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摘要：本文以象棋雕刻产线为研究对象，利用 FlexSim 离散仿真软件搭建全流程虚拟模型，覆盖上料机械臂、CNC 雕刻、输送、质检、包装、返修模块。结合企业实测工时完成仿真运算，得出原始产线平衡率仅 61.3%，核心瓶颈为雕刻工序与人工检验。分别设计增设雕刻设备、机器视觉质检、两者结合三套优化方案仿真对比，结果显示组合优化方案日产能提升 37.5%，产线平衡率提升至 85.7%。研究证实仿真工具可低成本完成传统工艺品产线瓶颈诊断与方案预演，为同类中小企业数字化改造提供参考。关键词：FlexSim；生产线仿真；产线平衡；象棋雕刻；机器视觉

1 引言

传统象棋加工多为半自动化模式，产线排布、工序匹配依靠现场经验，无法精准量化设备负荷、在制品堆积等损耗。离散事件仿真可搭建产线数字镜像，无需停产即可模拟生产全过程，FlexSim 是工业领域主流仿真软件，可直观复现物料流转、设备占用状态，完成瓶颈识别与优化方案验证。

现有 FlexSim 仿真文献多针对汽车、机械、电子制造行业，针对传统工艺品加工的研究较少。本文构建象棋雕刻仿真模型，量化分析产线短板，设计多维度优化方案并对比仿真数据，填补文创加工产线仿真研究空白。

2 工艺流程与仿真建模

2.1 生产线工艺流程

建模范围为象棋毛坯至成品包装完整工段：机械臂抓取毛坯送入传送带→CNC 雕刻字符→质量检验分拣，合格品进入包装工序，不良品转运至返修缓存二次加工。雕刻分简体、繁体两类字符，工时差异明显；人工质检采用图像比对判定，系统设置 3% 不良率。

2.2 FlexSim 模型实体与逻辑

模型实体配置：Source 生成毛坯，物料间隔 6s 匹配上料节拍；Queue 为工序前置缓存，单区容量 20 件；Processor 模拟雕刻、质检、返修加工；Conveyor 皮带长 8m，输送速度 0.2m/s；Combiner 完成 32 枚棋子成套包装；Sink 统计成品与次品；Recorder 记录设备利用率、在制品数量等指标。

模型通过全局表存储不同字符雕刻工时，触发器随机分配棋子类型，还原真实生产工时波动；检验工位识别不良品后自动转运至返修区，形成闭环生产。

2.3 参数设置与模型验证

各工序工时依据现场实测拟合分布。仿真设置单班次 8h，前置 1h 预热消除启动偏差，重复运行 10 次取平均值。仿真指标与企业实际生产数据对比误差小于 5%，模型具备工程有效性。

3 理论公式与仿真结果瓶颈分析

3.1 核心指标计算公式

1. 生产线平衡率

为平衡率，为单工序工时，为工序数量，为瓶颈工序工时，数值越接近 100% 工序匹配度越高。

2. 设备利用率

为设备利用率，为有效加工时长，为总运行时长，利用率超 85% 判定为高负荷瓶颈设备。

3.2 瓶颈判定分析

两台雕刻机利用率均高于 90%，前端缓冲区持续堆积物料，为一级瓶颈；人工质检负荷 78.5%，虽未满负荷，但人工作业存在疲劳衰减，长期运行易造成阻塞，为二级瓶颈。整体平衡率仅 61.3%，工序节拍差异大，优化空间充足。瓶颈成因：雕刻设备数量不足，繁简字符混流未做排产优化；人工质检存在速度上限，无自动化替代方案。

4 优化方案设计与仿真对比

4.1 优化方案设计

方案一：设备扩容。雕刻机由 2 台增至 3 台，采用繁简字符交错投产，平滑工时波动。方案二：质检自动化。机器视觉替代人工检验，单件检测时长由 8.2s 降至 3s，自动分拣不良品。组合方案：同步增设雕刻设备 + 升级视觉质检，同步消除两级瓶颈，实现系统均衡优化。

4.2 仿真数据对比

产能提升率公式：

为产能提升率，为优化后产量，为原始产量。

表 3 各优化方案仿真指标对比

单点优化存在瓶颈转移问题：仅增加雕刻机后，质检工位负荷上升至 82.4%，形成新瓶颈；仅更换视觉设备，雕刻高负荷问题未解决，产能提升有限。组合方案同步优化两处瓶颈，设备负荷降低、在制品积压减少，产线均衡度大幅提升，优化效果最优。

5 结论

1. FlexSim 仿真可精准识别传统工艺品产线隐性瓶颈。依托实测工时搭建的虚拟模型，无需停产改造即可定位高负荷工序与均衡度缺陷，为传统中小企业提供低成本诊断工具。

2. 多工序协同优化优于单点改造。单一设备扩容或工位自动化仅能局部提升产能，易出现瓶颈转移；组合优化方案产能提升 37.5%，平衡率提升至 85.7%，系统性改造效果显著。

3. 本文 “建模诊断 - 瓶颈识别 - 多方案仿真验证” 框架具备行业推广价值。整套流程依托现场实测数据，通过量化仿真对比辅助产线改造决策，适配数字化基础薄弱的文创加工企业。

后续研究可加入设备随机故障、人员熟练度变量，进一步提升仿真模型贴合实际生产的程度。

参考文献

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杨紫晴

北京建筑大学