基于仿真对某汽车零部件企业生产线的分析与优化

PAGEVI基于仿真的某汽车零部件企业生产线分析与优化【摘要】在现如今快速发展的工业环境中，企业大多会通过优化生产线来适应不断变化的市场需求，这直接影响到企业的竞争力。本文以某汽车零部件制造企业生产线为研究对象，以Flexsim仿真技术为主线对生产线进行分析，辅以工业工程方法以及精益生产管理知识。针对产能过剩、平衡率低等问题，分析生产线现状和问题，结合多种理论对工艺流程、标准工时进行深入分析，对工位包含的工序进行重新分配，根据生产线实际情况和改进方案，利用Flexsim建立生产线仿真模型，对生产线的进行分析与优化。最终从工艺流程、动作、人机协作等方面优化，实现减少生产过程浪费的同时，实现生产线平衡率与工位利用率的提高，产能可满足需求产能的同时生产率下降13.%，工位数由11个减少至6个，生产线平衡率从61.43%提升到83.33%，生产线平滑系数从13.6下降到9.6。【关键词】Flexsim，生产线优化，精益生产，工业工程方法，生产线平衡Analysisandoptimizationofproductionlineofacertainautopartsenterprisebasedonsimulation【Abstract】Intoday'srapidlyevolvingindustrialenvironment,companiesoftenoptimizetheirproductionlinestoadapttotheever-changingmarketdemands,whichdirectlyimpactstheircompetitiveness.Thispaperfocusesonaproductionlineofanautomotivepartsmanufacturingcompany,usingFlexsimsimulationtechnologyasthemainanalyticalapproach,supplementedbyindustrialengineeringmethodsandleanproductionmanagementknowledge.Toaddressissuessuchasovercapacityandlowproductionlinebalancerates,thisstudyemploysindustrialengineeringmethodstothoroughlyanalyzethecurrentstateandexistingproblemsofthecompany'sproductionline.Itcombinesvarioustheoriestodeeplyexaminetheprocessflowandstandardworkinghours,redesignsworkunits,andestablishesaproductionlinesimulationmodelusingFlexsimsimulationtechnologytoanalyzeandoptimizetheproductionline.Ultimately,throughprocessoptimization,itaimstoreduceovercapacity,materialhandling,andwaitingtimeswhileimprovingtheproductionlinebalancerateandworkstationutilization.Theproductioncapacitycanmeetdemandwhilereducingproductivityby13.%,decreasingthenumberofworkstationsfrom11to6,increasingtheproductionlinebalanceratefrom61.43%to83.33%,andloweringtheproductionlinesmoothnesscoefficientfrom13.6to9.6.【KeyWords】Flexsim，ProductionLineOptimization，LeanProduction，IndustrialEngineeringMethods，LineBalancing目录281901绪论 7181451.1研究背景及意义 7136491.1.1研究背景 7285521.1.2研究意义 785101.2国内外研究现状 7225901.2.1国内研究现状 8182451.2.2国外研究现状 953261.3主要研究内容 962171.4论文研究方案 10219581.4.1研究方法 10248151.4.2技术路线 10251592相关理论及方法 12278352.1精益生产理论 12320252.2工业工程方法 12274592.2.1程序分析 12306282.2.25W1H分析方法 12286272.2.3ECRS原则 1324362.3仿真分析技术 13264083企业生产线现状与问题分析 14311743.1企业概况 14318043.1.1公司简介 14202503.1.2左前横向稳定杆拉杆及球头总成产品简介 14277003.2生产线概况与工艺流程 1498463.2.1生产线概况 1427963.2.2工位流程 1530783.3生产线现状分析 1612073.3.1生产线现状数据收集 16205673.3.2生产流程分析 1739173.3.3生产线产能分析 20256313.3.4生产线工位时间分析 2028123.4问题及原因分析 22222964生产线优化改善方案的设计 23242184.1生产线优化目标 23150374.2基于工序同期化对生产线优化 23275954.2.1生产流程优化 23286544.2.2动作分析优化 2598684.2.3人-机作业分析优化 26242674.3优化后生产线平衡性分析 28292344.3.1生产线优化设计 28210585企业生产线建模仿真与分析 31141355.1基于Flexsim的生产线仿真 31156465.1.1仿真参数设置 311345.1.2构建产线仿真模型 3373355.2生产线仿真结果分析 3492625.2.1工位利用率 3433335.2.2产能状况分析 3523204结论 371550参考文献 38238致谢 40图目录TOC\h\z\t"题注"\c11726图1.1技术路线图 1117568图3.1产品实物图 1423118图3.2生产线布局图 1510242图3.3工位流程图 1531513图3.4产能分析直方图 2021486图3.5作业单位时间分析直方图 2132527图3.6生产节拍分析直方图 226393图4.1产能优化前后对比 291224图4.2平衡率优化前后对比 3012905图4.3平衡损失率优化前后对比 3015694图4.4平滑系数优化前后对比 3027764图5.1运行时间参数设置 313571图5.2发生器参数设置 32339图5.3处理器参数设置 3212686图5.4暂存区参数设置 333062图5.5吸收器参数设置 3323779图5.6优化前生产线模型 349571图5.7优化后生产线模型 3418175图5.8优化前工位利用率 3510757图5.9优化后工位利用率 3515828图5.10优化前产能 3620085图5.11优化后产能 36浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）表目录表目录TOC\h\z\t"表样式"\c21160表2.1七大浪费类型 128839表2.2流程程序图符号表 1215797表2.3“5W1H”提问分析表 1324315表2.4“ECRS”原则 1310538表3.1工位单次作业时间 1627972表3.2工位划分表 1729429续表3.2工位划分表 1832278表3.3生产线作业流程程序图 184488表3.4工序数据统计表 1923650表3.5生产线平衡率标准表 2216691表4.1搬运工序提问分析表 23980表4.2等待工序提问分析表 2425892表4.3改善前工位1动作分析表 254171表4.4改善后动作分析表 25384表4.511号工位人-机作业分析（改善前） 2630227表4.611号工位人-机作业分析（改善后） 277991表4.7生产线优化后工序表 2812516表5.1模型实体表 311绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景在制造业竞争加剧的大环境下，中小型制造企业面临前所未有的市场竞争压力。为了应对，企业急需利用现代化的管理工具和技术手段，提升生产线的效率，使其能够适应不断变化的市场需求。全球汽车行业正面临向智能制造和工业4.0转型的迫切需求，汽车零部件企业面临着成本优化、质量控制和生产效率等多重压力，并且消费者对汽车需求的全面提升，而“双碳”目标的提出推动着企业向绿色低碳制造转型，需要企业通过优化生产线流程来降低能源消耗和资源浪费。仿真技术是一种有效的分析工具，通过对生产过程进行建模和仿真，可以在不实际改动生产线的情况下，验证不同方案的可行性，识别瓶颈环节，优化资源配置。这种方法不仅降低了试错成本，还提高了决策的科学性和准确性REF_Ref22631\r\h[1]。在此背景下，提出基于仿真对某汽车零部件企业的前横向稳定拉杆生产线的分析与优化的研究。1.1.2研究意义企业生产线的优化是产能增效、降低成本、提高产品质量的核心抓手。在制造业转型升级的背景下，企业对生产线的优化需求日益增加。研究者们利用多样化方法对生产线进行深入分析，生产流程和布局需要持续优化，来适应市场的需求变化和技术的进步。仿真分析可以发现生产线流程、配置等方面的不合理处，帮助更可观的体现生产过程中的瓶颈和问题具有重要意义。1.2国内外研究现状在生产线优化的研究领域，许多的国内外学者和企业都曾进行大量的探索和实践。在国际研究领域，就已较早开始探索，许多经典的生产线优化理论和模型已经被业内采纳并持续演进。国外在企业生产线优化研究中，广泛采用实时数据驱动的仿真、遗传算法、多标准决策等先进技术，重点生产效率提升、资源配置优化以及智能制造的融合，推动了制造业的智能化和灵活化发展。1.2.1国内研究现状生产线优化仿真研究离散事件仿真是生产线仿真最常用的方法，适用于具有离散工序的生产系统。学者通过建立仿真模型，模拟生产过程中的各类事件，分析系统瓶颈，优化设备布局与工序节拍。例如，刘文REF_Ref22700\r\h[2]等学者通过使用Flexsim软件对定制门窗生产线进行建模仿真，低成本反映生产线效能、识别瓶颈工序，为生产线优化提供数据支持。李慧REF_Ref22729\r\h[3]等学者通过使用PlantSimulation软件，对某航空发动机叶片机械加工生产线建立生产线仿真模型并进行多方面仿真分析与优化，结果表明仿真优化设计可以均衡设备利用率，节约投资成本和缩短设计周期。朱星宇REF_Ref22772\r\h[4]等学者通过使用PlantSimulation软件对扬声器组装生产线进行建模与仿真，结果表明仿真优化可以有效提高人工利用率、设备利用率和平衡率，产线生产效率显著提高。精益生产在生产线优化中的应用REF_Ref116\r\h宾新凤REF_Ref22798\r\h[5]等通过精益生产理念研究对G公司的起重机配件生产流程再造优化研究，以达到消除浪费的目标。熊宗慧REF_Ref22853\r\h[6]等学者利用价值流图等精益工具与仿真技术相结合，识别生产线中问题，制定生产线优化方案，最终实现提高生产平衡率、缩短生产时间、提高生产效率的预期。生产线平衡改善研究曹天峰REF_Ref22886\r\h[7]基于精益思想对电源装配线进行平衡优化，实现降低平衡率、少人化、减少工位限制与提高工作质量。马胜REF_Ref22935\r\h[8]等学者对喷注器测量装配系统的瓶颈工位进行优化，从而提高装配生产线的平衡率，以及使得工位产能均衡。陈佳鑫REF_Ref22964\r\h[9]等学者针对服装生产线工序分配不合理、瓶颈工序时间长等问题，对工序进行重新编排优化与仿真模拟，来提高生产线的平衡率，最终实现生产效率提高。工业工程方法在生产线优化的应用万鹏REF_Ref23010\r\h[10]针对DB空调外机生产过程中AB段装配线产能不足、负荷不均衡的问题，使用流程分析和ECRS等工业工程方法对其进行优化改善，该方法很好地实现了合理分工，平衡装配线各工序的操作负荷、提高生产能力的目标。赵婷婷REF_Ref23043\r\h[11]运用传统工业工程的理论和方法，对人员操作、空间布局、工装设备等进行优化，并引入生产线平衡率和平滑性指数，对改善效果进行评价。高建伟REF_Ref23085\r\h[12]等学者运用工业工程的基本方法，通过平衡流水线各工序的作业负荷，消除浪费，提高线平衡率，实现生产线作业效率的提升。胡智文REF_Ref23121\r\h[13]基于工业工程方法，通过优化汽车门线生产过程中的工艺流程、人力资源配置和设备布局等，实现生产平衡优化，提高生产效率和产品质量。1.2.2国外研究现状（1）生产线优化仿真研究在生产线仿真研究中，欧美学则较早引入离散事件仿真技术，如通过Arena、SIMUL8等仿真软件，模拟复杂的生产工艺流程。JungWooKyunREF_Ref23160\r\h[14]等提出了实时数据驱动的离散事件仿真方法，应用于服装生产线的优化，这种方法利用实时数据提高了生产调度的灵活性，为复杂生产环境的管理提供了新思路。ZupanREF_Ref23193\r\h[15]利用离散事件仿真方法优化生产线，构建仿真模型并改进模拟模型后进一步过程优化，极大地提高了工艺的生产率。（2）精益生产在生产线优化中的应用RohaniREF_Ref23235\r\h[16]通过价值流图来改进色彩行业的生产线，用于识别和消除生产过程中的浪费。EndrigoREF_Ref23284\r\h[17]将工业机器人与精益制造方法集成以提高装配线效率。生产线平衡改善研究ChristofferFinkREF_Ref23314\r\h[18]等讨论了仿真中解决装配线平衡问题与实践中存在巨大差异的问题。AnjumanAraREF_Ref23350\r\h[19]等采用新的流程顺序和优化设计的布局，打造高效的平衡生产线，以减少闲置时间与人力需求。（4）工业工程方法在生产线优化的应用SuhardiREF_Ref23389\r\h[20]等讨论了印度尼西亚夹具行业使用精益制造和ECRS原则最大限度减少浪费。TBHM.ArifinREF_Ref23484\r\h[21]等利用工业工程方法和山积图针对装配线进行问题解析，对两种布局规划下的生产节拍加以对比，确定出最优布局方案。1.3主要研究内容本文主要结构如下：第一章绪论。主要简概这篇论文的研究背景和意义，并站在前人研究的基础上，综述了国内外生产线优化的研究现状，同时叙述主要研究内容与自己对此研究主题的研究路线和方法第二章相关理论及方法。列举出这篇文章需要用到的精益生产、工业工程方法等相关理论知识、以及各类分析工具和方法。第三章企业生产线现状与问题分析。通过实地调研收集企业生产线产能、布局、工艺流程等相关数据，然后对此分析，由此探寻生产线主要存在的问题，并结合生产管理知识与精益生产工具溯源分析有这些问题的根本原因。第四章生产线优化改善方案的设计。针对上一章总结出生产线的问题和原因，通过“5W1H”提问法、“ECRS”四原则、工业工程方法、人机分析法、模特法等分析对生产线制定合理有效的改进方案。第五章企业生产线建模仿真与分析。利用Flexsim仿真技术对生产线优化前后建模与仿真验证，并对仿真输出数据分析对比，分析优化方案实施效果。（5）第六章结论与展望。1.4论文研究方案1.4.1研究方法文献研究法：通过对相关领域的文献进行深入梳理和分析，了解国内外在生产线优化和仿真技术方面的研究现状与发展趋势，为研究提供了理论基础。实地调研法：针对研究对象所在企业的生产线进行实地调研。通过与企业工作人员的调研，收集生产流程、工位工序、生产平衡率、作业单位时间、设备运行状态等第一手资料，确保所建模型的真实性和有效性。仿真分析法：利用Flexsim等专业仿真软件，根据收集的生产数据构建生产线仿真模型。模型构建后，通过多次仿真运行，分析生产线在不同条件下的表现，识别瓶颈环节和效率低下的原因。对设计的优化方案进行仿真验证，通过对比优化前后的仿真结果，评估实际效果，并根据验证结果进一步调整优化策略，确保方案的可行性和有效性。工业工程方法：利用5W1H方法分析生产线存在的问题与改善建议，运用ECRS对生产流程进行改善，为生产线的设计与优化奠定基础。1.4.2技术路线首先确定研究对象，对选取的企业生产线进行现状分析，本文研究技术路线图如图1.1所示。图1.1技术路线图

2相关理论及方法2.1精益生产理论精益生产是从日本丰田公司生产方式中衍生的一种新型工业生产管理理念，通过不间断生产作业流程以及杜绝浪费等方式进行整个生产过程的管理与控制，主要经营理念是借助生产系统结构、生产人员组织、运行方式调整以及市场供求等方面变革的形式，让生产系统能够不断适应市场发展和用户的实际需求REF_Ref23555\r\h[22]。在精益生产中，消除浪费是提高效率和竞争率的关键，企业在生产过程中要最大限度地减少甚至消除“浪费”REF_Ref23614\r\h[23]。浪费主要有七大类型如表2.1所示。表2.1七大浪费类型序号浪费类型主要内容1生产过剩最大浪费：产生库存由于制造过早或过多2库存原材料、产成品库存，在制品3搬运耗时、耗力搬运，占用搬运工具与设备或因碰坏造成不良品浪费4加工多余的流程或加工、精度过高的作业5动作不创造价值的动作、不合理操作、效率不高的姿势和动作6等待人员与设备的等待7不良品由于不良品造成的人员、设备、原料的损失2.2工业工程方法2.2.1程序分析程序分析是对生产过程的宏观分析，对现行工作流程调查分析，改进生产流程中不经济、不均衡、不合理的现象，提高工作效率的一种研究方法，对产品加工工艺流程中操作、搬运、检验、暂存和储存等状态进行分类与记录REF_Ref23663\r\h[24]。流程程序图的各状态符号如表2.2所示。表2.2流程程序图符号表搬运搬运检验暂存储存○→□D▽2.2.25W1H分析方法5W1H分析法又称六何分析法，是一种分析、思考和决策的方法。该提问技术是从What、Why、When、Where、Who、How等六个方面进行提问，分别对应目的、原因、时间、地点、人员、方法，通过提问发掘出问题症结所在REF_Ref23706\r\h[25]。“5W1H”提问方法如表2.2所示。表2.3“5W1H”提问分析表考察点第一次提问第二次提问第三次提问目的做什么（What）是否必要有无其他更合适的对象原因为何做（Why）为什么要这样做是否不需要做时间何时做（When）为何要这样做有无其他更合适的时间地点何处做（Where）为何需要此处做有无其他更适合的地点人员何人做（Who）为何需要此人做有无其他更适合的人方法如何做（How）为何需要这样子有无其他更合适的方法与工具浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）PAGE182.2.3ECRS原则ECRS是工业工程理论中常用的程序分析方法，从多方面考量方案。通常是“5W1H”提问技术结束后，遵循ECRS原则对产线工序多方面改进。具体内容如表2.3所示。表2.4“ECRS”原则符号原则实例E取消（Eliminate）取消不必要工序、动作或作业C合并（Combine）合并工序或动作或少人作业R重排（Rearrange）重排不能取消或合并的工序S简化（Simplify）简化加工设备或方法2.3仿真分析技术仿真分析技术包含了离散事件仿真、数字孪生等，被广泛应用在智能制造领域，是缩短研究周期、提升生产效率的关键手段，。可通过离散时间仿真分析生产线平衡状况、识别瓶颈工序；可利用数字孪生技术实现实时数据驱动并动态优化；或运用多目标算法寻找效率、成本、能耗之间的平衡。该研究中运用到的Flexsim软件就是属于离散事件仿真软件，可以建立直观的3D模型，可自定义设备、物料、路径和流程，可以动态仿真模拟生产线运行状态，精确分析瓶颈工序、利用率等。3企业生产线现状与问题分析3.1企业概况3.1.1公司简介本文研究的企业是一家专注于汽车底盘系统关键零部件研发、生产与销售的高新技术企业。公司一转向与悬架系统核心组件为主营产品，依托智能化生产线和质量管理体系，实现高精度、轻量化零部件的规模化制造。3.1.2左前横向稳定杆拉杆及球头总成产品简介左前横向稳定杆拉杆及球头总成是汽车底盘系统的关键部位，主要用于连接车身和车轮，传递转向力并缓冲路面震动，保障车辆行驶的稳定性和操纵性。此类产品需要满足高精度、耐磨损和抗冲击等性能要求，尤其在新能源汽车领域需求显著。左前横向稳定拉杆及球头总成实物图如图3.1所示。图3.1产品实物图3.2生产线概况与工艺流程3.2.1生产线概况全线划分为两个功能区域：第一区域为圆盘式自动加工单元（1-10号工位），其中1号工位为人工工位承担工件定位摆放、预置后续工序零件及监控全工序加工状态并控制圆盘转为三重职能，2-10号工位由机械臂完成标准化作业；第二区域（11号工位）由一名工人安装大卡圈和压装垫圈并终检。生产线现场布局如图3.1所示。图3.2生产线布局图3.2.2工位流程本文研究的转向拉杆悬架摆臂球头总成生产线为半自动生产线，采用模块化布局，生产线核心流程为预装→旋铆→力矩检测→打标→注脂→安装防尘套→安装大卡圈→气密性检测→安装小卡圈→压垫圈。工艺流程图见图3.2所示。图3.3工位流程图3.3生产线现状分析3.3.1生产线现状数据收集一条生产线实际产能59900件/月，计划产能52000件/月，共有11个工作单位，需要2名工人，每周休息一天，每月工作天数约为26天，每天两组班次，每班次工作时长12小时，休息时间1小时，因此一班次每日有效时长为11小时。根据所述信息可得每月总有效生产时间，单位为秒，计算公式见公式（3.1）。（3.1）总工作时间=26*2*11*3600=2059200秒由图3.2工艺流程图可看出，由于单个零部件需要加工两端，因此单个零部件加工需要经过每个工序两次，各工位单次作业时间如表3.1所示。表3.1工位单次作业时间工位作业名称作业时间等待时间搬运时间1摆放8322预装111023预装26524旋铆7425力矩检测、打标8326翻转8327注脂7428安装防尘罩8329安装大卡圈65210气密性检测65211安装小卡圈、压垫圈3003已知1-10号工位为圆盘式生产，需等所有工序完成后统一转动进行下一工序，经测量，约11秒一转动，而由工艺流程可知一个稳定球杆需要完成两次以上工序，11号工位由一名工人同时操作两个工序，理论产能计算公式见公式（3.2），节拍时间（T/T）计算公式见公式（3.3）。（3.2）（3.3）每个产品生产周期（秒）=（13*10）*2*34=294秒1-11号工位最长工序为34秒。整线理论产能=60558件/月实际生产节拍=34.4秒理论生产节拍=34秒计划生产节拍=39.6秒3.3.2生产流程分析出于系统性的考虑，将不可分割且必须由作业人员在同一工位完成的作业组合在一起，视为一个工序，并且该生产线为半自动生产线，大部分工序加工时间均为标准工时，因此可直接秒表计时得知每个工序的加工时间，具体划分内容见表3.2所示。表3.2工位划分表工位号工位名称作业序号工序名称标准时间/s1摆放1球杆摆放/换向22预放球销13预放防尘罩14预放大卡圈25清洁检查16启动开关17搬运至下一工位22预装18连接球销球座79预装球销球座410搬运至下一工位23预转211压1312压2313搬运至下一工位24旋铆14旋铆715搬运至下一工位25力矩检测、打标16力矩检测517打标318搬运至下一工位26翻转19翻转820搬运至下一工位27注脂21注脂322预装防尘罩423搬运至下一工位28安装防尘罩24安装防尘罩825搬运至下一工位29安装大卡圈26预装大卡圈327安装大卡圈328搬运至下一工位210气密性检测29气密性检测630搬运至下一工位211安装小卡圈、压垫圈31预装小卡圈2续表3.2工位划分表32安装小卡圈533搬运至下一工位234预装垫圈235压垫圈636放入成品箱1从上述工位划分表可以看出，每个工位包含的工序数量不同，比如工位8与工位11相比较，工位8需要两个工序完成1个零件的安装，而工位11需要5个工序完成2个零件的安装，工位之间工序数量相差较大，易造成生产流程负荷不均。对生产线进行程序分析，能够准确掌握生产工艺过程的状态，了解工序平衡状态，对生产线流程数据的生产流程表如表所示。表3.3生产线作业流程程序图工作名称左前横向稳定拉杆及球头总成统计内容次数时间距离/m加工○421560搬运→22457.6方法现行方法检查□6240等待D18700储存▽100作业序号工序内容距离/m时间/s加工搬运检查等待储存1球杆摆放2●2预放球销1●3预放防尘罩1●4预放大卡圈2●5清洁检查1■6启动开关1●7等待3D8搬运下一工位0.32→9连接球销球座7●10预装球销球座411搬运下一工位0.32→12压13●13压23●14等待5D15搬运下一工位0.32→16旋铆7●17等待4D18搬运下一工位0.32→19力矩检测5■20打标3●21等待3D22搬运下一工位0.32→23翻转8●24等待3D25搬运下一工位0.32→26注脂3●27预装防尘罩4●28等待4D29搬运下一工位0.32→30安装防尘罩8●31等待3D32搬运下一工位0.32→33预装大卡圈3●34安装大卡圈3●35等待5D36搬运下一工位0.32→37气密性检测6■38等待5D39搬运下一工位0.32→40球杆换向2●……（重复2-39号工序）79预装小卡圈12●80安装小卡圈15●81预装小卡圈22●82安装小卡圈25●83搬运下一工位0.53→84预装垫圈12●85压垫圈16●86预装垫圈22●87压垫圈26●88放入成品箱0.32→89暂存0▼通过上表的生产流程分析表可知，生产线共有89道工序，其中加工42道，搬运22道，检查6道，等待18道，储存1道，生产周期为295秒。将五大工序系列数据从数量与时间占比统计为下表3.4。表3.4工序数据统计表工序系列数量数量占比时长/s时间占比加工4247.19%15652.88%搬运2224.72%4515.25%检查66.74%248.14%等待1820.22%7023.73%储存11.12%00.00%由表看出，加工工序最多但在生产过程中是正常的；搬运生产流程中不仅数量占比高，时间占比也较多，说明工序之间运转不合理，可能存在搬运浪费；检查工序数量少且时间短，在生产流程中合理；等待数量虽低于搬运数量，但时间占比超过搬运所占时间，时间占比达到23.73%，说明生产线各工位加工时间可能未分配合理，整体节拍不平衡。3.3.3生产线产能分析据调查，该企业一条左前横向稳定杆拉杆及球头总成生产线每月实际生产约5.99万件产品，而理论产能约6.24万件，由此可得，产能利用率=实际产量/理论产能=5.99/6.06≈0.99计划产量为1000件/班，52000件/月，则计划产量＜实际产量＜理论产量，理论产量与实际产量均大于计划产量。图3.4产能分析直方图3.3.4生产线工位时间分析根据表3.1的各个作业单位时间表，一个零部件进行加工，经过工作地1两次，在工作地1的加工时间为（8+2）*2=20秒，在工作地2的加工时间为（11+2）*2=26秒，以此类推，可得出每个零部件在各个作业单位加工时间。由此作出单个零部件在各作业单位加工时间的直方图，如图2.3所示。通过直方图分析显然可知，工作地11加工时间远高于其他工作地的加工时间。图3.5作业单位时间分析直方图在生产线中，若某工位的加工时间相较于其他工位，明显超出平均时长，则该工位可能就是瓶颈工位。从图3.4可以看出工位11用时最为冗长，是34秒。而工位3和工位9所用时间最短，仅有16秒。与工位11用时相比较，相差约2.1倍，差异化明显。此外，与计划节拍相比，各工位均远低于计划节拍。采用生产线平衡率P、生产线平衡损失率BD和平滑指数SI三个指标进行评价。生产线平衡率是衡量生产线上各工序作业时间均匀程度的指标，旨在同优化作业分布减少闲置资源并提升整体效率，产线平衡率越高表示平衡状况越优；生产线平衡损失率越低生产效果越好；平滑指数越大表示工位用时差异越明显，作业单位负荷越不均衡不合理。生产线各指标计算根据式（3.1）-（3.3）过程如下所示：（3.1）（3.2）（3.3），，SI=13.6。生产线平衡状况与工位用时密切相关，工位加工时间过短，易产生堆积现象，造成库存浪费，并且，不同工位用时差异较大生产线作业强度差异显著。表3.5生产线平衡率标准表生产线平衡率生产线平衡损失率效果P≥90%BD＜10%优秀80%≤P＜90%20%≥BD＞10%良好70%≤P＜60%30%≥BD＞20%一般60%≤P＜50%40%≥BD＞30%较差50%≤P＜40%BD≥40%很差3.4问题及原因分析经过对稳定球杆总成现状的全面分析，将稳定球杆总成生产线的问题归纳为两类问题，即生产线产能过剩，生产线生产工序不平衡。（1）生产线产能过剩据所收集到的稳定球杆总成生产线数据信息，可知稳定球杆实际生产节拍时间为34.4秒，理论生产节拍为34秒，计划生产节拍为39.6秒，因此，可以看出在生产稳定球杆时，整条稳定球杆总成生产线各个工序生产过快，造成了生产过剩浪费。图3.6生产节拍分析直方图因此，需要在保证可完成计划产能的同时节约生产成本。现可通过减少原工作时间，降低实际产能同时减少员工成本；也可通过加大实际生产节拍，改善工序顺序，合并工序，减少工作地，使实际生产节拍接近于计划生产节拍，减缓生产节奏来达到减少生产产量，减少工作地的同时可减少员工。（2）生产不平衡生产流程中由于工作地较多，工位划分不合理，各工位生产时间差异较大，导致搬运、等待环节数量和时间占比较多，存在搬运、等待浪费现象，并且工位中作业分配不平衡致使工位忙闲不均，生产线平衡率较低，各工位利用率不均衡。4生产线优化改善方案的设计4.1生产线优化目标通过上一章节分析企业稳定球杆生产线工艺流程、产能、平衡现状，发现生产线产能过剩，存在浪费现象和生产线平衡率低下的问题，结合生产线实际情况，确定生产线优化具体目标方向如下：（1）将生产节拍放大至计划节拍以内并尽可能接近计划节拍，既能够满足公司需求数量，又能减少生产浪费降低成本，实现少人化。由第三章分析可得知，生产线现实际生产节拍为34s，而计划节拍为40s，仍具有较大的优化改善空间。（2）提升生产线平衡率。利用作业测定法找到生产线的瓶颈工序，秒表测试法计算出每个工序的标准工时，并结合工序同期化的方法，减少工作地合并工序，以加大生产节拍，实现加大生产节拍降低产能的同时提升生产平衡率。4.2基于工序同期化对生产线优化在原来生产线布局的基础上，改善工序排序，减少工作地，加大生产节拍，使生产节奏减缓，将2名工人减少为1名工人加工，以实现减少实际产能，降低生产成本，基于精益生产的思想减少生产过剩、搬运、等待、人员浪费的目标。4.2.1生产流程优化先利用“5W1H”技术对生产过程中存在问题进行提问，再使用“ECRS”原则进行问题解决。对生产线流程进行具体分析，将不必要的工序取消，减少过程浪费；合并用时较短的工位或工序，加大生产节拍，减少工位数量，同时均衡工位作业时间，减少工位间用时差异，实现少人化，降低人工成本与生产浪费，提升生产线平衡率。通过上一章生产流程分析可知，搬运与等待数量和时间占比均较大，存在搬运与等待浪费的状况，可能是因为工位划分不合理。现采用5W1H方法对生产线各生产工序的搬运和等待过多等问题进行提问，对生产流程优化对策导出，具体提问分析如下表4.1和表4.2所示。表4.1搬运工序提问分析表考察点提问回答What搬运是做什么是将完成该工位加工后的工件送至下一工位Why为什么那么多搬运工序因为划分工位多且需要两倍搬运When可以换别的时候搬运吗可以合并工位，加工完成后搬运Who谁来进行搬运机器转盘转动搬运How可以减少搬运次数吗可以，通过减少工位数量表4.2等待工序提问分析表考察点提问回答What在等待什么等待下一工位完成上一工件加工Why为什么那么多等待时间因为工位划分不合理，加工时间不均衡When什么时候等待当前工位完成加工后Who谁在等待完成当前工位加工的工件How如何可以减少等待时间对生产线工位进行平衡优化（1）取消由第二章中图2.2工艺流程图可看出每一零件需经过1-10号工位作业两次，由表2.4也可看出，由于1-10号工位需对零部件两次加工作业且工位划分较多，每个零件加工需要有23次搬运，搬运次数多，存在搬运浪费，需要合并工位以减少搬运次数与时间。（2）合并通过第二章对生产线现状的收集与分析，已知生产线的计划节拍为40s，现需针对加大生产节拍降低产能和提升工位生产平衡率目标，对生产线进行优化。工位2与工位3所包含的工序内容均属于球销球座的安装，可以合并，并且工位2的作业时间为22s的加工时间与4s的搬运时间，而远小于40s的计划节拍。工位3的加工时间为12s，将工位3的工序内容合并入工位3后作业时间仅38s，仍小于计划节拍。虽然仅减少了4s的搬运时长，但减少了工位数，均衡了工位时长。工位4为旋铆，作业时长为18s，工位5为力矩检测和打标，作业时长为20s，两个工位合并后工位时长为34s，减少4s搬运时间。工位6为翻转工件，工位时长为22s，工位7为注脂包含两个工序注脂和预装防尘罩，工位时长为18s，合并工位6和工位7后工位时长共36s，减少4s搬运时间。工位8为安装防尘罩，工位时长为20s，工位9为安装大卡圈，工位时长为16s，两个工位合并后共32s，减少4s搬运时间。工位1与工位11均需人工作业，其他工位均为机器自动加工，可合并两工位由一名工人操作。（3）重排可将工序1球杆取放或换向重排至工序27气密性检测完之后，将工序2预放球销重排至工序6链接球销球座前一工序，将工序3预放防尘罩重排至工序20预装防尘罩前，将工序4预放大卡圈重排至工序24安装大卡圈一前工序。（4）简化工位1所包含工序为球杆摆放、预放球销、预放防尘罩、预放大卡圈、清洁检查、启动开关，原制程是工人手动操作，均可实现自动化操作，但球杆摆放与清洁检查未必人工操作顺畅，因此仅将三个预放工序简化为机器操作。4.2.2动作分析优化生产线上的工位1是唯一的人工加工工位，该工位上的动作分析可以利用模特法分析，工位1的现行作业的模特法分析如表4.3所示。表4.3改善前工位1动作分析表工位1模特法作业分析（改善前）左手右手左手动作分析式次数MOD值右手动作分析式次数MOD值伸手取大卡圈M3G128伸手取球销、防尘罩M3G1M2G1214放大卡圈于预置点M4P2212放球销于预置点M4P2212等待BD20放防尘罩于预置点M3P2210等待BD10取毛巾与待加工件M3G1M2G117拿下已加工件M3G114待加工件放上加工位M4P216拿下已加工件M3G114取毛巾M3G114持住H20清洁擦拭M2G0M2P028持住H20放下毛巾M3P026递给右手M2P012从左手拿工件M2G113已加工件放成品箱M4G115等待BD10等待BD10半加工件放上加工位M3G114等待BD10启动开关M4G014总模特值83工位1原包括的球杆取放或换向、预放球销、预放防尘罩与预放大卡圈工序，由前面分析可知，工位1这几个工序均可简化为机器操纵，且重排至其他工位，因此工位1仅包括球杆取放、清洁检查与启动开关等工序。现对工位1现有工序进行动作分析优化。基于坚持动作经济原则和“ECRS”四原则，对工位1的动作进行改善，1号工位改善后，模特法动作分析表如4.4所示。经过动作经济改善后，工位1的MOD值为28，工位1的标准时间将宽放率取为29%以后，为4.7s。表4.4改善后动作分析表工位1模特法作业分析（改善后）左手右手左手动作分析式次数MOD值右手动作分析式次数MOD值拿下已加工件M3G114取毛巾与待加工件M3G1M2G117拿下已加工件M3G114取毛巾M3G114持住H10待加工件放上加工位M4P216持住H20清洁擦拭加工成的零件M2G0M2P028半加工件放上加工位M3G114启动开关M4G014放入成品箱M3P215启动开关M4G014模特值364.2.3人-机作业分析优化对稳定球杆产线作业现场进行了解和实地调查，生产线中只有11号工位为人机作业工位，需要对11号工位作业观察并诊断问题。我仔细地观察并记录操作人员与机器在同一时间内的工作情况，引入作业分析方法将人和自动化装配模块的动作与作业情况分析，探索更好的操作规则，提升人与机器的配合默契，使人和机器的实现更高效的协同作业，实现人机协作效能最大化。对11号工位现行方法的人-机操作情况分析如表4.5所示，安装小卡圈的机器为机1，压垫圈的机器为机2。表4.511号工位人-机作业分析（改善前）工位11人-机作业分析（改善前）时间/s人机1机21摆放球杆至压卡圈机（2s）等待等待23预装小卡圈1（2s）等待45等待（4s）安装小卡圈1（4s）6789预装另一端卡圈（2s）等待（3s）1011球杆换向（1）12等待（4s）安装小卡圈2（4s）13141516搬运至压垫机、检查（3s）等待171819预装垫圈1（2s）2021预装垫圈2压垫圈1（6s）2223等待（4s）24252627球杆换向（1s）等待（1s）28等待（6s）压垫圈2（6s）293031323334放入成品箱（1s）等待等待统计人机1机2周程（s）343434工作（s）16812空闲（s）182521效率（%）47%23.53%35.29%由表4.5中统计部分可以看出，工人与两台机器工作效率较低，人机利用率均低于50%，不能充分发挥各自优势，导致整体作业效果不尽如人意。另外还看出，空闲等待时间多，有严重的等待浪费情况，这是由于当工人操作时，两台机器均停止工作，机器安装大卡圈和压垫圈时，工人则几乎空闲状态，工人与机器有明显的协同效率不足现象。由此可以看出，仅需利用机器工作时间进行手工操作，即可缩短周程，提高功效和人机利用率。工人在安装小卡圈过程中，将零件放置在加工台面上和加工后零件换向、更换零件、预装小圈是必须在机器1停止工作时才可进行的；在压垫圈过程中，放置零件、零件换向和更换零件是必须在机器2停止工作时进行的。但是可以在机器1给上一工件安装小卡圈时，在机2放置待零件或零件换向或更换零件、预装垫圈等工作。11号工位改善后的人-机作业分析如表4.6所示，可见无需增加机器和工具，仅在33s内就节省了工时13s，提高工效39%。表4.611号工位人-机作业分析（改善后）人机分析（改善后）时间人压卡圈机1压垫片机21摆放球杆至机1等待等待23预装小卡圈145预装垫圈1安装卡圈167摆放球杆至机289预装小卡圈2等待压垫圈11011机1球杆换向12预装垫圈2安装卡圈21314等待15机2球杆换向等待16机1换下一球杆等待压垫圈21718预放卡圈11920检查上一球杆并放入成品箱安装卡圈1212223统计人机1机2周程（s）212121工作（s）201012空闲（s）1119效率（%）95.24%47.62%57.14%4.3优化后生产线平衡性分析4.3.1生产线优化设计由前面对生产线的生产流程分析、动作分析优化和人机分析对生产线进行整体优化后，可以得到新的工位和工序的标准工时，优化后的生产线工序表如表4.7所示。优化后产线有6个工位，最长工序时间为38s。表4.7生产线优化后工序表工位号工序序号工序名称标准作业时间/s工位标准时间/s11球杆取放4322清洁检查23启动开关24安装卡圈、压垫片205搬运下一工序426连接球座球销14387预装球座球销88压169压2610搬运下一工序4311旋铆143412力矩检测1013打标614搬运下一工序4415翻转163616注脂617取防尘罩218预装防尘罩819搬运下一工序4520安装防尘罩163421预放大卡圈222预装大卡圈623安装大卡圈626搬运下一工序4627气密性检测121628搬运下一工序4由表4.6已知数据，通过公式3.1-3.3可计算的得，优化后生产线平衡率P为83%，生产线平衡损失率BD为17%，平滑指数SI为9.6。改善后理论产能=2059200/38=54189第二章中已计算出改善前生产线的平衡率、平衡损失率与平滑指数，现对这三个指数改善前后进行对比，观察优化效果，产能优化前后对比如图4.1所示，由已知数据可知，优化后生产线生产率降低13.2%，且可满足计划产能。图4.1产能优化前后对比生产线优化前后三个指数对比图如图3.2-3.3所示。优化后，生产线平衡率从61.43%提升到83.33%，生产线平滑系数从13.6下降到9.6，说明生产线的各工位作业负荷更加均衡；工位数量从11个减至6个，说明对生产线有一定的优化效果。图4.2平衡率优化前后对比图4.3平衡损失率优化前后对比图4.4平滑系数优化前后对比5企业生产线建模仿真与分析通过前几章对稳定球杆生产线的问题分析与改进方案提出，本章主要对上一章节提出的优化方案，基于实际生产场景在Flexsim仿真软件中进行三维建模与仿真，对前后优化结果进行分析。5.1基于Flexsim的生产线仿真5.1.1仿真参数设置根据实际数据对参数设置，保证仿真模型与数据的真实性和可靠性。在构建生产下模型中需要用到的实体如下表5.1所示。表5.1模型实体表模型实体模型元素系统元素发生器待加工原件的源处理器生产线各工位暂存区成品入库前暂存吸收器成品入库（1）仿真运行时间设置根据第三章对生产现状调查可知，前横向稳定拉杆与球头总成生产线每月工作天数26天，实行两班制，每班次有效工作时间为11小时，即39600秒，目标仿真作业时长为一个月，即2059200秒，具体参数如图5.1所示。图5.1运行时间参数设置（2）发生器参数设置生产线起点由发生器1进行模拟，发生器根据返回值执行临时实体，即生产线上需要进行加工的元件。发生器1的到达时间间隔根据该生产线的瓶颈时间设定，稳定球杆生产线发生器时间间隔应由瓶颈工序时间确定，生产线由工位1-10加工完成后进入暂存区等待工位11的加工，1-10号工位继续加工下一工件。优化前1-10号工位的瓶颈时间为34s，因此时间设置为34s。发生器具体参数设置如图5.2所示。图5.2发生器参数设置（3）处理器参数设置处理器为生产线上的各个工位，时间设置根据实际工位作业时间设定。以工位1为例，工位最大容量为1，工位1加工时间设置为20s，。处理器具体参数设置如图5.3所示。图5.3处理器参数设置（4）暂存区参数设置暂存区是主要负责储存临时实体，为防止临时实体堆放过多，将暂存区参数设置中的最大容量设置为1000，其他均为默认参数。具体参数设置如图5.5所示。图5.4暂存区参数设置（5）吸收器参数设置吸收器参数设置通常为默认模式，吸收器具体参数如下图所示。图5.5吸收器参数设置5.1.2构建产线仿真模型将模型建立所需的实体各项参数设置完成后，即可运行仿真模型，模型运行结束后可得到各工位运行状态与产能状况等数据。前横向稳定拉杆及球头总成生产线优化前后模型如图5.6和图5.7所示。图5.6优化前生产线模型图5.7优化后生产线模型5.2生产线仿真结果分析5.2.1工位利用率通过Flexsim软件对生产线模型仿真运行后，可输出生产线优化前后后各工位运行的加工时间和空闲时间占比的相关数据，优化前后工位利用率如图5.8和图5.9所示。由图5.8中可看出，优化前生产线工位运行时间占比低，且差异大，工位利用率不均衡，工位11运行时间占比99.99%，而工位9仅有47.07%，相差2.1倍。此外工位2加工时间占比超过75%，而其余工位均低于59%，工位件加工负荷不均。然而优化后生产线除工位6加工时间占比较低，仅42.1%，其余工位加工时间均较高，均84%以上乃至90%以上，整体平衡率较优化前提高。图5.8优化前工位利用率图5.9优化后工位利用率5.2.2产能状况分析根据目标需要在实现产能降低的同时实现提高生产平衡率，生产线仿真后不仅需要输出工位率，还需要输出优化前后的产能对比，优化前后的生产线产能如图5.10和5.11所示。由优化前后的产能可看出，优化后生产线产能降低，可实现在达到52000的理想产能前提下，降低产能与库存浪费的优化目标。图5.10优化前产能图5.11优化后产能浙江工业大学之江学院毕业设计（论文）结论结论本文基于仿真结合运用精益生产管理与工业工程理论对生产线产能与平衡进行改进，减少浪费，对生产线各工位所包含的工序重新划分分配，加大生产节拍尽可能接近于计划生产节拍，降低生产线产能，减少产能、人员等浪费的同时提高生产线平衡率。本研究有效解决了产能过剩、生产线平衡率低的现状，主要结论如下：经过生产流程优化后，理论产能由62400降低至54128，一条生产线所需工人由2人减少至1人，搬运工序由，等待时间由70秒减少至38秒，减少了生产、人员、搬运、等待等浪费。在减少浪费的基础上，提高了工位利用率，生产线平衡率由61.43%提升到83.33%，生产线平滑指数由13.6下降到9.6，生产线平衡问题得到改善。不足：实际数据较为不足，优化过程和结果过于理想化，都是在物料充足等理想的前提条件下进行研究，有些其他突发或人员技术等因素没有考虑在内，该研究优化仅以某企业为案例，适用的企业具有局限性。创新点：在兼顾避免产能过剩的问题同时考虑工位平衡的问题，实现平衡、能耗与成本的多目标协同优化。参考文献李春兴,徐健,易泰勋,等.基于PlantSimulation的压气机叶片型线加工产线分析与优化[J].机械制造与自动化,2024,53(01):40-44.刘文,宋杰,郭琼,等.基于Flexsim的定制门窗生产线仿真模型的构建与优化[J].林业工程学报,2025,10(01):177-186.李慧,孙元亮,张超.基于PlantSimulation的航空发动机叶片机加生产线仿真分析与优化[J].组合机床与自动化加工技术,2019,(07):116-118.朱星宇,宫