面向大規(guī)模定制的開關(guān)柜智能裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)研究

肖棟

(上海市建筑科學(xué)研究院科技發(fā)展有限公司, 上海 201500 )

1 開關(guān)柜裝配現(xiàn)狀及面臨問題

開關(guān)柜生產(chǎn)模式逐漸地由“產(chǎn)品導(dǎo)向性”朝著“顧客導(dǎo)向性”的方向發(fā)展[1]，大規(guī)模定制及超短交貨周期為必須的核心競爭力。然而國內(nèi)開關(guān)柜普遍以人員地面安裝為主要模式，部分企業(yè)陸續(xù)使用裝配線來生產(chǎn)，但多為剛性生產(chǎn)線[2]，且核心設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，價格高昂、回報(bào)周期漫長，大部分企業(yè)無法承受，由此而導(dǎo)致開關(guān)柜裝配生產(chǎn)依然有不少企業(yè)采用“人海戰(zhàn)術(shù)”、“地面安裝”、“擺地?cái)偂毙问?圖1)，3～5個人從柜體零部件一直安裝到成品。生產(chǎn)企業(yè)在裝配環(huán)節(jié)面臨以下問題：1)產(chǎn)品的大規(guī)模定制需求，需兼顧各類配置及尺寸要求。2)大規(guī)模定制生產(chǎn)管理困難。3)想仿造行業(yè)龍頭企業(yè)裝配線作業(yè)卻受制于高昂改造成本及漫長回報(bào)周期。4)人力成本增高，產(chǎn)品交貨周期縮短。解決上述問題，突破裝配瓶頸成為相關(guān)企業(yè)的迫切需要?，F(xiàn)以KYN28型開關(guān)柜為例展開探索研究。

圖1 人工地面裝配

2 開關(guān)柜智能裝配線布局方案設(shè)計(jì)

2.1 Gephi可視化分析和模塊劃分

基于Gephi軟件分析KYN28型開關(guān)柜的零部件之間的關(guān)系和裝配順序的相關(guān)數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品進(jìn)行定性分析[3]。建立及導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、邊數(shù)據(jù)后采用統(tǒng)計(jì)、分割、排序、流程、濾波等手段對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行定性分析[3]。運(yùn)作模型及結(jié)論圖分別如圖2-圖3所示。

圖2 大規(guī)模定制開關(guān)柜運(yùn)作模型

圖3 結(jié)論圖

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)會影響其裝配[4]，通過圖3可以發(fā)現(xiàn)零部件是聚類分組、相對獨(dú)立的?？梢愿鶕?jù)以上規(guī)律結(jié)合人工裝配工藝，最終歸納整理的自動化裝配工藝如圖4所示。

圖4 KYN28自動化裝配工藝

2.2 QFD對裝配作業(yè)需求進(jìn)行分析

運(yùn)用QFD工具做裝配作業(yè)的需求分析。對用戶需求與設(shè)計(jì)需求的相關(guān)關(guān)系度進(jìn)行量化[5]，如表1所示。

表1 重要度計(jì)算表

2.3 裝配線布局方案

以常規(guī)企業(yè)為例，裝配人員20人、250 d、8 h，產(chǎn)能為2 500臺。同等條件下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能翻一番，投資回報(bào)周期為1年才具備改造價值，現(xiàn)以產(chǎn)量5 200臺為目標(biāo)，歸納關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)表

RGV做主物流輸送，工位非字型排布在軌道兩側(cè)。設(shè)計(jì)機(jī)器人拼柜作業(yè)島及人工拼柜作業(yè)島，兼顧全自動化嘗試及保證裝配線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。28個標(biāo)準(zhǔn)工位，包含裝配作業(yè)工序。開關(guān)柜平行軌道放置，裝配人員可同時安裝前后部，提高安裝效率。緩存工位均勻分布，方便就近緩存，節(jié)約節(jié)拍。在互感器與儀表箱裝配位置配置助力機(jī)械手及平衡吊。設(shè)置耐壓測試區(qū)，實(shí)現(xiàn)在線檢測。具體布局如圖5所示。

圖5 裝配線布局圖

計(jì)算布局的生產(chǎn)節(jié)拍CT、工作站數(shù)m、平衡率P、平衡延遲率BD、裝配線平滑指數(shù)SI。布局的生產(chǎn)節(jié)拍CT=22min，工作站總數(shù)為31，其中緩存工位數(shù)為11，故工作站數(shù)m=20。則所有工作站作業(yè)時間總和為654min，最大工作站時間max(Tk)=44min，代入如下公式可得平衡率為

由平衡率可得平衡延遲率為

根據(jù)分類平衡率70%～85%，平衡延遲率15%～30%，該產(chǎn)線生產(chǎn)方式定義為大體科學(xué)管理裝配線，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

平滑性指數(shù)計(jì)算：

2.4 FlexSim仿真

應(yīng)用FlexSim軟件對布局做詳細(xì)仿真分析，布局連接如圖6所示。布局雖然集成了機(jī)器人拼柜島與人工拼柜島，但機(jī)器人拼柜島尚處于研發(fā)摸索階段，暫時沒有成熟的產(chǎn)品。所以仿真僅僅針對人工拼柜島部分進(jìn)行仿真。

圖6 連接對象圖

想讓整個產(chǎn)線發(fā)揮出最大的效能，必須使各工序的生產(chǎn)能力均衡一致[6]。對裝配線進(jìn)行仿真，分別輸入各個工位的操作時間，整體仿真時間設(shè)置為4 800min，如圖7所示。

圖7 4 800min仿真數(shù)據(jù)

由圖7所知，除下線工位外，其余工位利用率均達(dá)到 90%以上。整體產(chǎn)線狀態(tài)良好，說明裝配線設(shè)計(jì)合理，可實(shí)施性較強(qiáng)。

3 開關(guān)柜智能裝配生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

節(jié)選部分關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備、電氣控制及MES系統(tǒng)來介紹開關(guān)柜智能裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)(圖8-圖11)。

圖8 人工拼柜島三維設(shè)計(jì)圖

圖9 殼體拼裝操作界面

圖10 MES系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖11 生產(chǎn)狀態(tài)看板

3.2 實(shí)施效果

開關(guān)柜智能裝配生產(chǎn)線安裝調(diào)試完成后，須進(jìn)行聯(lián)調(diào)和運(yùn)行，檢驗(yàn)其實(shí)際效果。實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)能如表3所示。

表3 產(chǎn)能對比表 單位：臺

通過表3可知產(chǎn)能比以往翻了一番，達(dá)到要求。下面將關(guān)鍵指標(biāo)和實(shí)測做個比較，如表4所示。

表4 產(chǎn)線關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)對比表

4 結(jié)語

該裝配線后期使用中實(shí)現(xiàn)如下效果：1)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模定制，兼顧各類配置及尺寸。2)MES系統(tǒng)接入使生產(chǎn)管理便捷高效。3)成本僅為進(jìn)口同類型功能裝配線的1/4，回報(bào)周期僅為1年。4)不增加人員及工作時間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能翻番，交貨周期進(jìn)一步縮短。裝配線具備柔性化兼容性強(qiáng)、信息化程度高、投入低回報(bào)快、減員提效等四大優(yōu)勢，將助力開關(guān)柜企業(yè)突破裝配瓶頸，滿足市場需求。