電機(jī)部裝生產(chǎn)線平衡策略研究

田昊

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

在電機(jī)制造各工藝流程中，電機(jī)的裝配是核心工藝和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠占電機(jī)制造總工時(shí)的25%～40%，是決定電機(jī)產(chǎn)品最終質(zhì)量、制造成本和周期的主要因素。

1 裝配生產(chǎn)線平衡和主要影響因素

電機(jī)部件裝配車(chē)間內(nèi)，按照工藝需求，會(huì)設(shè)置多個(gè)裝配工位。生產(chǎn)組織關(guān)系上，設(shè)置多個(gè)生產(chǎn)小組。每個(gè)生產(chǎn)小組根據(jù)生產(chǎn)需求，配備不同的工藝人員、班組長(zhǎng)。每個(gè)生產(chǎn)小組配備不同類型的工裝、夾具、線上工具以及線上設(shè)備。每個(gè)班組負(fù)責(zé)一條生產(chǎn)線，不同的生產(chǎn)線負(fù)責(zé)裝配不同的電機(jī)部件，部件的裝配工藝流程往往都包含多道工序，且具有較高相似性。因此，各班組之間會(huì)存在資源競(jìng)爭(zhēng)、排產(chǎn)沖突等問(wèn)題，這導(dǎo)致電機(jī)生產(chǎn)線的平衡優(yōu)化策略是個(gè)復(fù)雜的博弈過(guò)程。

影響生產(chǎn)線平衡的因素很多，主要包括班組因素、產(chǎn)線因素、產(chǎn)品需求、工藝布置、場(chǎng)內(nèi)物流等，具體如下所示。

1.1 班組因素

班組因素是指各生產(chǎn)小組的裝配能力、工藝種類和技能熟練程度。班組成員的技術(shù)能力水平限制了裝配線各工位的可用資源，班組成員的技術(shù)能力越強(qiáng)，越容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的平衡；人員技能熟練程度越高，越有利于裝配線的平衡，所以工作人員的動(dòng)態(tài)調(diào)度直接影響生產(chǎn)線的平衡。

1.2 產(chǎn)品需求

產(chǎn)品需求是指某一時(shí)間增加電機(jī)的改型任務(wù)，混線裝配生產(chǎn)，導(dǎo)致裝配節(jié)拍發(fā)生變化。需要對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，甚至重新規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)新的產(chǎn)線平衡。

1.3 工藝布置

生產(chǎn)線的工藝布置不僅影響各班組人員的站位、人員、物流路線、工位數(shù)量，還影響各個(gè)班組對(duì)物料的獲取的時(shí)間。工藝布置對(duì)生產(chǎn)線的平衡影響較大。

2 電機(jī)部裝線平衡問(wèn)題分類

電機(jī)部裝生產(chǎn)線更具優(yōu)化對(duì)象的不同可以分為3 類。

（1）在產(chǎn)線節(jié)拍CT 確定的情況下，使得班組規(guī)模最?。ò嘟M需要的工位數(shù)K 最小）。在電機(jī)部裝生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)模來(lái)計(jì)算生產(chǎn)線的節(jié)拍CT，根據(jù)CT 計(jì)算K 的最小值（MIN），得到最小的生產(chǎn)班組規(guī)模條件下，人員和產(chǎn)線設(shè)備的需求量最少，又滿足產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。第一類問(wèn)題主要是針對(duì)成熟產(chǎn)品、生產(chǎn)廠房平面已經(jīng)確定情況下的產(chǎn)線平衡問(wèn)題。主要開(kāi)展生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得廠房面積利用率最高、空間布局最合理。

（2）在生產(chǎn)班組規(guī)模確定（K 值確定）的情況下，通過(guò)優(yōu)化，使得生產(chǎn)線的節(jié)拍CT 最小。對(duì)于一些傳統(tǒng)企業(yè)，生產(chǎn)班組已經(jīng)相對(duì)固定，班組的人員和設(shè)備已經(jīng)固定，K 值已經(jīng)確定。通過(guò)對(duì)工序的再分配，使得生產(chǎn)線達(dá)到平衡狀態(tài)，提高生產(chǎn)效率。這類問(wèn)題主要是針對(duì)老舊廠房、傳統(tǒng)企業(yè)針對(duì)新產(chǎn)品，根據(jù)流程再走，規(guī)劃新產(chǎn)品最短的生產(chǎn)節(jié)拍CT。

（3）在產(chǎn)線節(jié)拍CT 和生產(chǎn)班組（K 值）都相對(duì)確定的情況下，平衡產(chǎn)線各環(huán)節(jié)的工作量。對(duì)這類問(wèn)題進(jìn)行研究，保證每個(gè)工藝環(huán)節(jié)的完成時(shí)間均落在一定相對(duì)合理區(qū)間內(nèi)，班組之間、班組之內(nèi)的生產(chǎn)符合大致相同。即使出現(xiàn)產(chǎn)線擾動(dòng)，只要擾動(dòng)在一定區(qū)間內(nèi)，也能保障各生產(chǎn)班組能夠及時(shí)處理突發(fā)事件，減少擾動(dòng)對(duì)產(chǎn)線平衡的影響。這類問(wèn)題主要針對(duì)新產(chǎn)品在現(xiàn)有廠房?jī)?nèi)的產(chǎn)線規(guī)劃問(wèn)題。

根據(jù)精益生產(chǎn)的理念，部裝生產(chǎn)線的裝配周期需與總裝生產(chǎn)線的節(jié)拍需保持一致，故部裝裝配線的節(jié)拍CT 是一定的，主要求解站位數(shù)，進(jìn)一步細(xì)化為班組組成問(wèn)題。

3 問(wèn)題描述及建模

3.1 問(wèn)題描述

部裝生產(chǎn)線的平衡主要包括2 個(gè)方面：一是各班組之間的平衡；二是班組內(nèi)的平衡。

生產(chǎn)班組間的平衡是電機(jī)不同組成模塊之間的裝配線平衡。從電機(jī)機(jī)構(gòu)角度，電機(jī)主要包括機(jī)芯、定子和轉(zhuǎn)子等組成，將上述各大部件看成一個(gè)整體站位，部裝生產(chǎn)線就可分為機(jī)芯裝配站位、定子裝配站位、轉(zhuǎn)子裝配站位，部裝生產(chǎn)線站位間的平衡問(wèn)題就可轉(zhuǎn)化為各部件裝配站位的平衡。生產(chǎn)班組內(nèi)部的生產(chǎn)平衡是生產(chǎn)班組間生產(chǎn)平衡的基礎(chǔ)。生產(chǎn)班組間的生產(chǎn)平衡策略研究屬于第一類產(chǎn)線平衡問(wèn)題。

生產(chǎn)班組內(nèi)的生產(chǎn)平衡是基于工序或任務(wù)包的裝配平衡，側(cè)重于裝配任務(wù)分配的均衡性。影響生產(chǎn)班組內(nèi)內(nèi)部生產(chǎn)平衡的因素主要有工位節(jié)拍、人員工時(shí)、工時(shí)制度以及設(shè)備年時(shí)基數(shù)等。設(shè)備年時(shí)基數(shù)及人員班制決定了生產(chǎn)線的工作時(shí)間。因此，生產(chǎn)班組內(nèi)生產(chǎn)線平衡問(wèn)題屬于第三類問(wèn)題。

3.2 生產(chǎn)線平衡建模

3.2.1 生產(chǎn)線平衡數(shù)學(xué)模型

A 生產(chǎn)班組間的工序平衡。站位間的平衡是在已知生產(chǎn)節(jié)拍的前提下求解最少站位的問(wèn)題，最少站位數(shù)=站位的裝配時(shí)間÷節(jié)拍CT。

B 生產(chǎn)班組內(nèi)的工序平衡。生產(chǎn)班組內(nèi)的工位是由多個(gè)連續(xù)生產(chǎn)的工位組成，根據(jù)生產(chǎn)工藝組合成線。每個(gè)工序的節(jié)拍是確定的。產(chǎn)線平衡策略研究的是在滿足生產(chǎn)工藝的前提下，使得生產(chǎn)班組內(nèi)每個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍落在合理區(qū)間內(nèi)。將工位進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，重新優(yōu)化分配，使得生產(chǎn)班組內(nèi)的生產(chǎn)形成流水線。

站位內(nèi)工序平衡是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，突出重點(diǎn)，我們提出以下假設(shè)：工藝流程是確定的。工藝流程包括生產(chǎn)班組內(nèi)各工位之間的順序、物流關(guān)系、生產(chǎn)節(jié)拍、人員能力要求等；目前只考慮各工序的裝配時(shí)間，暫不考慮物流運(yùn)輸、物料緩沖、人員等待、設(shè)備故障等時(shí)間等；生產(chǎn)班組內(nèi)的每個(gè)工位的生產(chǎn)節(jié)拍CT 是確定的。

根據(jù)上述裝配線的描述，裝配線平衡的數(shù)學(xué)理論模型如下：

m 為裝配線工作站的總個(gè)數(shù)，n 是裝配線中裝配工序的總數(shù)目。其中，約束條件（1）表示生產(chǎn)班組內(nèi)的工位只進(jìn)行一個(gè)工序；約束條件（2）表達(dá)的是生產(chǎn)工藝的優(yōu)先級(jí)，工序i 是工序k 的前序工藝；約束條件（3）表達(dá)的是生產(chǎn)班組內(nèi)工位j 工序的總工作時(shí)間；約束條件（4）表達(dá)的是生產(chǎn)班組內(nèi)每個(gè)工位的節(jié)拍不超過(guò)電機(jī)產(chǎn)線總生產(chǎn)節(jié)拍；約束條件（5）給出了xij的取值范圍，當(dāng)?shù)趇 個(gè)生產(chǎn)工序在第j 工位上進(jìn)行時(shí)，xij取值為1，否則為0。

3.2.2 混線裝配模式下的生產(chǎn)線平衡

隨著柔性工裝的廣泛應(yīng)用以及電機(jī)改型的頻繁程度，多型號(hào)的混線生產(chǎn)在部裝車(chē)間中已成為常態(tài)，多產(chǎn)品部裝生產(chǎn)線平衡問(wèn)題需要考慮的問(wèn)題較多，包括生產(chǎn)工序的前后關(guān)系、生產(chǎn)物流的上下游關(guān)系，還要考慮不同產(chǎn)品轉(zhuǎn)段生產(chǎn)、更換工裝夾具消耗的時(shí)間，同時(shí)還要考慮不同產(chǎn)品產(chǎn)量的比例。

本文采用一種簡(jiǎn)化模式，將混線裝配線的平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單一型號(hào)裝配線的平衡問(wèn)題，即每次新型號(hào)裝配任務(wù)的下達(dá)，均可看作在現(xiàn)在條件下增加了裝配任務(wù)，按照多型號(hào)總的工序內(nèi)容，重新做一次裝配線的平衡。

4 生產(chǎn)線平衡評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線的需求分析，提煉形成包含裝配節(jié)拍、站位工作率和設(shè)備負(fù)荷率等在內(nèi)的裝配線評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，作為衡量裝配線性能優(yōu)劣的準(zhǔn)則。具體如下。

4.1 裝配節(jié)拍

裝配節(jié)拍是裝配線設(shè)計(jì)時(shí)的核心指標(biāo)，裝配線各工位的實(shí)際節(jié)拍與裝配線的期望節(jié)拍之間的標(biāo)準(zhǔn)差越小，整條生產(chǎn)線的平衡性越好，生產(chǎn)效率越高。

4.2 空程時(shí)間比率

空程時(shí)間比率指整個(gè)裝配線的等待時(shí)間與電機(jī)裝配總時(shí)間的比例。產(chǎn)線在進(jìn)行工藝試驗(yàn)時(shí)，需要嚴(yán)格采集空程時(shí)間以及空程時(shí)間比例?？粘虝r(shí)間比例大了標(biāo)明產(chǎn)線中的生產(chǎn)平衡，出現(xiàn)了大量資源浪費(fèi)，產(chǎn)線效率不高。

4.3 裝配線平滑性系數(shù)

裝配線平滑性系數(shù)衡量的是每個(gè)生產(chǎn)班組工位節(jié)拍之間的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明產(chǎn)線越平衡。

5 電機(jī)部裝生產(chǎn)線仿真評(píng)估與優(yōu)化技術(shù)

電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真技術(shù)主要包括仿真準(zhǔn)備、仿真建模與驗(yàn)證、仿真運(yùn)行及結(jié)果輸出3 個(gè)方面。根據(jù)電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真目標(biāo)，采集仿真建模需要的數(shù)據(jù)，主要包含規(guī)范的生產(chǎn)線工藝布置圖、混線產(chǎn)品信息、工藝流程信息、人員信息以及物流信息等。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集是決定仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

可以基于Delmia/Quest平臺(tái)，創(chuàng)建生產(chǎn)線幾何模型，設(shè)置工藝流程相關(guān)的信息和參數(shù)，建立電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真模型，并從工藝流程邏輯正確性和輸出結(jié)果正確性兩個(gè)方面驗(yàn)證仿真模型的可行性和有效性。

基于電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合定制開(kāi)發(fā)，形成電機(jī)部件裝配生產(chǎn)線仿真評(píng)估與優(yōu)化系統(tǒng)，量化分析評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定影響生產(chǎn)線行為的關(guān)鍵因素并進(jìn)行優(yōu)化。

6 生產(chǎn)線平衡的仿真驗(yàn)證

6.1 仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

仿真模擬試驗(yàn)的目的是在滿足產(chǎn)品裝配周期的情況下，優(yōu)化電機(jī)裝配生產(chǎn)線，改善瓶頸環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)線的效率。針對(duì)本文研究的實(shí)際情況，采用電機(jī)裝配周期、各裝配單元利用率等指標(biāo)作為衡量電機(jī)裝配生產(chǎn)線優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 仿真結(jié)果分析及裝配線優(yōu)化

6.2.1 初始方案仿真結(jié)果

仿真模型內(nèi)各裝配工位單元的工作率柱狀圖如圖1所示。

6.2.2 初始方案分析及優(yōu)化

仿真中系統(tǒng)繁忙環(huán)節(jié)即為產(chǎn)線設(shè)計(jì)的瓶頸工序，從上述仿真結(jié)果可以得到，扁線（利用率為99.26%）、嵌線（ 利用率為99.26%）、 預(yù)總裝（ 利用率為98.65%）、定型（93.24%）、分型（利用率為85.66%）為瓶頸工位。

因此，可通過(guò)增加裝配單元和工藝分離面的重新劃分等方法提高其工作節(jié)拍；平衡各生產(chǎn)班組內(nèi)工位的節(jié)拍，提高產(chǎn)線設(shè)備利用率，減少設(shè)備的等待、物流緩沖狀態(tài)。

6.2.3 優(yōu)化后的裝配線仿真結(jié)果

本文采用增加裝配單元的形式即增加效率工裝，得到改進(jìn)后的仿真結(jié)果如下：

仿真模型內(nèi)各裝配工位單元的工作率柱狀圖如圖2所示。

圖2 各裝配工位單元的工作率柱狀圖

7 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略

在實(shí)際的部裝車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，常常會(huì)出現(xiàn)不同的生產(chǎn)擾動(dòng)，對(duì)于這些生產(chǎn)擾動(dòng)的研究是進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度研究的基礎(chǔ)。

7.1 裝配人員重調(diào)度策略

裝配人員作為裝配過(guò)程中的重要因素，直接影響裝配生產(chǎn)線的平衡，從而影響裝配進(jìn)度和質(zhì)量。由于電機(jī)裝配過(guò)程的很多工序比較復(fù)雜，生產(chǎn)班組內(nèi)各工位之間需要協(xié)同配合才能完成電機(jī)部裝任務(wù)，各組人員之間的屬性功能不同，只能完成某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)工作。如遇到裝配人員請(qǐng)假、離職等擾動(dòng)。首先，要評(píng)價(jià)人員的請(qǐng)假/離職對(duì)生產(chǎn)造成的影響，如果造成的影響在保證裝配周期的前提下短時(shí)間是可恢復(fù)的，則可按照原始排產(chǎn)方案照常進(jìn)行生產(chǎn)。如果為核心人員，造成的影響是不可逆的，則需尋找相似工種的替代人員，由于替代人員的熟練程度會(huì)影響相關(guān)工序工時(shí)的增加，需進(jìn)行右移重調(diào)度。

7.2 工裝/設(shè)備重調(diào)度策略

工裝/設(shè)備發(fā)生故障，如果是可維修的故障，在原有調(diào)度方案上預(yù)估維修時(shí)間，明確受影響的工序，采用右移重調(diào)度策略，因?yàn)榇蠖鄶?shù)部裝車(chē)間的工裝均為“獨(dú)生子”設(shè)備并具有唯一的屬性，某套工裝/設(shè)備出現(xiàn)故障也可能給后續(xù)存在“先后關(guān)系”的工序帶來(lái)影響，受影響的工序也要進(jìn)行右移重調(diào)度；如果是工裝設(shè)備報(bào)廢，則需進(jìn)行完全重調(diào)度。

7.3 與任務(wù)相關(guān)的重調(diào)度策略

與任務(wù)相關(guān)的生產(chǎn)擾動(dòng)包括任務(wù)加入、任務(wù)取消和任務(wù)交貨期改變。部裝車(chē)間一般僅涉及任務(wù)加入和任務(wù)裝配周期的改變。對(duì)于任務(wù)加入和裝配周期的改變，集合所有未裝配的工序進(jìn)行完全重調(diào)度。

8 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電機(jī)部裝生產(chǎn)線能力平衡問(wèn)題，采用Plant Simulation 軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

針對(duì)部裝車(chē)間的各種動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素，提出了各種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度策略以自動(dòng)響應(yīng)不同類型的生產(chǎn)擾動(dòng)，但沒(méi)有采用相應(yīng)方法對(duì)所提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為驗(yàn)證解決電機(jī)部裝生產(chǎn)線能力平衡和動(dòng)態(tài)調(diào)度策略問(wèn)題方法的可行性，并為裝配生產(chǎn)線智能管控系統(tǒng)的搭建提供技術(shù)支撐，后續(xù)將以2 個(gè)問(wèn)題的仿真驗(yàn)證作為研究對(duì)象。