基于Flexsim对M公司仪表组装生产线改善研究

Based on Flexsim Improvement of Meter Assembly Line of M Company Research

摘要: 针对M公司汽车零部件的市场需求，基于Flexsim、IE和整数规划对仪表装配线进行了改善，提高了生产线产量。首先利用Flexsim仿真分析了各工位利用率差异较大的问题，其中4号工位为瓶颈工位。其次，IE改进了员工动作，并通过整数规划调整了作业元素分配。最后通过Flexsim仿真验证了改进后的效果。将工作站数量从12个减少到11个；生产线总工时由254.12秒减少到251.42秒；平均利用率从42.52%提高到87%；产品数量从69个增加到133个，生产能力大大提高，实现了M公司汽车零部件生产的可持续发展。

Abstract: In response to the market demand of M Company’s auto parts, Integer programming is used to select the best workstation allocation by comparing the balance rate, and the output was increased. Firstly, Flexsim simulation was used to analyze the large difference in the utilization rate of each station, in which station No. 4 was the bottleneck station. Second, IE improves operator behavior and adjusts the allocation process with integer programming. Finally, Flexsim simulation is used to verify the improved effect. Reduction in the number of workstations from 12 to 11; the total working hours of the production line were reduced from 254.12 s to 251.42 s; the number of products has increased from 69 to 133, the average utilization rate increased from 42.52% to 87% and the production capacity has been greatly improved, realizing the sustainable development of M company’s auto parts.

1. 引言

M汽车零配件公司是一家外资子公司，其主要生产的成型品有汽车显示屏，散热器，冷凝器及车用电子零部件等。由于汽车打价格战，销量增加，M企业的订单需求量增加，但仪表单价被压低，人工和物料成本也随之增加，M企业获得的利润也随之减少。为了在汽车零配件市场中不被淘汰，一方面，企业通过和供应商压价来减少部件物料的生产成本；另一方面，对产品的生产线的平衡进行优化改善来提高生产效率，降低人力、时间和物料成本，通过这些改善来满足市场增加的订单需求。

S.G Ponnambalam [1] 总结比较了各种启发式算法，利用多目标遗传算法，并将基因替代为14种启发式规则，解决了ALB问题。Moreira M C O [2] 提出了一种改进的启发式方法，通过最小化工作站数，解决装配线上工人作业能力不一致的问题。Ozturk [3] 比较了混合整数规划、多约束规划和组合优先图在求解混流装配线生产平衡问题，其中多约束规划最佳。Moreno [4] 引入瓶颈问题，将生产效率变化最小化看做瓶颈分派问题，提出了三种不同的解决方案。Kucukkoc I [5] 制造系统面向定制产品效率低下问题，将U形装配线的高效率和混流线的灵活结合起来，提出一种新的启发式方法，比单独线路减少了工作站数。赵培杰 [6] 基于精益生产改善电动座椅滑轨装配生产线生产效率低问题，分析作业员、模具设备、运输条件等原因对装配生产线生产过程能力的影响，提出改善装配生产线效率的方案，优化滑轨生产过程。黄鹏鹏 [7] 针对A企业的装配生产线平衡率低的状况，运用IE理论与方法，对装配生产线系统地分析与优化，同时运用Witness仿真软件的结果评价改善效果。刘菲 [8] 考察H公司冷柜总装生产线存在效率低、均衡性差的现象，结合定性与定量(“5W1H”提问技术、“ECRS”原则、IE)出发，根据整数规划理论来构建冷柜的数学模型，获得冷柜装配生产线的最小生产节拍，并通过Flexsim仿真软件验证优化方案的有效性。张国辉 [9] 研究文件柜的生产线，运用Flexsim仿真软件对文件柜生产线进行建模仿真，确定生产线上的瓶颈工位，得出改善方案，并对改善后的文件柜生产线进行模拟仿真。

通过上述理论基础，因为单个方法很难解决现实车间里的生产平衡问题，因此本文采用IE人员动作经济化与整数规划模型来改善M公司仪表组装生产线的生产效率。

2. 现状描述

2.1. 生产流程

通过对M公司仪表组装生产车间的现场考察，按照公司车间规定的15%宽放时间，将L21B仪表组装的生产流程标准时间，整理如下表1示：

Table 1. Improved unit standard operating time for the front L21B meter

表1. 改善前L21B仪表的单位标准作业时间

2.2. 改善前Flexsim仿真

针对M公司的生产现状，对仪表组装生产线的49个工序进行模拟仿真，设置该仪表组装生产线模型的仿真时间为3600秒，根据市场生产需求创建发生器、处理器、暂存区和吸收器四个实体，在仪表组装模拟模型运行截止后，统计模型的运行数据，并截取仿真模型运行结束时的图，如下图1所示：

Figure 1. L21B meter assembly before the improvement of operating model

图1. L21B仪表组装改善前运行模型图

1) 处理器利用率图

待仪表组装生产线模型运行结束时，截取模型结束运行时各处理器的利用率，具体如下图2所示：

Figure 2. processor utilization

图2. 处理器利用率

根据以上处理器利用率状态图可知，处理器9的利用率最低只有10.85%，处理器4的利用率最高，达到了96.93%，且平均利用率为42.52%，该现象表明系统工序的利用率极不平衡。

2) 吸收器统计表

Figure 3. Processor utilization

图3. 处理器利用率

图3为运行结束后仪表组装生产线上模拟产量的统计表，3600秒的时间内，该仿真模型共生产了69个产品。

综上所述可知，一小时内仪表组装生产线可生产69个产品，L21B仪表组装生产线的瓶颈工位是工位4，工位9的利用率最低。最高与最低的生产利用率相差8倍，表明该生产线的工位分布极其不协调，需要对其进行改善。

3. 案例分析

3.1. 人员动作改善

1) 工位1是C/M安装，C/M放置在作业员的右手方向，拿取C/M时，C/M成型品的摆放位置拿取不方便，作业员需要探过身，右手从盒子里拿取C/M，左手接过C/M，右手拿取标签贴在C/M上，右手接过C/M，并扫码。整个C/M拿取中，转身是多余动作，且右手拿取C/M时，左手处于等待状态。右手扫码过程中，左手处于空闲状态。

改善：将成型品摆放的架子由原来的侧对作业员的位置，更改成面对作业员，减少部品移动时间，提高作业员的舒适度，节省了1秒，耗时1.20秒。

2) 工位2TFT安装，作业员在拿取架子上的基板时，会先用右手拿取身后的基板，在拿到基板后在将基板交换到左手操作。由于基板架子位置放置的原因，导致作业员在拿取基板时会存在换手动作。该换手动作在生产过程中多余，且不必要，造成人力浪费。

改善：将基板的位置调整，由原来的右手拿取换成左手直接拿取。减少一次作业员的换手动作，节约了0.5秒，耗时3.7秒。

3) 工位4打螺丝，作业员在安装两个CLIP时，时常会当发现作业员安装时，安装夹子感应经常会发生延时较长，这就会导致在安装过程中，作业员会存在一些等待或重复的行为。

改善：更新并对扫描机器维修，在机器完好时，指导作业员正确安装位置，治具应该具体夹住的部位，确保一次安装成功，节约了1.2秒，耗时2.25秒。

综合上面分析，通过改变C/M成型品的摆放位置和基板放置架子、检测修正CILP安装的改善，仪表组装生产线的周程总共减少了2.7秒。

3.2. 工序再分配

对于M公司仪表组装生产线，基于作业单元数量，生产总时和工位数不变的情形下，将最小生产节拍设为求解目标，来建立H模型，比较生产平衡率，定量化分析改善生产线，提高生产效率，降低生产成本，增加整体效益。

3.2.1. 模型假设

1) L21B仪表组装的作业加工工序顺序与标准时间等条件固定不变。

2) 工序必须由上一个作业员加工完，才可以加工下一个工序，且一个工序只能由一个作业员加工。

3) 仪表组装生产线的工序不可再拆分。

3.2.2. 约束条件建立

以最小生产节拍为目标，结合0~1整数规划和M公司车间的生产现实情形，确定模型的约束条件，约束条件与改善后的效果直接相关，所以约束条件的合理性十分重要。模型的约束条件如下：

1) 仪表组装生产线上的各个作业元素必须分配到工位上，且只能分配在一个工位。

2) 仪表组装生产线上的每个工位上至少有一个作业元素。

3) 仪表组装生产线上的每个工位的总作业时间不可以大于CT生产节拍，必须小于或等于CT。

4) 在仪表组装生产线中，如果i作业元素为j作业元素的紧前作业，则i作业元素必须在j作业元素之前作业。即当j作业元素分配到第s工位时，则i作业元素只能分配在s-1或在s工位j之前，不可以将i作业元素分配在其他工位。

$\text{S}\text{.t}\{\begin{array}{ll}{\displaystyle \underset{s=1}{\overset{S}{\sum }}{X}_{is}}=1\hfill & S=1,2,3,\cdots \hfill \\ {\displaystyle \underset{i=1}{\overset{I}{\sum }}{X}_{is}}\ge 1\hfill & s=1,2,3,\cdots \hfill \\ {\displaystyle \underset{i=1}{\overset{I}{\sum }}{X}_{is}{t}_i}\le CT\hfill & I=1,2,3,\cdots \hfill \\ {\displaystyle \underset{s=1}{\overset{S}{\sum }}s\left(X_{is}-Y_{js}\right)}\ge 0\hfill & i,j=1,2,3,\cdots \hfill \end{array}$ (1)

在公式(1)中，i，j为作业元素序号，I为作业元素的数量，s为工位序号，S为工位数量。 $t_{is}$ 表示为s工位上第i个作业元素的标准作业时间，CT为仪表组装生产线的生产节拍。i和j均服从优先关系 $P_{i,j}$ 。

$X_{is}$ ， $P_{i,j}$ 为整数规划的变量，如下：

$X_{is}=\{\begin{array}{ll}0\hfill & 第i作业元素不分配到第s工位\hfill \\ 1\hfill & 第i作业元素分配到第s工位\hfill \end{array}$

$P_{i,j}=\{\begin{array}{ll}0\hfill & i作业元素不是j作业元素的紧前作业\hfill \\ 1\hfill & i作业元素是j作业元素的紧前作业\hfill \end{array}$

3.2.3. 目标函数

根据描述的约束条件，针对仪表组装生产线，采用0~1整数规划理论，建立模型H，H为最小生产节拍如下：

$H=\min CT$ (2)

3.2.4. 模型求解

采用CPLEX对该模型求解，输入参数值、目标函数、约束条件，并选取工作站数量8、9、10、11、12，比较五个工作站的平衡率和平滑指数，选取其中平衡率最高和平滑指数最低的工作站，如表2所示。

Table 2. Balance rate and smooth index table

表2. 平衡率与平滑指数表

由表2可以看出，工位11的生产平衡率最高，生产平滑指数也相对较低，所以选取工位11的工序分配情形，分配状况如下表3示：

Table 3. Improved unit standard operating time for the after L21B meter

表3. 改善后L21B仪表的单位标准作业时间

3.2.5. 改善后Flexsim仿真

对改善后仪表组装生产线的49个工序进行模拟仿真，设置该模型的仿真时间为3600秒，统计模拟模型的运行数据，并截取仿真模型运行结束时的图，如下图4所示：

Figure 4. L21B meter assembly after the improvement of operating model

图4. L21B仪表组装改善后运行模型图

1) 利用率

Figure 5. The utilization rate of each station after improvement

图5. 改善后的各工位利用率

由图5知，改善后仪表组装生产线各个工位的利用率相近，相较之前各工位分配差距较大的问题，改善后的利用率得到极大改善，平均利用率为87%。

2) 生产数量

Figure 6. The improved production quantity

图6. 改善后的生产数量

图6为改善后仪表组装生产线运行结束后吸收器的统计图，3600秒的时间内，该组装生产线仿真模型共生产了133个产品。

由IE改善和整数规划重新分配工序情况得出，虽然仪表组装生产时间只是减少了2.7秒，工位减少1个，但组装生产线的平均利用率从42.52%提高到87%，生产数量从每小时69个提高到133个。生产线变得平衡，生产效率也得到明显提高。

4. 结论与展望

本文首先利用flexsim分析生产现状，发现利用率差距较大的问题。其次，改善人员动作，减少生产时间，并使用整数规划将作业元素重新分配，减少工位数。最后利用flexsim验证改善效果。

许多学者研究最小节拍、最小工作面积或生产平衡率来改善效率。本文将最小节拍和生产平衡率相结合，来达到提高M公司生产效率，降低生产成本，增加产量的目的。

综上所述，为了使仪表组装生产线的效率提高，采用IE经济化作业员的动作与整数规划重新分配作业元素。经过改善，仪表组装生产效率大大提高，工位从12个减少到11个，人员动作改善减少了2.7秒，仪表组装总生产时间从254.12秒减少到251.42秒。通过Flexsim模拟得出，改善前仪表装配线1小时可生产69个产品，而现在1小时可生产133个，平均利用率从42.52%提高到87%，实现M公司生产的可持续发展。

本文只是在人员动作和作业元素调整对仪表组装生产线进行改善，在此基础上，未来可以对组装生产线的布局或人机操作分析进行下一步改善。