綜合背板混流裝配線設(shè)計與實現(xiàn)*

鄧成亮，郭延發(fā)

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著雷達相控陣技術(shù)的快速發(fā)展，雷達的集成化、模塊化設(shè)計日益凸顯。雷達綜合背板集成了射頻、信號和電源分配網(wǎng)絡(luò)，是集成化設(shè)計的產(chǎn)物。綜合背板的使用簡化了雷達的結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量和可靠性要求較高。

綜合背板裝配工藝流程復(fù)雜，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式采用單人單件固定工位手工裝配，存在生產(chǎn)質(zhì)量波動、裝配效率不高的現(xiàn)象。建設(shè)綜合背板裝配生產(chǎn)線并嚴格控制生產(chǎn)過程中的每一道工序，是提高綜合背板生產(chǎn)質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性以及提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)出量的一種方法。但是軍工電子行業(yè)是典型的多品種、變批量、離散型生產(chǎn)行業(yè)[1]，各雷達裝配的綜合背板數(shù)量不多、形態(tài)各異，無法采用傳統(tǒng)流水線模式進行生產(chǎn)。

混流裝配線作為一種高效率、柔性化的生產(chǎn)方式，在離散型制造企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]?；炝餮b配線能夠按照訂單需求，在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)同類、不同型號的產(chǎn)品，滿足多樣化的生產(chǎn)需求，是解決多品種、變批量生產(chǎn)問題的一種生產(chǎn)組織方式。具體表現(xiàn)為各裝配產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成基本類似，具有相似度較高的生產(chǎn)工藝流程，但不同產(chǎn)品的相同工序的作業(yè)時間可以不同。

某幾種型號雷達含有十多種結(jié)構(gòu)組成相似度較高的不同品種綜合背板，各型號雷達的月度生產(chǎn)計劃不同，導(dǎo)致綜合背板月度生產(chǎn)品種和生產(chǎn)批量存在變化和波動。綜合背板多品種、變批量的生產(chǎn)現(xiàn)狀增加了混流裝配線的設(shè)計難度。

本文在數(shù)字化車間建設(shè)的背景下，按照混流裝配線的方法設(shè)計與實現(xiàn)了雷達綜合背板混流裝配線，滿足了這幾種型號雷達的不同綜合背板的混流裝配生產(chǎn)需求。

1 綜合背板概述

1.1 綜合背板簡介

某幾種型號雷達的結(jié)構(gòu)組成相似度較高且均已進入批量生產(chǎn)階段。雷達內(nèi)部均裝配有多個品種的綜合背板，且各綜合背板相似度較高。為了簡化論述，選擇其中一種型號的雷達作為示例，該型號雷達的4種綜合背板主要由綜合行饋、匯流板、電容板、電纜組件、結(jié)構(gòu)板、GSMP連接器、J30J帶線連接器等器件組成。4種綜合背板的結(jié)構(gòu)相似度較高，主要不同點如下：1）組成各綜合背板的行饋、匯流板、電容板和結(jié)構(gòu)板的外形不同，尺寸也不一樣；2）行饋、匯流板和電容板上需焊裝的電連接器的數(shù)量、型號、排布及安裝方向、接線關(guān)系等不同。

1.2 綜合背板工藝流程梳理

通過分析某型雷達4種綜合背板的結(jié)構(gòu)組成和裝配工藝流程可知，其生產(chǎn)過程主要涉及印制板手工焊接、膠接、螺裝等工藝過程。印制板手工焊接的工作量較大，平均每個綜合背板有1 300多根0.12 mm2的導(dǎo)線需按設(shè)計文件分別與綜合行饋、匯流板和電容板進行焊接，且該工藝過程屬于特殊過程，對電裝工的技能水平有一定要求。

通過比較4種綜合背板的工藝文件，提取相同工序點進行合并歸類，同時省去印制板預(yù)熱、膠接固化等工藝等待內(nèi)容。通過分析并合并歸類，綜合背板裝配流程大致可以分為線束加工、綜合行饋焊接、匯流板焊接、電容層焊接和面板裝配，其詳細裝配工藝流程如圖1所示。

圖1 綜合背板裝配工藝流程

1.3 綜合背板生產(chǎn)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)綜合背板采用單人單件固定工位的模式進行生產(chǎn)，以手工作業(yè)為主，配置半自動化工具。生產(chǎn)過程中的信息化主要以企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning,ERP）和無紙化系統(tǒng)為主。根據(jù)綜合背板的生產(chǎn)現(xiàn)狀，其生產(chǎn)過程中的主要弊端如下：1）綜合背板品種多，工藝流程復(fù)雜，作業(yè)時間長，生產(chǎn)過程中需頻繁查看設(shè)計和工藝文件，增加了準備時間，影響生產(chǎn)效率；2）綜合背板裝配工藝流程包含穿線、焊接等關(guān)鍵工藝過程，人員需具備相應(yīng)的技能資質(zhì)，同時還需完成其他簡單工藝過程，存在一定的人力資源浪費問題；3）單人單件的生產(chǎn)模式造成綜合背板批次間質(zhì)量存在波動。

2 裝配線設(shè)計與實現(xiàn)

混流裝配線的主要設(shè)計難點在于平衡不同產(chǎn)品因工藝流程、各工序作業(yè)時間不同造成的各工位作業(yè)時間忙閑不均的問題。

該示例雷達含有4種不同的綜合背板，其結(jié)構(gòu)組成相似度高，裝配工藝流程基本相同。針對不同綜合背板各工序作業(yè)時間差異引起的均衡計算數(shù)據(jù)量大的問題，以4種綜合背板各工序的平均作業(yè)時間作為工序平衡計算的依據(jù)，簡化綜合背板混流裝配線的均衡計算問題。

按簡化方案設(shè)計綜合背板混流裝配線，提取示例雷達4種綜合背板各工序的平均作業(yè)時間，按工序?qū)θ藛T需求進行工序分配，均衡劃分工序至工位，平衡和匹配工位操作時間及人員資質(zhì)需求，完成綜合背板混流裝配線的均衡設(shè)計。

2.1 工序作業(yè)時間統(tǒng)計

按綜合背板工藝流程，結(jié)合車間生產(chǎn)實際，統(tǒng)計該示例雷達4種綜合背板各工序的平均作業(yè)時間，如表1所示。

表1 各工序平均作業(yè)時間統(tǒng)計 h

根據(jù)表1所示各工序平均作業(yè)時間，單個綜合背板各工種的作業(yè)總時間統(tǒng)計如表2所示，所有工種作業(yè)時間共計36 h。

表2 各工種作業(yè)總時間統(tǒng)計 h

由表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，電裝工作業(yè)時間約占總作業(yè)時間的90.3%，占比較大，其余工種作業(yè)時間占比較小。因此，混流裝配線的設(shè)計以均衡電裝工作業(yè)時間為目標，其余工種僅設(shè)置配合生產(chǎn)人員，他們僅在配合生產(chǎn)時才上裝配線。

2.2 裝配線均衡設(shè)計

式中：T總為電裝工總作業(yè)時間；T為生產(chǎn)節(jié)拍。

各工序?qū)θ藛T資質(zhì)需求不同，部分工序作業(yè)時間較短，需進行人員與工序的匹配和合并，使得人員作業(yè)時間與生產(chǎn)節(jié)拍接近，提升混流裝配線的平衡率。人員和工序匹配后，作業(yè)瓶頸時間存在變化，生產(chǎn)節(jié)拍需進行相應(yīng)調(diào)整。

結(jié)合電裝工各工序作業(yè)時間以及工序?qū)θ藛T資質(zhì)的需求，按如下原則進行工序和人員的匹配：1）流程上相近的工序盡量安排同一電裝工；2）非關(guān)鍵工序按作業(yè)內(nèi)容相似性，盡量安排同一電裝工；3）關(guān)鍵工序盡量安排技能工，中間配合工序安排普通工；4）兼顧生產(chǎn)批量，裝配線按人員和工件雙流動原則進行人員工序匹配。

經(jīng)匹配和合并優(yōu)化后，混流裝配線的人員、工序和作業(yè)時間的統(tǒng)計如表3所示。

表3 裝配線人員工序分配表

人員和工序匹配后，裝配線的瓶頸作業(yè)人員為電裝工5，其作業(yè)時間為6 h，可定為匹配后的實際生產(chǎn)節(jié)拍。按表3所示的人員和工序分配，混流裝配線的平衡率計算如下：

式中：Tmax為工人最長作業(yè)時間；Ti為第i個工人的實際作業(yè)時間。

混流裝配線的設(shè)計平衡率為90.3%，裝配線的平滑性指數(shù)為0.66。這表明裝配線的平衡率較高，各工位作業(yè)負荷分配較合理，有效緩解了裝配線閑忙不均的問題，滿足裝配線的實際生產(chǎn)需求。

2.3 裝配線工位布局設(shè)計

混流裝配線均衡設(shè)計后，可采用流水線的布局方式進行生產(chǎn)線的布局。綜合背板各員工依據(jù)工序特點進行作業(yè)內(nèi)容分配，兼顧生產(chǎn)批量，員工和工件需按工藝流程在各工位之間穿插雙流動，員工和工件均無法形成統(tǒng)一流向。為減少員工和工件在工位之間的移動距離，綜合背板混流裝配線采用U型線布置。依據(jù)生產(chǎn)需求，規(guī)劃兩條綜合背板混流裝配線，用于生產(chǎn)這幾種型號雷達的綜合背板。裝配線整體布局效果如圖2所示。

圖2 裝配線整體布局圖

在U型線布局的基礎(chǔ)上，需按工藝流程將作業(yè)內(nèi)容劃分至工位，并匹配相應(yīng)的作業(yè)人員，滿足混流裝配的生產(chǎn)需求。依據(jù)裝配工藝流程，按產(chǎn)品主要工序流向一致、輔助工序穿插進行、工位大小滿足工裝設(shè)備布置的原則進行工位工序的布局劃分。對于檢驗工位和配合工位的人員，兩條裝配線與車間其他生產(chǎn)線共用。兩條綜合背板混流裝配線的工序工位布局如圖3所示。

圖3 裝配線工序工位布局圖

根據(jù)裝配線的工序工位布局，各員工在指定工位上完成規(guī)定作業(yè)內(nèi)容，員工和工件在裝配線上雙流動，滿足綜合背板的混流生產(chǎn)需求。

2.4 裝配線工藝看板設(shè)計

為提升混流裝配線各工位作業(yè)內(nèi)容的可視化，在原有工藝文件的基礎(chǔ)上，通過二次加工設(shè)計圖紙、拍攝各工序?qū)嵨镎掌确绞街谱鲌D文并茂的裝配線工位作業(yè)工藝看板。某工位工藝看板如圖4所示。

圖4 某工位工藝看板

通過瀏覽工藝看板，生產(chǎn)人員可以方便快捷地獲取本工位作業(yè)內(nèi)容要點，節(jié)省查看圖紙和工藝文件的時間，提高作業(yè)效率。

2.5 涂膠自動化實現(xiàn)

依托數(shù)字化車間建設(shè)，增加人機協(xié)同設(shè)備，用于綜合背板重復(fù)性較高且易于實現(xiàn)人機協(xié)同作業(yè)的工序[5]，實現(xiàn)綜合背板部分工序自動化作業(yè)。

經(jīng)分析綜合背板工序作業(yè)特點，工序L9和L23的涂膠過程可采用人機協(xié)同設(shè)備進行自動化作業(yè)。人機協(xié)同涂膠設(shè)備如圖5所示，經(jīng)安裝調(diào)試并滿足使用要求后，對于不同的綜合背板，可以通過人工示教的方式設(shè)定機械臂的行走路徑和移動速度，同時設(shè)定涂膠設(shè)備的涂膠參數(shù)，生成涂膠作業(yè)程序。涂膠作業(yè)時，采用工裝對不同綜合背板進行定位，選擇綜合背板對應(yīng)的涂膠作業(yè)程序。啟動涂膠作業(yè)后，設(shè)備可自動完成指定綜合背板工序L9和L23的涂膠作業(yè)，提升了混流裝配線的自動化能力。

圖5 人機協(xié)同涂膠設(shè)備

3 裝配線成效評估

該示例雷達的4種綜合背板實現(xiàn)了混流裝配生產(chǎn)后，將其推廣至其他類似的幾種型號雷達，滿足了這幾種型號雷達不同綜合背板的混流裝配生產(chǎn)需求，實現(xiàn)了綜合背板從單人單件固定生產(chǎn)模式到裝配線混流生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，并取得以下明顯成效：1）裝配線將復(fù)雜工藝流程拆分至工位，降低了作業(yè)難度。完成同樣綜合背板的產(chǎn)出，原單人單件裝配模式需要8名技能電裝工，現(xiàn)在僅需6人，生產(chǎn)效率提升約33%。2）裝配線各工位電裝工定人定崗，技能工和普通工依工序特點分開作業(yè)，單條產(chǎn)線僅需4名技能工和2名普通工即可完成相同產(chǎn)出，提升了人力資源利用率。3）兩條綜合背板裝配線與車間其他產(chǎn)線共用一個人機協(xié)同涂膠設(shè)備，替代了原來的手工作業(yè)，涂膠效率及質(zhì)量明顯提升。4）兩條裝配線運行后能夠滿足幾種型號產(chǎn)品十多種不同綜合背板的快速換線生產(chǎn)，滿足了多品種、變批量的生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語

針對雷達綜合背板多品種、變批量的生產(chǎn)特點，本文通過應(yīng)用混流裝配線的設(shè)計理念，提取不同綜合背板的共性工藝流程，統(tǒng)計各工序平均作業(yè)時間進行簡化均衡設(shè)計；依據(jù)均衡設(shè)計，規(guī)劃布局裝配線的工序工位，設(shè)計制作工位工藝看板，并增加人機協(xié)同涂膠設(shè)備，從而完成混流裝配線的設(shè)計與實現(xiàn)。這種簡化的混流裝配線設(shè)計方法以及局部自動化能力提升的建設(shè)思路對離散型軍工電子企業(yè)多品種、變批量對象的產(chǎn)線設(shè)計和實施具有一定的借鑒意義。