冷卻模塊裝配工藝的正向規(guī)劃設(shè)計(jì)

摘要：為提高商用車總裝線的裝配效率并降低成本，應(yīng)用模塊化裝配理念，正向規(guī)劃設(shè)計(jì)商用車?yán)鋮s模塊裝配工藝。分析冷卻模塊裝配流程，計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍、理論工位數(shù)和裝配人員，采用TeamCenter軟件進(jìn)行工序效率平衡、單次配送量與配送節(jié)拍計(jì)算和三維工藝布局設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：冷卻模塊分裝區(qū)設(shè)置4個(gè)分裝工位，配置3個(gè)分裝作業(yè)員工可以滿足總裝配車間產(chǎn)能需求；冷卻模塊總成送至主線的配送節(jié)拍為23 min。最終的工藝布局為作業(yè)工位居中、物料緩存環(huán)繞的形式，與原工藝布局相比，作業(yè)人員減少一半，作業(yè)面積大幅降低，提高了商用車主機(jī)廠的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：工藝規(guī)劃；模塊化裝配;生產(chǎn)線平衡

中圖分類號(hào)：TK406文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）04-0095-06

引用格式：閆海.冷卻模塊裝配工藝的正向規(guī)劃設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（4）：95-100.

YAN Hai.Forward design of cooling module assembly process［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：95-100.

0 引言

商用車市場(chǎng)逐步呈現(xiàn)個(gè)性化、多樣化，即小批量多品種的特征，傳統(tǒng)大規(guī)模的總裝流水線生產(chǎn)模式已無法滿足多樣化的市場(chǎng)需求，總裝的模塊化、自動(dòng)化、柔性化、數(shù)字化成為行業(yè)趨勢(shì)。模塊化裝配是指基于產(chǎn)品部件的相似性、通用性，將整車分解為若干個(gè)主要部件，將這幾個(gè)部件預(yù)先組裝起來，成為幾個(gè)模塊，然后在主線上將這些模塊裝配至車身上[1]。在產(chǎn)品多樣化的需求下，模塊化的裝配單元具有很高的柔性化，可以使企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求[2]。

目前國(guó)內(nèi)商用車的裝配環(huán)節(jié)主要以人工作業(yè)為主，依靠工人的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，裝配時(shí)不斷試錯(cuò)和修正，自動(dòng)化與智能化程度較低，只在生產(chǎn)線局部站點(diǎn)配備自動(dòng)化裝備，與乘用車的差距較大。多數(shù)商用車生產(chǎn)企業(yè)自身的工藝規(guī)劃能力偏弱，缺乏系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃方法，工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃基本依賴外部的工程設(shè)計(jì)院，僅在研發(fā)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用三維輔助軟件，很少通過虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證。但也有少數(shù)企業(yè)掌握了先進(jìn)的工藝規(guī)劃技術(shù)，如某企業(yè)建立虛擬數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了新工廠工藝規(guī)劃、生產(chǎn)線改造及智能制造虛擬現(xiàn)實(shí)交互，可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配制造過程的仿真、評(píng)估、優(yōu)化[3]。

正向的工藝規(guī)劃可有效提高設(shè)備利用率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，從而降低人工成本與制造費(fèi)用。利用仿真軟件，可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行工藝規(guī)劃，提前實(shí)現(xiàn)模塊化的生產(chǎn)線布局與虛擬調(diào)試，極大提高工藝規(guī)劃的效率，加速產(chǎn)品開發(fā)到批產(chǎn)上市的過程。本文中以某商用車?yán)鋮s模塊的分裝為例探討零部件裝配工藝正向規(guī)劃設(shè)計(jì)與應(yīng)用，以提高裝配效率，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工藝過程設(shè)計(jì)

工藝過程設(shè)計(jì)是工藝規(guī)劃的前提，目前的工藝過程設(shè)計(jì)都是依據(jù)三維產(chǎn)品模型開展結(jié)構(gòu)化工藝開發(fā)。產(chǎn)品數(shù)字化虛擬裝配過程的設(shè)計(jì)包括裝配順序的確定和優(yōu)化、裝配路徑規(guī)劃和優(yōu)化、裝配過程仿真驗(yàn)證[4]。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊主要由散熱器、中冷器、膨脹水箱以及空調(diào)散熱器等部件組成，是一個(gè)跨產(chǎn)品功能模塊的組合。利用仿真軟件對(duì)冷卻模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與裝配關(guān)系進(jìn)行定義，確定各個(gè)部件的裝配順序，在確保不發(fā)生工藝干涉的前提下編制裝配過程流程圖。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻模塊的裝配過程流程如圖1所示。

2 工藝過程規(guī)劃

2.1 工藝過程排序

為明確作業(yè)先后順序，根據(jù)裝配過程流程圖對(duì)工藝過程進(jìn)行排序，如表1所示。在汽車制造行業(yè)通常用計(jì)劃評(píng)審技術(shù)（program evaluation and review technique，PERT）圖定義工藝流程，根據(jù)作業(yè)內(nèi)容間的緊前、緊后關(guān)系繪制PERT圖，如圖2所示。

2.2 生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算

生產(chǎn)線節(jié)拍

Ct=tt/P，（1）

式中：tt為每天的工作時(shí)間，s；P為每天的產(chǎn)量，輛。

冷卻模塊的生產(chǎn)節(jié)拍需要以整個(gè)總裝車間的生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)，總裝車間有2條生產(chǎn)線，日峰值產(chǎn)量為450輛整車，工作時(shí)間為雙班22 h，根據(jù)式（1）可得：Ct=176 s/輛。

2.3 理論工位數(shù)計(jì)算

理論工位數(shù)

Nt=tδ/Ct，（2）

式中：t為完成所有工序所需的總時(shí)間，s；δ為工時(shí)寬放系數(shù)，δ=1.3～1.6。

經(jīng)計(jì)算，t=426.6 s。根據(jù)冷卻模塊裝配勞動(dòng)強(qiáng)度的現(xiàn)實(shí)情況，取δ=1.6，根據(jù)式（2）可得：Nt=4。

2.4 作業(yè)人員分配

作業(yè)人員數(shù)量

NP=tPa/td，（3）

式中：Pa為單班產(chǎn)能需求，輛；td為單人有效作業(yè)時(shí)間，s。

由于冷卻模塊體積和重量較大，人員作業(yè)時(shí)間為每工作50 min休息10 min，單班單人有效作業(yè)時(shí)間約為9 h，根據(jù)式（3）可得：NP≈3。

2.5 工序效率平衡

以生產(chǎn)節(jié)拍、工位數(shù)、人員配置、工藝路線等作為輸入，應(yīng)用TeamCenter系統(tǒng)中的仿真工具PS計(jì)算得到生產(chǎn)線的平衡率，按照工序與人員作業(yè)負(fù)荷平衡的要求，進(jìn)行作業(yè)內(nèi)容分配并編制人員甲、乙、丙的工藝過程山積表，如表2～4所示。

由表2～4可知：3個(gè)人員作業(yè)時(shí)間基本相同，冷卻模塊分裝最大節(jié)拍為164 s/輛，基本滿足生產(chǎn)線能力平衡的要求和總裝主線節(jié)拍為176 s/輛的要求。

生產(chǎn)線平衡是對(duì)生產(chǎn)線的全部工序進(jìn)行負(fù)荷分析，通過調(diào)整工序間的負(fù)荷分配使各工序達(dá)到能力平衡（作業(yè)時(shí)間盡可能相近）的技術(shù)手段與方法。生產(chǎn)線平衡率[5-6]

LOB=t/（NPtb） ×100% ，（4）

式中：tb為瓶頸崗位耗時(shí)，s。當(dāng)LOB≥85%時(shí)，生產(chǎn)線平衡較好。

根據(jù)式（4）計(jì)算可得：LOB=86%，表明冷卻模塊裝配生產(chǎn)線各工序設(shè)置合理。

經(jīng)上述分析可知：冷卻模塊裝配集中分裝區(qū)設(shè)置4個(gè)分裝工位，共配置3個(gè)分裝員工可以滿足總裝配車間雙班22 h，每天450輛車的產(chǎn)能需求。

3 工藝布局規(guī)劃

由于冷卻模塊采用集中分裝、整體分批上線的策略，所以工藝規(guī)劃布局采用模塊化生產(chǎn)線布局方式設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)前總裝車間2條生產(chǎn)線線旁物料緩沖區(qū)容量和工位轉(zhuǎn)運(yùn)器具容量，計(jì)算冷卻模塊向主線的物流配送節(jié)拍及配送量；根據(jù)現(xiàn)有料架尺寸、零部件總成尺寸、分裝線生產(chǎn)節(jié)拍、物流配送節(jié)拍和一次配送量，確定分裝線旁待裝物料緩存區(qū)、成品代轉(zhuǎn)區(qū)、裝配作業(yè)區(qū)面積。

3.1 物流規(guī)劃

目前商用車行業(yè)工廠內(nèi)物流系統(tǒng)主要以配送距離短、配送時(shí)間短、運(yùn)輸成本低為目標(biāo)，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃并結(jié)合不同的配送模式，制定物料的配送清單、配送周期、配送順序、配送量，通過智能配送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與實(shí)物的同步。廠內(nèi)物流的主要配送模式有順序配送、時(shí)段配送與看板配送3種。順序配送與時(shí)段配送都屬于準(zhǔn)時(shí)化配送[7-8]，即將正確的物料，以正確的數(shù)量，在正確的時(shí)間送到正確的地點(diǎn)。兩者的區(qū)別是順序配送的配送數(shù)量較少，一般以單件配送為主，物料體積較大；時(shí)段配送的物料一般體積較小，單次配送數(shù)量較多。

以TeamCenter系統(tǒng)中的工藝資源庫(kù)中自帶的料架與配送托盤作為配送容量與線旁緩存的輸入，應(yīng)用仿真工具PS進(jìn)行物流仿真，確定冷卻模塊下層零件與冷卻模塊總成的單次配送量與配送節(jié)拍。

3.1.1 來料物流配送

冷卻模塊裝配主要涉及的物料及其配送方式見表5。

3.1.2 產(chǎn)成品物流配送

冷卻模塊裝配完畢配送至主線時(shí)，按照主線的生產(chǎn)節(jié)拍和單線單次配送2架（8個(gè)）的要求，計(jì)算得到冷卻模塊配送主線的節(jié)拍為23 min，配送方式為電動(dòng)自動(dòng)導(dǎo)向拖車根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃按需配送。

3.2 工藝布局

根據(jù)前面物流配送的計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)有的工藝資源（工裝、工位器具）與工廠資源，計(jì)算冷卻模塊分裝區(qū)域具體的工藝資源需求明細(xì)，如表6所示。裝配工藝仿真是通過數(shù)字化的虛擬裝配系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境及裝配過程進(jìn)行模擬[9-10]，并對(duì)裝配過程進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。應(yīng)用TeamCenter軟件，根據(jù)上述物流配送的仿真結(jié)果，以精益生產(chǎn)的最小線旁緩存為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)最終的工藝布局圖，如圖3所示。

最終的工藝布局為作業(yè)工位居中、物料緩存環(huán)繞的形式，極大減少了工人的移動(dòng)，取件主要以轉(zhuǎn)身為主，每個(gè)分裝區(qū)單班配置3名分裝作業(yè)人員，較原總裝廠2條主線分別設(shè)置線旁分裝區(qū)的形式，作業(yè)人員減少一半，占地面積由原來的156 m2降低到70 m2，效率、效益大幅提高。

4 結(jié)論

1）借助TeamCenter軟件進(jìn)行了商用車?yán)鋮s模塊裝配的正向工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)，分析冷卻模塊裝配流程，計(jì)算生產(chǎn)節(jié)拍、理論工位數(shù)、裝配人員、工序效率平衡。工序效率平衡結(jié)果表明：冷卻模塊集中分裝區(qū)設(shè)置4個(gè)分裝工位，配置3個(gè)分裝作業(yè)員工可以滿足總裝配車間產(chǎn)能需求。

2）以TeamCenter系統(tǒng)中的工藝資源庫(kù)中自帶的料架與配送托盤作為配送容量與線旁緩存的輸入，應(yīng)用仿真工具PS進(jìn)行物流仿真，確定冷卻模塊下層零件與冷卻模塊總成的單次配送量與配送節(jié)拍，冷卻模塊總成送線配送節(jié)拍為23 min。

3）通過三維仿真工具建立產(chǎn)品、工藝、資源、工廠的結(jié)構(gòu)化關(guān)系，進(jìn)行生產(chǎn)線的布局規(guī)劃設(shè)計(jì)，在虛擬環(huán)境中動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)裝配生產(chǎn)過程，可提前找到生產(chǎn)流程節(jié)拍與工藝資源間可能存在的矛盾，提高了工藝規(guī)劃的效率。

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Forward design of cooling module assembly process

YAN Hai

Shaanxi Heavy-Duty Truck Co.， Ltd.， Xi′an， 701200， China

Abstract：In order to improve the assembly efficiency of commercial vehicle assembly line and reduce cost， the modular assembly concept is applied to design the assembly process of commercial vehicle cooling modules. The assembly process of the cooling module， production rhythm， theoretical number of workstations and workers are considered. TeamCenter software is used to balance process efficiency， calculate single delivery volume and delivery rhythm， and design a three-dimensional process layout. The results show that the cooling module packaging area could meet the production capacity requirements of the total assembly workshop by setting up 4 packaging workstations and configuring 3 packaging workers. The delivery time for the cooling module assembly to the main line is 23 min. The final process layout is centered around the work station and surrounded by material cache. Compared with the original process layout， the number of workers is reduced by half， the work area is significantly reduced， and the production efficiency of the commercial vehicle main factory is improved.

Keywords：process planning; modular assembly; production line balance

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-05-13

作者簡(jiǎn)介：閆海（1984—），男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，主要研究方向?yàn)槠囍圃旃に囈?guī)劃、智能制造，E-mail：yanhai@sxqc.com。