基于Flexsim的车间布局优化

Workshop Layout Optimization Based On Flexsim
Haifeng ZHANG
Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China
Email:************************
Abstract: With the development of science and technology,the production mode of machinery manufacturing industry has developed from mass production to lean manufacturing and Just In Time manufacturing, and further to the computer integrated manufacturing and agile manufacturing style.The changes of production mode proposes propose the new requirements on workshop layout. As the complexity of the layout of the workshop, the traditional mathematical model to obtain the optimal layout of the program approach has been difficult to meet the needs of modern production methods. Application of computer simulation technology for optimizing the layout of the workshop can make up the layout of traditional methods in the workshop. In this paper, Flexsim is selected as virtual simulation software and makes dynamic layout, then we can identify bot-tlenecks in the plant layout and improve them, and improve the efficiency of the entire plant ultimately. Keywords: Workshop Layout; Flexsim; Simulation
基于Flexsim的车间布局优化
张海峰
武汉理工大学物流工程学院，武汉430063
Email:************************
摘要：随着科学技术的发展，机械制造业的生产方式已从大批量生产的生产方式向准时制造及精益生产发展，并进一步向计算机集成制造和敏捷制造方式转变[5]。

生产方式的转变对车间布局提出了新的要求。

由于车间布局的复杂性，传统的以建立数学模型，获得布置最优方案的方法已经很难满足现代生产方式的需求。

应用计算机仿真技术进行车间布局的优化可以弥补传统方法在车间布局优化中的不足。

本文选用了Flexsim软件对车间虚拟仿真，进行动态布局，从而找出车间布局中的瓶颈，并对其进行改善，最终改善了整个车间的生产效率。

关键词：车间布局；Flexsim；仿真
1 引言
车间布局是把对象系统的位置选择，平面布置，物流分析，物料搬运方式及运输工具的选择等进行具体的规划与设计，从而使各生产要素和子系统按照工业工程的要求得到合理的配置和布局，组成高效率的生产集成系统[1]。

传统设施布局是根据工程师的主观经验设计，缺乏科学性。

本文根据SLP方法找出某生产车间案例中原布局的不合理之处，提出优化布置方案，结合Flexsim仿真软件，提出更为合理的优化方案。

2 基于FLEXSIM的某生产车间布局的建模与仿真
2.1 某生产车间基本情况概况
以某机械加工企业的某小型机加车间为例，该车间主要生产钻床主轴、主轴箱。

该车间采用的是工艺型布局的方式，主要的工艺程序有原材料的检验，零件的车、铣、镗、磨、钳、热处理等。

该车间详细布局图见图1。

该车间主要加工的两个零件的工艺流程及各机加工序所消耗时间见表1，表2。

2.2 基于Flexsim对车间布局
对车间内的设施用FLEXSIM中的实体进行替换，分别用2个发生器代替原材料的到达，2个容量为200单位的缓存器代替2种原材料的临时存放区，2台处理器代替原材料检验区的两种原材料的检验，成品检验区用2台处理器来表示两种成品的检验，一个容量为200单位的代替隔离区。

机械加工区域（车、铣、磨等区域）分别是用一台处理器表示每个工序的加工，如车床区需要6次车的工序，用6台处理器分别来表
示这6个车床的工序。

按照车间布局在Flexsim进行建模（图2）。

Figure 1. The original workshop layout
图1.原车间布局
2.3 仿真报告输出及分析
打开统计中的统计收集，选择全部实体打开用来统计所以实体的状态。

在仿真时间为28800s时点击暂停，导出仿真报告。

选取部分实体的部分数据进行分析（表3）。

其中ProcessorJ代表用于原材料检验的处理器，ProcessorC为车床区的处理器，ProcessorX为铣床的处理器，ProcessorM为磨床区的处理器，ProcessorQ 为钳工区的处理器，ProcessorT为镗床区的处理器
P rocessorY为成品检验区的处理器，ProcessorQX为负责实体2（主轴箱）清洗的处理器，ProcessorQC为负责实体1（钻床主轴）切除余量的处理器。

Figure2. The model of original workshop layout in Flexsim 图2.Flexsim中的原车间布局模型
Table 1. The machining process of driling spindle
钻床主轴
工序号机加种类工艺消耗时间（s）
1 车粗车端面230
2 车粗车小端外圆252
3 车粗车端面和外圆
/热处理
230/60
4 车半精车小端外圆252
5 车车螺纹210
6 车半精车莫氏锥孔236
7 钳工划长线孔220
8 铣铣长孔120
9 铣粗铣，半精铣花
键
120
10 磨粗磨各段外圆，
锥孔
220
11 磨精磨各段外圆250
12 磨精磨花键220
13 磨精磨莫氏锥孔210
14 切除切除小端余量160
15 检验检验尺寸与精度160
Table 2. The machining process of spindle box
主轴箱
工序号机加种类工艺消耗时间（s）
1 铣粗铣顶面120
2 钳工钻R面上的孔并
攻丝
120
3 铣铣底面、侧面120
4 镗粗镗各轴孔300
5 镗精镗主轴孔280
6 清洗200
7 检验检验精度200
从仿真报告表中看以看出ProcessorJ1、ProcessorJ2、ProcessorQ1、ProcessorQ2、ProcessorC6、ProcessorX1均存在阻塞，特别是ProcessorJ1、ProcessorJ2的阻塞率已达到35.5%，而且这些处理器同时存在空闲时间。

各搬运工具Transporter1、Transporter2、Transporter3、Transporter4、Transporter5、Transporter6及Operator1的空闲率分别为74%、87.5%、85%、87.1%、86.1%、87.5%、94%。

显然搬运工具的空闲率过高，这说明车间内的搬运工具利用率不高。

除了上述可以直接从仿真报告中看出的定量数据外，通过观察仿真模型的运行过程可以看出车间内搬运路线存在迂回的现象，并且有些区域的布局不合理，如磨床区的位置设置，磨床区与铣床区，成品检验区
之间的工序紧密相连，而磨床区与铣床区和成品检验区的距离过大，从而造成了搬运路线过长，搬运时间上的浪费。

Table 3. Simulation report 1
表3.仿真报告1
Object content Idle（s）Processing
（s）Blocked （s）
ProcessorJ1 1 3855.46 14735.49 10217.18 ProcessorQ2 1 13123.60 12713.31 2980.73 ProcessorQ1 1 6651.58 14691.97 7474.09 ProcessorC6 1 7351.08 16997.09 4469.47
Rack2 69 0 0 0
Rack1 47 0 0 0 ProcessorJ2 1 4062.30 14516.75 10251.77 Queue13 0 0 0 0 ProcessorX1 1 4262.32 20512.72 4042.59 Transporter1 0 21334.39 0 0 Transporter2 0 25207.62 0 0 Transporter3 0 24619.24 0 0 Transporter5 0 24805.24 0 0 Transporter4 1 25111.17 0 0
Operator1 0 26812.91 0 0 Transporter6 0 25199.89 0 0
3 生产车间布局优化
3.1 基于SLP的车间整体布局设计
SLP是一种定量与定性分析相结合的一种布置方法，其中的物流相互关系的分析为定量分析，非物流关系的分析为定性分析。

利用SLP对车间进行整体的布局得出作业单位位置相关图（图3）。

各区域编号见表4。

最后根据各作业单位性质和功能以及充分利用场地、减少物流搬运和人性化设计等原则，重新设计车间区域布局（图4）。

3.2车间布局新方案的设计及仿真
本文在原方案仿真报告分析中已经分析了原方案布局中的不合理之处，现根据新布局对其中的不合理之处一一做出改善。

根据对原布局仿真模型的研究，处理器ProcessorJ1、ProcessorJ2、ProcessorC6的阻塞是由于这些处理器与它们下道工序之间的缓存区容量不够，所以需要增大这些缓存区的容量。

ProcessorQ1、ProcessorQ2、ProcessorX1阻塞是由于这些处理器的加工时间小于其后面的处理器，两者之间缺少缓存区，所以要分别为这些处理器设置缓存区。

Table 4.Region Number
表4.区域编号
编号区域编号区域
1 原材料临
时存放区
6 钳工区
2 原材料检
验区
7 镗床区
3 隔离区8 磨床区
4 车床区9 成品检验
5 铣床区10 成品存放
Figure 3.The correlative location of work units
图3.作业单位位置相关图
Figure 4. The new workshop layout
图4.新车间布局
撤去负责运送两个区之间物料的叉车1（Transporter1）。

由于布局的调整原本距离很远的铣床区和磨床区现在紧紧相邻，故负责物料1从铣床区到磨床区，再从磨床区到成品检验区的搬运的叉车4
1 2
8
7
6
5
4
3
9
10
（Transporter4）也可以撤去。

叉车2（Transporter2）、叉车3（Transporter3）、叉车5（Transporter5）的任务不变，给叉车（Transporter6）赋予新的任务。

叉车6（Transporter6）除了负责从检验区到成品存放区产品的搬运外还负责产品由切除ProcessorQC和清洗ProcessorQX到成品检验区的搬运。

现在根据有SLP得出的新方案整体布局和由对仿真报告1的分析得出的新方案改善设计可以得出基于FLEXSIM的新布局的仿真模型（图5）。

Figure 5.The model of new workshop layout in Flexsim
图5.Flexsim中的新车间布局模型
给新的仿真模型设置参数，运行新的仿真模型，导出仿真报告（表5）。

3.3结论分析
通过对比仿真报告1和仿真报告2可以看出，原方案成品存放区货架Rack1、Rack2上的成品分别为47、69，而新方案货架Rack1、Rack2上的成品分别为52、83，车间的生产率有明显的提高。

除了生产率有所提高外，在处理器的阻塞率方面，新方案的最高阻塞也只是ProcessorX2的447s，阻塞率约为1.55%，ProcessorM1、ProcessorQC1的阻塞率更低，几乎可以忽略，这与原方案的6台处理器存在阻塞，并且最高阻塞率到达35%相比有很大的改进。

最后再看搬运工具，从数量上看，新方案中只用了4辆叉车，而原方案用了6辆叉车，再从搬运工具的空闲率来看，在新方案中叉车的空闲时间相比搬运工具的空闲时间有所下降
4 总结
本文以Flexsim软件为主要工具，以SLP方法作为辅助对车间布置的基本布局形式、物流路径以及搬运系统做了整体的建模与仿真。

仿真结果表明：适量的缓存容量、正确的仿真策略、准确的调度原则可以提高现有设备布置条件下车间生产系统的整体效率。

Table 5. Simulation report 2
Object Content9
（s）
Idle（s）Processing
（s）
Blocked
（s）ProcessorJ1 0 109
5.18
18052.26 0
ProcessorM1 1 138
42.31
14980.82 34.04
ProcessorQ2 0 123
91.87
16311.54 0 ProcessorQ1 0 12272.51 16148.56 0 ProcessorC6 1 11448.52 17258.74 0 Rack2 83 0 0 0 Rack1 52 0 0 0 ProcessorX2 0 6335.72 22074.41 447.05 ProcessorX1 1 4035.44 24719.45 0 Transporter2 0 22363.87 0 0 Transporter3 0 23568.80 0 0 Transporter6 0 20210.28 0 0 Operator1 0 21003.99 0 0 Transporter5 0 24620.08 0 0 ProcessorQC1 0 18387.23 8833.01 7.97
References（参考文献）
[1]Lianhui Liu, Kuangxiang Peng. Logistics System Planning And
Analysis Design [M]. Beijing:China Logistics Press,2006.
刘联辉，彭邝湘. 物流系统规划及其分析设计[M].中国物资出版社.2006.
[2]Xin Zhou. Analysis and Design of the Workshop’S Facilities
Layout by SLP and Flexsim Software [J]. Machine Building & Automation,2010,40(3)
周鑫. 基于SLP和Flexsim的车间设施布置改善设计[J].机械制造与自动化，2010,40(3).
[3]Xiaoping Zhang, Wei Shi. Logistics System Simulation[M].
Beijing:Tsinghua University Press,2008.
张晓萍，石伟. 物流系统仿真[M].清华大学出版社.2008. [4]Yang Peng, Bei Wu. Logistics System Optimization And Sim-
ulation[M].Beijing:China Logistics Press,2007.
彭杨，伍蓓.物流系统优化与仿真[M].中国物资出版社.2007.
[5]Zhichun He. The Facility Arrange Modeling And Simulation Of
Machining Operation Workshop Based On Flexsim[D].Wuhan:
Wuhan University Of Technology,2009.
何智春. 基于Flexsim的机加车间设施布置建模与仿真[D].武汉理工大学，2009.
[6] S.Benjaafar, S.S.Heragu, S,A.Irani. Next Generation Factory
Layouts :Research Chanllenges And Recent Progress[J]. Inter-faces,2002,32(6):58-77.。