发动机凸轮轴生产线工艺优化设计与工时分析设计

凸轮轴生产线工艺优化设计与工时分析目 录摘 要1Abstract2一、绪论3（一）课题研究背景及意义3（二）国内外研究现状31、国外研究现状32、国内研究现状4（三）本文主要研究内容及方法5二、凸轮轴生产线工艺设计与布局6（一）凸轮轴的工作概况6（二）凸轮轴的生产要求6（三）凸轮轴生产线工艺设计原则7（四）凸轮轴生产线工艺设计特点7（五）凸轮轴生产线设置8（六）凸轮轴生产线设备8三、凸轮轴生产线的布局设计与建模9（一）凸轮轴生产线的布局改进思路9（二）凸轮轴生产线布局的数学建模10（三）凸轮轴生产线布局的遗传算法求解121、遗传算法的理论与优化方法122、生产线布局的遗传算法求解14（四）凸轮轴生产线的布局改进设计16四、凸轮轴生产线工艺优化仿真模拟与方案改进18（一）系统仿真需求18（二）建模思路与软件应用19（三）模型验证与方案改进20五、基于工时分析的凸轮轴生产线平衡23（一）改进瓶颈工位23（二）均衡化生产26（三）工件运输方式改进26（四）凸轮轴生产线的工作分析与结构优化28参考文献30摘 要近年来，随着我国国家工业化程度的不断提升，我国的机械制造业的发展也在日益提速。汽车行业及相关零件制造产业已经成为我国国民经济的支柱，而凸轮轴作为汽车的关键零部件，其生产线工艺的优化设计对我国国民经济的发展具有十分重要的意义，从很大程度上影响着企业的总体经济效益。凸轮轴的生产线布局是提高生产效率的前提和基础，车间生产线的工艺优化关系到企业的成产销率、空间利用、人力和物力资源的配置等重要问题，有助于提高企业生产效率，降低生产成本，提高经济效益。本文就凸轮轴生产线的工艺优化设计问题展开研究，探讨其布局设计，并对生产线进行二维生产动态进行仿真模拟，并加入了对工人的工时分析，从而根据模拟结果进行生产线的调度和人工配置方案的优化。文章首先提出了研究的背景和意义，简要介绍了凸轮轴的工作概况和生产要求，进而进行具体的分析、计算与建模，通过一系列的设计与对比得出最优方案，完成相关问题的研究，以期为相关行业提供理论上的参考。关键词：凸轮轴；生产线；工艺优化；工时AbstractIn recent years, as Chinas rising level of industrialization of the country, Chinas machinery manufacturing industry is also growing speed. Automotive industry and related parts manufacturing industry has become a pillar of our national economy, and the camshaft as the car key parts, the production line process optimization design for the development of Chinas national economy has very important significance, from significantly influenced the overall economic efficiency of enterprises. Camshaft production line layout is to improve the production efficiency of the premise and foundation, the workshop production line process optimization related to the business of a sales rate, space utilization, human and material resource allocation and other important issues, help to improve production efficiency, reduce production costs and improve economic efficiency.In this paper, camshaft production line process optimization design problem initiated study its layout, and the production line of two-dimensional simulation of the dynamics of production and working hours of workers joined the analysis to the simulation results based on the production line scheduling and manual configuration program optimization. The article first presents the background and significance of the camshaft brief overview of the work and production requirements, and then carry out specific analysis, calculation and modeling, through a series of design and contrast and the optimal solution, complete the relevant issues study with related industries to provide a theoretical reference.Keywords: camshaft; production line; process optimization; hours一、绪论（一）课题研究背景及意义汽车制造业经过了数十年的快速发展，已经从单台设备加工过度为生产线加工方式，通过信息化的先进手段进行相关工艺技术的设计与整合。随着机械制造业向科技化和信息化方向发展的脚步，汽车所属零部件制造业也已经成为我国国民经济的重要组成部分，其生产线的优化工艺以及相关工时分析也成为国际上汽车零部件制造业的技术发展潮流。汽车所属零部件的发展技术与相关装备的制造技术和信息化管理具有十分密切的联系，也明显影响着整个汽车产业的发展情况，具有相当大的拉动作用。凸轮轴是汽车发动机的关键零部件，提高其生产线的效率也就是提高整个产业的生产效率。近年来，随着设备的更新和生产效率的提高，车间的布局优化也是随之而来的重要问题。在国外，企业中设有专门的部门平均每四年就对车间中设备的布局设计进行改进，进入90年代，设备布局再设计的周期缩短为1-2年，更新一次产品就做一次生产线布局的重新设计，时至今日，有时甚至为了完成一次订单就对其设施布局进行一次调整 谭健, 凸轮轴生产线布局仿真及优化研究D, 北京工业大学, 2011。 汽车制造企业会定期进行市场预测，并对企业现有生产能力进行评估，其中涉及的首要问题就是生产线的工艺优化。本文以此为核心，研究其运行特点及存在问题，建立仿真模型，对实践生产起到参考和指导作用，具有理论和实践的双重意义。（二）国内外研究现状1、国外研究现状国外对于产品生产线工艺优化的研究主要分为算法方面和应用方面。在算法方面，Ree等学者基于divide-and-conquer的分区和安全网的理论提出了确定初始点、初试区域和网格设计的最佳起始搜索法（best-first）。Khoo等学者基于对响应曲面法和遗传算法的研究提出了混合优化法。Gurkan等学者利用广义半马氏过程理论进行仿真模拟，针对具有不可靠机器的生产线缓冲区配置问题提出了方向导数的回归表达式。Chen等对Hooke-Jeeves搜索方法进行大力推广，提出了具有计算机能力分配的序优化法以及许多直接搜索方法，减少了仿真计算的时间。Patrick和Keytack借住于启发式的优化算法来解决生产线平衡的问题。 在应用方面，Gergy大学的Fontain等学者对装配线在运行过程中可能存在的决策点优化问题进行了总结与归纳，采用商业化仿真软件witness和GA开发了新的反震优化系统，利用Delphi编制优化算法的程序，并利用Microsoft OLE自动化技术实现和仿真模型的集成，对本文软件选取带来了重要的参考价值。Faculte大学的Allaoui等学者利用仿真优化技术研究了具有维修时间约束的混合流水车间调度问题，兼顾启发式调度规则、职能优化算法SA和模型仿真的有点，建立了求解调度问题的仿真优化系统。大量的技术研究为凸轮轴生产线的工艺优化设计提供了宝贵的参考，也为降低汽车零部件生产成本提供了理论和实践基础。2、国内研究现状国内对于生产线工艺优化设计的研究始于20世纪80年代，首先引入了Muther的著作，在生产线系统的布局规划方面进行了大量的研究。上海交通大学的屈森山以汽车产业为研究对象，提出了汽车零部件生产过程的平衡理念与改善方法，文中阐释了凸轮轴生产线的人员优化、工装设备优化、包装物流优化和持续改进要素，并对凸轮轴的管理改善与工时分析做出了一定的尝试，并对最终效果进行了总结。天津大学的马凯娜对汽车发动机凸轮轴的生产线设计及加工进行了深入的研究，分析了生产线的布局、工艺特点和难点，并提出了计算理论及设备输入数据，总结了凸轮轴生产线的质量问题，并提出了改善的建议。文章围绕凸轮轴生产线的设计和加工展开研究，从前期准备、工艺设计、理论计算、生产实践、产品检测和质量控制这几个方面，阐述了凸轮轴加工的一整套设计思路和方法，对发动机制造业中的零部件加工有很实际的指导作用。北京工业大学谭健对生产线的平衡问题进行了研究，并探讨了凸轮轴的布局问题，建立了相关的模型，针对单行和多行生产线的差别在遗传算法的应用基础上进行研究，最终确定布局方案，并运用eM-plant软件建立仿真模型，提供了生产线工艺优化设计的改善依据。（三）本文主要研究内容及方法研究内容：（1）优化凸轮轴加工工艺（2）根据加工工艺进行生产线的布局设计；（3）对生产线进行二维生产动态生产仿真模拟；模拟工人操作一台、操作两台等情况下，最少需要多少个工人能满足企业的生产纲领。（4）根据计算仿真分析结果对生产线的调度、工人人数进行优化；（5）得到生产线的最终调度方案研究方法：研究方法：科学的研究必须依赖科学的研究方法才能得出科学的结论。在本文的研究中，研究者将本着以事实为依据，科学地选择和运用一些富有实效的研究方法进行课题研究。调查研究法：从国内外文献入手进行理论调查，并对北京图书馆和机械工业情报研究所的生产现状进行深入跟进，透过现象作本质的推理研究。案例对比法：参考典型案例，进行实际仿真建模，分析和总结出规律性的认识和见解，寻找问题的症结，得出明晰结论，合理地推论出凸轮轴生产线工艺的堵塞工位并提出解决建议。推理研究法：选择有研究价值及有参考价值的相关现象、法规等进行类比。类比的内容要多样化，类比要纵横交错，以此区分事物的异同，挖掘异同产生的根源。二、凸轮轴生产线工艺设计与布局（一）凸轮轴的工作概况凸轮轴是发动机最大的摩擦件，在发动机中运行速度较高、接触应力大、润滑困难；特别是凸轮轴桃尖部位长期工作在高的接触疲劳应力下，极易产生刮伤、撕裂、割落及早期磨损失效；严重时几个小时，甚至更短的时间就损坏，造成发动机异响，返修。凸轮轴的工作环境决定了它必须是具有一定的强度和刚度，一定韧性、良好的耐磨性。同时，由于凸轮轴的结构特点，它还必须有好的机械加工性能 李平，魏伯康，万仁芳富康轿车凸轮轴国产化生产技术J.现代铸铁,2002（1）。图1 凸轮轴结构图（二）凸轮轴的生产要求由于发动机的发展趋势为多汽缸多气门设计，而每一个气门的进气与排气都必须由凸轮轴上的凸轮外型控制。所以凸轮轴的发展趋势是一根凸轮轴上排列着越来越多的凸轮，如果是三缸以下的发动机，不论是两气门还是四气门，排气凸轮与进气凸轮还可以排在一根凸轮轴上。如果是四缸以上，则必须配备两根凸轮轴，其中一根凸轮轴操纵进气门，另一根操纵排气门。凸轮轴是内燃机配气系统中关键零件之一，整个配气机构是由凸轮轴驱动的，凸轮的设计对整个配气系统的性能起着决定性的作用。凸轮轴刚性差、易变形；精度高，加工难度大。其主要的技术要求见表1。表1 凸轮轴主要技术参数要求 谢存嬉等.机电一体化生产系统设计J.北京：机械出版社，1999主要项目一般性要求支撑轴承圆柱度（mm）表面粗糙度（m）尺寸（mm）5级精度Rz0.4IT5-IT6凸轮表面粗糙度（mm）Rz0.4相邻两轴颈的径向跳动（mm）0.02中间轴颈相对于两端颈的跳动（mm）0.06凸轮对称中心平面对正时齿轮键槽中心平面或定位销轴线的角度偏差（）30（三）凸轮轴生产线工艺设计原则（1）保证凸轮轴生产线工艺具有一定的先进性，对于关键技术和设备，优先考虑国内外质量有保障的厂家及设备。（2）在保证生产节奏的基础上学习先进技术，提高凸轮轴产品竞争力。（3）在资金基础允许的情况下，优先选择柔性生产原则。（4）在保证产品质量的前提下降低生产成本，确保经济性与先进性的结合。（5）充分考虑各个生产环节下的安全性和可操作性。（四）凸轮轴生产线工艺设计特点以夏利汽车为例对凸轮轴的工艺特点进行总结如下 ：表2 夏利汽车发动机凸轮轴工艺特点 马凯娜.夏利汽车TJ376Q发动机凸轮轴生产线设计及加工研究D.天津大学，2004工件材料及牌号冷激合金铸铁毛胚硬度冷激区HRC45非冷激区HB229-302生产节拍1.75分钟工艺特点凸轮轴数控车床用于支撑轴颈的粗加工。凸轮部分在铸造时冷激，不需加工后淬火。凸轮采用粗、精磨加工，以磨代车，凸轮轮廓直接磨削。凸轮精加工采用全数控无靠模磨削。加工中主要定位基准中心孔采用打孔后修磨保证加T质量。设备总台数13台进口设备台数2台切削液使用情况两台进口磨床由集中冷却系统供应，其余为单机冷却（五）凸轮轴生产线设置选择生产线u型布置，设备安置在中间走道两旁，各序设备操作面板及上下料开口一律面向中间走道，各序设备上下料开口之间由滑道相连。这种布置形式在保证物流通畅、占地面积小的情况下，减少工人的走动时间，可以做到一人多机操作，降低了生产线操作工人数量。现在线上工人一人照看多台设备，每人在负责自己这几台设备的同时，还要负责定时、定量检验及自检；最终序操作工人还要负责最终质量检查。所以，由于生产线布置合理、紧凑，使得工人劳动效率得到了很大提高。采用高架线结构，使水、电、气维修非常方便。每台设备后留有水、电、气接口，生产线两排设备后有排放沟。整个车间为整体地基。这种形式使设备的安装、移动非常方便，有利于我们更换产品时，重新安排、增加或减少设备，进行柔性生产线布置。（六）凸轮轴生产线设备在设备选型上注重国内外质量可靠、信誉度好的设备生产厂家。尤其在凸轮轴的关键部位的加工中，优先考虑先进设备。如50序、60序、70序这3台磨床，选择的是上海磨床厂的数控磨床：凸轮的粗、精磨则选择日本日平公司(Landis-Nippe日平兰迪斯)制造的3LN-32位凸轮磨床；而加工中的主要定位基准中心孔，选择的修磨中心孔的专机是大连组合所制造的。实践证明，这些著名厂家的设备都很好的保证了这些关键工序的加工质量。这几种设备采用的都是数控技术，所以具有很大的柔性，如果更换产品，只需更换少量夹具，就可以立即投入生产。其它设备生产厂家还有沈阳第三设备厂、银川机床厂、重庆机床厂等，这些都是老字号的机床厂家他们的设备在生产中也都是可靠的。综上所述，在凸轮轴生产线设备选取方面应作到少而精，在保证产品质量的前提下，节省了资会，并缩短了设备到货期，大大缩短了生产准备期。三、凸轮轴生产线的布局设计与建模（一）凸轮轴生产线的布局改进思路车间布局是生产组织的硬件基础，它直接影响生产线平衡性能、车间物流运输方式和产品投产顺序等。同时合理的车间布局也是减小物流成本，保障生产系统高效运作的重要手段。选择合理的车间布局方式成为车间物流和作业性能改进的关键环节。一般情况下车间布局的形式有三种基本类型，工艺专业化原则布置、对象专业化原则布置、成组技术布置。对象专业化原则及工艺专业化原则均为组织生产过程的原则。将加工某种产品所需设备、工艺装备和工人放到一个厂房或区域内构成生产单位，称作对象专业化原则。对象专业化原则布置方式也称装配线布置，是一种根据产品制造的步骤安排设备或工作过程的方式，专业用语是FlowShop，产品流程是一条从原料投入到成品完工为止的连续线。工艺专业化原则表现为车间中设备、人员等按工艺类型布置，按加工对象的工艺路线分别组织生产，专业用语是FlowShop，物料在各工艺设备间分别传送，适用于单件小批生产方式。凸轮轴加工车间具有大规模、多品种、工艺路线基本相同的特点，符合对象专业化原则布局的基础条件。但是车间现有平面布局存在以下缺陷：(1)布局凌乱，没有规律可循：产品物流线路曲折迂回，造成了很多不必要的浪费。(2)空间利用率低：由于布局不合理，生产设备几乎占据了整个生产车间，空间利用率低，物流线路过长。若按照对象专业化原则组织生产有以下优点：(1)可减少运输次数，缩短运输线路；(2)使协作关系简单，简化生产管理；(3)可使用专用高效设备和工艺设备；(4)使在制品减少，生产周期缩短。因此，针对存在的布局不合理、物流混乱、生产线不平衡及工件运送方式不科学等问题，本章基于对象专业化，首先利用遗传算法重新布局车间，在此基础上进一步改进车间的产线平衡率、物料运输方式、投产顺序等。对象专业化的生产布局有一字、多行、U形线等。一字车间布局简单，但是要求作业车间狭长，该车间结构不符合此要求。U形线主要适和设备自动化程度较高，一人可以多机操作的生产线，而生产线设备较陈旧，自动化程度较低，基本是一人一机操作，故而不适合U型布置。而多行布局主要优点是：(1)根据生产线的特点，按照对象专业化原则布局，布局有规律，产品物流线路基本为直线，减少不必要环节和物流运送路程，避免曲折迂回，有效节省物流费用，减少人工成本。(2)重新布局后，可有效节省空间，或利用节省空间作其它用途，如增加其它品种生产线等。故而针对凸轮轴车间，拟用多行布局方式。（二）凸轮轴生产线布局的数学建模车间布局设计是制造系统设计的主要组成部分，文献指出因车间布局不合理所产生的运行费用占制造系统整体费用的20-50，而优良的车间布局可使这一费用只占10-30，此外，优良的车间布局还能减少对工作者的身体伤害，使工作人员在安全、健康和舒适的环境中工作，因此，探讨研究制造系统的车间布局具有重要的理论意义和应用价值。车间设备布局设计的主要目标是规划设备的排列顺序和位置，使物流费用达到最低。对车间进行设备布局时应考虑的因索包括：车间中存在哪些制造设备、有多少可利用空间、每台设备的几何尺寸、设备之间的运输频率等。设备布局可归纳为单行布局和多行布局。其中单行布局可看作是多行布局的特例，本文讨论多行布局。车间设备多行布局的数学模型描述如下： 其中，表示总物流费用目标函数；图2 设备布局几何约束描述Fij表示设备i到设备j的往返行程次数；Cij表示设备i和设备j之间单位距离物流费用。考虑约束情况，在此引入决策变量：Vik=1（设备i布置在k行）Vik=0（设备i布置在其他行）其中i=1，2，n；k=1，2m；n为机器数；m为行数。由此，可以得到以下约束表达式：A） 一台机器只能布置在一行中，且一行最多能布置全部设备n台机器：B）同一行设备之间有最小间距约束，以保证设备之间不出现干涉或重叠：C）设备在长度方向布置的总长度不超过限定的长度尺寸：（三）凸轮轴生产线布局的遗传算法求解1、遗传算法的理论与优化方法遗传算法由基因表达、确定初始种群、核算基因适宜数值、交叉和变异（遗传运算）以及选择运算（进化运算）五个部分组成，利用二进制的单维编码确定网络基因，将种群里德个体成本降序排列设计有效函数，及时防治诈欺现象的出现；采用使每个基因的选择概率与它的适值成正比的转轮式选择思维，通过交叉运算保持网络通讯良好。总而言之，遗传计算应用于生产线工艺设计的优化过程中，凭借自身精密便捷的特点建立了极为突出的优势。具体优化过程如下：（1）数学建模优化为了简化计算过程中的中节点储存和通信的问题，可以应用遗传算法采取按顺序服务的准则，考虑用排队模型处理（忽略链路处理和节点延时，只计算等待时间）。以下公式表示计算路由的选择与容量的分配： 其约束条件为：其中，节点m为第m对节点的报文送达率，1/为报文平均长度，C为可选链路容量集，K为可选容量类型数，fk为选用第k类容量时的固定消费，Vk为可更改费用，D为单位延时费用，Xim定义值为1/0（节点经过链路时值为1，不经过为0）ik定义值为1/0（链路得到分配容量值为1，为得到值为0） 由图可见，优化可靠度的计算过程是一个包含着选择路由和分配容量的复杂非线性方程，是一个具有众多约束条件的寻优问题，利用遗传算法可以简化这一问题。（2）算法设计优化根据遗传算法进行寻优设计求的近似质量非常高，能够完全满足施工需求，运行比例大约是枚举法效率的一百倍。首先输入相关数据及遗传算法的控制参数，接着确定编码方案并产生初始群体，用惩罚方法确定适应值函数，采用遍历匹配法进行竞争选择，进行局部寻优处理杂交操作，进行全局寻优处理变异操作，查询并重复确定数值到变异操作的步骤，直到满足收敛条件得出全局近似最优解。遗传算法的求解过程：begin t0 初始化p(t) 评估p(t) While不满足终止条件 do begin 重组p（t）获得c(t) 评估c(t) 从p（t）和c(t)中选择p(t+1) tt+1 endend但是其具有收敛速度慢和不成熟收敛的明显缺点，为了有效应用遗传运算，更大程度的提高凸轮轴生产线工艺优化的可靠性，将量子计算与遗传算法相融合，在遗传编码中引入量子态矢量，能够充分发挥二者优势，从而提高计算的种群多元化和全局寻优能力。2、生产线布局的遗传算法求解在车间布局设计中，如果车间所包括的设备少，就可直接观察出设备间运量的差别，容易发现布局中不合理的地方，并建立合理布局。但当设备数量多，而且设备间关系复杂时，仅凭设计者的经验很难找出不合理的设计。因此需要借助数学和计算工具进行计算机辅助设计。从数学角度看，设备布局优化属于非线性规划问题，其约束条件较多，对于较多设备的布局求解时，很难找到最优解，属于NP完全问题。遗传算法在求解这类问题时优越性主要表现在搜索过程中不易陷入局部最优。多行布局问题可看作所在行数、行内机器排序(确定行内相对位置)、行中具体位置(确定行内的绝对位置)三个决策因素构成。多行布局问题遗传算法的求解方法：（1）染色体编码编码是多行布局求解的关键步骤，它不仅影响遗传算子的设计，而且还决定了从搜索空间的基因型到解空间的表现型之间的对应关系和转换关系。对于所在行的编码，采用一位数字“行分隔符”表达行间机器的分配。对于行内机器排序，采用机器排序直接编码的方式。对于行中具体位置，为了避免机器的干涉或重叠，引入净空间编码，这样两机器之间的实际距离等于最小间距加上净空间。综上所述，可得出如下编码方案： 其中，s为分隔符，代表序列被分成两行的位置；mij为j位置的机器为i，ij代表机器mij-1和mij间的净空间。 （2）染色体适应度先根据染色体的编码计算出所有设备x，y的坐标，得到机器的实际布局。Y坐标的计算公式： （r1，r2，rm-1）是行间距。 X坐标的计算公式：xj=xi+dij+ij+（li+lj）/2然后根据工时算出物流费用。从目标函数到适应度函数的转换需要考虑约束条件，采用惩罚函数法： 式中：分别是安排在第一行和第二行的机器需要的必要工作区域。H表示工作区域长度；P表示惩罚值。（3）遗传算子 设有两个染色体x1，x2：A)选择算子：采用常见的比例选择算子在当前代的基础上产生下一代，同时应确保最优的个体不被淘汰，这样可以加快收敛速度； B）交叉算子：对于分隔符，设，然后用和构造闭区间SL，SU，则新的分隔符是这一区间的任意整数。对于机器排序，设计如下的交叉算子来提高计算效率，从X1中随机地将一般数量的基因传递给子代1中的等为基因座上，按照X2的顺序将子代1缺少的另一半基因依次赋给空基因座。用同样的方法产生子代2。对于净间距，可由 (其中，(o，1)，且+2)计算。C)变异算子：采用临近搜索技术对机器位置进行细微调整，首先选择变异染色体，并从选定染色体中任选一个净间距，其次生成染色体的2r邻域，最后评估所有邻域，选择最好的邻域为子代。（四）凸轮轴生产线的布局改进设计在凸轮轴生产线布局中，主要考虑生产加工设备的布局，不考虑暂存区及小车的位置。则得到现有生产线主要设备，布局如图，对应平面编码对应表如表。对于该凸轮轴生产车间，主要生产设备有12台，各机器尺寸长(L)宽(W)高(H)和机器间距如(单位均为m)，以及物流费用Cij和加工中各机器间往返行程次数矩阵fij。布局限定长度为25m，行距为4m。其中Cij中各元素均相同，这里取1。按照上述方法求解该问题，遗传算法的参数为，群体规模N=40，遗传代数G=100，交叉概率足=08，变异概率昂=006，惩罚值P=10x10-8。计算得最好染色体为6，(2345 67 89 10 11 12 13)，(5 47 41 5 45 40 3O 45 50 40 4O 50)，最小物流费用为1583733。图3 改善前主要设备布局图4 改善后主要设备布局改善后布局如图所示。通过两图比对，可知，改善后布局节省大量空间，便于该车间扩线。改善后物流费用由原来的2012885减少为1583733，大大降低了物流费用。四、凸轮轴生产线工艺优化仿真模拟与方案改进（一）系统仿真需求在当今激烈的市场竞争形势下，各制造商除在其所熟悉的核心业务即原材料节约，提高生产效率方面来降低成本，还可以通过进一步改善车间布局，应用工作研究方法平整生产线，改善生产过程中的搬运、装卸、运输等物流活动等方法对企业生产物流系统的优化，来降低成本。从而提高生产物流的效率，缩短产品的生产制造周期，提高企业产品的市场竞争能力，增强企业竞争力。因此企业生产物流系统的研究具有重要意义。本文中的凸轮轴生产物流系统是一个复杂的综合性系统，通常其研究方法有如下两种：一种是直接在实际系统上进行研究，另一种是在系统的模型上进行研究。在实际系统上研究固然有其真实可信的优点，但是在很多情况下不适合甚至不可行，主要原因是：(1)系统的不可逆。例如系统改善策略如果不当，一经实施，产生较多废品。(2)投资风险过大。在真实系统上研究消耗真实的人财物。(3)研究时间过长。(4)真实系统尚未建成。在系统规划设计改善阶段希望评价方案的优劣，显然无法在真实系统上进行。基于上述原因，利用系统仿真方法，来研究解决生产物流系统中的优化问题，利用仿真模型帮助工作人员对系统进行评价和改进就成为了迫切要求。（二）建模思路与软件应用 20世纪80年代中后期，面向对象仿真理念被正式提出，更加强调运用人们的日常思维和方法原则来认识事物，结合离散事件理论进行分析，适合对凸轮轴生产线工艺优化与工时问题进行研究。离散事件系统仿真是对状态变量只在一组离散时间点上发生变化的系统进行建模。仿真模型用数值方法进行分析，而不是用解析的方法进行分析。在使用数值方法的仿真模型中，模型是“运行”的而不是被解出来的。也就是说，系统的认为演变过程生产与模型假设，然后收集观察数据以分析和估计真实系统性能的量度。现实世界的仿真模型相当庞大，存储和操作的数据量很大，因此这样的运算必须借住计算机软件来实现 王雪兰, 基于Flexsim的凸轮轴生产物流系统仿真D, 武汉科技大学, 2008。 离散事件系统仿真的一般步骤如下图所示： 下文将按照生产工艺流程的顺序进行建模，先建立每个加工工序的分模块，然后采用串、并联的方式将各个工序模块按照生产工艺流程连接成整条生产线。输入从现场收集的各工序基本参数，设定真实情况在仿真中的一些约束条件，最后使用eM-Plant的程序单元来实现对现场的动态仿真。利用仿真输出的各种统计数据来对实际现场进行优化。（三）模型验证与方案改进模型的验证主要是为了保证仿真模型能够准确地展现实际生产系统的运行情况，因此模型验证从两个方面来进行：（1）运行已经建好的模型，设定一段时间，检查模型中是否有未连接好的实体，以及模型在运行一段时间之后是否有阻塞的情况。（2）将其仿真的结果与车间实际数值进行比较，如果实际数值和仿真的结果的差异在一个可接受的范围内，那么就说明仿真是成功的，以后就可以用这个仿真模型来研究这个生产车间。对于本模型来说，模型验证从两方面来看：（1）确定模型参数与实际生产中的信息是否吻合，而模型输入的初始验证数据都是实际调研收集的，模型运行情况也与实际生产基本保持吻合，证明了仿真模型的有效性。（2）模型运行7天，得到的仿真结果如下：表2 模型方针运行结果工位正在工作（%）正在等待（%）堵塞工位正在工作（%）正在等待（%）堵塞OP1092.330.127.55OP10192.310.147.55OP2099.950.050OP20199.930.070OP3099.850.150OP30199.830.170OP4078.770.2920.93OP40178.760.3220/92OP4583.980.315.72OP45183.970.3215.71OP5094.430.335.24OP50194.410.355.24OP6099.620.380OP60199.640.40OP7083.8516.150OP70183.8416.160OP8099.530.470OP80199.510.490OP9086.3613.640OP90186.3313.670OP10073.2526.750OP100173.2226.780OP11075.8224.810OP110175.8124.910OP12088.8611.140OP14067.9329.462.61OP13078.3921.610OP15099.260.740图5 改进前的设备利用率从表和图可以看出，存在堵塞的工位是瓶颈工位，有待操作和工艺的改进，以减少单间加工时间，减少拥堵。等待比例较大的工位处于浪费状态，利用率不高。常用改善方法有：（1）首先应考虑对瓶颈工序进行作业改善，作业改善的方法，可以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他工序；（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，把该工序安排到其他工序当中去。从上图可以看出，存在瓶颈的主要工位是OP101、OP40、OP401、OP45、OP451、OP50、OP501等工序。根据上述改善方法，基于生产线的实际情况，可以采取以下措施来改善瓶颈，提高生产线的平衡率：（1）从产能节拍方面考虑。生产线的节拍的确定考虑到了开机率的问题，如果此道工序存在堵塞，我们可以增加人手或者减少休息时间，从而把阻塞减到最小。（2）改善工序。能够改善供需缩小加工时间是最直接的办法。图6 改进后的设备利用率 改善后的设备利用率如上图所示，将前后进行对比，OP40堵塞率由20.93%下降为10.52%，OP401的堵塞率由20.92%下降为9.13%，OP45的堵塞率由15.72%下降为10.63%，OP451的堵塞率由15.71%下降为13.45%。可以看出堵塞工位堵塞率明显减小。生产线不能达到绝对的平衡，其中总有可能存在机器停机、工人休假、废品生产等问题。因此，生产线平衡的改善是持续改善的过程，在现有条件下达到最高效率，提高企业竞争率。五、基于工时分析的凸轮轴生产线平衡（一）改进瓶颈工位生产线的不平衡会导致时间资源的浪费，忙闲不均而引起矛盾，也会导致人力资源的浪费、因此，要研究工作方法，对生产线的平衡性进行改善，从而提高生产效率，降低生产成本。生产线平衡率影响的主要因素是瓶颈工位。重新组织瓶颈工位的作业方式，或采购产生瓶颈的设备等，都可以有效地减少甚至消除瓶颈。针对生产线的瓶颈工位做如下分析：瓶颈工位之所以成为瓶颈，主要原因是单件生产时间过长，不能满足生产需求。解决该瓶颈的方案有两种：方案一：增加定员人数，两人倒班生产以满足生产需求，消除瓶颈工位。如工位定员人数为2人，作业时间为29399秒；总人数为11人；生产节拍为21338秒。则，方案二：增加设备一台，但不增加定员，一人双机操作，以消除这个瓶颈工位。采用方案二，根据表3可知动作1、2、3为辅助动作，这三个动作完成后才能开动机床，即开始机械加工。表4，给出了此工序的相关数据。根据此表可以得出人机操作分析示意图7图8，其中图7为方案实施前，人机操作图。图8为方案二实施后人机操作图。表3 瓶颈工位工人操作时间数据表序号动作说明模特值时间序号动作说明模特值时间1下料44.295.718掏堵水泵7.630.982上料45.195.839料车翻面3.910.53关门35.264.5510推拉料车4去毛刺628（1）送下工位6.640.865检测（2）拉下工位4.770.61（1）取千分尺1.30.1711检测（2）检测42.35.46（1）检验夹具44.525.74（3）放千分尺0.90.12（2）粗糙度19.62.53（4）卸下已测1.40.18（3）检验夹具28.93.736清理铁屑108.3513.98（4）检验夹具110.2214.227看护水泵5.880.76合计573.0673.92表4 瓶颈工位相关实践数据表工位号TjTfTz=Tj+TfTcKkfTd=Tz（1+Kkf）10224.8216.09260.9173.920.13293.99说明：Tj表示机器作业时间，Tf表示人工辅助时间，Tz表示作业时间，Tc表示工人操作时间，Kkf表示宽放率，Td表示单件工序总时间；时间单位：秒 （A）总周程时间 T=Tz=Tf+Tj“人”的利用率=（Tc/T）100%=28%“机器”的利用率=（Tj/T）100%=94% Td=T（1+Kkf）=293.99s（B）总周程时间 T=Tz=Tf+Tj （趋于稳态后的总周程时间）“人”的利用率=（2Tc/T）100%=56%“机器1”的利用率=“机器2”的利用率=（Tj/T）100%=94% Td=T（1+Kkf）/2=147.00s则工位10定员人数为1人，作业时间为147秒；总人数为10人；生产节拍为21338秒。则，图7 改进前人机操作图图8 改进后人机操作图通过以上分析，选择方案一解决瓶颈问题，原因如下：(1)工序设备为数控磨床，价格较高，是这条生产线中最贵的一台设别，故增加设备可能性很小。(2)W1，W2相对于W均有提高，但是W1W2（二）均衡化生产均衡生产是实现准时化生产和高效物流的首要前提条件。均衡化包含有两层意思：一是产品的数量均衡，既在相对一段时间里，让生产的速度保持相对稳定。二是品种的均衡，在一定时间段内，所有的品种按照均衡的方式一套一套的造出来。凸轮轴生产线是一个混流生产线，主要生产产品有三种。随着市场需求的多样化，产品品种还可增加，传统的大批量生产模式显然已经不适应市场及用户的需求。因此应该采用均衡化生产来满足不断变化的市场需求，并使在制品的库存减少，以降低生产成本，增强企业竞争力。目前凸轮轴生产线，生产设备陈旧，产品品种之间切换时间较长，零件运送劳动强度大。这些因素都制约了均衡化生产的实施。因此，通过以下改进来实施均衡化生产：(1)采用先进的刀具，如使用高速磨削、高速磨削CBN(氮化硼)工具，可以大幅度提高磨削效率，减少设备使用台数及砂轮更换频次，以减少加工时间和切换时间。(2)多砂轮磨削或两个砂轮头架的使用。在提高砂轮转速的同时，采用多砂轮磨削是另一种减少加工节拍的方法，如多砂轮磨削凸轮的同时磨轴颈外径，一台磨床使用两个砂轮头架同步加工凸轮等。(3)产品品种间切换时机床调整由专用人员完成，可以利用非加工时间完成，以减少切换时间，从而实现以“多品种，小批量为生产特