工业工程毕业设计（论文）-转向架装配线物流仿真优化.doc

毕毕业业设设计计( (论论文文) ) 题 目 转向架装配线物流仿真优化 学生姓名 专业班级 工业工程 08-2 班 所在院系 机械工程学院 指导教师 职称 讲师 所在单位 工业工程教研室 教研室主任 完成日期 2012 年 6 月 7 日 摘 要 随着信息化技术的不断进步，企业要想赢得竞争依靠的是较强的综合实力， 包括多元化的产品服务、先进的生产技术和加工装备、以及完善的信息化管理。 企业在不断发展壮大的过程中，尤其在订单型企业，对物流管理的呼声尤为高 涨。 企业需要生存，在不断创造价值的过程中，需要从产品的设计、制造、营 销直到维护，整个产品全生命周期的各个环节降低成本，提高投资回报率；需 要通过物流管理，对生产计划、实施和控制，使产品、服务及相关信息能够从 策划起点到消费终点有效并高效地流通和存储，达到提高资源利用率、缩短产 品上市时间、有效降低成本的巨大效益。现代物流管理是将在物流过程中发生 的信息、运输、库存、搬运以及包装等物流活动综合起来的一种新型的集成式 管理。 PLANT SIMULATION 广泛应用于生产，物流，研究，教育，工程等等行业， 主要用于优化物流系统以及业务过程中的结构、尺寸和控制策略，能够帮助用 户作出可靠的决策，避免时间和成本上的浪费，优化投资，节约成本，从而加 快产品上市时间，提高企业整体生产竞争力。应用 PLANT SIMULATION 能够对 装配工厂、配送中心等进行仿真分析，优化物流系统，提高设备设施的利用率 及生产能力。 关键字：优化物流系统 仿真分析 提高利用率 物流管理 Abstract With the continuous progress of information technology companies to win the competition relies on a strong comprehensive strength, including a wide range of products and services, advanced production technology and processing equipment, and information management. In the process of continuous development and expansion, especially in order enterprise, the voice of logistics management is particularly high. Companies need to survive and continue to create value process, from product design, manufacturing, and marketing until the maintenance of all aspects of the entire product lifecycle to reduce costs, improve return on investment; need logistics management, production planning, implementation and control, products, services and related information from the end of the planning point of origin to consumption is an effective and efficient flow and storage to improve resource utilization, shorten time to market, reduce the cost of the tremendous benefits. Modern Logistics Management is a new integrated management information, transportation, inventory, handling, and packaging in the logistics process, logistics activities together. Plant Simulation is widely used in the production, logistics, research, education, engineering industry, mainly for the optimization of logistics systems and business processes, structure, size and control strategy, can help users to make a reliable decision-making to avoid the time and cost waste, optimize investment, cost savings, enabling faster time to market, improve their overall competitiveness in production. Plant Simulation applied to assembly plants, distribution centers, such as simulation, optimization of logistics system to improve the utilization of equipment and facilities and production capacity. Keywords: optimization of logistics system simulation analysis improve utilization of logistics management 目 录 第第一一章章绪绪论论 .1 1.1 课题来源及意义 .1 1.2 课题的国内外发展状况 .1 1.3 本课题的研究目标、研究内容 .3 第二章第二章 装配线优化的基本理论装配线优化的基本理论.5 2.1“节拍” 、 “瓶颈” 、 “空闲时间” 、 “工艺平衡”的基本概念 .5 2.2 装配线平衡意义 .5 2.3 装配流水线的形式 .6 2.4 工艺平衡率的计算 .6 第三章第三章 装配生产线的优化方法装配生产线的优化方法.8 3.1 装配线优化设计思路及解决方案 .8 3.1.1 影响生产线效率的因素 .8 3.1.2 工位优化设计思路及方案 .9 3.1.3 生产线工艺平衡的改善原则方法 .9 3.2 离散事件系统仿真方法 .9 3.2.1 离散事件系统建模与仿真的基本概念： .9 3.2.2 离散事件系统仿真的基本原理 .11 3.2.3 离散事件系统仿真的一般步骤 .11 3.2.4 计算机仿真 .12 第四章第四章 基于基于 EM-PLANTEM-PLANT 的装配线仿真的装配线仿真与与优化案例分析优化案例分析.13 4.1 转向架装配线简介 .13 4.2 装配线分析 .14 4.3 装配线仿真与优化 .16 4.3.1 建立装配线模型 .16 4.3.2 运行仿真模型并进行分析 .21 4.3.3 进行装配线改进 .27 4.3.4 生产线优化并运行 .29 4.3.5 生产线平衡率的计算 .30 第五章第五章 总结总结.31 谢谢 辞辞.32 参考文献参考文献.33 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 1 第第一一章章绪绪论论 1.1 课题来源及意义 装配线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、 从建国初期到现在，我国的客车转向架逐渐由落后走向先进，特别是近年来， 随着新转向架的装车使用和各种先进技术的运用，我们的旅行环境变得越来越 好了。因为这次调研是针对转向架装配线的物流仿真与优化，所以我需要查阅 资料对转向架和装配线有了解。 转向架是轨道车辆结构中最为重要的部件之一，其主要作用如下： 1、车辆上采用转向架是为增加车辆的载重、长度与容积、提高列车运行速 度，以满足铁路运输发展的需要； 2、保证在正常运行条件下，车体都能可靠地坐落在转向架上，通过轴承 装置使车轮沿钢轨的滚动转化为车体沿线路运行的平动； 3、支撑车体，承受并传递从车体至车轮之间或从轮轨至车体之间的各种 载荷及作用力，并使轴重均匀分配。 4、保证车辆安全运行，能灵活地沿直线线路运行及顺利地通过曲线。 5、转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减振特性， 以缓和车辆和线路之间的相互作用，减小振动和冲击，减小动应力，提高车辆 运行平稳性和安全性。 6、充分利用轮轨之间的粘着，传递牵引力和制动力，放大制动缸所产生 的制动力，使车辆具有良好的制动效果，以保证在规定的距离之内停车。 7、转向架是车辆的一个独立部件，在转向架于车体之间尽可能减少联接 件。 随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要 求。装配流水线的传输方式有同步传输的/（强制式）也可以是非同步传输 /（柔性式） ，根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。装配线在企业的 批量生产中不可或缺。装配线布置必须保证物料流的运距最短，并始终不停地 向产品装配线的终点流去，建立控制系统保证物料的流动1。 1.2 课题的国内外发展状况 1、国内发展状况 生产物流系统是生产过程的重要组成部分，也是联系生产制造各环节成为 有机整体的纽带。设施布局规划在生产物流系统规划中占有着重要地位。优劣 不同的设施布局，施工费用可能相差无几，但对生产运营的影响会有很大区别。 优良的设施布局可以缩短生产周期，节省物料搬运费用，加快流动资金周转。 因此，优良的设施布局是提高生产系统效益的重要手段，是改善生产系统整体 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 2 功能、实现现代化管理和先进生产方式的前提和基础。 国内设施布局规划的传统方法主要以模仿性规划为主，规划工程师根据生 产产品的形式、种类，通过对国内外的同行业企业的调查、类比进行布置和规 划，在最近的研究中这一课题得到了管理学和运筹学工作者的打理重视，它通 常被看为优化问题，在一些约束带条件下通过优化默写性能指标来得到油画的 布局方案。黄文齐等将最陡下降法和模拟法相结合在等式约束和不等式约束条 件下，对矩形图元在周界圆中的布局进行了研究；许立将优化算法应用于解决 车间设备布局问题并且提出了物量矩的概念；肖美话提出了一种基于遗传算法 和模拟退火法相结合的优化方法用于解决布局问题。 系统仿真法，是一句对于实际系统建立的动态模型加以研究，仿真技术是 以系统技术、相似原理、信息技术以及仿真应用专业领域的相关技术为基础， 以计算机系统、各种物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想 的系统进行研究的一门多学科的综合性的技术。由于仿真技术能较好地解决实 际问题，已渐渐成为认识客观世界的出理论、实验技术以外的低三种方法。仿 真技术具有可实验性、快速性、可量化性、对随机性有良好表现性、经济性和 科学性等优点，很适合用来解决复杂的生产物流系统这样的多目的离散动态系 统的决策问题。因此，可以应用仿真技术来解决生产物流系统的问题。熊金猛 等利用增强实现技术来进行车间布局的可行性，给出了基于增强现实技术的车 间布局仿真系统的技术指标和体系结构，同时借助于 AR-Toolit 等开发工具实 现了其原型系统。许立等利用关系数据库驱动三维仿真模型的设计思想和实现 方法，将其应用于制造车间的布局的分析和设计，实现了一种开放式，可视化 的制造车间布局设计系统。 2、国外发展状况 布局问题是复杂的组合优化问题，无法给出最优解，数值解也不易求出， 20 实际 70 年代，国外开始对带有性能约束的布局问题进行求解，Pereira 利用 人工智能对平面矩阵之间有确定相邻关系的布局进行了研究；Scheithauer 对 布局问题的模型进行了研究；Udy、Kim 利用优化算法来解决布局问题。系统仿 真是一项用于系统分析和研究的十分有效的技术，已经被广泛地用于对生产物 流系统进行规划设计，国外学者在对生产物流系统进行仿真时。大多采用的是 建立基于 Petri 网的网络模型的方式，其基本思想是用库所集 P 来代表系统中 实体和活动的状态，用变迁集 T 代表系统中的事件。 还有一些学者在生产物流系统的仿真中引入了面向对象的建模和仿真方法。 面向对象的思想是将系统分解为若干类对象，把具有相似行为和功能的实体归 为一类对象，美国对象类之间按照信息的传递关系连接起来2。现代物流系统 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 3 属于复杂的离散事件动态系统，具有复杂性、并发性、递接性、随机性等特点， 二面向对象的技术具有分解、递接、抽象等特性，非常适合于复杂问题的求解。 Kelleret 提出了建立柔性制造系统的方面对象仿真模型一般框架木匠面向对象 的方法赋予了一般化、标准化的特征3。 1.3 本课题的研究目标、研究内容 本课题以大连机车厂生产转向架的车间为研究对象，对整个生产过程装配 线进行逐步的分析，运用工业工程系统仿真的基本方法，找出生产中不经济， 不合理，不均衡的现象，并改善并进行优化，以提高生产效率，降低成本。 制造企业装配生产线一般为离散事件物流系统，并且是复杂的离散事件物 流系统。离散事件系统是指那些系统状态变量随时间呈离散状态的变化。 1、离散事件系统一般概念 离散事件系统：系统中的状态只在离散时间点上发生变化，而且这些离散 时间点一般是不确定的。 系统状态是离散变化的，而引发状态变化的事件是随机发生的，因此这类 系统的模型很难用数学方程来描述。 随着系统科学和管理科学的不断发展及其在军事、航空航天、CIMS 和国民 经济各领域中应用的不断深入，逐步形成一些与连续系统不同的建模方法：流 程图和网络图。 2、eM-plant 软件应用 eM-plant 是主要用于生产系统生产过程建模与仿真的软件系统，它基于离 散事件仿真，只考虑在模型中事件发生时间点的系统状态变化，如工件的到达， 离开，机床的故障、维修等。用户可以在 eM-plant 环境下分析和优化生产系统 的各种性能指标，如生产率、在制品水平、设备利用率、工人负荷平衡情况、 物流顺畅程度等4。转向架装配线是典型的离散制造系统，本文将利用该软件 对其进行仿真优化研究，具体研究内容如下： （1）对装配线现状分析，并收集、整理、分析相关数据。首先明确该转向 架装配线的结构、工序名称及定员情况，装配采用连续流生产方式，在两班倒 的时间内，产品为单品种生产。开始装配前，各工序状态为空。所有零件由叉 车等搬运设备运送到备料区等待装配。产品上道工序完工之后，立即推到下道 工序。在此过程中要分析各道工序之间是否等待或滞留现象。收集装配线上大 量的生产信息，并进行整理、分析相关数据。 （2）基于eM-plant的仿真模型构建。在生产过程中，由于每道工序的实际 作业时间具有较大的随机性，因此要对每道工序的作业时间进行多次测定，通 过作业测定对数据进行处理后，以确保得到的数据尽可能合理。eM-plant仿真 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 4 模型的约定条件为： 1）不考虑机器在生产过程中的失效。 2）不考虑工件在上下工序间的运输时间，投料节拍与所在工序时间同步。 3）备料区零件充足。 （3）验证确认模型。建立模型之后要对其进行不断的验证分析，通过eM- plant的Chart模块图形、瓶颈分析器分析每道工序是否存在瓶颈现象，工序间 是否可以合并或者分解，然后再重新制定工艺文件，确定其最终模型。 （4）仿真实验的设计、运行及结果分析。运用仿真软件设计实验，然后运 行，得到其相应的结果，然后再对其仿真前后的结果比较分析。 （5）提出优化方案。利用eM-plant软件对转向架装配线进行了仿真，并提 出合理的优化方案。 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 5 第二章 装配线优化的基本理论 2.1“节拍” 、 “瓶颈” 、 “空闲时间” 、 “工艺平衡”的基本概念 流程的“节拍 ”（Cycle time）是指连续完成相同的两个产品（或两次服 务，或两批产品）之间的间隔时间。换句话说，即指完成一个产品所需的平均 时间。节拍通常只是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。 如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在流程设计 中，如果预先给定了一个流程每天（或其它单位时间段）必须的产出，首先需 要考虑的是流程的节拍。 “瓶颈”（Bottleneck）指把一个流程中生产节拍最慢的环节。流程中存 在的瓶颈不仅限制了一个流程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发 挥。更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。例如，在有 些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、 信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口 大小决定着液体从中流出的速度，生产品或使用的人力和设备。因此在流程设 计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视。 空闲时间（idle time）是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间， 可以指设备或人的时间。当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以 外的其它工序就会产生空闲时间。 这就需要对生产工艺进行平衡。制造业的生 产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工 作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而 经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完 全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。除了造成的无谓的 工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中 止。为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标 准化，以使生产线能顺畅活动。 “生产线工艺平衡”是对生产的全部工序进行平均化，调整各作业负荷， 以使各作业时间尽可能相近。是生产流程设计与作业标准化必须考虑的最重要 的问题。生产线工艺平衡的目的是通过平衡生产线使用现场更加容易理解“一 个流”的必要性及“小单元生产”（Cell production）的编制方法，它是一切 新理论新方法的基础5。 2.2 装配线平衡意义 装配线的平衡是使人员之间或机器之间尽量平衡，这样装配线的产出才能 达到要求的水平。装配线平衡问题与设施规划相牵连。装配线的平衡与否直接 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 6 影响到制造系统的生产率。 装配线平衡问题是一个与设施规划相牵连的问题。一个工作站要完成的工 作总量与分配到该工作站的基本工作单元总数是一致的。装配线平衡问题就是 将所有基本工作单元分派到各个工作站，以使每个工作站在节拍（即相邻两产 品通过装配线尾端的间隔时间）内都处于繁忙状态，完成最多的操作量，从而 使各工作站的未工作时间（闲置时间）最少。 装配线的平衡是装配线的设计与管理中的一个很重要的问题，因为装配线 的平衡与否直接影响到制造系统的生产率。在过去的几十年里，人们对装配线 的平衡问题进行了大量的研究，已得到了大量的理论成果。 2.3 装配流水线的形式 装配线是一种特殊的产品导向布局形式。装配线指的是由一些物料搬运设 备连接起来的连续生产线。装配线是一种很重要的技术，可以说，任何有着多 种零部件并进行大批量生产的最终产品在某种程度上都采用装配线生产。因此 装配线的布置受装配线设备，产品，人员，物流运输以及生产方式等多种因素 的影响。 通常假定装配线的节拍一定，并且所有工作站的加工时间基本相等。类型 不同的装配，有很大差异性，主要体现在： 1、装配线上物料搬运设备（皮带或传送器、天车） 。 2、生产线平面布置的类型（U 型，直线型，分支型） 。 3、节拍控制形式（机动、人动） 。 4、装配品种（单一产品或多种产品） 。 5、装配线工作站特性（工人可以坐、站、跟着装配线走或随装配线一起移 动等） 。 6、装配线的长度（几个或许多工人）6。 2.4 工艺平衡率的计算 要衡量工艺总平衡状态的好坏，我们必须设定一个定量值来表示，即生产 线平衡率或平衡损失率，以百分率表示。 首先，要明确一点，虽然各工序的工序时间长短不同，但如前所述，决定 生产线的作业周期的工序时间只有一个，即最长工序时间 Pitch time，也就是 说 Pitch time 等于节拍(cycle time)。另外一种计算方法同样可以得到 cycle time，即由每小时平均产量，求得一个产品的 CT(Q，每小时产量)。 cycle time(CT)=Pitch time=3600/Q 1、生产线的平衡计算公式 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 7 平衡率=(各工序时间总和/(工位数 CT) 100%=(ti/(工位数 CT) 100% 2、生产线的平衡损失率计算公式 平衡损失率=1-平衡率 3、生产线不平衡现象产生原因的分析 （1）产量和产品的配比发生变化，原来平衡的各工位出现不平衡的现象。 （2）产品配置设计的改变以及新型产品的投入。 （3）操作工对工作的熟练程度的变化。 （4）现场布置的改变。 （5）原料、设备、工装及操作工对生产线平衡的影响。 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 8 第三章 装配生产线的优化方法 装配线是人和机器的有效组合，最充分体现设备的灵活性，它将输送系统、 随行夹具和在线专机、检测设备有机的组合，以满足多品种产品的装配要求。 装配流水线的传输方式有同步传输的/（强制式）也可以是非同步传输/（柔性 式） ，根据配置的选择，实现手工装配或半自动装配。装配线在企业的批量生产 中不可或缺。 3.1 装配线优化设计思路及解决方案 对于以装配者手工作业为主的转向架生产线来说，其效率的提升不仅取决 于装配者，还取决于工位设计是否有利于减少装配者的无增值性作业时间，诸 如不必要的走动、处理零件、取工具等无增值性行为所消耗的时间以及物流配 送形式是否有利于配合生产线等特点，以实现生产线的高效运转。 3.1.1 影响生产线效率的因素 通常来讲，制约制造企业生产线效率的因素主要由“七大浪费”构成，即 等待时间的浪费、无效运输的浪费、低效工序的浪费、错误动作的浪费、产品 缺陷的浪费、制造过程的浪费以及过量库存的浪费，在这七大浪费的定义中， 包括了人、机、料、法和环五方面因素。 由此可见，生产线的运行效率不仅取决于工艺过程编制的合理性因素和装 配者的人员因素，还取决于工位设计的合理性因素、现场物料配送形式以及设 备综合效率 OEE(OEE=时间稼动率性能稼动率良品率)等多方面的因素。 所谓工艺过程编制的合理性要求，一是要避免装配过程中出现工序间的干 涉现象，即避免出现由于工艺设计不当所引发的不必要的动作浪费以及等待时 间浪费，以此保证各个装配环节的顺畅衔接；二是要满足生产线的均衡化设计 要求，避免出现人为设计出的低工序工位制约整条生产线效率的现象发生。 对于装配者的人员因素主要从两方面衡量：一为装配者的增值性动作，二 为其非增值性动作。对于生产线的运行效率要求来讲，增值性动作定义为：对 产品有实质效益的动作，即当零件及工具与车身发生直接装配关系后所消耗的 时间，此期间装配者所做功为有用功；而此过程外的所有附加动作如取零件、 处理零件、取工具及走动等行为均视为无增值性动作，其做功属无用功。 基于以上定义，即可为提高生产线的运行线效率指明改进方向。在生产线 优化设计中所进行的工位优化设计以及物流配送方式改进等工作的目的，就在 于减少或消除装配者在装配过程中产生的非增值性动作，以此降低装配者所消 耗的非增值性时间，减少无用功所占比例。在实现前者后，可以加入其他增值 性动作，以提高其增值性作业的时间。由此，可实现工作效率（效率=实际工作 时间/生产节拍）及工时利用率（利用率=增值性动作时间/实际工作时间）双双 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 9 提高的目标。 3.1.2 工位优化设计思路及方案 工位优化主要取决于两方面工作：一是在工位设计前期，能否依据有效的 数据输入，如零件信息、工位器具信息、工具信息及工艺信息等，输出合理的 工艺设计方案；二是在后期生产中能否进行持续改进。 通常，em-plant 系统中包含的零件信息、零件对应的箱型及高、低储信息； 制造系统中的工具信息；工艺系统中的工艺卡明细、工艺过程明细；物流系统 中的料架规格尺寸、特殊料架尺寸等信息都汇总至工位模拟设计系统，再由此 形成工位布局优化方案。 3.1.3 生产线工艺平衡的改善原则方法 平衡率改善的基本原则是通过调整工序的作业内容来使各工序作业时间接 近或减少这一偏差。实施时可遵循以下方法： 1、首先应考虑对瓶颈工序进行作业改善，作业改善的方法，可参照程序分 析的改善方法及动作分析、工装自动化等 IE 方法与手段; 2、将瓶颈工序的作业内容分担给其它工序; 3、增加各作业员，只要平衡率提高了，人均产量就等于提高了，单位产品 成本也随之下降; 4、合并相关工序，重新排布生产工序，相对来讲在作业内容较多的情况下 容易拉平衡; 5、分解作业时间较短的工序，把该工序安排到其它工序当中去。 3.2 离散事件系统仿真方法 3.2.1 离散事件系统建模与仿真的基本概念： 1、实体 是描述系统的要素之一，是系统中可单独辨识和刻画的构成要素。如：工 厂中的机器，商店中的服务员，生产线上的工件，道路上的车辆等。从仿真角 度看，实际系统就是由相互间存在一定关系的实体集合组成的，实体间的相互 联系和作用产生系统特定的行为。 实体可分为两大类：临时实体和永久实体 临时实体在系统中只存在一段时间的实体。一般是按一定规律有系统 外部到达系统，在系统中接受永久实体的作用，按照一定的流程通过系统，最 后离开系统。临时实体存在一段后即自行消失，消失有时是指实体从屋里意义 上退出了系统的边界或自身不存在了；有时仅是逻辑意义上的取消，意味着不 必再予以考虑。如：进入商店的顾客、路口的车辆、生产线上的工件、进入防 空火力网的飞机、停车场的汽车等。 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 10 永久实体永久驻留在系统中的实体。是系统产生功能的必要条件。系 统要对临时实体产生作用，就必须有永久实体的活动，也就必须有永久实体。 可以说临时实体与永久实体共同完成了某项活动，永久实体作为活动的资源而 被占用，如：理发店中的理发员、生产线上的加工装配机械、路口的信号灯等。 属性和行为相同或相近的实体可以用类来描述，这样可以简化系统的组成 和关系。如：理发店服务系统可以看成是由“服务员”和“顾客”两类实体组 成的，两类实体之间存在服务与被服务的关系。 2、属性 是实体特征的描述，一般是系统所拥有的全部特征的一个子集，用特征参 数或变量表示。选用那些参数作为实体的属性与建模目的有关，一般按以下原 则： 便于实体分类：如按理发店顾客的性别； 便于实体行为的描述：如飞机的速度 便于排队规则的确定：如生产线上待处理工件的优先级水平。 3、活动 实体在一段时间内持续进行的操作或过程。活动所占用的时间段称为忙期， 忙期可以是定时的或随机的。建模中，一般要给出忙期的计算公式或概率分布 函数，保证一个实体一进入某一活动，其忙期就可以计算或从概率分布函数中 抽取得到，如“服务员”对“顾客”的服务，其忙期就可以从指数分布函数抽 样得到（服务时间） 。很多情况下的活动是由几个实体协同完成的。 4、状态 对实体活动的特征状况划分，其表征量称为状态变量。在理发中，顾客有 等待服务、接受服务等状态，服务员有忙、闲等状态。活动总是与一个或几个 实体的状态相对应。状态可作为动态属性进行描述。 5、事件 导致系统状态产生变化的瞬间操作或行为。从某种意义上说，系统是由事 件来驱动的。事件发生的时刻称为事件点。不关心事件所代表的操作和行为意 义时，事件与事件点是同义语。若事件发生是有前提的，则称为条件事件。 6、进程 一组按发生时间排列的事件/活动序列称为一个进程。 7、队列 处于等待状态的实体序列。一般按新到的实体排在队尾的次序组成。在建 模中，队列可作为一种状态或特殊实体对待。 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 11 8、仿真钟 用于表示仿真时间的变化。其推进方法与仿真策略有关。 9、统计计数器 离散事件系统的有些变化是随机的，一次仿真运行得到的状态变化过程只 不过是随机过程的一次取样。如果进行另一次独立的仿真运行所得到的状态变 化过程可能完全是另一种情况。一般只在统计意义下有参考价值,一般在仿真中 需要一个统计计数部件，以便统计系统中的有关变量。如：服务系统中的平均 队长、顾客的平均等待时间、服务员的利用率等。 3.2.2 离散事件系统仿真的基本原理 离散事件系统仿真，实质上是对那些由随机系统定义的、用数值方式或逻 辑方式描述的动态模型的处理过程。从处理手段上看，离散事件系统仿真方法 可分为两类。 1、面向过程的离散事件系统仿真 面向过程的仿真方法主要研究仿真过程中发生的事件以及模型中实体的活 动。这些事件或活动的发生是顺序的，而仿真时钟的推进正是依赖于这些事件 和活动的发生顺序。 2、面向对象对离散事件系统仿真 在面向对象仿真中，组成系统的实体以对象来描述。对象有三个基本的描 述部分，即属性、活动和消息。对象内部封装了对象的属性，还封装了描述对 象运动及变化规律的内部和外部转换函数，这些函数以消息或时间来激活，消 息和活动可以同时产生，在满足一定条件时产生相应的活动。 3.2.3 离散事件系统仿真的一般步骤 对于每一个成功的仿真研究项目，其应用都包含着特定的步骤。离散事件 系统的仿真，一般要进行如下九个步骤： 1、问题的定义。 2、制定目标和定义系统效能测度。 3、描述系统和列出假设。 4、列举可能的替代方案。 5、收集数据和信息。 6、构造计算机模型。 7、验证和确定模型。 8、运行可替代实验模型。 9、输出分析。 系统仿真是通过计算机建立能反映真实系统规律的仿真模型，对模型进行 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 12 仿真实验，对实验数据进行分析，进而科学地开展系统方案评价和系统分析的 关键技术。物流系统是企业生产的一个重要组成部分，物流合理化是提高企业 生产率的重要方法之一。系统仿真技术能够在系统规划、运作等物流管理的各 个层面进行仿真分析、评价和对比不同的系方案，达到系统优化的目的。根据 国外应用经验，应用仿真分析方法改进物流系统方案后可使总投资减少 30%左 右。因此，对物流系统的设计和仿真的研究，已经日益受到普遍的关注和重视， 物流系统的仿真优化技术也日益成为物流系统工程技术人员的必备技能之一7。 3.2.4 计算机仿真 计算机仿真作为一种系统建模和实验分析方法，能把生产资源、产品工艺 数据、物流等信息动态的结合起来，以系统过程的“复现”代替以往的数学等 方法单纯的抽象描述，表达形式易于理解，能全面反映生产系统动态活动过程 和特征，因而成为实现上述目标的重要工具8。而 eM-plant 作为仿真软件家族 的一员，能够很好的解决生产系统的规划设计问题。采用 eM-plant 对装配生产 线进行仿真研究，能使组织结构得到优化、并确定工序能力、找出制约瓶颈、 提高设备效率以及持续提高生产线生产能力，最终实现规划目标。在此背景下， 提出了本课题的研究。通过研究，不仅要求学生能够掌握 eM-plant 仿真软件和 转向架物流仿真与优化相关知识，还能够利用该软件对装配线进行不断优化， 为其数据化管理奠定基础9。 eMplant 仿真软件是 Tecnomatix 公司开发的大型商品化制造系统建模与 仿真软件。该软件基于面向对象的建模原理10，提供了大量生产设备单元和物 流装置的模型库，并提供了丰富的仿真控制策略，其内嵌的 SimTalk 语言可灵 活地用于规划、仿真和优化制造企业、生产系统和工艺过程。eMplant 具有 面向对象、图形化、集成化的特点，主要用于生产、物流与工程的建模与仿真。 eM-Plant 的功能特点： 1、能仿真生产线并进行优化，使其适应各种批量和混合产品的生产； 2、提供了典型生产设备对象库，包括上下料工位、生产工位、物料运输； 3、设备、物料存储设备、托盘、工人等，并且可自定义设备参数； 4、用户可在 eM-Plant 提供的典型设备对象库的基础上，根据实际情况自 定义的符合要求的生产设备对象； 5、提供了 SimTalk 编程语言，使用户可通过编程实现对仿真流程的控制； 6、提供对仿真结果的统计分析以及图表显示工具； 7、提供用于系统参数优化一些通用算法； 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 13 8、具有开放的系统结构，提供多种相关软件接口，例如 CAD、ERP、ORACLE、SQL、ODBC 等11。 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 14 第四章基于 eM-plant 的装配线仿真与优化案例分析 4.1 转向架装配线简介 目前在车辆制造企业安装转向架时,完全靠手工来完成那些劳动量大的作业, HXD3B 电力机车转向架装配线简介如图 4-1 所示: 机架调运至 机架清整间 去除加工表面 飞边、毛刺 擦净机架 清整电机吊 座螺纹孔 将机架运至机 架喷烤漆房 防护机架配合 线和螺纹孔 喷漆自然干燥 安装制动单 元（左） 安装制动单 元（右） 安装制动单元（弹 停右） 组装螺栓 组装螺母 组装制动 闸片 预组装零 件 组装砂箱体安装螺栓 安装垫片 调整垫片（一） 、（二） 将轮对电机吊运 至座轮台位翻转 轴箱装配 （一） 轴箱装配 （二） 轴箱装配 （三） 轴箱装配 （四） 安装轴 箱弹簧 安装绝缘垫 、调整垫 安装绝缘垫 、调整垫 安装螺栓 螺母 支承座装配 安装螺栓 安装螺栓 套管 电机吊杆装 配 安装六角 头螺栓 安装 垫圈 安装六角 头螺母 预电动机 悬挂装置 安装六头螺 栓 安装垫圈安装六头螺母装维修盖板安装螺栓安装垫圈 安装安全托安装螺栓安装垫圈安装螺母 安装衬套（一）、 （二） 安装销安装吊杆安装螺栓安装螺母安装油脂罐 安装螺栓螺 母 安装垫圈10（一） 、（二） 安装螺栓螺 母 安装垫圈8（一 ）、（二） 扫石器装配（左 ）、（右） 安装螺栓安装垫圈 支承座装配调整板装配安装座装配支架装配 安装板装配（左） 、（右） 撒砂管装配 螺栓装配 垫圈（一） 装配 螺母装配 垫圈（二） 装配 安装螺栓 安装防松螺 母 安装螺栓垫 圈螺母 预中继箱安 装座 安装2进1防 水中继箱 安装1进1防 水中继箱 安装螺栓垫 圈螺母 预车梯 安装螺栓， 螺母 涂密封胶 预转向架名 牌 安装螺钉 组装各部件去 掉飞边毛刺 检查各处螺栓是否都画有迟缓线，迟 缓线要求清晰，明显，笔直 各销连接部分及 其他运动部分装 配时，零件表面 应涂润滑油脂 检查各处螺 栓是否按规 定力矩把紧 个别地方需要补漆，补 漆处应均匀，颜色一致 ，不流、不漏、不起皱 ，同时刷漆后需防锈， 清洗干净 组装后检查齿轮 罩内的润滑油脂 是否均已经按要 求注满 检查二轴左 侧、五轴右 侧前端盖的 速度传感器 接口是否已 经密封 校验完毕 ，发车、 清理现场 图 4-1 转向架装配线工艺流程图 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 15 4.2 装配线分析 1、通过对现场各工序测定时间。 这里主要采用技术测定法中的秒表法，首先做好各种准备工作，如确定测 定工具、测定次数等；接下来便开始正式测时，通常在工作班开始 1-2 小时、 工作节奏稳定后再进行，在正式观测记录之前，宜先做 2-3 次测试，以证实标 准的定时点是否正确无误。每道工序的工作时间由瞬时返零法获得。 2、对现场各工序操作工人数时间统计，如表 4-1 所示。 表 4-1 操作工人记录表 序 号工序名称 准 备 时 间 min 工 作 时 间 min 操 作 人 数 序 号工序名称 准 备 时 间 min 工 作 时 间 min 操 作 人 数 b1 机架调运至机架清 整间 101b45 安装螺母 12 b2 去除加工表面飞边、 毛刺 01.5b46 安装衬套（一） 、 （二） 1.52 b3 擦净机架 12b47 安装销 0.51.5 b4 清整电机吊座螺纹 孔 12b48 安装吊杆 22 b5 将机架运至机架喷 烤漆房 11.5 2 b49 安装螺栓 12 b6 防护机架配合线和 螺纹孔 12b50 安装螺母 12 1 b7 喷漆 15b51 安装油脂罐 0.52 b8 自然干燥 0.510 1 b52 安装螺栓螺母 15 b9 安装制动单元（左） 11.5b53 安装垫圈 10（一） 、 （二） 12 b10 安装制动单元（右） 0.51b54 安装螺栓螺母 11 b11 安装制动单元（弹 停右） 0.51b55 安装垫圈 8（一） 、 （二） 11.5 2 b12 组装螺栓 12b56 扫石器装配（左） 、 （右） 23 b13 组装螺母 12b57 安装螺栓 21 b14 组装制动闸片 22 2 b58 安装垫圈 12 b15 预组装零件 05b59 支承座装配 0.52.5 b16 组装砂箱体 1.52b60 调整板装配 12.5 b17 安装螺栓 12 2 b61 安装座装配 12.5 2 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 16 续表 1 b19 调整垫片（一） 、 （二）0.5 1b63 安装板装配左、右 12.5 b20 将轮对电机吊运至座 轮台位翻转 0.55b64 撒砂管装配 13 b21 轴箱装配（一） 12b65 螺栓装配 13 b22 轴箱装配（二） 12b66 垫圈（一）装配 1.52.5 b23 轴箱装配（三） 12b67 螺母装配 13 b24 轴箱装配（四） 12 2 b68 垫圈（二）装配 1.53 1 b25 安装轴箱弹簧 11b69 安装螺栓 0.51.5 b26 安装绝缘垫、调整垫 12b70 安装防松螺母 11.5 b27 轴箱拉杆装配 0.51.5b71 安装螺栓垫圈螺母 25 b28 安装螺栓螺母 13 1 b72 预中继箱安装座 02.5 b29 支承座装配 12b73 安装 2 进 1 防水中继 箱 12 b30 安装螺栓 1.52b74 安装 1 进 1 防水中继 箱 0.52 b31 安装螺栓套管 1.52b75 安装螺栓垫圈螺母 25 2 b32 电机吊杆装配 1.51.5b76 预车梯 02 b33 安装六角头螺栓 11.5b77 安装螺栓，螺母 1.54 b34 安装垫圈 12b78 涂密封胶 02 b35 安装六角头螺母 1.52b79 预转向架名牌 12 b36 预电动机悬挂装置 03b80 安装螺钉 0.51 b37 安装六头螺栓 22b81 组装各部件去掉飞边 毛刺 13 b38 安装垫圈 1.51.5b82 检查各处螺栓是否都 画有迟缓线，迟缓线 要求清晰，明显 12 b39 安装六头螺母 11b83 检查各处螺栓是否按 规定力矩把紧 11 b40 安装螺栓 1.52 2 b84 个别地方需要补漆， 补漆处应均匀，颜色 一致，不流、不漏、 不起皱，清洗干净 11 3 b41 安装垫圈 1.52b85 各销连接部分及其他 运动部分装配时，零 件表面应涂润滑油脂 11 b18 安装垫片 11b62 支架装配 13 大连交通大学 2012 届本科生毕业设计(论文) 17 续表 2 b42 安装安全托 1 2b86 组装后检查齿轮罩内 的润滑油脂是否均已 经按要求注满 12 b43