基于Plant Simulation的航空发动机叶片机加生产线仿真分析与优化

李 慧，孙元亮，张 超

(中国航空规划设计研究总院有限公司 智能技术中心，北京 100120)

0 引言

生产线仿真属于典型的离散事件系统仿真，在生产线规划设计阶段其目的主要是评价和论证设计方案的可行性，通过动态模拟生产线的运行过程，预测生产线的运行状态，验证设备布局的合理性，分析生产线的产能及设备利用率，优化资源配置，为生产线的优化设计提供依据[1-2]。

随着系统仿真技术的快速发展，生产线仿真技术在我国航空制造业中的研究与应用也越来越多[3-4]。屈琦等[5]以飞机中机身典型部件装配生产线为研究对象，基于Plant Simulation建立了装配生产线仿真模型，对装配生产线的产能、瓶颈、平衡率等问题进行了分析及优化。魏方剑[6]针对飞机脉动生产线，提出了多层级建模理论，并在DELMIA V6平台上构建了飞机脉动生产线的仿真模型，对系统运行状态、产能、资源利用率等进行了分析研究。张超等[7]以某民用航空发动机传动系统的齿轮与机匣综合加工厂房的规划设计为例，基于Plant Simulation平台，建立了该综合机加厂房的仿真模型，从产量满足率、设备利用率、在制品库存和生产线健壮性等多个指标进行了设施布局的仿真评价。张丽[8]应用QUEST仿真软件对某工厂钣金生产线进行了仿真建模，从产能、设备利用率、人员利用率等方面进行了仿真分析，并提出了改进方案，仿真结果表明改进后的方案生产周期大大缩短，设备闲置时间大幅减少。

本文以规划设计阶段某航空发动机高压工作叶片生产线为对象展开研究，基于Plant Simulation平台建立生产线的仿真模型，从产能、设备利用率、线边缓存等方面进行生产线性能评估，并以此为依据对叶片生产线进行初步优化，比较结果显示生产线性能得到了明显提高。

1 生产线仿真分析流程

生产线仿真应用的过程主要由三部分工作组成[9-11]：

(1)输入数据的采集与分析。根据仿真目标确定数据采集清单，通过调研获得相关数据，并对其进行分析，以满足仿真系统需求。在生产线规划设计阶段，仿真需要收集的数据通常包含生产纲领、生产线布局方案、产品工艺流程、生产设备类型、物流运输方式、各种工时数据等。仿真输入数据的质量直接影响着仿真输出结果的有效性和可信度。

(2)仿真模型的构建与验证。基于仿真平台构建生产线的仿真模型，仿真模型建立后，必须进行验证。验证仿真模型的正确性以及仿真模型与实际系统的相关性。如果仿真模型运行结果与生产线实际或预测状态存在偏差，则需要根据具体情况，对仿真模型的基本对象、逻辑控制、物流系统等进行相应修正，并重新进行验证，直到验证通过。仿真模型的构建和验证是一个相互交替的过程。

(3)仿真结果的分析与优化。观察仿真运行情况，根据仿真输出结果量化分析生产线的产能、生产效率、瓶颈、健壮性等相关指标；然后基于分析结果对生产线进行优化并再次构建仿真模型，验证优化方案的可行性，和预期目标进行对比验证，直至结果满足需求。仿真结果的分析与优化和仿真模型的构建与验证是一个相互迭代的过程。

本文以某航空发动机叶片机加生产线为研究对象，基于Plant Simulation平台进行生产线的仿真分析和优化。

2 叶片机加生产线建模

2.1 叶片机加生产线描述

某工厂规划一条叶片数字化机加生产线，主要承担某型号发动机的10个型号叶片的机械加工任务，该生产线拟实行全天24h无人干预运行，采用机器人进行工序间周转及上下料，年产合格叶片(产品合格率按95%计算)数量达到25200件。

该生产线主要承担叶片的粗铣、精铣、抛磨以及三坐标检测等工序，加工工艺流程如图1所示。该生产线仿真主要关注3个方面：

(1)产能是否满足需求；

(2)主要设备平均利用率能否达目标值80%；

(3)零线边缓存是否可行。

图1 加工工艺流程

2.2 仿真模型的建立

Plant Simulation是面向工厂、生产线及生产物流过程的仿真与优化的工具软件，在建模、仿真和数据分析等方面都具有明显优势，因此本文采用该软件进行仿真建模。根据规划的生产线方案，建立仿真模型，如图2所示。

仿真模型中，根据各产品各工序采用的设备设置加工时间，运输机器人行走速度与加减速度分别设定为1m/s和0.3m/s2，装夹与卸载时间设定为20s。仿真模型严格按照各产品加工工艺流程运行，由于生产线中不包含缓存区，因此在设备加工完成后增加判断，以防卡死，如当抛磨和清洗设备都被占用时，五坐标加工完成的产品不能去三坐标检测，需等待清洗设备或抛磨设备空闲时再执行配送。仿真过程中具体设置如下：①生产线三班运行，仿真按照5350h进行；②粗铣抽检及精铣抽检按每班的首件必检及过程中10%检测，抛磨检测要求所有产品100%检测；③产品合格率按95%设置随机数；④保证上料充足；⑤加工时间在采集的加工时间基础上考虑上下5%的波动。

图2 生产线仿真模型

3 叶片机加生产线仿真分析及优化

由于离散事件的随机性，不能仅由1次仿真结果而得出评价结论。本文利用Plant Simulation提供的Experiment Manager元件进行仿真试验，设定每次试验观察次数为10次，置信率为95%。本生产线仿真旨在研究该生产线连续长期运行时系统的各项性能指标，即当系统达到稳态后系统的绩效指标。具体措施为：先运行10h后认为模型运行基本稳定，记录下小该时段末的各产品的产量；再继续运行5350h后停止运行，记录下各产品产量，最终两者求差值得到仿真模型平稳运行5350h后的产量。

3.1 叶片机加生产线仿真结果输出与分析

在假设零缓存，机器无故障运行的条件下，得出生产线运行结果如表1所示。

表1 年产量仿真结果

图3 设备利用率

以上仿真结果表明，在零缓存、机器无故障运行条件下，各产品产量满足率约为75%，关键设备平均利用率约为64%，该生产线规划方案无法满足生产纲领要求。原因主要有：①生产线不平衡，4轴加工中心作为首道工序加工设备是整个生产线的瓶颈；②加工设备阻塞和等待占时较长，这主要是由等待运输机器人的装卸和等待下一道设备加工完成两方面原因造成的。其中等待运输机器人的装卸时间长度主要由运输机器人的运行速度及装卸时间决定，受到机器人本身性能的影响，通过仿真试验发现当机器人装卸产品时间减少至10s，其他条件不变的情况下，设备平均利用率可提高约5%。

综上，由于等待运输机器人的装卸时间长度受机器人本身性能的影响，因此这里主要采用优化加工工艺和增加缓存区的方式，对生产线设计方案进行优化：

①优化加工工艺，通过与工艺人员沟通与试验加工，可以将四轴加工中心承担的部分加工任务调整到五轴加工中心进行，提高生产线平衡率；

②增加缓存区，减少产品占机等待，缓存区容量大小通过仿真确定。

3.2 叶片机加生产线初步优化

经过多轮分析和比较，在五坐标加工中心和数控抛光机中间增加了线边缓存区。改进后，假设线边缓存区容量为无限大，仿真模型运行一年，总产量为25015件，产品满足率约为99.3%，线边缓存区最大占用数量为8。

图4和图5分别是生产线优化前后的产量、设备利用率情况的对比，从中可以看出，在无故障运行条件下，各产品年产量较改进前增长约24%，平均设备利用率为81.5%，较优化前提高17.3%。同时从图5中可以看出，4轴加工中心和五坐标加工中心的设备阻塞占比分别降低约3%和10%，数控抛光机的阻塞占比略有增长，这主要是有两方面原因造成的，一是增加线边缓存区后有效降低了已加工完成的产品占用设备的时间，二是产能提升后，设备等待运输机器人装卸的次数增多。

图4 优化前后产量比较

图5 优化前后设备利用率比较

从仿真分析与优化结果可以看出，优化后的生产线产能基本能够满足生产纲领要求；主要设备平均利用率为81.5%，基本达到了目标值；零线边缓存不可取，应配置容量最少为8的线边缓存区。

4 结论

本文利用Plant Simulation构建了仿真模型，通过分析对生产线进行了初步优化，提高了生产线性能。从改善后的结果可以看出，产能增加了24% ，设备平均利用率增加了17.3%，生产线性能得到了较大程度的提高。研究结果表明，在生产线规划设计过程中，通过生产线仿真能够有效地分析出设计方案可能存在的问题，对提高生产线设计质量和设计效率有重要意义。