基于工藝流程及產(chǎn)能節(jié)拍的數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)方法研究

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 帥朝林 陳雪梅 劉順濤

生產(chǎn)工藝布局作為制造系統(tǒng)在工廠的靜態(tài)空間結(jié)構(gòu)形式的具體體現(xiàn)，對企業(yè)的重要性毋庸置疑，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定了生產(chǎn)物流是否順暢、成本是否合理、生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足要求以及企業(yè)能否獲得最大的效益等。可以說，工藝布局設(shè)計(jì)和最優(yōu)化的本質(zhì)是相應(yīng)制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的體現(xiàn)。

飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性特點(diǎn)決定了其裝配單元繁多、相互間協(xié)調(diào)復(fù)雜。傳統(tǒng)的工藝布局設(shè)計(jì)方法是依靠工程人員的經(jīng)驗(yàn)，直接在二維平面圖紙上進(jìn)行各裝配單元及各類資源的規(guī)劃布置，既無法考慮整個工藝布局在三維空間中的合理性，更無法提前判斷實(shí)際運(yùn)作時工藝流程及物流運(yùn)轉(zhuǎn)的合理性。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)能夠在工藝流程及生產(chǎn)節(jié)拍分析的基礎(chǔ)上，快速實(shí)現(xiàn)三維空間尺度下的廠房工藝布局，并對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)空間布置、生產(chǎn)流程、物流流轉(zhuǎn)甚至人力資源配置等方面的問題，為解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的種種問題提供了有效途徑[1-2]。

本文以某型飛機(jī)的數(shù)字化裝配生產(chǎn)廠房的工藝布局為研究對象，通過飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝流程研究，探討基于工藝流程及產(chǎn)能節(jié)拍的數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)方法，在目前工藝布局領(lǐng)域最常用的系統(tǒng)布置方法SLP基礎(chǔ)上引入了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對總體布局規(guī)劃、產(chǎn)品工藝流程、生產(chǎn)節(jié)拍分析、設(shè)備和裝配線布局及物流規(guī)劃等內(nèi)容進(jìn)行了分析和實(shí)踐。

基本方法描述

1 布局設(shè)計(jì)方法

工藝布局是設(shè)施規(guī)劃與設(shè)計(jì)的核心，也是物流設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)。常用的布局設(shè)計(jì)方法有擺樣法、數(shù)學(xué)模型法、圖解法和系統(tǒng)布置法（SLP）[3]。擺樣法是按一定比例制成樣片在同樣比例的平面圖上表示設(shè)施系統(tǒng)的組成，該方法適用于簡單的布局設(shè)計(jì)，對復(fù)雜的系統(tǒng)不能精確解決；數(shù)學(xué)模型法是運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程中的模型優(yōu)化技術(shù)研究最優(yōu)布局方案，提高了系統(tǒng)布置的精確性和效率，但該方法無法滿足條件復(fù)雜的問題求解；圖解法將擺樣法和數(shù)學(xué)模型法結(jié)合起來，但實(shí)踐上較少應(yīng)用；系統(tǒng)布置方法（SLP）是Muther提出的一套統(tǒng)一化、系統(tǒng)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，該方法提出了作業(yè)單位相互關(guān)系密級表示法，使布置設(shè)計(jì)由定性階段發(fā)展到定量階段，通過明確的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，求得合理布置，具有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用性。

SLP方法本質(zhì)上是一種循序漸進(jìn)的方法，從物流分析的角度出發(fā)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的布局，保證人流和信息流的通暢，使人、財(cái)、物合理利用，達(dá)到提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效益，降低運(yùn)行成本的目的[4]。該方法將布局的依據(jù)和切入點(diǎn)歸納為了產(chǎn)品P、產(chǎn)量Q、工藝過程R、輔助部門S及時間T共5個要素，并按如圖1（a）所示的過程開展工作。SLP方法本身得到的結(jié)果是一系列的二維靜態(tài)平面布局方案，無法反映具有時間概念的動態(tài)情況即系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)作的效果，布局過程中雖然已經(jīng)有了系統(tǒng)優(yōu)化思想，但由于當(dāng)時計(jì)算仿真手段落后，手工布置程序繁瑣，往往僅能得到一些非劣解而非最優(yōu)解，導(dǎo)致設(shè)計(jì)者能最終提供給決策者的方案較少，選擇余地不大，該方法的優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。

為克服SLP方法的上述缺點(diǎn)，本文在傳統(tǒng)SLP方法基礎(chǔ)上引入了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對布局方案進(jìn)行仿真建模和快速設(shè)計(jì)，提供更多的方案供選擇，并對其進(jìn)行評價和優(yōu)化，以求得到布局的最優(yōu)解，改進(jìn)后的流程如圖1（b）所示。

圖1 SLP方法及改進(jìn)

2 生產(chǎn)節(jié)拍

節(jié)拍，是指生產(chǎn)流水線上連續(xù)出產(chǎn)兩個相同產(chǎn)品之間的時間間隔。流水化生產(chǎn)要求加工對象按既定的工藝順序，以規(guī)定的節(jié)拍，連續(xù)不斷地通過各道工序，具有連續(xù)性、比例性、平行性和節(jié)奏性等特點(diǎn)。生產(chǎn)線上設(shè)備和工藝裝備針對加工對象的工藝要求配置，力求使各道工序具有大致相等的生產(chǎn)率或各道工序的生產(chǎn)能力符合比例性要求。

現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)管理理論指出,每道工序的加工時間等于或接近流水線的節(jié)拍，或與節(jié)拍成整數(shù)倍關(guān)系。節(jié)拍是生產(chǎn)流水線的工作參數(shù)，可根據(jù)下式計(jì)算[5]：

其中，r為流水線平均節(jié)拍，t為工序的作業(yè)時間，T為計(jì)劃期內(nèi)有效工作時間，N為計(jì)劃期內(nèi)生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量。

3 生產(chǎn)節(jié)拍協(xié)調(diào)方法

飛機(jī)裝配過程中根據(jù)工藝分離面的劃分設(shè)置了多個裝配工位，單純從位置、生產(chǎn)時間及制造對象來看，各工位之間是相對獨(dú)立的，但飛機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、裝配流程及生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃等因素將這些在空間與時間上相對獨(dú)立的裝配工位有機(jī)地緊密結(jié)合在一起，需要在正確的時間向?qū)?yīng)的工位發(fā)出對應(yīng)的生產(chǎn)指令，控制各個工位的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各工位之間的協(xié)調(diào)，以保證某個工位的產(chǎn)品在規(guī)定的時刻能夠輸送到另一個工位的特定工序處（從屬模式，如圖2（a）所示），或者多個工位的產(chǎn)品在規(guī)定的時刻能夠同時輸送到另一個工位的特定工序處（并列模式，如圖2（b）所示）。

假設(shè)工位A的生產(chǎn)節(jié)拍為rA，產(chǎn)品完工后進(jìn)入工位B的i工序，假設(shè)工位B的生產(chǎn)節(jié)拍為rB，根據(jù)公式（1），兩個工位的生產(chǎn)節(jié)拍可表示為：

對于從屬模式，其裝配關(guān)系為：

其中，nA、nB分別為工位A和工位B的工序數(shù)。

根據(jù)公式（2）、（3）可以得到：

因各工位的工序數(shù)固定，對公式（4）求導(dǎo)可得：

即：

對于并列模式，其裝配關(guān)系為：

由公式（2）可得：

兩邊求導(dǎo)可得：

圖2 裝配過程中的工位協(xié)調(diào)關(guān)系

從上述分析可以看出，當(dāng)兩條生產(chǎn)線為從屬關(guān)系時，要保持生產(chǎn)線之間的協(xié)調(diào)，工序數(shù)與節(jié)拍（或節(jié)拍的變化量）的乘積必須保持不變。換句話說，工序越多，節(jié)拍值（或節(jié)拍的變化量）越??；工序越少，節(jié)拍值（或節(jié)拍的變化量）越大。當(dāng)兩者之間不匹配時，現(xiàn)場生產(chǎn)呈現(xiàn)不連續(xù)，有些工位需要采取加班等措施，而有些工位則出現(xiàn)產(chǎn)品積壓或等待現(xiàn)象。而當(dāng)兩條生產(chǎn)線為并列關(guān)系時，要保持兩者之間的協(xié)調(diào)，它們的節(jié)拍（或節(jié)拍的變化量）必須保持相等。

數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)流程

進(jìn)行數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)的基本思路，是以工藝技術(shù)方案特別是工藝流程為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)周期得到對應(yīng)的生產(chǎn)節(jié)拍，結(jié)合產(chǎn)能需求獲得各工位的配比關(guān)系及其他各類生產(chǎn)資源的配置，最終結(jié)合廠房的實(shí)際面積和結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間布局設(shè)計(jì)。有了基本的布局方案后，再通過數(shù)字化仿真分析工具從流程、空間、人機(jī)工效等方面對布局進(jìn)行仿真分析乃至優(yōu)化，經(jīng)過多輪迭代，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的工藝布局，整個設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)流程

2 空間布局

三維空間布局是針對工位配置方案和廠房結(jié)構(gòu)，對整個裝配生產(chǎn)過程中所涉及的工藝裝備、吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等資源按照工藝流程及物流需求進(jìn)行的三維布置。與傳統(tǒng)的二維圖布局相比，能夠在上述各類資源實(shí)際安裝布置前，提前直觀地看到工藝布局方案的總體效果，避免后期因考慮不周而帶來的不必要調(diào)整造成的巨大浪費(fèi)和嚴(yán)重拖期。

空間布局主要包括如下工作內(nèi)容：

（1）三維建模。

進(jìn)行空間布局所需的三維模型主要包括廠房的三維模型和所有工藝裝備、工裝、工作梯、吊裝設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、可視化終端等，需嚴(yán)格按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。以廠房為例，需包括墻體、橫梁、立柱、門窗、地面等特征。這些模型是進(jìn)行三維工藝布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其完整性直接決定了三維空間布局的完整性、真實(shí)性及合理性。

（2）三維布置。

在Delmia的Plant Layout模塊下將三維模型全部導(dǎo)入，并按照工藝流程中所確定的裝配順序及物流需求進(jìn)行布置，布置完成后軟件可根據(jù)模型的實(shí)際尺寸來確定工裝的三維預(yù)留空間，以便于進(jìn)行空間的物流規(guī)劃，保證部件在空間維度上的轉(zhuǎn)運(yùn)暢通。

3 仿真分析及迭代優(yōu)化

在初步規(guī)劃的工藝布局完成后，為驗(yàn)證其布局的合理性，提前暴露可能發(fā)生的生產(chǎn)作業(yè)、物流運(yùn)輸?shù)葐栴}，需進(jìn)行仿真分析。本研究中采用了Delmia仿真工具完成此項(xiàng)工作。

1）進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，新型技術(shù)需要滿足設(shè)計(jì)師對建筑信息的需求，BIM技術(shù)中應(yīng)用到的軟件可以將觀察到的對象信息設(shè)計(jì)成整體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；

仿真分析工作主要包括如下工作內(nèi)容：

（1）流程分析。

流程分析是在三維靜態(tài)布局的基礎(chǔ)上，按照產(chǎn)品裝配順序進(jìn)行的零件、組件、部件、運(yùn)輸設(shè)備等資源的合理性仿真，以驗(yàn)證裝配順序的合理性，并以此優(yōu)化裝配工藝布局；通過吊裝仿真，驗(yàn)證產(chǎn)品在空間轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的通暢性；通過物流仿真驗(yàn)證并優(yōu)化產(chǎn)品在周轉(zhuǎn)過程中的最優(yōu)路徑。

（2）空間分析。

傳統(tǒng)平面布局中一般是通過經(jīng)驗(yàn)對所有資源的平面尺度下的靜態(tài)尺寸進(jìn)行分析，常常造成平面布局與實(shí)際生產(chǎn)布局在空間尺度上的差異較大。通過三維工藝布局的空間仿真分析，可以觀察各工位在裝配過程中產(chǎn)品與工裝等資源的動態(tài)空間干涉情況，以此確定需要預(yù)留的空間位置，如圖4所示。

圖4 空間仿真分析

（3）人機(jī)工效分析。

人機(jī)工效仿真分析是針對人員與工位布局、通道設(shè)置、工作梯設(shè)置、工作空間規(guī)劃的合理性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，使人員進(jìn)出工位的路徑簡捷、通暢，操作空間舒適、安全，減少或消除冗余時間消耗，如圖5所示。通過人機(jī)工程學(xué)分析，確保在人的視線范圍實(shí)現(xiàn)抓舉與接觸等動作。通過工程產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工具及相關(guān)手工工具和外圍設(shè)備的三維CAD幾何數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)制造、維護(hù)工藝驗(yàn)證。通過模擬人體工作姿態(tài)、視線范圍、上下樓梯或按預(yù)定義路徑運(yùn)動等，實(shí)現(xiàn)在3D環(huán)境下數(shù)字化裝配過程，并且對這些過程進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，直觀地分析產(chǎn)品的可制造性、可達(dá)性及可維護(hù)性。

在上述各項(xiàng)仿真分析的基礎(chǔ)上，可對工藝布局進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，通過多次仿真、優(yōu)化的迭代過程，找到布局的最優(yōu)解，確定滿足工藝流程和生產(chǎn)節(jié)拍的布局方案，在廠房面積、工位配置、物流路徑等各方面達(dá)到精益化生產(chǎn)需求。

4 應(yīng)用效果

在某型飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)廠房的工藝布局工作中，全過程采用了本文所提出的數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，取得了如下效果：

（1）從全局或局部視角清晰直觀地顯示完整的飛機(jī)裝配生產(chǎn)流程。

（2）發(fā)現(xiàn)了在某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)的擁堵現(xiàn)象而導(dǎo)致的生產(chǎn)停滯，布局方案以此為依據(jù)重新進(jìn)行了資源分配方式和數(shù)量的調(diào)整。

（3）發(fā)現(xiàn)了在物流轉(zhuǎn)運(yùn)中大型部件吊裝過程中旋轉(zhuǎn)動作過多帶來的安全隱患，布局方案以此為依據(jù)重新設(shè)計(jì)了工裝及工作梯的擺放方式。

（4）為實(shí)施觀察生產(chǎn)作業(yè)情況提供了數(shù)據(jù)輸出，為生產(chǎn)決策提供了數(shù)據(jù)化支持。

圖5 人機(jī)工效仿真分析

結(jié)束語

本文針對飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)中人工操作與自動作業(yè)交叉進(jìn)行的典型特點(diǎn)，對生產(chǎn)流程及節(jié)拍變化規(guī)律進(jìn)行了研究，探討了針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)與流程的飛機(jī)裝配廠房的數(shù)字化工藝布局設(shè)計(jì)方法，為飛機(jī)裝配能力尤其是數(shù)字化裝配能力建設(shè)規(guī)劃提供了理論依據(jù)和決策參考。對各裝配工位之間生產(chǎn)率不平衡的現(xiàn)象進(jìn)行合理搭配調(diào)整，獲得各工位布置的合理配比關(guān)系，以保證各工位各工序作業(yè)的均衡協(xié)調(diào)和總體生產(chǎn)節(jié)拍的平衡，實(shí)現(xiàn)裝配能力建設(shè)規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。

在進(jìn)行數(shù)字化工藝布局的具體過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下方面：

（1）在進(jìn)行工藝布局設(shè)計(jì)時，首先應(yīng)重點(diǎn)研究和確定生產(chǎn)工藝流程，保證工序間的合理銜接，把握生產(chǎn)過程中物流和能量流的流向、變化及經(jīng)過的設(shè)備等。

（2）工藝布局方案應(yīng)與工藝技術(shù)方案、使用的工藝設(shè)備以及建設(shè)規(guī)模相適應(yīng)，同時還要注意考慮主要裝備同輔助設(shè)備間的配套，以保證設(shè)備的合理、實(shí)用。

（3）工藝布局設(shè)計(jì)還應(yīng)體現(xiàn)工藝技術(shù)的先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、容錯性及前瞻性，以適應(yīng)航空行業(yè)新技術(shù)、新形勢的飛速發(fā)展。

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