離散制造企業(yè)面向訂單裝配（ATO）模式下柔性裝配生產(chǎn)計(jì)劃的研究

陳 程，孫潔香，尹作重

（1.新興際華集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，北京 100020；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

對(duì)于離散型制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)原材料物理形狀的改變，經(jīng)過(guò)一系列并不連續(xù)的工序最終組裝成為產(chǎn)品，使其增值。典型的機(jī)械制造業(yè)就屬于離散制造企業(yè)。其業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)單由以下幾部分組成：生產(chǎn)物料采購(gòu)、物料儲(chǔ)存、零部件加工、裝配、產(chǎn)品銷售等。

離散制造企業(yè)有兩種典型的生產(chǎn)模式：一、面向庫(kù)存大批量生產(chǎn)模式（簡(jiǎn)稱MTS），客戶對(duì)最終產(chǎn)品規(guī)格的確定沒(méi)有什么建議或要求，一般按照標(biāo)準(zhǔn)化、通用化產(chǎn)品模式進(jìn)行生產(chǎn)。其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度高、加工及裝配工藝簡(jiǎn)單、單件產(chǎn)品成本價(jià)值相對(duì)較低，適合于大規(guī)模量產(chǎn)。二、面向訂單裝配的生產(chǎn)模式（簡(jiǎn)稱ATO），客戶對(duì)零部件或產(chǎn)品的某配置給出要求，生產(chǎn)廠商根據(jù)客戶的要求提供定制的產(chǎn)品。其產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，裝配工藝復(fù)雜，單件產(chǎn)品成本較高，生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，一般適合于小批量或單件生產(chǎn)。

在面向訂單裝配的生產(chǎn)模式下，產(chǎn)品制造一旦到了關(guān)鍵的裝配環(huán)節(jié)，企業(yè)往往面臨各種難以避免的問(wèn)題，比如：客戶需求時(shí)間變化、客戶的多樣性需求（對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化）、裝配計(jì)劃的可執(zhí)行性較弱（以經(jīng)驗(yàn)和調(diào)度組織生產(chǎn)）、物料的配送模式粗放（缺少物料的配送計(jì)劃）?；谝陨系膯?wèn)題，企業(yè)怎樣縮短裝配的周期，使得訂單裝配在一個(gè)有計(jì)劃的、可控的范圍內(nèi)良性的運(yùn)轉(zhuǎn)呢？以多家離散制造企業(yè)面向訂單進(jìn)行裝配的所取得的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合信息化管理系統(tǒng)工具所實(shí)現(xiàn)的算法，在這里我們給出了“柔性裝配”（Flexible assembly）的概念。

圖1 柔性裝配模擬示意圖

1 柔性裝配的概念與車間現(xiàn)場(chǎng)模擬

組織柔性裝配的目的是將多個(gè)具備獨(dú)立加工能力的生產(chǎn)單元（設(shè)備和人員）聯(lián)合起來(lái)，在訂單產(chǎn)品裝配階段，實(shí)現(xiàn)單件產(chǎn)品在各個(gè)生產(chǎn)單元的按節(jié)奏有序流轉(zhuǎn)。它可以依靠ERP或MES軟件進(jìn)行輔助管理，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)能力靈活調(diào)整裝配任務(wù)的生產(chǎn)計(jì)劃，從而能夠有效發(fā)揮裝配的產(chǎn)能，降低生產(chǎn)的成本、縮短裝配的周期、更快捷地適應(yīng)市場(chǎng)的變化。

圖1為柔性裝配現(xiàn)場(chǎng)模擬示意圖，在裝配車間，最終產(chǎn)品A出廠之前需要由部件B、C和采購(gòu)件D經(jīng)過(guò)A10、A20、A30三個(gè)裝配工位進(jìn)行組裝，每個(gè)工位的加工時(shí)間按照固定的時(shí)間節(jié)拍（如2天）。以此類推，部件B和C也有自己的裝配工藝，在其相應(yīng)的裝配工位上都按照節(jié)拍進(jìn)行裝配。這樣，在整個(gè)裝配車間，如果每級(jí)部件的裝配都可以在各工位上按照特定的節(jié)拍進(jìn)行的話，A產(chǎn)品的產(chǎn)出就可以保持一定的節(jié)拍。

如果訂單的最終交貨日期確定，并給予終驗(yàn)、調(diào)試、裝箱、發(fā)運(yùn)等環(huán)節(jié)一定的時(shí)間，即可推算出最終產(chǎn)品A在其最終的裝配工位A30的產(chǎn)出時(shí)間，假設(shè)各裝配工位可保持固定的節(jié)拍，那么從A30工位開(kāi)始逐個(gè)工位向前推算，直到G10、H10工位，即可編制出各級(jí)子部件在每個(gè)工位上的裝配計(jì)劃（即計(jì)劃開(kāi)完工時(shí)間），并且各裝配工位所需的采購(gòu)、外協(xié)物資的需求時(shí)間即配送時(shí)間也得以明確。裝配車間上游的加工車間所生產(chǎn)的零件以及不能以這種特定節(jié)拍進(jìn)行裝配的部件，可以以預(yù)投產(chǎn)的方式，保持一定規(guī)模的庫(kù)存數(shù)量，以備這種節(jié)拍方式的裝配需求。從上圖可以看出，每個(gè)訂單產(chǎn)品在裝配過(guò)程中以“一個(gè)流”[1]的生產(chǎn)模式在各工位上以固定的節(jié)拍順序流轉(zhuǎn)。

所以說(shuō)柔性裝配的實(shí)現(xiàn)首先是以裝配車間的不同裝配工位按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行前后工序間流轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它類似于面向庫(kù)存大批量生產(chǎn)的流水線生產(chǎn)模式，它的各裝配工位也好比流水線上的每個(gè)加工單元。

其次它又有別于面向庫(kù)存大批量生產(chǎn)，不同之處在于裝配環(huán)節(jié)每個(gè)工位生產(chǎn)能力的“有限”與“可變”。

2 柔性裝配工位的生產(chǎn)能力

由于在實(shí)際過(guò)程中每個(gè)工位的裝配能力是有限的，如果同時(shí)有多個(gè)訂單的產(chǎn)品先后需要裝配出廠的話，可能在某些工位就會(huì)出現(xiàn)“負(fù)荷”大于“能力”的現(xiàn)象，其生產(chǎn)計(jì)劃就不能按照“理想狀態(tài)”的無(wú)限能力執(zhí)行，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致計(jì)劃的可執(zhí)行性差。所以，柔性裝配的生產(chǎn)計(jì)劃是按照每個(gè)單件產(chǎn)品編制每個(gè)工位的有限能力計(jì)劃。

“有限能力”體現(xiàn)在工位上設(shè)備和人員的數(shù)量，換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，即此工位同時(shí)可裝配任務(wù)的數(shù)量。下圖所示工位01的能力不能同時(shí)滿足訂單1與訂單2在8月2日到3日兩天的時(shí)間段內(nèi)的生產(chǎn)負(fù)荷，所以，在編制生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，將訂單2在部裝工位01的生產(chǎn)計(jì)劃向前推移2天，移至該工位的空閑時(shí)間段。

圖2 裝配工位計(jì)劃有限能力編制示意圖

圖3 生產(chǎn)能力增大后裝配工位計(jì)劃編制示意圖

總結(jié)上圖所示的計(jì)劃編制過(guò)程，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)產(chǎn)品訂單先后在同一工位進(jìn)行裝配的情況，而裝配生產(chǎn)線的“柔性”體現(xiàn)在每個(gè)訂單的生產(chǎn)計(jì)劃考慮了工位的實(shí)際生產(chǎn)能力，而不是“無(wú)限大”的生產(chǎn)能力。

此時(shí)我們?nèi)绻麑⒉垦b工位01的生產(chǎn)能力“增大”，使得本工位可以同時(shí)在8月2日到8月3日完成部件L和C的裝配，生產(chǎn)計(jì)劃隨著工位能力的變化而進(jìn)行了調(diào)整，編制示意如圖3所示。

而工位的生產(chǎn)能力怎樣進(jìn)行調(diào)整呢？通常來(lái)講，對(duì)于離散制造行業(yè)的裝配環(huán)節(jié)，一般可以通過(guò)增加或減少工位上設(shè)備或人員的數(shù)量來(lái)調(diào)整其生產(chǎn)能力（通過(guò)加減班次的方式其實(shí)同樣是調(diào)整單位時(shí)間內(nèi)人員的數(shù)量）。以上圖為例，裝配（部裝）工位01原只有一臺(tái)焊接機(jī)器人和一位焊接工人，在8月2日到3日，只能完成C部件（訂單1）的焊接工作。而此時(shí)通過(guò)調(diào)度，在本段時(shí)間內(nèi)工位01增加了一臺(tái)焊接機(jī)器人和工人后，同時(shí)可以完成L部件（訂單2）的焊接工作。所以說(shuō)，生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化與調(diào)整可以通過(guò)裝配工位能力的調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)，是柔性裝配的重要體現(xiàn)。

3 柔性裝配計(jì)劃的編制與調(diào)整

柔性裝配計(jì)劃編制的范圍應(yīng)涉及到所有可進(jìn)行生產(chǎn)能力調(diào)整的裝配工位，對(duì)于一個(gè)單件產(chǎn)品，根據(jù)它在最終總裝配工位的產(chǎn)出時(shí)間進(jìn)行倒推，考慮每個(gè)工位的生產(chǎn)能力（在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)是否能力充足，若不充足則繼續(xù)向前查詢能力充足的時(shí)間段），按照裝配工藝的流轉(zhuǎn)順序逆向編制生產(chǎn)計(jì)劃。

而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，客戶需求的變化或調(diào)整是屢見(jiàn)不鮮的，涉及到產(chǎn)品交期的變更，產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)的變更，產(chǎn)品工藝路線的變更，產(chǎn)品工裝設(shè)計(jì)的變更等等，這些變更都將造成訂單產(chǎn)品最終產(chǎn)出時(shí)間的變更，而產(chǎn)出時(shí)間的變更導(dǎo)致了在各個(gè)工位的生產(chǎn)（裝配）計(jì)劃都需要做出相應(yīng)調(diào)整。如圖4所示，產(chǎn)品產(chǎn)出工位的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整之后，拉動(dòng)上游各工位的生產(chǎn)計(jì)劃隨之進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)訂單的生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行了重新的編排。

圖4 工位計(jì)劃“拉動(dòng)式”調(diào)整

在生產(chǎn)過(guò)程中，如果某個(gè)工位出現(xiàn)了“異常”，如：物料供應(yīng)不及時(shí)、機(jī)器故障、人為拖期等，導(dǎo)致該工位不能按照預(yù)先的計(jì)劃完成任務(wù)，此時(shí)該工位的生產(chǎn)計(jì)劃就需要進(jìn)行調(diào)整。由于各裝配工位大多數(shù)是“串聯(lián)”的生產(chǎn)流程，這樣，前序工位的計(jì)劃調(diào)整勢(shì)必影響到下游工位的計(jì)劃，整個(gè)單件產(chǎn)品在下游各個(gè)工位的生產(chǎn)計(jì)劃也會(huì)相應(yīng)的進(jìn)行推動(dòng)式調(diào)整。如圖5所示。

圖5 工位計(jì)劃“推動(dòng)式”調(diào)整

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4 柔性裝配下的物料配送模式

柔性裝配計(jì)劃的編制使得各裝配工位的計(jì)劃開(kāi)完工時(shí)間更加精確，其計(jì)劃結(jié)果具有生產(chǎn)的指導(dǎo)性和約束性。而在具體的生產(chǎn)過(guò)程中，物料必須具有配送的及時(shí)性和準(zhǔn)確性才能保證各工位嚴(yán)格遵照計(jì)劃組織生產(chǎn)。

工位物料的配送計(jì)劃是根據(jù)工位計(jì)劃開(kāi)工時(shí)間和車間的計(jì)劃領(lǐng)料單編制生成的，它不同于傳統(tǒng)的領(lǐng)料單只包含物料的品種、數(shù)量和日期。考慮到配送到各裝配工位的精確性，它在計(jì)劃領(lǐng)料單的基礎(chǔ)上增加領(lǐng)料的具體工位信息、配送地點(diǎn)、接收班次、配送時(shí)間、配送人員等信息。所以說(shuō)工位物料配送的模式是對(duì)傳統(tǒng)車間領(lǐng)料模式的升級(jí)，由專人按照需求時(shí)間直接將物料配送到對(duì)應(yīng)工位，不但簡(jiǎn)化了車間對(duì)工位物料二次分配的環(huán)節(jié)，更使得車間的物流更加精準(zhǔn)，物料在車間的積壓現(xiàn)象大大減少。

我們按照物料歸屬單位的不同，可將配送方式簡(jiǎn)單分為以下三種：

1）部件在工位裝配完工后，直接送往裝配工位。

2）物料由庫(kù)房送往裝配工位。

3）物料由供應(yīng)商或其他車間直接送交裝配工位。

這三種模式下都需要物料（包括裝配部件）的主責(zé)部門根據(jù)物料需求工位的配送計(jì)劃進(jìn)行配送。

5 柔性裝配的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

綜上所述，柔性裝配生產(chǎn)計(jì)劃的模式體現(xiàn)了以下方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，對(duì)于面向訂單裝配的生產(chǎn)模式更具適應(yīng)性和靈活性。

1）車間資源在裝配計(jì)劃的指導(dǎo)下發(fā)揮了最大的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了資源的有限能力排產(chǎn)。

2）在計(jì)劃層面將裝配任務(wù)與機(jī)加工零件的生產(chǎn)任務(wù)區(qū)別對(duì)待，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)排產(chǎn)。

3）按照單機(jī)編制柔性裝配計(jì)劃，各工位計(jì)劃按照訂單產(chǎn)品的最終完工日期進(jìn)行“拉動(dòng)”式排產(chǎn)，嚴(yán)格按照裝配節(jié)拍，考慮各工位的實(shí)際生產(chǎn)能力，使得計(jì)劃的執(zhí)行更加準(zhǔn)確。實(shí)現(xiàn)“一個(gè)流”在部裝線上以固定的節(jié)拍進(jìn)行裝配。

4）物料按照產(chǎn)品加工的工藝順序在特定的需求時(shí)間配送到車間的指定工位，減少了車間傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下大量的在制品積壓?jiǎn)栴}。

5）庫(kù)房、上游車間、供應(yīng)商的物料配送機(jī)制更加完善，配送時(shí)間、地點(diǎn)更加精確。

6）減少了物料的閑置與停工待料的現(xiàn)象。

裝配計(jì)劃、裝配節(jié)拍、裝配資源能力能夠靈活調(diào)整，使生產(chǎn)更具“柔性”。

[1]石為人,余兵,張星.高級(jí)計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)與ERP的集成設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,26(11).