花费，所以它是能够进行多品种小批量生产的生产线。混流生产线是一种制造各 种类型产品的有效方式，它提供给生产系统快速响应需求变化的能力，并且不需 要保持大量的库存。混流生产线的一般形式是【l6 】： l 、一个计划期( p t ) 内，在同一条生产线上生产m 种规格的产品； 2 、生产线上的m 种产品通常是结构和工艺相似，但规格和型号不同； 3 、生产过程中，不同产品之间的转换基本上不需调整生产线； 8 第二章混合生产线制造过程的分析 4 、生产线上m 种产品是连续、混合( 非成批轮番) 投入的。 混流生产线正常运转的前提是生产的均衡化和同步化。其指导思想是均衡化 的多品种、小批量混流生产；指导原则是数量均衡、品种均衡、混合装配。 l 、数量均衡在机械制造企业中，是指总装配线( 混流生产线) 每同的产量 基本保持恒定。如果总装配线上产品的产量波动很大，在时间和数量上无规律地 消耗零件，上游车间和工序以及供应商就不得不在生产资源入、机、料、能 源等方面保持足够的余量，以承受负荷高峰；而在占大部分时间的非高峰负荷期 间，就会产生资源闲置浪费。同时，由于拉动放大效应，总装配线( 混流生产线) 上的产品产量变化越大，前工序的同步适应难度就越大，极易导致生产混乱。 2 、品种均衡仅有数量方面的均衡是不够的，因为现代市场需求是丰富多样 的，要对其有快速的适应性，在单位时间罩尽可能生产多种型号产品。机械制造 企业必须根据市场订单的实际需求和每日产量均衡的限定，确定总装配线( 混流 生产线) 上每种型号品种的日均产量，这就是品种均衡。 3 、混合装配就是机械制造企业按照数量均衡和品种均衡的要求，依据日均 产量和产品型号比例的规定，均匀合理地混合安排产品原料流投入顺序。这使得 总装配线能够在同一单位时间内生产多种型号产品，从而尽量满足市场的多样性 外部独立需求；对相关需求中的生产环和供应环则提供了均衡消耗、减少负荷波 动、提高生产效率方面的支持。 组织多品种混流生产的关键是要实现生产的“平准化”。平准化的核心是混 流生产线产品投产顺序的最优化。即：指产品被拉动到生产系统之前，人为的按 照作业时间、数量、品种进行合理搭配和排序，使拉动到生产系统中的工件流具 有加工工时上的平稳性，保证均衡生产，同时在品种和数量上实现混流加工运动， 起到对市场多品种、小批量需求的快速反应和满足功能。 2 3 混合生产线的生产特点 2 3 1 混合生产线车间内排产 在流水线上，每种规格的产品要经过每个工作站一次而且仅一次，每一种规 格的产品在流水线上必须按照相同的顺序通过每个工作站。当多种不同规格的产 品在生产线上同时生产时，需要确定产品的一个加工顺序，即哪个产品先投入、 哪个产品后投入，排产问题就出现了。 混合生产线的排产问题的焦点一般都会集中在投产排序的问题，即转化为车 问内产品投产的排序问题。混合生产线车间内排产问题属于小批量多品种的排产 问题。所以该论文将通过研究小批量多品种的排产问题来研究混合生产线的车f i l j 9 第一二章混合生产线制造过丰口的分析 内问题。 混合生产车j 日j 内小批量多品种的排产主要存在以下特点： 1 、生产过程的复杂性 2 、生产计划的多变性 3 、排产的复杂性 4 、生产周期过长 5 、存在生产过程的在制品堆积现象 2 3 2 混合生产线工序间在制品库存 混合生产线虽然在一定程度上缓和了工序间的库存，但是混合生产线的生产 模式逐步趋于小批量多品种的生产模式，在生产过程中出现了：排产混乱，生产 线生产的种类较多，机器的加工时间不均衡，在生产的投产不合理等现象，在一 定程度上导致了一些工序的工序间在制品较多，在制品库存控制的问题就出现 了。 混合生产线的在制品库存问题的焦点般都会集中在投产批量的问题、准备 时间的调整问题、维修时间的控制问题、还有生产产品的投产排序问题。混合生 产线车间内在制品库存问题属于小批量多品种的在制品库存问题。所以该论文将 通过研究小批量多品种的在制品库存来研究混合生产线的车间内在制品控制问 题。 小批量多品种的在制品库存一般存在以下特点n 7 1 ： i 、库存的种类较多。小批量多品种的在制品库存不是单一产品的库存，是 生产线中多种产品的库存，在对于它的控制过程中，如何确定在制品库存中各品 种的具体数量以及所在的位置是关键问题。 2 、和在制品库存相关的因素较多。在制品库存相关的因素较多，总结归纳 为如下： ( 1 ) 生产投产的批量。 ( 2 ) 生产方式。 ( 3 ) 产品的投产顺序。 ( 4 ) 生产线的生产节拍。 ( 5 ) 工序间的搬运时间。 ( 6 ) 机器的准备时间。 ( 7 ) 机器的维修时间。 ( 8 ) 库存容量。 根据相关因素，如何有效的控制在制品是关键问题。有效控制在制品库存， l o 第：二章混合生产线制造过程的分析 会产生以下收益： l 、有限容量的在制品库存，限制了流入车间的原料数量。这时的生产指令只 是停留在纸面，而不是车间里的原料，从而使得车间的调度和产品设计的柔性增 加。如果设计或工艺变更，拆卸产品的成本是很高的，尤其是在制品库存很高的 时候。车问通过控制在制品库存，降低了拆卸和返工的产品数量，消除了销售劣 质产品造成的负面影响。 2 、控制在制品库存会降低生产节拍的变化幅度，从而缩短产品的生产周期。 根据l i r l e 定律，如果工件的输入速率保持恒定，提高在制品库存，就会导致生 产节拍增加。以“推动 方式工作的生产系统，允许产生大量的在制品，在库存 成本增长的同时，生产节拍变化幅度很大。此时的厂家要取得同样的顾客满意度， 就要规定较长的生产周期以弥补生产节拍波动过大产生的影响。与“推动式 系 统比较，在拥有相同顾客满意度的同时，“拉动式 系统拥有的在制品要少得多。 2 3 3 混合生产线车间内的人员配置 在一般对生产线的研究中很少提及对生产线人员配制的研究，在现实研究中 发现人员的配置对生产线的生产效率以及生产周期有一定的影响。对于混合生产 线来说，由于生产过程中加工的零件品种比较多而且工艺复杂，所以需要的操作 人员比较复杂。 混合生产线中车间内的操作人员有如下特点： l 、操作人员的排班比较复杂。 2 、各道工序的人员配置比较困难。 3 、对操作人员的要求比较高。 根据操作人员的特点，如何有效的合理的分配和利用有限的操作人员是关键 问题。 ， 2 4 混合生产线制造过程与仿真 2 4 1 生产系统中计算机仿真的基本理论 l 、仿真原理及基本概念 仿真是针对复杂的现实系统，经过一定的抽象和简化，形成系统的模型。通 过动态运行此模型，获取有关的系统性能数据，以此研究一个存在或者设计中的 系纠憾】。针对一个真实系统的仿真又称为系统仿真，如针对离散事件系统，生 产线系统的仿真都属于系统仿真范畴。w i t n e s s 中的仿真时钟、事件调度法、 第二章混合生产线制造过程的分析 随机数和随机变量的产生，是实现模型仿真运行与实际系统相一致的四个关键要 素【1 9 】。仿真时钟用于表示仿真时间的变化。在实际系统中，由于系统状态变化 是不连续的，在相邻两个事件发生之前，系统状态不发生变化，因而仿真钟可以 跨越这些“不活动”周期。从一个事件发生时刻，推进到下一个事件发生时刻。 由于对生产物流的建模实质上是对系统状态在一定时间序列的动态描述。因此， 仿真钟推进方法主要有三大类：事件调度法、固定增量推进法和主导时钟推进法。 在这里，仿真钟所显示的是模型运行所花费的时间，而不是计算机运行的时间。 因此，仿真时间可比真实时白j 短的多。真实系统实际运行若干天或若干月，用计 算机模拟运行也只需要几分钟。 对建立好的模型进行仿真运行有两种方式：l 、显示物料流动的仿真运行；2 、 不显示物料流动的仿真运行。显示物料流动的仿真运行可以更直观的观察物料流 动的情况，而不显示物料流动的仿真运行只能看到统计结果。当然，显示物料流 动的仿真运行速度较慢，不显示物料流动的仿真运行的速度较快，适用于不需要 观察模型运行情况，只要统计结果的情况。进行仿真运行时，也可以通过r u n 工具设定运行的速度，对仿真运行的速度调快或者调慢。 事件调度法是面向事件的方法，是通过定义事件，并按照时间顺序处理所发 生的一系列事件。记录每一事件发生时引起的系统状态的变化来完成系统的整个 动态过程的模拟。由于事件都是预定的，状态变化发生在明确的预定的时刻。所 以这种方法适合于活动持续时间比较确定的系统。事件调度法中，仿真钟是按下 一时问步长法来推进的。通过建立事件表，将预定的事件按时间发生的先后顺序 放入事件表中。仿真钟始终推进到最早发生的时间时刻。然后处理该事件发生时 的系统状态的变化，进行用户所需要的统计计算。这样，仿真钟不断从一个事件