基于FLEXSIM的装配车间设施布局规划与优化

本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 45 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究的目的和意义研究的目的和意义 随着当今社会的不断发展 我国的企业面临着空前的竞争 因此提高产品质量 增强市场竞争力 服务水平 缩短生产周期 有效降低成本以加快技术进步及 是 当前所有企业面临的最主要问题 随着制造业自动化 智能化 机械化的不断提高 和发展 企业在制造过程中降低成本提高效率的潜力在不断地变少 1 制造系统设施布局问题是一个非常重要的问题 在制造业中 20 50 的总经 营费用是属于 而良好的设施布局设计可使物料搬运的费用减少15 30 在工厂 的生产活动中 从原材料的进厂到产品的出厂 物料真正处于加工的时间只占生产 周期的10 左右 而85 90 的时间都处于搬运或停滞状态 良好的设施布局设计能 提高物料处理的效率 减少物品的停留 提高生产效率 因此 一直以来 企业制 造系统的布局设计都被认为是制造工业中最困难和最关键的设计任务之一 国内的 制造型企业大多对新产品的工序过程 研究开发 加工设备的更新换代以及加工或 组装技术等非常重视 而忽视了生产线设计安排的方法 机器设备的布置方式 产 品的流动管理等物流管理技术 众多企业还是沿用几十年前的生产模式 落后的车 间布局 不合理的设施规划 严重的影响了企业的经营状况 在一些已经不能使加 工时间缩短的情况下 原来的设施布置形式成为新产品生产物流时间缩短的障碍 缩短物流时间成为提高生产效率 降低生产成本的有效手段 随着工业的不断发展 众多的制造型企业开始意识到合理的设施规划可以给他 们带来更好的效益 竞争的国际化发展也迫使这些企业进行流程再造和转型 多产 品小批量生产 产品模块化 成组技术和柔性制造等先进技术的应用 使企业的生 产方式发生了巨大的转变 现代化的生产方式不仅对生产的能力而且对企业设施规 划布置提出了更高的要求 2 制造系统都是很复杂的 有很多的情况都无法仅用数学和物理的方法来解决 而仿真技术则提供了新的手段来解决这类问题 吴澄指出离散事件的仿真方法目前 是制造系统的评估工具中用得最为广泛的方法 3 系统仿真重在对系统过程中逻辑 关系的描述 在调度优化与生产计划的研究中应用仿真技术能对系统进行分析 评 价 比较 还能够选择优化系统和系统结构的参数 在传统的仿真方法中一般是编 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 45 页 写仿真程序进行运行仿真 但是这些只能运用于小规模系统的仿真 并且它们忽略 了不少重要的因素 这些因素对生产过程也有相当大的影响 4 对于一个制造系统而言 常常需要了解它在某些特定条件下运行的性能参数 对生产线的性能进行分析是虚拟仿真的一个主要的应用 通常牵涉到的性能指标有 制造周期分析 产品混合比变化对生产率的影响 设备及生产线的利用情况 阻塞 及设备负荷平衡分析 瓶颈 生产率分析 5 本文以某装配车间作为研究的对象 用 Flexsim 软件建立它们的模型 再利用 Flexsim 工具对装配车间的运行性能和生 产计划指标进行分析评价 得出一个较合理的车间设施布局规划 1 21 2 国内外的研究进展国内外的研究进展 二十世纪四十年代末以来伴随着计算机技术的蓬勃发展而逐步形成了系统仿真 的学科技术 它以多种学科的事实理论为基础 以电脑及其相应的仿真软件为工具 运用虚拟试验的方法来解决和分析问题的一门综合性学科技术 6 仿真技术在物流系统设计中的应用是随着信息科学技术 建模仿真技术的发展 与物流管理 机械自动化水平的提高而深入的 在国外 直接采用仿真方法对企业 物流系统进行分析己经相当普遍 一般都是采用商用仿真软件或仿真语言对系统直 接进行建模和仿真分析 针对生产线的物流仿真问题 国外已有很多的应用 并且相对应用的比较成熟 自从 20 世纪 80 年代中期 美国福特公司就已经开始应用 Witness 等软件来提高其 汽车生产线设施装备的设计 福特的很多装配线在正式实施之前都使用了相应的仿 真软件进行模拟 用来验证其设计的正确性 90 年代 尼桑公司的森德兰工厂在两 条的生产线上分别生产 Micra 和 Primera 这两种型号的汽车 系统软件 Witness 仿 真在尼桑公司实现了在两条生产线上生产三种车型的有效衔接 并且为成功地组织 生产过程起到了至关重要的作用 系统仿真软件在德国大众汽车公司应用的也比较 广泛 均运用到了系统仿真技术以及各种系统仿真软件 国内在物流仿真方面的研究起步相对比较迟 在系统仿真方面的研究多侧重于 企业外部物流 很多学者和高校都在进行方面的研究 并且也取得了不少的成果 对于生产线物流仿真方面的研究 也有一些人比如熊光楞教授提出将仿真技术应用 于企业制造系统的研究 更多的是采取用解析法计算出几个最优解 然后或用仿真 语言编写仿真程序或用仿真软件进行建模仿真 7 武汉理工大学的周强等学者在对 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 45 页 港口的物流系统进行设计时 直接采用 Witness 对系统进行了建模仿真 对港口的 生产能力进行了分析和评价 找出了系统中的瓶颈 提出了改进的方法 优化了港 口的物流设计方案 东北大学的袁锋等对生产线制造过程的制造环境进行分析 提 出了基于扩展事件过程链的生产线制造过程建模的仿真方法 并采用面向对象软件 的方法实现了仿真系统的各组成模块 1 31 3 研究的内容与途径研究的内容与途径 主要的研究内容 l 装配车间的调查记录 2 数据的分析与整理 绘制出现行的程序图和装配布局图 3 用Flexsim建立装配车间的仿真模型 4 仿真实验的运行 实验结果的分析 5 制定可行性整改计划 对生产车间布局进行重新调整 以得到更优化的生 产制造系统 最后重新利用Flexsim仿真 查看其整改之后的效果 通过对生产线的调查 对收集的资料进行整理和归类 建立仿真模型 设置各 实体的逻辑参数 建立对象间的联系 动态修改模型参数 输出仿真结果 分析输 出结果 找出装配车间中存在的问题 提高装配车间生产率 本文的章节安排和主要内容如下 第一章阐述了课题的研究背景 国内外研究状况和研究意义 是全文的概括和 总领 第二章对制造型企业物流系统做了详细的分析 介绍了设施规划设计的概述和 相关信息 第三章详细的介绍了企业的物流系统仿真的步骤和方法 以及物流仿真技术在 设施规划设计中的运用 介绍了物流仿真软件Flexsim的功能和应用方法 第四章通过对某装配车间生产线基本数据的搜集和描述 利用了本文的仿真软 件Flexsim建立仿真模型 运行后进行效果分析 提出改进方案 并在次利用 Flexsim进行仿真分析 得出优化方案 画出最后的布局图 最后是对全文研究课题的结论 指出本文的不足和以后研究的方向 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 45 页 2 2 物流系统与物流系统与设施规划设计设施规划设计 2 12 1 企业物流系统分析企业物流系统分析 把物流系统作为研究对象 利用数学和物理等多科学的分析手段和方法 确定 和分析物流系统的功能 目的 费用 环境等问题 找到物流系统中需要解决的关 键性问题 根据其要求和性质 在经过充分的调查研究和了解相对正确的信息资料 的基础上 确定物流系统的功能和目标 提出能够实现目标的可行性方案 通过建 立模型进行仿真试验 优化分析和进行综合性评价 整理出完整的综合资料 从而 为企业做出最后的决策提供充分可靠的依据 8 物流系统分析的目标是系统最优化 通过分析 使得待开发的物流系统在一定 的条件下充分挖掘潜力 做到人尽其才 物尽其用 物流系统分析包含5个基本要素 即目的 可行方案 模型 费用与效益以及评价基准 制造企业物流系统是将企业 的原材料输入 加工 储存 运输 包装及售后服务看作一个完整的系统 制造型 企业的设施规划决定了企业物料和人员的流动方式 流动距离和路径 影响到物流 系统的效率和其产生的费用 从而对整个企业的生产效率起到决定性的影响 9 2 1 1 企业物流系统的结构 企业物流系统的结构主要有以下四种 l 单一型物流系统 将一个制造企业或一个加工单元看作一个独立的物流系统 就成了一个单一型物流系统 如图 2 1 所示 其中 Q0为输入系统的原材料 Ql为输 出系统的成品 S1则表示为加工转换的过程 S1 Q0 Q1 图 2 1 单一型物流系统 2 如图 2 2 一切复杂的物流系统都可以分解为若干个串联物流系统 加工线 生产线 装配线等都属于串联型物流系统 图中 Ql Qn等为物流量 S1 S2等为加 工单元 Q0 Q1 Q2 S1Qn 1 Sn S2 Qn 图 2 2 串联物流系统 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 45 页 3 并联的物流系统 如图 2 3 Q20 Q21 Q22 S21Q2n 1 S2n Q30 Q31 Q32 S31Q3n 1 S3n Q11 Q12 S11Q1n 1 S1n S12 S22 S32 Q1n Q2n Q3n Q10 图 2 3 并联物流系统 4 网络物流系统 如图 2 4 大多物流系统都属于这种类型 企业工模具配送 系统 多品种生产系统 物料搬运系统等 社会上的商品服务 原材料供应 能源 运输 邮件传送 物资配送 交通运输等都形成了相对复杂的网络物流系统 S2S3 S1 S4 S7 S5 S6 Q2 Q1 Q4Q5 Q3 Q6 图 2 4 网络物流系统 2 1 2 制造企业物流系统分析的实质和特点 l 物流系统分析的实质 物流系统分析是作为企业管理层进行决策的工具 为决策者提供直接判断的能 力和制定最优方案的信息和资料是其主要的目的 它把所有的研究对象均视为系统 来进行分析 工作的目标为致力于系统的整体最优化 物流系统分析重视应用科学 的推理 使所研究物流系统中问题的分析均能符合事物的发展规律和逻辑的原则 而不是凭单纯经验和主观臆断 它还需应用数学的基本知识和理论 使各种方案进 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 45 页 行比较 不仅有定性的描述 而且其差异都能以数学形式表达显示 通过物流系统 分析 使得待开发的物流系统在一定的条件下能充分利用其能力 做到人尽其才 物尽其用 10 2 物流系统分析特点 物流分析是以提高物流系统的效益为目标 以寻求解决某些问题的最优方法为 重点 运用定量和定性的分析方法 让决策者能够以价值判断从而做出最有利的决 策 进行物流系统分析的特点如下 以整体为目标 处于各个层次的分系统都具有相应的目标和功能 彼此相辅相 成 协作分工 才能实现优化整体系统的共同目标 以特定的问题为研究对象 系统的分析具有很强的针对性 寻求解决特定问题 的最佳策略是它的目的 以能求得解决特定问题的最佳方案为首要的任务 除了确定了目标和研究对象外 物流系统分析还需运用定量方法 解决问题不 应单凭经验 直觉 想象和臆断 在复杂的情况下 需要有可靠的资料 数字作为 科学决断的依据 最后还必须以价值观来进行判断 在系统分析时 必须以某种程度来预测某些 事物 或者利用过去发生的事实用作参照 以推断有可能出现的倾向和趋势 由于 所了解的资料中有很多属于不确定性的变量 因此在进行系统分析时 还要借助多 种价值观念进行选优和判断 2 22 2 制造企业设施规划设计制造企业设施规划设计 在工业工程领域常用的方法和技术中 有两种是非常重要的 制造企业设施布 置和物料搬运 它们直接影响着整个企业的效能 设施布局设计直接影响产品的质 量和成本 如何在给定产品设计信息 工艺流程信息和生产规划信息等的情况下 设计出合理的制造企业设施布置和物料搬运系统是制造企业能够在高效能的状态下 运行的关键问题 对于一个工业设施或工厂 设施主要包括占用的土地 建筑物 生产加工用的 机器设备 固定或移动的辅助设备 此外 还包括办公服务设施 公用设施 动力 设施 维修设施等 为了实现生产系统的设计目标 收获尽可能大的社会效益和经 济效益 企业必须具有合理的运营机制与生产结构 设施布置设计是在选址以后 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 45 页 设计和分析系统的平面布置 使人流 物流 信息流和人力 财力 物力得到最有 效 最合理 最经济的配置 从根本上提高系统的效率 降低系统运行的成本 从 而提高综合竞争力 11 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 45 页 2 2 1 设施规划设计概述 制造企业设施设计是对一个企业中的设施布置进行安排和组织 以提高企业资 源和能源等的有效利用率 在工业设施的规划设计过程中 涉及到土木建筑 机械 电气 等多个工程领域 从工业工程的角度看 设施规划设计主要包括物料搬运 制造企业选址 厂房设计和制造企业布置 在企业车间设计中 设施布置占有非常重要的地位 车间设施布置是否合理将 直接影响到整个车间的生产效率 生产能力 工艺过程 信息流 物流等方面 并 直接反映出一个组织的企业形象及工作质量 合理的设施布置以至于生产的工艺流 程更合理 更能降低车间的物流量大小 因此 设施布置是直接决定生产率的因素 之一 根据资料统计分析 25 50 产品制造的费用是用在物料的搬运上面的 因 此 现代的企业都非常重视物料的搬运系统 物料搬运系统的设计就是对物料搬运 量 搬运方法和设备 储存场地 路线等进行合理安排和布置 12 2 2 2 设施规划的相关信息 在进行一项设施规划的任务前 必须得获得三个方面的主要信息 分别是时间 信息 产品信息和工艺信息 时间信息是指在生产的过程中 对于每一项的操作任 务必须有一个时间标准 即一个合格的生产工人以正常的速度工作完成这个操作所 需要的时间 产品信息是指生产何种产品和每种要生产产品的详细设计信息两个部 分 工艺信息是指工艺设计师根据获得的产品设计信息来确定产品通过哪些加工工 序进行生产的 工艺设计师根据产品的设计信息来确定一个产品 零部件是外购还 是自制 然后 对于那些需要自制的产品 需要解决的问题是制造或加工这些产品 的加工工艺方法 从而确定加工所需要的设备 机器 给出这个零件的工艺路线 最后是将各零件根据装配表组装起来 13 2 32 3 本章小结本章小结 本章对制造型企业的物流系统做了详细的分析 介绍了物流系统分析的实质和 特点 阐述了物流系统的几种结构 并对制造型企业设施规划的设计做了一些概述 和介绍了相关的信息 物流系统分析的目标是系统最优化 以提高物流系统的效益 也只有良好的设施规划布局才能从根本上提高系统的效率 降低系统运行的成本 从而提高综合竞争力 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 45 页 3 3 企业物流系统仿真企业物流系统仿真 计算机仿真之所以被广泛接受 其优点是具有相对的柔性和直观性 可用于难 以建立数学模型的大而复杂的系统 可以研究在动态和随机环境中 在各参数相互 作用下 给用户和研究人员提供一个明确而清晰的结果 比其他极大多数数学和分 析模型更容易做出判断和决策 目前 在国外已广泛应用物流仿真技术 应用仿真 分析方法来进行物流系统设施布置的改进后可减少30 的投资 并且能够对比和评价 不同系统的布置设计方案 达到优化系统 优化能力 加快系统建设 减少投资等 目标 随着企业物流合理化意识的不断提高 物流仿真技术将会得到更加广泛的应 用 14 3 13 1 系统仿真的步骤系统仿真的步骤 由于仿真是基于模型的活动 所以应该先建立系统的模型 在建模与形式化这 一步需要依据研究和分析的目的和意义 确定模型的边界问题 为了使模型更加具 有可信性 具备系统的实验知识和必要的试验数据是必需的条件 根据系统的特点 和仿真的要求选择合适的算法 使建立的仿真模型在计算精度 计算速度和稳定性 方面满足仿真的需要 下一步是进行设计程序 即将仿真模型用计算机能执行的代 码描述 程序中包括仿真实验的一系列的要求 如控制参数 输出要求 仿真运行 参数等 第四步是对仿真模型进行校验 一方面是检验所选择的仿真模型方法的合 理性 另一方面是再次对程序进行调试 最后是对系统仿真的输出进行分析 15 系统仿真的步骤如图 3 1 所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 45 页 仿真模型效验 实际系统 建模与形式化 形式建模 仿真建模 程序设计 仿真运行 结束 N Y N Y N 可信否 仿真结果分析 正确与否 正确否 图 3 1 系统仿真的步骤 3 23 2 物流仿真技术物流仿真技术 3 2 1 物流仿真技术概述 物流系统仿真是一门计算机综合应用技术 主要是一些公司针对企业物流系统 的规划设计而开发的仿真软件 集当前最先进的人工智能技术 计算机三维图像处 理技术 仿真技术 现代物流技术和高级数据库处理技术为一体 对系统设施布置 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 45 页 的方案利用计算机仿真软件 在计算机内建立虚拟的工厂和装配车间模型 对模型 进行各种系统分析 获得改造方案或优化的设计 在发达国家中 每年总有约四分之一的生产面积要进行重新布置 如此频繁的 重新布置 无论是财力还是人力都显然难以支撑 由于使用手工布置代价太大并且 难以达到预期的目标 因而产生了对计算机辅助设施布置的要求 目前 设施规划 者能够使用两大类功能强大的软件 第一种的软件能够提供规划布置设计辅助服务 如FACTORYCAD STORM和FACTORYPLAN等 第二种就是运行和仿真系统分析软件 如 RALC FLEXSIM WITNESS和FACTORYELOW PROMODEL AUTOMODEL等 三维仿真软件 在目前的市场上是比较受欢迎的 16 3 2 2 物流仿真技术在系统设施布置设计中的运用 物流仿真技术在系统设施布置中的运用主要体现在以下 3 个方面 l 运用系统仿真软件快速建立系统设施布置模型 如新建或改建厂房 车间 先模拟现实的厂房 设备 机器 物流设施和人员等 构筑虚拟的设施布置 以而 取代现实的工人和设备 节省资金 2 应用物流仿真软件完成多种多样的三维可视化操作 以检验系统设计的可行 性 使枯燥的文件图纸变成了更加实际 3 对方案进行动态分析和评价 很容易找出系统的瓶颈 比较各方案的优缺点 便于最优方案的选择 运用物流仿真技术进行系统设施布置设计的方法 是先对系统应用理论分析 再应用仿真软件进行三维仿真从而进行优化决策 将物流分析技术 系统工程技术 理论和计算机技术综合进行应用 增强了设施布置系统设计的合理性 科学性和高 效性 追求实现系统物流成本和物流效率的最优化 为企业减少项目投资费用 缩 短项目建设周期 提高了设计工作的效率和企业效益 这是如今新建或改建项目规 划设计的最好方法 17 3 33 3 FlexsimFlexsim物流仿真软件物流仿真软件 Flexsim 是 PC Base 的数字虚拟企业的仿真系统 来建立各种经营 管理 制 造等模型 并且可在微软公司的 Windows 2000 Windows XP 及 Vista 等不同作业 平台上执行的全窗口化 3D 专业仿真软件 Flexsim 是新一代的面向对象的仿真建模 工具 它是迄今为止世界上唯一的在图形建模环境中集成了 C IDE 和编译器的仿真 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 45 页 软件 在这个软件环境 C 不但能够直接用来定义模型 而且不会在编译中出现任 何问题 这样就不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接 它能使决 策者轻易地在个人电脑中建构及监控任何工业及企业的分散式流程 透过 Flexsim 我们可以率先找出未来工业及企业流程的模式 Flexsim 基础架构设计不只是要满足 使用者现今的需求 其架构的概念更是为了企业的未来而准备 下图 3 2 为 Flexsim 的主界面 图3 2 Flexsim的主界面 Flexsim 就是帮助工程师 经理和决策者形象化地在动态三维虚拟现实环境中检 测新提议的操作 流程或是系统 这对于创建那些可能出现崩溃 发生中断或是产 生瓶颈的复杂系统是必不可少的 通过预先创建系统模型 可以考察各种假设的场 景 同时不会产生改变实际系统时所面临的中断 成本和风险 3 3 1 Flexsim 的应用领域 Flexsim 不仅已应用于工业自动化仿真 物流中心配送仿真 交通运输仿真 交 通流量管制仿真 医疗管理研究 医院动线规划仿真等民用工程 也已经应用于先 进国防战略仿真 航天工程仿真等大型研究方向 Flexsim 的应用领域主要在 3 个方面 制造业 仓储和配送 运输业 在制造业中 可应用于半导体芯片制造 肉食包装工厂中的牛肉处理 钢铁制 造 果酱成品的罐装 标签 包装 发货 电子器件制造等 在仓储和配送中 涉 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 45 页 及到港口集装箱船只的装卸 配送中心操作 订单取货 传输带系统 物流货架 传送带和堆垛机 运输业中有高速路交界处的交通流 火车站中人群和列车的移动 河流中船的往来穿梭 国际边防路口的交通堵塞 18 除了上述的 3 个行业 Flexsim 在矿石开采和加工 快餐店中食物准备和客户服 务 参观者在娱乐场所内的活动 喷气式飞机引擎的拆卸 翻新和更换 医院中病 人和食物的处理 共享的网络存储器中数据的流动 银行处理中心中支票的处理等 处也都有很多的应用 3 3 2 Flexsim 仿真功能 1 Flexsim 具有离散型和连续型的混合建模功能 软件本身更多的是离散型仿 真方面应用 但它支持连续型生产建模 它有专门的流体部件库 有很多应用于炼 钢厂 塗料生产厂及石油输送的成功案例 2 Flexsim 提供平面与三维建模窗口 可以直接将 AutoCAD 的平面布置图导入 建模窗口 可完全遵循平面布置图的距离关系建立平面模型 平面模型只要换一个 窗口 或换一个角度就是三维模型 建立二维模型的同时 同步自动生成三维模型 不需要将二维模型转为三维模型的操作 同样 也可以直接在三维建模窗口建立模 型 二维模型同步自动生成 二 三维建模同步关联 3 Flexsim 提供的部件具有相当的柔韧性 部件的参数设定可适应于不同层次 的使用者 对于刚入门的使用者 Flexsim 提供了制造业和物流业常见策略 用户只 需要选择和修改数据 就可以实现先进先出 先进后出 随机出入 百分比出入 统计概率出入 最长队列出入 最短队列出入 按品种出入 按标签出入等出入库 策略 无需编程 对于使用熟练者 可以直接用 C 编程 实现更复杂的有特殊需求 的出入库策略 每个部件都有 C 编程接口 4 Flexsim 用拖放图形方法建立模型 Flexsim 提供有固定类部件库 执行类 部件库 流体类部件库 以及用户部件库 建模时将相应的部件拖放到模型窗口的 指定位置 Flexsim 允许用户开发自己的部件并建立自己的部件库 对于熟练用户可 以手工编制代码来建模 5 Flexsim 具有完全的 C 面向对象性 6 Flexsim 所有模型均建立和运行于耀眼的彩色 3D 中 采用了与先进的视频 游戏相同的虚拟现实技术 图 3 3 为 Flexsim 建立的一个大型模型全景 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 45 页 图 3 3 大规模模型全景 7 Flexsim 能利用包括最新的虚拟现实图形在内的所有 PC 上可用的图形 如果 是扩展名为 3DS VRML DXF 和 STL 的 3D 立体图形文件的话 可以直接导入 Flexsim 模型中 模型中的任何部件或背景都可以通过导入图片或立体图形文件的方法替换 部件或背景的图片或立体图形 8 Flexsim 是世界唯一的在图形的模型环境中应用 C IDE 和编译程序的仿真 软件 定义模型逻辑时 可直接使用 C 而且可立刻编译到 Flexsim 中 因为 Flexsim 具有高度的开放性和柔韧性 所以能为几乎所有产业定制特定的模型 9 Flexsim 尽管能同时打开多个窗口 但模型是在集成统一的开发环境中 这 种开发环境具有两种表现形式 一种是 3D 或 2D 的视景环境 一种是树结构的纯文 本环境 它是同一个东西 不同表现形式 方便建模和调试 Flexsim 建模环境同时 支持仿真模型的运行 调试等功能 10 Flexsim 提供较为详细的通用格式的技术帮助文件 文件格式为 HTML 在软件中也有帮助菜单 有查询功能 11 开放性和互联性是 Flexsim 体系架构的一个特点 Flexsim 完全与 C 相 结合 用户可以随时修改 Flexsim 满足其特定需求 而不必学习专有代码 Flexsim 能够链接到任何 ODBC 数据库 如 Oracle 和大众数据结构文件 如 Excel Word 创时能公司能够提供仿真与用户异构平台的接口 3 3 3 Flexsim 的分析优化的功能 1 Flexsim 建立模型的所有资源是对象 对象可以是产品 模型 图表 记录 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 45 页 库 GUI 甚至是应用程序本身 而 Flexsim 的对象都可以向定制的用户公开 建模 人员可以自由地操作部件 图形用户界面 菜单 选择列表和部件参数 可以在部 件里增加自定义的逻辑 改变或删掉既存的编码 所以当然允许用户根据实际需求 来自定义统计分析报表 Flexsim 在仿真过程中 能根据仿真进度动态显示 2D 和 3D 报表数据 如图 3 4 图 3 4 3D 报表实时显示报表数据 2 Flexsim 仿真的统计分析数据除在仿真运行环境内显示外 可以直接导出 EXCEL 和文本文件形式的报表 提供数据库以自定义表形式储存报表 3 Flexsim 在模型运行过程中记录了所有设备的所有状态 工作 等待 阻塞 故障等 的时间数值 以及设备加工产品的个数 用户可以自由组合和输出由这些 数据组成的报表 当然提供包括设备利用率 单条模型生产线的加工能力 单个设 备的加工能力 设备状态的时长及时间比例 模型瓶颈分析等统计分析功能 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 45 页 图 3 5 Flexsim 提供的设备状态饼图 4 Flexsim 提供平面和立体饼图 柱状图 折线图 海图 以及甘特图等多种 图形图表 支持数据与图表混合的统计报表 如图 3 5 5 优化模块完全集成于 Flexsim 中 用于仿真优化 即找寻一组最佳的参数值 或决策变量值 以使得目标函数最优 在仿真模型中执行优化功能 由于在 Flexsim 中除了模型本身外 模型中的每个部件都提供了编写 VC 程序的接口 所 以当然支持嵌入自定义的优化算法 3 43 4 本章小结本章小结 本章详细的介绍了企业的物流系统仿真的步骤和方法 叙述了物流仿真技术以 及物流仿真技术在设施规划设计中的运用 介绍了物流仿真软件Flexsim的应用的领 域 仿真和分析优化的功能 仿真技术具有相对的柔性和直观性 可用应于难以建 立数学模型的大而复杂的系统 应用仿真分析方法来进行物流系统设施布置的改进 后可减少投资 并且能够对比和评价不同系统的布置设计方案 达到优化系统 优 化能力 加快系统建设 减少投资等目标 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 45 页 4 4 装配车间设施布局的仿真与优化装配车间设施布局的仿真与优化 4 14 1 某微型货车的装配车间的简介某微型货车的装配车间的简介 某微型货车制造厂为实现多品种生产 于1991年开始筹建年产万辆TJ1010A微型 货车的装配车间 TJ1010A微型货车是引进日本大发公司的产品 主要参数为 长 3195mm 宽1395mm 后轮驱动 轴距1820mm 整车整备质量690kg 载重质量6000kg 配套发动机型号为370Q 在最高转速5500r min时的最大功率29 5kW 由于生产纲领和投资所限 装配车间的厂房利用原冲压车间的一部分 有跨度 18m和24m的厂房共3276m2 此外 该汽车装配车间在规模和设备先进程度上 既要有 别于汽车行业的现代化装配车间 而产品的高要求使它在工艺设计和质量保证上又 要有别于国内微型货车行业常见的装配车间 所以该车间采用自制的悬挂式装配线 1 装配车间工艺及设计原则 a 采用悬挂链带着吊具连续运转 地面与高架平台相结合的方式进行装配 悬 链总长150m 装配工位有效长度115m 吊架节距6 4m 全线设置20个装配工作站 其中1站为车身上线 2 10站为高架线部分 由两段1 5m和1 6m高的高架平台构成 前10个站内上 下工位共17个 生产时平台的上 下工位同时操作互不影响 高架 线后为地面线部分 在11 20站内布置有10个工位 20站的举升台使整车下线 全 线累计20个装配站 27个装配工位 b 部件的装配共有12个工序 分布在装配线两侧 主要有 发动机 离合器及 变速器总成 前桥总成 后桥总成等 部件装配采用非同步式 留有少量总成贮备 增加了分装节奏的弹性 c 整车下装配线后 经简单调试即转入质量保证线 依次对最大转角 侧滑初 测 侧滑调整 制动 侧滑复测 排放 车速 外观检查 地坑检查 灯光 喇叭 淋雨 吹干等项目进行检查及调整 保证整车出厂质量要求 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 45 页 表4 1 工位类型表 编号工位及其描述人员数 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 安装制动踏板及支架总成 安装离合器总泵工位 方向机稳定横轴总成 蒸发机总成 安装电瓶工位 安装底盘线束 安装真空罐工位 安装手刹接线 空气压缩机 并调皮带 安装助力油泵 排气管 机油设备 安装发动机工位 装前桥 装各种管路工位 装另一段的各种管路工位 装后桥 油箱工位 安装前后桥总成 安装散热器工位 安装传动轴 排气系统 安装轮胎工位 布驾驶室 车顶棚线束 安装驾驶室门锁工位 安装顶衬工位 安装车声玻璃工位 安装座椅工位 安装前车灯 后视镜 安装仪表台工位 安装胶条工位 安装后组合灯工位 发动机总成装配和后桥装配工位除外 3 4 4 2 3 3 4 5 5 3 2 2 3 2 3 2 1 2 2 1 2 2 1 1 1 表4 1为工位类型表 其中A类工位为必须按流程顺序安排位置 B类工位可在高 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 45 页 架平台上无次序装配 2 装配工艺特点 TJ1010A的同系列产品曾在天津某汽车厂生产 该厂装配线有48个装配站 59个 工位 分工较细 装配工序布置从容 我厂生产纲领虽小但装配内容雷同 而我厂 装配厂房长78m 宽24m 还要避开中间隔墙及立柱等障碍 充分利用有效装配站后 仍仅能安排18个装配吊具 由于装配内容多安装顺序要求严格 为工序安排增加了 很大难度 为此我们从两方面下手 一是尽量增加高架平台上的装配内容和工位数 量 充分利用空间 同时因地制宜以部分站位上缩短装配节奏时间 来实现增加装 配工序布置的原则 在18个装配节距中非常规地安排了20个装配站 加上高架平台 上的3个工位 大大增加了装配工位 二是彻底查清产品图纸和零 部件隶属关系 调查有关厂的装配经验及外协件的供货状态 合理划分装配单元 初期装配车间工位布局方案如表4 2所示 表4 2 车间工位安排表 装配节距号工位编号装配节距号工位编号 二上A1 下B3十二 A11 三上A2 下B4十三 A12 四上A3 下B5十四 A13 五 A4 十五 A14 六 A5 十六 A15 七上A6 下B6十七 A16 八上A7 下B7十八 B1 九上A8 下B8十九 B2 十上A9 下B9 十一 A10 经过初期设计的装配车间设施平面布局图如图4 1所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 45 页 十上 十下 九上 九下 八上 八下 七上 七下 六下五下 四上 四下 三上 三下 二上 二下 十一 十二十三十四 十五十六十七十八十九 整车小修区 车 身 存 放 区 车 身 存 放 区 上线 下线 举升台 前桥 举升 后桥装配 发动机总 成装配 发动 机举 升 后桥 举升 高架平台高架平台 图4 1 装配车间初期平面布局 4 24 2 装配车间的数据收集装配车间的数据收集 4 2 1 数据类型与收集方法 收集可靠的数据在建模仿真中是最重要的一个环节 在一个车间内部数据类型 主要包括产品P 产量Q 工艺流程R 服务S 时间T五种类型 这也是进行建模仿真 的基本的数据需求 所需的数据一般被分为三种类型 操作数据 数值数据 结构 数据 1 操作数据 主要是来描述系统是如何运作的 详细描述了结构数据的各个类 型的运作方式 2 数值数据 提供了系统的一些元件的数量信息 包括加工批量 设备的容量 设备故障率 加工时间 工件到达率等 3 结构数据 是指需要在建模中表现出来的存在于系统中的各个物理模型 包 括 产品 机器设备 组装部件 在制品 搬运工具 操作员工 库存等 在收集数据过程中 可以从不同的数据源得到有效数据历史纪录 系统文件 亲身观察 采访调查 l 历史纪录 可以得到产品的产量 机器故障率 销售情况 废品率等数据 2 系统文件 可以得到车间布局 产品的工艺路线等数据 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 45 页 3 亲身观察 就是应用调查通过工作抽样 时间研究等方法收集到自己需要的 数据 4 采访调查 就是通过采访问答的方式从管理人员 操作员工 工程师那里得 到有效的数据 在确定了数据源和数据类型以后就要开始收集数据了 在建模仿真中 收集数 据是最复杂和最耗费时间的环节了 数据的精确程度 详细程度从根本上决定了仿 真结果的可信度和精确度 因此在收集数据中必须仔细认真地进行 收集数据也要 更有系统性和条理性 这样才会尽量的避免误差 在收集数据中主要采用下面的流 程进行 l 定义工件流程 主要采用绘制工件流程图的方法 详细记录在系统中出现的 工件在工位之间的流动 2 操作描述 主要是更详细的描述在上一步骤中出现的工件流程图 详细描述 在工作点的加工时间 批量 对员工的需求 搬运方式 搬运路线与时间等 3 对数据进行筛选和精简 提炼所需要的数据 针对一些得不到的数据还要做 出一定的假设 4 2 2 装配车间的数据收集 以工序作为最小单元来建模 不能很好的体现这条装配线的特点 为此 把多 道工序合并起来 采用以工位作为最小单元来建模 即通过给工位机器设定一系列 的属性准备时间 加工时间 由几个工人加工 加工完后如何处理等和操作规则如 要求进行装配的工件必须到达所需工位缓冲区 来模拟设计装配线上工件在工位上 的装配 移动 所需数据如下 1 装配车间布局图 该装配车间初期布局图如图4 1所示 2 各工位的装配所需的时间如表4 3所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 45 页 表4 3 各工位的装配时间 工位 准备 时间 min 装配 时间 min 工位 准备 时间 min 装配时 间 min 工位 准备 时间 min 装配 时间 min A12423A101129B3263 A2655A11521B4341 A3415A12529B5332 A4330A13538B6248 A5337A14433B7153 A6421A15626B8122 A7536A16413B9230 A81028B1620 A9339B2422 4 34 3 建立装配车间的模型建立装配车间的模型 由于装配一辆货车需要许多装配件 零件 部件和组件等 为简化起见 用货 车在每个装配工位的装配时间来表示每个装配工位的装配件装配过程 而不对每个 具体装配件进行建模 轻型货车在各装配工位的装配时间不等 按照顺序依次通过 各装配工位 上一工位装配完成后 依次送到下一工位继续装配 且在两相邻工位 之间的暂存区可以有等待时间 经上面分析可知 装配车间共有十九个装配节距 不论是装配时间较长的工位 还是装配时间较短的工位 均以一个节距的工位为单元来建立模型 通过给机器设 定一系列的属性 准备时间 加工时间 设置操作工人 加工完成后如何处理等 和 操作规则 来模拟装配线上工件在工位上的装配 移动 此类建模的思想是 在实 际装配线上 一个工位要完成此工位所有的装配作业任务 首先 将零 部件运送 到相应工位上 在每个工位上完成相应的装配 然后按规定顺序在各个工位中移动 装配组成相应部件 直至下线 从第一个工位走到最后一个工位 在这个过程中 所有需要装配的零 部件均要完成装配 本文采用以一个装配节距的工位为对象进 行建模 让零 部件从第一个工位开始 遍历装配线上所有工位 直到下线 完成 装配内容 图4 2为初期装配模型图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 23 页 共 45 页 A9 B9A8 B8A7 B7A6 B6A5A4A3 B5A2 B4A1 B3上线 A10A11 A12A13 A14 A15 A16B1B2下线 图4 2 初期装配模型图 4 44 4 FlexsimFlexsim仿真模型布局和逻辑连接仿真模型布局和逻辑连接 Flexsim软件能够提供给用户一个实现可视化建模仿真的平台 在Flexsim软件 中 将一个处理流程定义为对一个对象的一系列操作或处理 Flexsim仿真模型实体 与装配车间各模型对应关系见表4 4所示 表4 4 模型元素与装配车间各元素的对应关系 模型元素系统元素备注 Flow item 未完成装配的车身 Processor处理器装配车间的各个工位 Queue暂存区临时存储位置 Source生成器空车身 各零件总成上线原始材料始发 Sing吸收器成品库 下线 Flexsim是通过面向对象的方法来建立模型的 在面向对象的仿真系统中 系统 中的对象往往与现实世界中的实际对象一一对应 这里的建模对象直接表达为流水 线上出现的各类实体 所有占用加工时间的工序都采用处理器表达 工序间的暂存 区使用暂存区表示 工件搬运采用操作员来完成 根据表4 5中所对应的实体 用 Flexsim仿真软件对装配车间各工位建立模型 其中包含一个生成器 一个吸收器 十八个暂存区 十八个处理器 在用草图或流程图的形式清楚表达这个过程后 就 可以使用Flexsim软件建立仿真模型了 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 24 页 共 45 页 表4 5 各实体与装配车间各系统的对应关系 序号系统名称实体名称序号系统名称实体名称 1 材料发生器发生器1 20 暂存区暂存区20 2 代加工车身库暂存区2 21 A10工位处理器21 3 A1 B3工位处理器3 22 暂存区暂存区22 4 暂存区暂存区4 23 A11工位处理器23 5 A2 B4工位处理器5 24 暂存区暂存区24 6 暂存区暂存区6 25 A12工位处理器25 7 A3 B5工位处理器7 26 暂存区暂存区26 8 暂存区暂存区8 27 A13工位处理器27 9 A4工位处理器9 28 暂存区暂存区28 10 暂存区暂存区10 28 A14工位处理器29 11 A5工位处理器11 30 暂存区暂存区30 12 暂存区暂存区12 31 A15工位处理器31 13 A6 B6工位处理器13 32 暂存区暂存区32 14 暂存区暂存区14 33 A16工位处理器33 15 A7 B7工位处理器15 34 暂存区暂存区34 16 暂存区暂存区16 35 B1工位处理器35 17 A8 B8工位处理器17 36 暂存区暂存区36 18 暂存区暂存区18 37 B2工位处理器37 19 A9 B9工位处理器19 38 吸收器吸收器38 实际系统中的每个元素都概括抽象为Flexsim实体模型对象 根据概念模型设计 和模型实体设计表的要求 从Flexsim模型库拖出相应的模型 在模型视图合理的摆 放相应的模型 所有的仿真模型还应按照系统要求设置相应的逻辑连接 仿真模型 都具有输入 输出和中间端口 而且具有方向性 连接错误会导致仿真失败 或仿 真结果出错 最终的布局结果如图4 3 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 25 页 共 45 页 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 操 作 员 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 处理 器 暂存 区 发 生 器 吸 收 器 暂 存 区 图4 3 模型布局图 4 54 5 仿真对象的参数设置仿真对象的参数设置 流水线的起点是空车身到达装配车间 由于这里的原材料是开工前由喷漆车间 送过来的己喷涂好的车身 为了简化模型 用 生成器Source 对象让原材料源源 不断地供应 原材料的设置如下图4 4所示 把材料供应时间设置为每87分供应一个 零件 因为装配生产线节拍时间受制于最长的工位时间 在此轻型货车装配生产线 上最长的工位时间是63分钟 另外空车身上线进入第一个工位的调整时间是24分钟 此调整时间包括上线的时间和检查空车身外表漆面是否有划痕以及张贴此车的配置 等信息 所以发生器的材料供应时间设置为87分钟 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 26 页 共 45 页 图4 4 发生器的参数设置 在每个工位之间设置暂存区 用 暂存区Queue 对象来表示 为了使Queue处 产品不会堆积得太高 设置了最大容量 当达到暂存区的最大容量后 后面工位将 暂停 直至暂存区不饱和 虽说因此会导致后面工位暂时停止工作 但是这并不会 导致模型有任何失真之处 在真实装配生产线上 当暂存处的产品堆积太多时 生 产线会停止走线 前面工位的工人也因此会停止工作 暂存处的设置如图4 5所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 27 页 共 45 页 图4 5 暂存区的设置 由于该流水线并非全自动化 工位之间的半成品车身的运送是由工人辅助完成 的 因此把所有的半成品车身的运送交给了 操作员 对象 每个对象的临时实体 流选项都必须勾上 使用运输工具 既运送工作由工人完成 运送工作的设施如 图4 6所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 28 页 共 45 页 图4 6 运送工作的设置 由于装配生产线需要操作工人 用 操作员 对象来代表装配生产线上的操作 工人 为了避免操作人员运