Optimization and Simulation of Movable Cabinet Assembly Line Based on Flexsim
葛晓梅 GE Xiao-mei；李乾隆 LI Qian-long；张曦 ZHANG Xi；
韩佳丽 HAN Jia-li；张哲 ZHANG Zhe
（郑州航空工业管理学院管理工程学院，郑州 450046）
（School of Management Engineering，Zhengzhou University of Aeronautics，Zhengzhou 450046， China）
摘要：以某活动柜手工装配线为研究对象，用秒表测时法测定各工位的标准时间，利用Flexsim进行仿真与分析，找出瓶颈工位和不合理因素，从布局、现场管理和动作方面进行优化，重点从工业工程微观的角度，借助动作经济原则对瓶颈工位进行动作改善，并对改善方案进行仿真验证。结果表明，优化后的装配线平衡率由78.08%提高到83.91%，日产量提高12.3%，改善效果明显。
Abstract: A movable cabinet manual assembly line is taken as the research object. The standard time of each station is measured by stopwatch time method. The simulation based on Flexsim is applied to find out the bottleneck station and unreasonable factors. The improvement is carried out from layout, site management and motion. From the microcosmic point of industrial engineering, the motion improvement of bottleneck station is carried out with the principle of motion economy. The proposed program is verified by simulation. The results show that the balance ratio of assembly line is increased from 78.11% to 83.90%, and the daily output is increased by 12.3%, the effect is obvious.
关键词：Flexsim仿真；装配线平衡；工业工程；动作经济原则
Key words: Flexsim simulation；assembly line balancing；industrial engineering；principle of motion economy
中图分类号：TH186 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0190-04
0 引言
活动柜具有容量大、可自由拆装、移动方便等优点，带来了市场需求的快速发展。组装是活动柜制造中的最后一道工序，主要采用流水线手工装配，但装配线存在工位间负荷不均衡、生产效率低和工人作业疲劳程度高的问题。因此，如何提高装配线的平衡率和生产效率成为活动柜装配线优化的重点。
近年来，很多学者运用仿真软件（如Flexsim、eM-plant、Wintness等）进行生产线仿真[1-6]，但研究重点是借助仿真软件找出生产瓶颈，从工艺改进、布局或仿真参数改变等方面提出改善方案，并没有对瓶颈进行深入分析。有学者结合工业工程进行生产线优化与仿真，但主要应用ECRS原则从宏观上进行工序及人员的优化[7-10]，对机器设备较多的生产线进行人机作业分析[11]，但对手工装配线的瓶颈工位进行微观动作分析的研究很少。本文借助Flexsim软件对活动柜装配线进行仿真与分析，寻找瓶颈工位和不合理因素，从工业工程微观的角助动作度，借经济原则对瓶颈工位提出详细解决方案，以提高装配线的平衡率及产能。
1 装配线现状分析
本文以薄边鹅颈拉手活动柜为研究对象，该产品装配流程如图1所示，每个工序在一个工位上加工，所有工位均为手工装配，除包装工位两名工人，其余各工位均为一个工人作业。装配线呈单向直线型布局，每个工位之间约为1.8米，采用辊子式输送机，半成品通过托板进行运送，最后一道工序包装完成后，由包装工人将空托板运至第一道工序。该企业实行订单式生产，每天的产能要达到395台/天才能满足市场需求，该装配线实际产能为355台/天。
采用秒表测时法对对各工位进行时间测定，把产品在输送机上的运输时间计入各工位作业时间中，得到各工位的标准时间，如图2所示。
2 装配线仿真与分析
2.1 仿真模型的设计
在Flexsim中添加实体建立模型，将实体进行A或S连接，如图3所示。发生器代表待组装的活动柜零件及物料；安装顶板和锁杆、安装轮子、安装抽屉滑轨、安装小抽屉、安装大抽屉等代表各个工位；暂存区1-8用来存放每道工位完成后的半成品；使用叉车将成品搬运至货架区；货架代表仓库用于储存成品。
设定各实体模型参数，将各工位的标准时间导入模型，发生器的到达时间间隔为正态分布，设置时间间隔与第一道工位相同。
2.2 模型的运行
该装配线为单班工作八小时工作制，设定仿真时间为28800秒，得到仿真数据报告如表1所示。
从表1可知，该装配线的日产量为366台/天，安装抽屉滑轨工位的标准时间高达77.5秒，为该装配线的瓶颈工位，平衡率P=各工位标准时间总和/（工位数×CT）=484.1秒/（8×77.5秒）=78.08%，平衡率偏低，工位间负荷严重不均衡，安装小抽屉和安装大抽屉两个工位的空闲率高达40%以上。瓶颈工位前的暂存区2在制品有155台，滞留严重。
3 装配线优化方案
3.1 布局优化
根据Flexsim仿真结果，发现该装配线工位之间衔接较慢，一方面主要由于各工位之间距离过大，半成品运送到下一工位时间较长；另一方面由于使用人工搬运托板导致工人劳累，易使第一工位缺少托板而造成等待。为了解决以上问题，将装配线布局为U型，考虑工人的操作范围将各个工位之间距离缩短至1.3米，改善前后的布局如图4所示。改善后，每个工位搬运距离减少28%，尤其包装工位，减少了长距离来回搬运托板，停滞时间节约20%。
3.2 现场5S活动
现场存在物料随意存放且无标识、工具摆放不规范、废料不及时清理和在制品堆积等问题，严重影响作业效率，针对以上问题，开展5S活动。①将与当前产品组装无关的原材料、半成品进行清理；②将有用的物料和工具合理摆放，每个物料箱进行合理定位，并配有标识卡；③及时清扫现场的包装垃圾及废料，保持现场的清洁。通过5S活动减少员工寻找、选择的时间，提高作业效率。
3.3 瓶颈工位改善
安装抽屉滑轨工位为瓶颈工位，作业内容为：工人首先去物料架取六根滑轨，然后分别在箱体左侧和右侧各安装三根滑轨。对该工位进行双手作业分析如图5所示。
经过分析发现问题如下：
①拿取物料单手操作，造成另一手等待；多次取放滑轨，取放和移动动作过多；
②滑轨摆放位置距离较远且在工人身后，造成工人大量转身和步行作业；
③箱体较高，工人安装滑轨时动作等级过大，尤其安装最上端滑轨，需要抬高大臂，容易疲劳；
④安装滑轨时，由于很难看到滑轨待安装部位，造成定位滑轨困难，需要多次检查修正；安装右边滑轨时左手操作，动作不自然，操作效率较低。
结合动作经济原则，对以上问题进行改善：
①物料方面：增加一个可移动且高度合适的载物箱，放于装配前方且易拿取位置，减少工人因大量转身作业和步行造成的时间的浪费，同时降低工人的疲劳。
②工具方面：将所使用的工具吊挂在工作台上方，减少不必要的动作浪费。
③动作方面：培养工人的动作经济意识，将物料放到操作者容易抓取位置，一次抓取后直接装配，减少反复取放物料的动作；简单的抓取动作可双手同时进行，以平衡双手动作，减少时间浪费。
④布置方面：将箱体旋转为水平放置，降低操作高度，降低动作等级；箱体开口向上，可以使操作员在在目视下操作，降低操作难度；左右两侧的滑轨都采用右手安装，提高操作效率和准确度，使动作轻松自然。
瓶颈工位改善前后对比如图6所示。
对以上改善，绘制改善后的双手作业图如图7所示。改善后，左手移动次数减少7次，左手操作减少了8次，取消了左右手的等待动作。
对改善后的各位工位，进行秒表测时，得到各工位的标准时间如图8所示，瓶颈工位的标准时间由77.5秒降低到了68.9秒。
4 改善效果评价
对提出的改善方案进行仿真验证，重新构建模型如图9所示。将改善后的数据录入Minitab进行数据拟合，将得出的参数录入每一台新模型实体器，设定28800s的仿真时间，运行仿真模型，仿真结果如表2所示。
从仿真结果可以看出暂存区1、暂存区2滞留半成品明显减少，瓶颈工位半成品堆积由155台降低至120台，各工位空闲率均低于36%，平衡率=462.5秒/（8×68.9秒）=83.91%，相比改善前的平衡率78.08%提高了5.83%，日产能由到366台/天提高到411台/天，提高了12.3%，且满足了市场需求。此外，工人的作业疲劳程度也有所降低。
5 结论
运用Flexsim软件对活动柜装配线进行仿真与分析，找出瓶颈工位，借助工业工程知识从布局、现场5S和动作改善进行优化，重点结合动作经济原则对瓶颈工位进行动作分析，提出了详细的改善方案，并对其进行仿真，验证了改善方案的可行性。将动作改善和仿真优化进行结合，系统性地分析和优化装配线，在提高生产效率的同时，降低了工人的作业疲劳程度，该方法对手工装配线优化具有重要的借鉴意义。
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