基于MODAPTS的汽車座椅裝配線平衡優(yōu)化研究

石展晴 胡佳寧 熊燕華

(南京農業(yè)大學 工學院，江蘇 南京 210031)

0 引言

現代汽車座椅裝配一般采用裝配流水線方式，將裝配過程劃分為若干作業(yè)單元并合理安排到各工位上。由于各工位同時作業(yè)，裝配線平衡率對企業(yè)效益尤為重要。

裝配線平衡問題自從1955年Salveson 首次提出以來 ,學者們展開了大量研究。Barathwaj等[1]以工站間和工站內部工作負荷指數最小為目標，提出了一種基于裝配線平衡問題的遺傳算法(GA)；Hossein[2]等提出了裝配工人姿態(tài)平衡問題模型，通過工人姿態(tài)平衡改進裝配線配置；Zhang[3]提出了一種改進的遺傳算法來解決裝配線兩側平衡問題；韓煜東等[4]在考慮產品需求速率的前提下，提出了調整加工成本的新方法，建立了混流裝配線平衡問題的多目標優(yōu)化模型；公緒霞等[5]采用模糊優(yōu)化理論，建立了裝配線平衡問題的多目標非線性規(guī)劃模型；徐立云等[6]構建了最少工位數和最小工位累計疲勞度標準差的多目標優(yōu)化模型，基于優(yōu)先權重進行編碼，設計多目標粒子群算法求解；焦玉玲等[7]綜合考慮作業(yè)元素的時間及位置階位值，運用改進階位法對裝配線平衡問題求解；李愛平等[8]提出一種考慮裝配關系復雜性的改進型多目標裝配線平衡優(yōu)化方法，并對遺傳算法的交叉環(huán)節(jié)利用模糊聚類算法作出改進。

已有研究主要是以裝配線平衡率相關指標為目標建立數學模型求解，從而重排最小作業(yè)單元，以改善效果，但只是理論推導，并未模擬驗證。實際生產過程中，工人的標準動作及時間也會影響平衡率，且重排作業(yè)單元將耗費企業(yè)大量資源。本文分析裝配線平衡率不高的原因，針對耗時動作和瓶頸工序進行優(yōu)化，利用MODPATS預定標準工時，并導入Plant Simulation中仿真驗證改善效果。該方法對結果進行仿真驗證，使改善效果更具可信度，規(guī)范了動作，減少了工人疲勞度，對企業(yè)優(yōu)化裝配線平衡率有一定借鑒作用。

1 MODPATS標準工時系統(tǒng)的制定

1.1 MODPATS標準裝配動作定義與分類

對座椅裝配過程中基本動作進行分類，將標準動作劃分為取用動作、無工具動作、工具操作、輔助動作以及其它動作。根據MODPATS法基本定義，將各動作用模特法代碼計算出模特值，取1MOD=0.129s，計算各類動作的時間，如表1所示。

表1 標準動作分類代碼及時間表示例

1.2 座椅裝配標準工時計算

MODPATS法得出的時間與實際測時較為接近，具有線性關系，由于測時受偶然因素影響，要得到精確結果，需要測試的數據量較大，因此采用MOD值經過寬放得出標準工時。根據該公司實際，總寬放率=疲勞寬放(5%)+私事寬放(3%)+操作寬放(2%)=10%。

JIT PROCESS BOOK表格[9]可記錄各工步并分解為標準動作，根據MODPATS法，利用標準動作預定標準時間，經寬放得出標準工時。統(tǒng)計得出各工位的標準時間如表2所示。

表2 標準工時統(tǒng)計

2 座椅裝配線平衡優(yōu)化設計

2.1 裝配線平衡問題分析

2.1.1 裝配線平衡的評價指標

(1)生產節(jié)拍：

CT=max(Ti)=227.61s

(2)工作站負荷率：

工作站負荷率反映該工作站利用效率，值越大說明利用率越高，結果如表3所示。

表3 閑置時間及負荷率統(tǒng)計

(3)裝配線閑置率：

其中，TXi為各工序閑置工時，CT為生產節(jié)拍，n為作業(yè)工位數。

(4)裝配線平衡率：

(1)

(5)生產平衡損失率：

d=1-LBR=16.26%

平衡損失評價表[10]如表4所示。

表4 平衡損失評價結果

(5)平滑性指數：

(2)

該指標反映各工站時間分布離散度，SI值越大，則各工位作業(yè)時間分布越分散。

2.1.2 裝配線平衡性能分析

對照平衡損失評價表，該公司生產平衡損失率高于10%，平衡率為良；有3個工位負荷率低于70%，閑置率高達16.26%，意味著在裝配過程中，16.26%的時間由于生產裝配線配置不平衡而損失了；Z-2工位在227s的節(jié)拍中浪費了86s的時間。綜上，裝配線不平衡對生產率及公司效益影響較大。

表3顯示，生產線平衡率較低的工位有K-1、K-5、K-6、Z-1、Z-4、Z-5。如果這6個工位時間能降低，就可以提高生產線效率。合裝工位閑置時間普遍較長，可以通過最小作業(yè)單位重排將其重新分配，以使得裝配線平衡率提高。

2.2 程序分析法下的動作優(yōu)化

將裝配過程中各動作的使用次數統(tǒng)計后排序如表5所示，其中，注“*”的為增值動作。

表5顯示，使用次數前20的動作中17個屬于非增值動作，應盡量減少這些動作或減少該動作的操作時間。采用5WHY和5W1H方法改善這些動作。

(1)針對非瓶頸工序。如取中等件(非Kitting)，采用5WHY提問法，找出問題根本原因所在，然后針對根本原因，根據ECRS原則取消多次動作合并為一次，根據動作經濟原則，將物料擺放位置更加合理化，減少動作浪費及工人負擔。

表5 頻繁使用動作統(tǒng)計結果

(2)針對瓶頸工序Z-1。分析Z-1最小作業(yè)單元與時間，如表6所示。

表6 Z-1主要工步與時間

2.3 動作優(yōu)化的改善效果

2.3.1 改善后標準時間統(tǒng)計

將改善后各動作及標準工時繪制成JIT PROCESS BOOK標準表格，統(tǒng)計標準時間結果如表7所示。

2.3.2 改善后的平衡性能分析

(1)生產節(jié)拍：

CT=max(Ti)=190.71s

(2)裝配線閑置率：

(3)裝配線平衡率：

表7 改善前后時間對比

(4)生產平衡損失率：

d=1-LBR=15.52%

(5)平滑性指數：

改善后平衡損失率在10%以下，平衡率為優(yōu)。

2.3.3 改善前后平衡性能對比

繪制改善前后時間對比如圖1所示。

圖1 改善前后標準工時對比

經過改善，折線圖更加平緩，陡峭的彎折點也已消失，瓶頸工序改變由Z-1變?yōu)閆-4，分析改善后平衡性能如表8所示。

表8 改善前后各平衡指標對比

(1)改善后的生產節(jié)拍減少36.89s，班產由119份增加到142份，生產效率提高19.35%，不增加工人的情況下公司多盈利。

(2)生產線平衡率上升近10%，裝配線閑置率下降近10%，平滑性指數下降，說明各工位裝配時間接近，裝配線平衡性能明顯提高，緩沖區(qū)貨物不會發(fā)生嚴重堆積，減少暫存區(qū)的浪費[11]。

(3)減輕了工人的勞動強度，通過改善作業(yè)順序、動作順序、工具擺放問題，使得工人取消了不必要的多余動作，每生產一份座椅減少735個模特值。

3 動作優(yōu)化改善效果的仿真驗證

3.1 仿真模型建立

采用Plant Simulation仿真軟件，將實際系統(tǒng)中的復雜問題簡化為Flow Shop(流水作業(yè)生產線)模型[12]，并進行以下定義及簡化：①模型中各元素的順序為裝配過程的邏輯順序；②在裝配過程中，由于工位之間搬運距離較短，因此將其抽象為緩存區(qū)，模型中機器操作簡化為時間延遲；③假設在仿真運行期間，沒有發(fā)生故障；④以MODAPTS測算的標準工時為基礎，在σ=2s范圍內上下波動。

裝配線平衡問題ALBP (Assembly Line Balancing Problem) 一般按其優(yōu)化目標分為以下幾類[13]:最小化工作站數、最小化生產節(jié)拍、最大化裝配線生產率、平衡裝配線各工位負荷(負荷均衡化)。本文以負荷均衡化為仿真優(yōu)化目標建立仿真模型，設置T-1工位的組裝規(guī)則，設置各裝配工站加工時間參數，如表7所示，仿真總時間為30天，建立仿真模型效果圖如圖2所示。

圖2 座椅裝配仿真模型效果

3.2 仿真結果

運行仿真模型，得到改善前后各裝配工站實時負荷柱狀圖和曲線圖，如圖3、4所示。從仿真實驗的最終數據可以看出，改善前后工位平均負荷率與模特法測時計算出的裝配線負荷率大體接近，驗證了動作優(yōu)化改善效果的合理性。

圖3 改善前(左)后(右)裝配工位實時負荷柱狀

圖4 改善前(左)后(右)裝配工位實時負荷曲線

4 結語

針對汽車前排座椅裝配線平衡問題，采用模特法與仿真分析法相結合的方式進行研究。首先，通過建立基于MODAPTS的工時測算系統(tǒng)，分析裝配工序的標準作業(yè)時間，以裝配線平衡率、工位負荷率和平滑性指數等多重因子為評價指標，改善裝配線平衡率。其次，對裝配流水線上耗時且頻繁的動作，運用動作分析改善原理及步驟進行改善，對瓶頸工序采用最小作業(yè)重排法進行分解重排。最后，利用Plant Simulation仿真分析方法驗證改善前后的效果，使結果更加可靠。案例研究結果表明，應用MODAPTS法預定標準工時并優(yōu)化動作，有利于提高裝配線平衡率，并減少工人的疲勞度。