基于Flexsim的混合装配线的建模与仿真优化

工程技术学院Flexsim仿真报告 题 目： 基于Flexsim的混合汽车装配流水线建模与仿真优化 专 业： 工业工程 年 级： 2010级 姓名学号：王红燕 方 敏 杨世贞 木 浩 谢晓路 王小龙 陈忠凯 李银怀 指导教师： 日 期： 2013年7月7日 摘要：随着制造企业的竞争从规模竞争逐渐转向质量竞争、速度竞争，在保证质量的同时缩短从订货到交货的周期成为企业赢得市场的重要因素。而企业的制造设施布局是否合理直接影响着企业的生产效率和生产周期。作为工业工程领域重要的分支之一，社会司规划设计正是对一个企业中的实物设施进行组织，以提高企业资源（人员、设备、物料和资源等）的有效利用来达到使企业高效运行的目的。传统的设施规划设计主要是定量分析与经验设计相结合，此方法计算复杂、设计周期长，这给企业带来了较高的成本负担和风险，不利于企业进行现代化生产。随着系统仿真技术的迅速发展，将仿真技术应用于设施规划方案的设计、验证和分析等阶段能使企业有效避免改变现有设施布局的风险。本次研究内容主要有以下几方面：一、阐述研究背景、研究意义和研究内容；二、介绍建模与仿真理论；三、对研究对象进行分析；四、流水线平衡效率改进五、对研究的总结。关键词：生产线 建模 仿真 Flexsim 物流第1章 绪论1.1研究背景目前我国众多的企业还是沿用几十年前的生产模式，落后的设施布局严重影响了企业的经营状况。随着工业的快速发展，我国已经成为了世界的制造加工中心，众多的制造企业开始意识到合理的设施规划将给他们带来新一轮的利润，国际化竞争的冲击也迫使这些企业进行转型和流程再造，产品模块化、多产品小批量生产、柔性技术和成组技术等先进制造技术的广泛应用，使企业由传统的生产方式向现代化生产方式转变。我国工业企业传统的系统设施布置设计存在着两种不足，一方面是传统的系统设施布置设计主要采用定量分析和经验设计相结合的方法，各作业单位间生产物流呈现分散化和个体化，与现代生产制造技术不相适应。另一方面是传统的系统设施布置设计流程是：分析、规划设计、实施、评价、再改造完善。在物流系统设计完成后，很难时刻对系统作出评价，只有在项目实施以后，才能对系统作出评价，然后再改造完善。这种设计方法往往造成物流系统较高的建设成本和较长的设计周期。目前先进的系统设计方法是采用计算机建模与仿真技术，在物流系统还未建立的情况下，把系统规划转换成仿真模型，通过模拟系统运行后的性能和效果，评价规划方案的优劣。这样可以在系统建成或改造之前就能发现系统存在的问题，对不合理的设计进行修正，从而避免了资金、人力和时间的浪费。因此，本文就在此基础上采用Flexsim进行仿真，以实现物流系统效率和成本的最优化。1.2研究意义实际的制造系统是非常复杂的，目前有很多情形都无法仅用数学解析的方法来解决，而仿真技术则给解决这些问题提供了新的手段和方法。离散事件仿真方法是目前制造系统评估中使用较广的方法。系统仿真重在对系统过程中逻辑关系的描述，再生产计划与调度优化研究中应用仿真技术不仅能对系统比较、分析、评价并选择、分析生产系统随时间变化的动态特性，而且能够选择系统结构和优化系统的参数。本文通过对某汽车装配混合生产流水线系统进行分析，建立、验证、运行并优化该流水线的Flexsim仿真模型，既可以避免资金、人力和时间的浪费，也可以分析其各个工序之间的合理配置，找出生产线潜在的作业“瓶颈”，使得整个生产线趋于平衡，为生产实际提供决策依据。因此，开展基于Flexsim的某汽车混合装配流水线的物流系统仿真，具有很强的现实意义。1.3研究内容本文通过对某汽车混合装配流水线物流系统进行分析，并进行模型建立与仿真研究，分析对比之后得到优化方案。本位内容安排如下：第一章 阐述研究背景、研究意义和研究内容；第二章 介绍建模与仿真理论；第三章 对研究对象进行分析；第四章 流水线平衡效率改进第五章 对研究的总结。第2章 建模与仿真理论介绍为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。在实际系统上进行的试验成为实物试验，随着各种系统复杂性的增大，以及如有危险、太昂贵等原因使得实物试验风险太大，这时构造一个系统的模型，在模型上进行试验成为系统分析、研究的重要手段。通常模型分为三大类：物理模型、数学模型和模型的非形式描述。仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行试验研究的过程。由此可见，系统、模型、仿真三者关系密切，系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过对模型的试验已达到研究系统的目的。由于现代仿真技术都是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也称为计算机仿真。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真试验，联系这三个活动是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机。2.1物流仿真技术物流系统仿真是近几年兴起的一门计算机应用技术，主要是国外一些大公司针对企业物流系统或社会物流系统的规划设计而开发的仿真软件，集当今世界领先的计算机三维图像处理技术、仿真技术、人工智能技术、现代物流技术和高度数据库处理技术为一体，面向工厂和装配车间等的工程开发。对系统设施布置设计方案运用物流仿真软件，在计算机内建立三维动画虚拟工厂和装配车间模型，然后对模型进行各种系统分析和工程验证，获得优化设计或改造方案。物流仿真技术在系统设施布置中的应用，主要是应用物流仿真软件快速、低廉、出色构筑完成设施布置设计，利用该虚拟系统可完成各种各样的验证操作，便能建设出“短工期、低成本、高质量”的系统布置。物流仿真技术在系统设施布置中的运用主要有以下三方面：1.运用物流仿真软件快速、低廉、出色建立系统设施布置模型，在电脑上构筑虚拟设施布置，以此取代现实中的机器设备和人；2.运用物流仿真软件完成各种各样的可视化验证操作，以检验系统设计的可行性，使枯燥的文件图纸变成了“虚拟的世界”。3.对设计方案进行动态统计分析和评价，很容易找出系统瓶颈，并比较各方案的优缺点，便于选择最优方案。2.2Flexsim物流仿真软件Flexsim是新一代的仿真技术，是基于OpenGl开发的，三维效果非常好，它是迄今为止世界上唯一一个在图形建模环境中集成了C+IDE和编译器的仿真软件。它能应用于建模、仿真以及实现业务流程的可视化，它能使决策者很容易在个人计算机中构建及监控任何工业及企业的分布式流程。透过Flexsim能率先找出未来工业及企业流程的模式，进而成为该行业中的领导者。Flexsim基础构架的设计不只是要满足使用者现今的需求，其架构更是为了企业的未来而准备的。目前，市场上还没有其他任何仿真软件能像Flexsim有这样多的用户设定。对使用者来说，软件的每一个方面都是开放式的。对象、视图、图形用户界面、菜单、选择列表和对象参数都是非常直观的。可以再对象中根据自己的想法改变已存在的代码，删除不需要的代码甚至还可以创建全新的对象。所以，Flexsim仿真软件给我们带来了极其方便的操作。第三章 对研究对象进行分析 由材料整理可知每个工位的实际利用时间如表1-1所示：表1-1 工位实际利用时间表霸铃3100油制动霸铃3100气制动工位时间工位时间工位时间工位时间119310180119310180216511216511315512148315512148417513136418613136518014513514618015216612315178718016714016818717180817917180919718161919718159该汽车生产线共生产霸铃3100油制动和霸铃3100气制动两个产品，其中霸铃3100油制动共有18个工位，工作人员共37人，总时间为2633秒，此时18个工位中，工位15的加工时间最长216秒。由flexsim软件仿真模拟（如图1所示）运行可以看出，该零件每天（每天以工作8小时计算）的产出量为119件（如图2所示），线平衡效率为66.4%（如图3所示）。图1 霸铃3100油制动flexsim仿真模拟图图2 霸铃3100油制动改进前最终产出量图3 霸铃3100油制动改进前线平衡效率图霸铃3100气制动生产工位也是18，工作人员共37人，总生产时间为2951秒，18个工位中工位9的加工时间最长为197秒。由flexsim软件仿真模拟（如图4所示）的运行结果可以看出，该零件每天的产量为121件（如图5所示），线平衡效率为67.8%（如图6所示）。图4 霸铃3100气制动flexsim仿真模拟图图5 霸铃3100气制动改进前最终产出量图6 霸铃3100气制动改进前线平衡效率图第四章 流水线平衡效率改进在生产线中存在很多无效时间和步行时间，所以生产线平衡效率不高，为了提高该生产线的效率，我们采取时间上的优化，即在某些非增值时间较长的生产工序中，采用自动化设备或叉车缩短无效时间，并且将生产过程中需要的零部件或设备的距离缩短以减少人员的步行时间。通过缩短无效时间和步行时间，我们得到一组新的数据（此处我们只减少了加工时间最长的的工位时间），如表1-2所示：表1-2 改进后的工位时间表霸铃3100油制动霸铃3100气制动工位时间工位时间工位时间工位时间119310180119310180216511216511315512148315512148417513136418613136518014513514618015210612315178718016714016818717180817917180919718161918718159为了提高零件的生产效率，我们试图将霸铃3100油制动的工位15的加工时间缩短了6秒，其他条件不变。通过flexsim软件的运行结果可以看出，每天的产出量由119件增加到120件（如图5所示），线平衡效率由66.4%提高到67.2%（如图6所示），提高了0.8个百分点。图5 霸铃3100油制动改进后最终产出量图6 霸铃3100油制动改进后线平衡效率图同样为了提高零件的生产效率，我们试图将霸铃3100气制动的工位9的加工时间缩短了10秒，其他条件不变。通过flexsim软件的运行结果可以看出，每天的产出量并不会发生改变（如图7所示），线平衡效率由67.8%提高到68%（如图8所示），提高了0.2 个百分点。图7 霸铃3100气制动改进后产出量图8 霸铃3100气制动改进后线平衡效率由此可见，通过减少无效时间来提高生产效率的改进措施是可行的。通过以上模拟实验可知，仅仅算段零件制造过程中的瓶颈时间来提高线平衡效率的效果不是那么显著。因此，我们小组便观察flexsim仿真模拟生产流水线的具体情况来进行分析，发现在流水线上如果运行速度加快，那么某几个工位就会出现货物堆积的情况，而某些工位上又会空闲一段时间，这严重影响了整个流水线的生产效率。为此，我们观察霸铃3100油制动的生产流水线发现，工位A10、A13、A15三个工位的无效率时间可以适当缩短一点，这样能提高一定的生产效率。在模拟演练过程中我们分别将这三个工位的时间缩短了4秒、6秒、6秒，通过运行观察到结果如图9所示，每天的最终产出量为121件，在预案基础上增加了2件，比第一种改进方法多了一件的产量，而想平衡效率也提高到67.5%（如图10所示），在原基础上提高了1.1个百分点，比第一种改进方案提高了0.3个百分点。由此可见，缩短等待时间较长的几个工位加工时间也是可行的，而且可行性比只缩短瓶颈时间高。图9霸铃3100油制动改进2产出量图10霸铃3100油制动改进2线平衡率图但是运用这个改进方法对霸铃3100气制动进行改进效果病不显著，在产出量上没有任何增加，只是生产效率会提高一点点，所以我们就没有采取这个发放对霸铃3100气制动的生产进行改进。除此以外，我们也试图通过增加操作人员或是减少工位数的方法进行改进，但是flexsim软件模拟运行结果都不能令人满意，达不到我们想要的效果，所以目前就这有调整时间这个方法来提高汽车底盘零件生产的线平衡率。第五章 总结采用计算机仿真的方法可以实现对生产流水线的系统化分析和建模，并可通过方针试验在短时间内预见方案实施后的效果，从而避免在生产流水线变革中单纯依靠“头脑风暴”和定性分析所带来的风险。然而由于生产流水线各组成元素之间具