汽车冲压车间设备布局优化研究

汽车冲压车间设备布局优化研究

0仿真优化汽车冲压件设备布局车辆压力车间的设备配置包括将压力机设备、材料搬运设备、工作单元和安全通道走廊以及合理配置在有限的空间里的过程。不仅要满足压力机设备的一些特殊要求和设备之间的关系要求，还要充分考虑压力机设备配置的生产安全、操作舒适度和美学。汽车冲压车间设备布局决定着车间的生产能力和生产效率,关系到车间的物流方向和速度、厂房利用率、人力和物力的合理配置,以及设备的综合效率等,直接影响到车间的总体效益。有关文献指出因设备布局不合理所产生的运行费用占制造系统整体运行费的20%～50%,而优良的设备布局可使这一费用减少10%～30%。汽车冲压工艺是汽车制造的四大工艺之一,汽车冲压件主要是将金属板料,借助压力机的压力,通过冲压模具冲压加工成形。汽车冲压加工的特点是:产品大而薄、品种多样化、生产重复性和轮番性、批量生产、生产速度快、效率高及操作简单。由于压力机设备大,安装调试工程量大,投资成本非常高,因此,汽车冲压件车间设备布局后,就会相对稳定不变。随着科学技术的发展和社会的需求,汽车制造业向多品种大批量的生产方式发展,汽车产品更新换代加速,当汽车冲压车间产品和产量变化到一定的程度,汽车冲压车间就必须对压力机设备布局进行阶段性地调整优化,以解决车间冲压设备生产能力和效率,满足汽车冲压车间生产的需求,实现车间效益的最大化,适应市场经济发展的需求。Flexsim模拟仿真软件是新一代的3D模拟仿真软件,可用来构建工业或企业各种经营、管理和制造等的三维实体系统模型,可在不同作业平台上执行全窗口化3D专业仿真。对于离散事件,如制造业、物料处理等,可创建三维虚拟现实环境,观察运行仿真过程中的每个动作,并在形象化的动态三维虚拟现实环境中,检测新的设备布局、工艺流程、物流或系统等方案,解决对于创建时可能出现崩溃、发生中断或是产生瓶颈的复杂系统问题。同时,通过预先创建三维实体系统模型,可以考察各种假设场景,不会产生改变实际系统时所面临的中断,并可通过Flexsim软件报表进行数据挖掘与分析,为选择或决策提供科学依据,从而降低成本和风险。1优化车辆压裂车间设备配置的研究方法1.1冲压件车间设备布局某汽车冲压车间主要生产两种车型的冲压件,生产能力为5万台/年。有压力机设备19台,汽车冲压车间设备布局是将油压机类和机械压力机类分别集中排列。车间主跨(自西向东):12MN油压机、8MN油压机、6MN油压机、10MN油压机、8MN油压机、6MN油压机、5MN油压机、13MN机械压力机、8MN机械压力机、5MN机械压力机、5MN机械压力机、5MN机械压力机、13MN机械压力机、8MN机械压力机、8MN机械压力机。车间副跨(自西向东):6MN机械压力机、6MN机械压力机、6MN机械压力机、6MN机械压力机。汽车冲压车间设备布局属于典型的功能式。由于汽车冲压车间生产发展的需要,要在原来两个车型的冲压件基础上,再增加一种车型的冲压件生产。三种车型大约有700多套大型冲压模具,总生产纲领为年产10～12万台(按3班计算)。显然,汽车冲压件车间设备产能和效率不足,成为车间发展的瓶颈。为解决这个问题,需要对车间设备布局进行重新调整和优化。1.2汽车冲洗车间设备布局优化方法汽车冲压车间设备布局是一个多方面因素的复杂问题,其主要因素为车间面积和结构、产品类型、生产纲领、生产工艺、冲压设备类型和数量、生产方式,以及物流路径等。它们之间存在相互关联的关系,产品类型决定生产工艺和设备的类型,生产纲领决定车间使用面积、生产方式、冲压设备的数量及物流路径等。本文主要对汽车冲压车间的产品冲压工艺、压力机设备的排列组合、物流路径这三个主要因素,通过静态的定性分析和动态的定量分析,进行汽车冲压车间设备布局优化方案的制定。其汽车冲压车间设备布局优化研究方法如图1所示。首先以汽车冲压件产品的冲压工艺为基础,构建成组生产单元设备布局基本框架,以汽车冲压车间物流费用最低和设备占用面积最小为组合优化目标,建立数学模型,应用遗传算法进行求解,得到设备布局成本最小的初始方案;以此为基础,运用Flexsim软件对车间设备布局方案进行各种假设的三维模拟验证;最后通过Flexsim软件系统对车间设备布局数据进行分析和评价,从而获得在车间物流费用、设备占用面积、布局的安全性和布局的整齐美观性等方面综合最优的车间设备布局方案的研究方法。2成组生产单元汽车冲压生产的工艺是落料→拉延→切边(冲孔、整形、修边)→翻边(压弯、压形)。运用现代精益管理理论,以最小的投入,获得最大的收益,将压力机设备按照汽车产品的冲压工艺由3～5台单体压力机串联排列成线,组成一个汽车冲压成组生产单元(生产流水线)。生产单元中第1台压力机应结合汽车冲压产品形状和生产工艺要求,选择油压机或机械压力机来配置,其他几台基本配置均为机械压力机。经过计算车间成组生产单元设备的生产节拍,核算车间生产能力和效率,笔者发现还需要在原19台压力机设备的基础上,再增加9台压力机设备。再结合汽车冲压车间的产品种类和产量,按一个完整制造系统,将汽车冲压车间的28台压力机设备,组合成7个成组生产单元,其设备布局基本框架表和框架图如表1和图2所示。以达到汽车冲压车间预期的生产能力和效率。3设备布局归一化因子汽车冲压车间设备布局基本框架确定后,就要针对压力机之间的最小距离、生产单元之间的最小距离、物流路径和单位距离费用等问题,建立数学模型,实现汽车冲压车间设备布局的成本最小化。首先建立数学模型,然后应用遗传算法进行求解。在建立数学模型时,以车间物流费用最低和设备占用面积最小为组合优化目标,其目标函数minZ为:minΖ=w1μ1n-1∑i=1n∑j=i+1cijfij(|xi-xj|+|yi-yj|)+Z=w1μ1∑i=1n−1∑j=i+1ncijfij(|xi−xj|+|yi−yj|)+w2μ2minSt式中:w1、w2为加权因子;μ1、μ2为归一化因子;n为设备数;cij为设备i和设备j之间单位距离物流费用;fij为设备i到设备j的行程次数;xi、yi、xj、yj为设备坐标;St为布局方案确定的布局结果的包络矩形总面积,St=(xca-xdb)(ydb-yca),(xdb,ydb)为包络矩形左上角的坐标,(xca,yca)为包络矩形右下角的坐标。归一化因子的确定如下,可以保证两部分优化结果的最小值都接近1。μ1=1n∑i=0n∑j=0(cijfijn∑k=1wk)μ2=1/n∑i=1Siμ1=1∑i=0n∑j=0n(cijfij∑k=1nwk)μ2=1/∑i=1nSi式中:wk为设备宽度;Si为设备i的占地面积。为了得到有效的设备布局,需要添加一定的约束条件。对此,引入决策变量vik为:vik={10设备i布置在第k行设备i布置在其他行式中:i=1,2,…,n;k=1,2,…,m;n为设备数;m为行数。由此,布局约束可表示如下。1n个设备只能安装在一个区域，其中一个仅配置所有n个设备m∑k=1vik=1n∑i=1vik≤n2lj2+dij式|xi-xj|vikvjk≥li+lj2+dij式中:li为第i台设备长度;lj为第j台设备长度;dij为第i台设备与第j台设备之间的距离。33长度为h的设备的长度应限于长度h的仅限于n∑i=1(|xi-xj|+li+lj2)vikvjk≤Η式中:H为限定长度。4汽车冲洗车间设备布局的最佳方案运用Flexsim仿真软件:1)对汽车冲压车间设备布局方案进行三维模型效果的仿真验证,以考察汽车冲压车间各种假设的压力机成组生产单元排列组合的设备布局场景,检测和比较汽车冲压车间各种形式的设备布局方案效果;进行设备动态布局,以选取适合汽车冲压车间成组生产单元设备布局的最佳方案,降低汽车冲压车间设备布局调整的运行成本和风险,如表2所示。2)依据汽车冲压车间设备布局选定的方案,建立汽车冲压车间生产物流路线,运用Flexsim软件,实现汽车冲压车间生产物流的运行仿真实验,观察运行仿真过程中的每个动作,对汽车冲压车间布局可能出现的物流问题做出早期判断,提出相应的防范措施,节省投资成本和运行周期。3)通过Flexsim软件获得汽车冲压车间设备布局方案的运行仿真模型的数据和报表,并进行数据挖掘与分析,对汽车冲压车间设备布局系统方案的合理性、物流畅通性、生产操作安全性和整齐美观性进行最优化调整,以获得较佳的汽车冲压车间设备布局方案。4)运用Flexsim软件根据汽车冲压车间设备布局调整优化后的设备综合利用率情况,系统地对汽车冲压车间设备布局的方案给予评价,以科学的数据,验证汽车冲压车间设备布局的优化方案,如图3所示。5汽车增压车间现有设备布局优化方案本文以汽车冲压工艺为导向,构建成组生产单元设备布局框架;应用遗传算法求解,实现设备布局成本最小化;运用Flexsim软件,验证设备布局优化方案的研究方法,以获得汽车冲压车间设备布局调整优化的方案。经实施此优化方案后,在2009年某汽车冲压车间实现了10.5万台/年的生产任务,达到了汽车冲压车