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摘 要：为克服传统的工厂布局规划方法的不足，采用数字化工厂的技术进行压路机混流装配线的布局规划。采用可视化仿真建模技术，利用交互功能良好的仿真平台，通过对生产车间的物流进行三维模拟并基于QUEST平台的逻辑建模分析计算出设备利用率、工位平衡率及通道阻塞率等来对工厂的混流装配规划布局进行改善。通过在三维环境中漫游进行方案的评审，并以此为媒介进行方案的讨论和完善。仿真模拟结果表明当配备为4辆牵引车时，利用率可达到90%以上，工位设置为13个时，工位平衡率达到70%以上。
关键词：混流装配；压路机；布局规划
中图分类号：F403.3 文献标识码：A
随着压路机市场的快速变化，客户要求的多元化发展，采取混流装配已成为企业提升快速反应能力，满足产品多样化的需求，降低库存和生产成本的重要手段。影响混流装配线流水化最重要的两个因素即工位平衡和生产排序。
按照生产计划是否固定可以将混流装配线分为固定型和随机型两种，对于固定型混流装配线可以通过建立数学模型进行编程求解，来实现装配线的平衡和排序设计。然而，对于随机型的混流装配线来说，通过这种途径进行设计比较困难[1-2]。但是在实际生产过程中，生产计划往往是随时变化的。
在传统的压路机装配线的工艺规划过程中，通常先建立模型，定义每个工序的工时和相互约束关系及所需的人数。在平衡装配线时，通过调整不同工位上的工序来平衡节拍。根据产能目标进行数值计算来确定生产设备的数量，并进行工艺方案的布置。但一般的数值计算没有考虑到生产过程中变量的随机因素，而实际生产中设备的生产能力、工人的操作工时、物料的配送时间等因素，大多不可能是一个定值。整个生产的工艺布局涉及到大量的生产作业单位，也就存在着大量的随机变量。
随着企业对生产线规划柔性水平的提高和对生产线运行成本的重视。对混流装配线的评估就变得更加重要。如何评估混流装配线上各产品的产能和各工位平衡率，就成了工艺规划工程师急需解决的问题。仿真技术作为一个面向流程的仿真分析工具，它将整个生产过程在计算机上模拟运行，并将各环节的随机因素考虑进去，尽量真实地模拟实际生产线的运作，可有利地支持对混流装配线工艺规划水平的验证和评估[3]。
本文通过QUEST软件对三一路机压路机生产线上的单钢轮压路机、双钢轮压路机、轮胎机的随机混流装配线规划方案和物流方案进行仿真分析，在虚拟环境中模拟整个生产过程或某局部生产过程，从而验证方案，并对方案进行改善，支持生产线以及物流方案的规划。
1 压路机混流装配线流程与特点
混流装配线是在尽量小的库存水平下满足客户多样化需求，是准时化（JIT）生产方式的具体应用，某公司压路机混流装配线总共有9个部装工位、13个总装工位，产品分为单钢轮、双钢轮、轮胎机三大类型。总装线为板链式流水线，13个工位分别定义为1～13，三种产品分别定义为A、B、C，但是三种产品的比例A∶B∶C是随机的。
其中，总装流程为：1、准备工位→2、管路铺设→3、滚轮管路连接→4、发动机安装→5、液压管路连接→6、电路连接→7、发动机电路、液压管路连接→8、覆盖件安装→9、驾驶室安装→10、驾驶室管路连接→11、加油补水→12、下线工位→13、检查工位。
2 仿真建模
对于装配线及其上道工序结构件生产线、以及下道工序调试线，进行整体建模，图1是压路机生产线基于数字化工厂技术的布局规划的系统结构。
（1）资源建模：采用ProE和SolidWorks对关重工装、设备建模，并将其通过转换软件转化Creator仿真模型，并进行模型优化、调整，以降低其对内存的要求。采用Creator对厂房结构、物流系统进行仿真建模。
（2）动态仿真：采用DELMIA/QUEST，QUEST软件是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环境。QUEST为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同环境，以在整个产品设计过程中开发和确认最好的生产工艺流程。用QUEST测试各种参数，如设施布局、资源配置、其它可替换方案，开发小组可以量化他们的决策对生产产量和成本的影响。
（3）仿真平台：采用MFCtest，所有的模型最终全部导入仿真平台，仿真平台呈现的是虚拟的车间全景，可以对空间布局的任何调整进行实时的响应；仿真平台同时具备漫游的功能，按照设定的路径漫游展示车间的各个区域布局，利用仿真平台强大的交互功能，在虚拟的车间环境下，可以对现有的车间布局方案进行评估和优化。
3 QUEST仿真运行与结果分析
对压路机生产线的大件物流和混流装配线进行了QUEST仿真分析。目的是分析整个厂房规划过程中出现的或待验证的问题。确保在生产线投入使用之前，通过仿真手段对规划方案主要环节进行验证，减少实际投产后出现的问题。动态仿真流程如图2。
QUEST仿真具体步骤如下：
3.1 现场调研与工艺数据的收集
全面梳理了压路机大件物流和各机型混流装配线的工艺流程、各工序加工时间和加工工序。根据需求，确立、调整了仿真分析目标。
3.2 工序与工时数据梳理
确认压路机生产过程中，从下料到调试的工序以及工时，对于重点仿真的装配线每个工位的作业内容、作业人数以及作业时间需尽量符合生产实际。
3.3 QUEST仿真模型建立
利用QUEST建立仿真模型，由于动态仿真侧重于分析和计算，模型的建立较为简单。利用QUEST中的Extr_Conveyor元素来模拟装配流水线，在每个工位设置两个Cnv_Dec_Pt决策点和一个Machine，一个决策点用做工位的入口、一个决策点用做工位的出口。Machine用做此工位的加工设备或装配过程，同时在每个工位旁设置Buffer来存放此工位所需的大件。 一般在QUEST中进行流水线建模时，主要就是在Machine中设置Cycle Process中进行串行工序和并行工序。混流装配线建模要解决的一个问题是如何在同一Machine中同时设置三种机型的加工工序。本文以第三工位的工序设置为例来说明混流装配工序的定义与设置（见图3）。
先构建每个机型的工序，每个机型工序前设置一个start工序，用于接受上一个工位流来的半成品，如单钢轮的zz3_dan_start工序，再设置zz3_dan_pro工序来表示大件加工的工序，为了将模型简化，将小件以及标准件的工时数据都加入到此工序中。在GRP模块中，创建一个工序包zz3_dan_GRP，用于关联单钢轮的两道加工工序。用同样的方法创建双钢轮、轮胎机的工序包，并将工序包关联到第三工位的加工Machine上。
3.4 逻辑建模
链接（connection）是QUEST模型中用于联系其它各个元素的元素。一个链接就是两个元素之间的一个逻辑连接，提供了零件从一个元素移动到另外一个元素的机制。零件不能在两个没有链接的元素之间移动。一旦模型中的两个元素被连接在一起，元素类的逻辑就掌握了决定零件如何移动的控制权。
3.5 工艺设置
在人机交互界面中设置各个工艺的参数，包括加工时间、控制逻辑、输入输出零件等。
3.6 结果分析
（1）物流工具仿真结果分析
物料从结构件车间到装配线的物流工具主要采用电动牵引车，对牵引车的数量设定了四种方案，如表1所示，并分别进行仿真分析，仿真结果如图6、图7所示。
对输出结果进行分析，当配备为4辆牵引车时，利用率分别为92%和90%，由于要考虑到实际运作时充电和维修的影响，推荐选用两辆牵引车。
（2）混流装配工位平衡仿真结果分析
通过对混流装配线的建模，将A∶B∶C按不同的比例投入装配线，通过分析工位的等待时间和仿真一个周期后的产能来评估混流装配线规划水平。在实际的生产过程中，混流装配的最大难点就在于不同机型的生产节拍不一致，各工位的作业时间相差很大，特别是轮胎压路机和单双钢轮结构形式完全不一致，作业内容相差很大，导致作业时间相差大，为了平衡各工位节拍，根据生产计划及时的对工位人员和内容进行调整，通过开发可参数化调整的混流装配评估报表来支持工艺工程师对混流装配线的规划。
仿真结果表明：当工位设置为13时，单钢轮压路机的工位平衡率为：（70+70+70+70+85+74+69+70+70+70+70+70+70）/（85*13）*100%=83.98%，双钢轮压路机的工位平衡率为：（70+70+70+70+85+74+71+70+70+70+70+70+70）/（85*13）*100%=84.16%，轮胎压路机的工位平衡率为：（78+86+82+80+94+102+96+69+92+83+87+72+70）/（102*13）*100%=82.27%。当三种型号压路机混流装配时，工位平衡率最小可达到（70+70+70+70+85+74+69+70+70+70+70+70+70）/（102*13）*100%=70%。
在实际生产过程中，各工序的时间也一直在变化，给规划带来了一定的困难，通过开发混流装配线评估与产能验证报表，工艺工程师可在EXCEL中调整各车型的工序时间，在QUEST中启动仿真，仿真结果数据自动读取到EXCEL中，生产相关报表，从而可以非常迅速地对各工序进行平衡分析，从而调整人员、设备等恢复生产线的平衡，实现流水化。
4 结 论
通过对生产车间压路机生产线的混流装配线进行三维模拟，并基于QUEST平台的逻辑建模分析计算，仿真模拟结果表明当配备为4辆牵引车时，利用率可达到90%以上，工位设置为13个时，工位平衡率达到70%以上。通过开发混流装配线评估与产能验证报表，实现了不同工位工序平衡自动分析，根据现场实际生产情况的变化可以非常迅速地对各工序作业时间进行调整，从而实现混流装配线的流水化。同时，通过在三维环境中漫游进行方案的评审，并以此为媒介进行方案的讨论和完善，并为后期与基建的沟通提供了直观的手段。
参考文献：
[1] Parviz Fattah， Mohsen Saleh. Sequencing the mixed-model as-sembly line tominimize the total utility and idle costswith varia-ble launching interval[J]. Int JAdvManufTechno， 2009（45）：987-998.
[2] Rahimi-Vahed A R， Rabbani M， Tavakkoli-Moghaddam R， et al. A multi-objective scatter search for a mixed-model assembly linesequencing problem[J]. Advanced Engineering Informatics， 2007（21）：85-99.
[3] 魏娜. 数字化工厂的提出及其关键技术[J]. 科技创新导报，2009（2）：238.
[4] 许立，李伟峰，施志辉，等. 三维仿真技术在车间布局设计中应用的研究[J]. 机床与液压，2004（8）：63-65.
[5] 季金花，陆剑峰，朱志浩，等. 数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究[J]. 汽车工程，2009，31（11）：1103-1107.
[6] 张浩，樊留群，马玉敏. 数字化工厂技术与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2006.
关键词：混流装配；压路机；布局规划
中图分类号：F403.3 文献标识码：A
随着压路机市场的快速变化，客户要求的多元化发展，采取混流装配已成为企业提升快速反应能力，满足产品多样化的需求，降低库存和生产成本的重要手段。影响混流装配线流水化最重要的两个因素即工位平衡和生产排序。
按照生产计划是否固定可以将混流装配线分为固定型和随机型两种，对于固定型混流装配线可以通过建立数学模型进行编程求解，来实现装配线的平衡和排序设计。然而，对于随机型的混流装配线来说，通过这种途径进行设计比较困难[1-2]。但是在实际生产过程中，生产计划往往是随时变化的。
在传统的压路机装配线的工艺规划过程中，通常先建立模型，定义每个工序的工时和相互约束关系及所需的人数。在平衡装配线时，通过调整不同工位上的工序来平衡节拍。根据产能目标进行数值计算来确定生产设备的数量，并进行工艺方案的布置。但一般的数值计算没有考虑到生产过程中变量的随机因素，而实际生产中设备的生产能力、工人的操作工时、物料的配送时间等因素，大多不可能是一个定值。整个生产的工艺布局涉及到大量的生产作业单位，也就存在着大量的随机变量。
随着企业对生产线规划柔性水平的提高和对生产线运行成本的重视。对混流装配线的评估就变得更加重要。如何评估混流装配线上各产品的产能和各工位平衡率，就成了工艺规划工程师急需解决的问题。仿真技术作为一个面向流程的仿真分析工具，它将整个生产过程在计算机上模拟运行，并将各环节的随机因素考虑进去，尽量真实地模拟实际生产线的运作，可有利地支持对混流装配线工艺规划水平的验证和评估[3]。
本文通过QUEST软件对三一路机压路机生产线上的单钢轮压路机、双钢轮压路机、轮胎机的随机混流装配线规划方案和物流方案进行仿真分析，在虚拟环境中模拟整个生产过程或某局部生产过程，从而验证方案，并对方案进行改善，支持生产线以及物流方案的规划。
1 压路机混流装配线流程与特点
混流装配线是在尽量小的库存水平下满足客户多样化需求，是准时化（JIT）生产方式的具体应用，某公司压路机混流装配线总共有9个部装工位、13个总装工位，产品分为单钢轮、双钢轮、轮胎机三大类型。总装线为板链式流水线，13个工位分别定义为1～13，三种产品分别定义为A、B、C，但是三种产品的比例A∶B∶C是随机的。
其中，总装流程为：1、准备工位→2、管路铺设→3、滚轮管路连接→4、发动机安装→5、液压管路连接→6、电路连接→7、发动机电路、液压管路连接→8、覆盖件安装→9、驾驶室安装→10、驾驶室管路连接→11、加油补水→12、下线工位→13、检查工位。
2 仿真建模
对于装配线及其上道工序结构件生产线、以及下道工序调试线，进行整体建模，图1是压路机生产线基于数字化工厂技术的布局规划的系统结构。
（1）资源建模：采用ProE和SolidWorks对关重工装、设备建模，并将其通过转换软件转化Creator仿真模型，并进行模型优化、调整，以降低其对内存的要求。采用Creator对厂房结构、物流系统进行仿真建模。
（2）动态仿真：采用DELMIA/QUEST，QUEST软件是用于对生产工艺流程的准确性与生产效率进行仿真与分析的全三维数字工厂环境。QUEST为工业设计工程师、制造工程师和管理人员提供了一个单一的协同环境，以在整个产品设计过程中开发和确认最好的生产工艺流程。用QUEST测试各种参数，如设施布局、资源配置、其它可替换方案，开发小组可以量化他们的决策对生产产量和成本的影响。
（3）仿真平台：采用MFCtest，所有的模型最终全部导入仿真平台，仿真平台呈现的是虚拟的车间全景，可以对空间布局的任何调整进行实时的响应；仿真平台同时具备漫游的功能，按照设定的路径漫游展示车间的各个区域布局，利用仿真平台强大的交互功能，在虚拟的车间环境下，可以对现有的车间布局方案进行评估和优化。
3 QUEST仿真运行与结果分析
对压路机生产线的大件物流和混流装配线进行了QUEST仿真分析。目的是分析整个厂房规划过程中出现的或待验证的问题。确保在生产线投入使用之前，通过仿真手段对规划方案主要环节进行验证，减少实际投产后出现的问题。动态仿真流程如图2。
QUEST仿真具体步骤如下：
3.1 现场调研与工艺数据的收集
全面梳理了压路机大件物流和各机型混流装配线的工艺流程、各工序加工时间和加工工序。根据需求，确立、调整了仿真分析目标。
3.2 工序与工时数据梳理
确认压路机生产过程中，从下料到调试的工序以及工时，对于重点仿真的装配线每个工位的作业内容、作业人数以及作业时间需尽量符合生产实际。
3.3 QUEST仿真模型建立
利用QUEST建立仿真模型，由于动态仿真侧重于分析和计算，模型的建立较为简单。利用QUEST中的Extr_Conveyor元素来模拟装配流水线，在每个工位设置两个Cnv_Dec_Pt决策点和一个Machine，一个决策点用做工位的入口、一个决策点用做工位的出口。Machine用做此工位的加工设备或装配过程，同时在每个工位旁设置Buffer来存放此工位所需的大件。 一般在QUEST中进行流水线建模时，主要就是在Machine中设置Cycle Process中进行串行工序和并行工序。混流装配线建模要解决的一个问题是如何在同一Machine中同时设置三种机型的加工工序。本文以第三工位的工序设置为例来说明混流装配工序的定义与设置（见图3）。
先构建每个机型的工序，每个机型工序前设置一个start工序，用于接受上一个工位流来的半成品，如单钢轮的zz3_dan_start工序，再设置zz3_dan_pro工序来表示大件加工的工序，为了将模型简化，将小件以及标准件的工时数据都加入到此工序中。在GRP模块中，创建一个工序包zz3_dan_GRP，用于关联单钢轮的两道加工工序。用同样的方法创建双钢轮、轮胎机的工序包，并将工序包关联到第三工位的加工Machine上。
3.4 逻辑建模
链接（connection）是QUEST模型中用于联系其它各个元素的元素。一个链接就是两个元素之间的一个逻辑连接，提供了零件从一个元素移动到另外一个元素的机制。零件不能在两个没有链接的元素之间移动。一旦模型中的两个元素被连接在一起，元素类的逻辑就掌握了决定零件如何移动的控制权。
3.5 工艺设置
在人机交互界面中设置各个工艺的参数，包括加工时间、控制逻辑、输入输出零件等。
3.6 结果分析
（1）物流工具仿真结果分析
物料从结构件车间到装配线的物流工具主要采用电动牵引车，对牵引车的数量设定了四种方案，如表1所示，并分别进行仿真分析，仿真结果如图6、图7所示。
对输出结果进行分析，当配备为4辆牵引车时，利用率分别为92%和90%，由于要考虑到实际运作时充电和维修的影响，推荐选用两辆牵引车。
（2）混流装配工位平衡仿真结果分析
通过对混流装配线的建模，将A∶B∶C按不同的比例投入装配线，通过分析工位的等待时间和仿真一个周期后的产能来评估混流装配线规划水平。在实际的生产过程中，混流装配的最大难点就在于不同机型的生产节拍不一致，各工位的作业时间相差很大，特别是轮胎压路机和单双钢轮结构形式完全不一致，作业内容相差很大，导致作业时间相差大，为了平衡各工位节拍，根据生产计划及时的对工位人员和内容进行调整，通过开发可参数化调整的混流装配评估报表来支持工艺工程师对混流装配线的规划。
仿真结果表明：当工位设置为13时，单钢轮压路机的工位平衡率为：（70+70+70+70+85+74+69+70+70+70+70+70+70）/（85*13）*100%=83.98%，双钢轮压路机的工位平衡率为：（70+70+70+70+85+74+71+70+70+70+70+70+70）/（85*13）*100%=84.16%，轮胎压路机的工位平衡率为：（78+86+82+80+94+102+96+69+92+83+87+72+70）/（102*13）*100%=82.27%。当三种型号压路机混流装配时，工位平衡率最小可达到（70+70+70+70+85+74+69+70+70+70+70+70+70）/（102*13）*100%=70%。
在实际生产过程中，各工序的时间也一直在变化，给规划带来了一定的困难，通过开发混流装配线评估与产能验证报表，工艺工程师可在EXCEL中调整各车型的工序时间，在QUEST中启动仿真，仿真结果数据自动读取到EXCEL中，生产相关报表，从而可以非常迅速地对各工序进行平衡分析，从而调整人员、设备等恢复生产线的平衡，实现流水化。
4 结 论
通过对生产车间压路机生产线的混流装配线进行三维模拟，并基于QUEST平台的逻辑建模分析计算，仿真模拟结果表明当配备为4辆牵引车时，利用率可达到90%以上，工位设置为13个时，工位平衡率达到70%以上。通过开发混流装配线评估与产能验证报表，实现了不同工位工序平衡自动分析，根据现场实际生产情况的变化可以非常迅速地对各工序作业时间进行调整，从而实现混流装配线的流水化。同时，通过在三维环境中漫游进行方案的评审，并以此为媒介进行方案的讨论和完善，并为后期与基建的沟通提供了直观的手段。
参考文献：
[1] Parviz Fattah， Mohsen Saleh. Sequencing the mixed-model as-sembly line tominimize the total utility and idle costswith varia-ble launching interval[J]. Int JAdvManufTechno， 2009（45）：987-998.
[2] Rahimi-Vahed A R， Rabbani M， Tavakkoli-Moghaddam R， et al. A multi-objective scatter search for a mixed-model assembly linesequencing problem[J]. Advanced Engineering Informatics， 2007（21）：85-99.
[3] 魏娜. 数字化工厂的提出及其关键技术[J]. 科技创新导报，2009（2）：238.
[4] 许立，李伟峰，施志辉，等. 三维仿真技术在车间布局设计中应用的研究[J]. 机床与液压，2004（8）：63-65.
[5] 季金花，陆剑峰，朱志浩，等. 数字化工厂技术在汽车制造企业布局规划中的应用研究[J]. 汽车工程，2009，31（11）：1103-1107.
[6] 张浩，樊留群，马玉敏. 数字化工厂技术与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2006.