《武汉工程大学学报》 2020年06期
678-682
出版日期：2021-01-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于SLP法的零件加工车间布置优化
在全球制造业的智能化、自动化水平的不断提升的情况下，随之而来的企业生产成本也在不断提高，为了控制生产成本和提高产品质量，首先要解决不良的设施布置问题，R·缪瑟［1］认为在设备安装前规划布局能显著减少损失，因为糟糕的布局使后期的重新规划既费时又费钱。合理的车间设施布置可将搬运费用降低10%~30%［2］。系统布置设计（systematic layout planning， SLP）方法是R·缪瑟创立的方法，该方法能系统的解决企业在规划布局上面遇到的问题，如宁芳［3］、石鑫等［4］运用SLP对企业设施布置进行优化。但传统的SLP法存在过于依赖经验、约束过多问题，邓兵［5］、汲红旗［6］、冯定忠［7］等对此通过简化SLP的设计流程、改进SLP的输入因素，并且将其与物料搬运系统分析（system handling analysis，SHA）相结合，解决了各自企业设施布置问题，但是仍存在物流和非物流关系权重赋值不精确问题。因此，为了解决这些问题，侯智［8］、李辉［9］、MATAI［10］等分别将SLP与遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等算法结合在一起，借助算法鲁棒性强、全局搜索寻优能力和梯度信息不依赖性等优点，提高了设施布置方案的合理性。随着制造业的快速发展，如何提高设施布置的效率和准确性成为亟需解决的研究难点，故研究人员将计算机仿真技术应用到设施布置领域。如周尔民等［11］将SLP与Em-plant软件相结合，解决了台钻厂设施布置问题。张惠等［12］将SLP与Flexsim软件相结合，解决了某企业的机加工车间的布置问题。李琴等［13］利用Witness软件解决了某门业制造企业设备利用率不均衡的问题等。上述虽解决了各自企业设施布置问题，但鲜有涉及到航天零件加工企业设施布置问题。本文以航天集团某公司改造某零件加工车间为例，运用SLP法对该车间的总体布置进行评价和分析，并应用Flexsim软件对零件加工车间的设备布置和零件生产流程进行仿真建模和优化，以期提高该车间的设备利用率在合理区间（60%~85%），并使该车间设备布置更加合理。1 零件加工车间基本要素分析1.1 作业单位划分零件加工车间总共23台机加工设备，4台辅助上料工业机器人；有2个出入口，分别位于车间的左边和右边；现将该车间作业区域划分为15个作业单位，作业单位代码表如表1所示。1.2 产品-产量-物流流程分析该车间主要生产支架类、本体类、台体类、基座类等零件，每一大类里面的各种零件之间差异不大。由表2零件加工车间主要零件及物流流程表可知，车间的生产方式属于多品种、小批量的生产方式。1.3 作业单位综合相互关系分析在工厂设施布置过程中，决定作业单位的布置主要因素是物流关系和非物流关系（如人员管理、生产安排等），当物料搬运是工艺过程的主要部分时，物流关系则是设备布置设计中主要考虑因素；而在物料搬运量小或者其他辅助部门明显多于生产部门的工厂，各作业单位间的非物流关系则是布置设计的主要考虑因素；如果介于上述两者之间的情况时，则需要综合考虑作业单位间物流与非物流相互关系，而该零件加工车间属于典型需要考虑作业单位综合相互关系的类型。接下来首先对零件加工车间的物流量进行分析，具体步骤如下：分别统计每种单件零件在各个作业单位前后的质量，由公式：物流量=质量×产量［14］，计算出作业单位间物流量，最后计算出零件加工车间的物流强度，绘制作业单位物流相关图。而作业单位间的非物流关系，则通过与一线工人、工艺人员、以及车间管理者交流统计得出。依照上述分析步骤可以得到作业单位间的物流相关表和非物流相关表，该计算过程不再一一赘述。通过量化物流相关表和非物流相关表等级，最终得到作业单位综合相互关系图。物流相关表和非物流相关表量化等级取值为[X=4、][Y=3、Z=2、O=1、U=0。]由公式（1）计算作业单位间的综合相互关系密切程度数量值Tij［14］。[Tij=m×Mij+n×Nij] （1）式（1）中：i、j为任意两个作业单位（[1i15；][1j15且i≠j]）。m∶n=1∶1为物流和非物流关系的加权值，该车间取值：m∶n=1∶1。[Mij]为量化的作业单位物流相互关系等级。[Nij]为量化的作业单位非物流相互关系等级。[Tij]是一个量值，需要经过等级划分才能建立出作业单位综合关系相互关系图，表3给出了综合相互关系等级与划分比例［14］。表3 综合相互关系等级与划分比例Tab. 3 Comprehensive interrelationship level and division ratio %[关系等级\&符号\&作业单位对比例\&绝对必要靠近\&X\&1~3\&特别重要靠近\&Y\&2~5\&重要\&Z\&3~8\&一般\&O\&5~15\&不重要\&U\&20~85\&]通过上述计算和综合相互关系等级划分，最终得到了作业单位综合相互关系图，如图1所示。根据零件加工车间作业单位综合相关图，计算出该车间各作业单位的综合接近度，量化等级取值为X=4、Y=3、Z=2、O=1、U=0。以工业机器人1区为例，其与数控车铣复合区的综合等级为Y、与数控立式加工区综合等级为X、与压装区综合等级为O、与插床区综合等级为O、与检验区综合等级为Y、与热处理区综合等级为Z、与办公室区综合等级为O，因此工业机器人1区的综合接近度为3+4+1+1+3+2+1=15，通过此计算方法，其它作业单位的综合接近度可以依次得出，然后根据所得的综合接近度数值大小进行排序，最终得到该车间作业单位综合接近度排序表如表4所示。在布置过程中，作业单位的综合接近度数值越大的优先考虑布置在车间的中心位置，数值越小则布置在车间的边缘位置［15］。2 仿真分析与优化2.1 仿真分析的假设条件本文应用Flexsim软件基于下列假设条件对零件加工车间进行建模仿真，该车间现有设施布置图如图2所示。[C2][C1][C3][B2][B1][Tc1][Tc2][Tb1][Tb2][Tb3][Tb4][Td2][Td1][Th1][Th2][Tk1][Tk2][Tk3][K1][K2][H1][I1][I2][I3][I4][J1][J2][M1][L1][Ti1][Ti2][Tj1][Tj2][Tl1][Tl2][Tm1][Tm2][Source][G2][G1][G3][F2][F1][D2][D1][D3][D4][E2][E1][Te1][Te2][Tf1][Tf2][Tg1][Tg2][毛坯区][成品仓库区][成品仓库区1][办公区]图2 零件加工车间设备布置图Fig. 2 Facility layout diagram of parts processing workshop1）物料在不同工序间的流动主要使用人力搬运，人员的行走速度为1 m/s，平均装载时间为10 s。上料机器手的装载时间为5 min，每次上下料的数量为1个。2）每个作业单位内有暂存区，暂存区的容量为100（详见表1）。3）采用单个零件的生产方式，每种零件成批存放于毛坯区，每种零件的数量如表2所示。4）设备故障率符合泊松分布，修复率为96%。2.2 初始布置仿真结果分析仿真程序运行至26 000 s时，发现该车间存在设备利用率低、生产流程不合理等问题。例如热处理设备阻塞率达到了92.97%、数控立式加工区的设备利用率达到85%以上，致使这些设备的下游生产设备利用率严重不足，如图3所示。图3 初始布置中部分设备的利用率Fig. 3 Utilization rates of some facilities in ?initial layout为了使设备在一个平稳的范围内运行（如设备利用率在60%~85%之间）并且解决零件生产流程不合理和设备利用率低问题，通过对仿真模型的修改，做出以下调整。1）将钢套的生产加工流程调整为A→B→C→B→L→K→N，降低热处理区的阻塞率。2）增加数控立式加工区的2台加工中心D5、D6，并相应的增加操作员，以提高数控立式加工区的生产能力。3）减少数控车铣复合区2台加工中心C2、C3，并相应减少操作员。以使数控车铣复合区设备能够得到充分利用。4）减少数控卧式加工区的1台加工中心F2，并相应减少操作员，提高数控卧式加工区的利用率。5）减少工业机器人2区的一台上下料机械手E2，提高该区域的设备利用率。6）增加检验区的检验人员，提高该区域设备的利用率。7）基于SLP对总体布置的评价与优化分析结果，结合之前作业单位综合接近度排序表（见表5），得到优化后的零件作业车间设备布置图，如图4所示。2.3 零件加工车间设施布置优化前后对比零件加工车间布置优化前后作业单位设备利用率的对比如表5所示，优化后的设施布置和生产流程使设备利用率提高较多。优化前的总体设备数量为27个，优化后的总体设备数量为20个，腾出占地面积70.5 m2，为以后扩大生产留出空间。虽然部分作业单位内的设备使用率未达到60%~80%之间，如插床、磨床、压装机等设备，但考虑这些设备的数量已经为1台，属于必要工序中的设备无法减少，故不做优化。优化后的数控立式加工区设备利用率下降至76.27%，主要是因为部分零件转移至数控车铣复合区加工。通过仿真软件模拟将所有零件加工完毕时间的对比，优化后对比优化前的时间减少24.18%。表5 作业单位优化前后设备利用率Tab. 5 Utilization rates of facilities before and after optimization %[作业单位名称\&优化前\&优化后\&工业机器人1区\&30.48\&50.48\&数控车铣复合区\&19.08\&70.98\&数控立式加工区\&85.96\&76.27\&工业机器人2区\&4.92\&9.85\&数控卧式加工区\&14.14\&24.04\&数控立式转换加工区\&60.43\&60.08\&压装区\&2.11\&6.73\&插床区\&3.42\&13.39\&磨床区\&1.09\&6.66\&检验区\&5.94\&45.56\&热处理区\&3.87\&42.1\&线切割区\&2.52\&14.98\&]3 结 论本文基于SLP法对某航天企业零件加工车间总体布置进行分析和优化，并采用Flexsim系统仿真软件对该车间布置方案和零件生产流程进行定量分析和系统验证。结果表明，采用优化后的布置方案后，车间的设备利用率得到显著提升，部分零件的生产流程更趋于合理，而且能增加传统布置设计方法无法考虑到的因素，证明此方法的可行性和有效性。