發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)線的分裝工藝規(guī)劃及應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：TH16；F273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250065

Research on the Subpackage ProcessPlanning and Application ofEngine Assembly Line

Zhang Peiwen （Beijing Foton Cummins Engine Company，Beijing102200）

Abstract：With the increasing prevalence of small batchand multi varietyproductionmodes in theautomotive manufacturing industry，engine companies have developed a large number of modular subpackage scenarios to adress thedifferences inthenumber of workstations，personnel configuration，and process layout betweendiferent engines underthismode，andfurtherenhancetheeficiency，flexibilityandscalabilityofproductionlines.Thispapertakesan engineassemblyproduction lineasanexampleto compare theconceptsand characteristics of2modes，namely，online subpackage and centralized subpackage.The design parameters of the2 subpackage modesareexplained，anda mathematical model of process quota is proposed.MATLAB is utilized to simulate the relationship between process quota and output in thecentralizedsubpackage mode，andthe critical conditions for lean management of the 2 subpackage modesare obtained to improve leancontrol capabilities and provide reference for subpackage planing of related production lines.

Keywords：Online subpackage，Centralized subpackage，Mathematical model of processquota，Lean managementandcontrol

1前言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車制造過(guò)程中勞動(dòng)密集型的環(huán)節(jié)，裝配工藝復(fù)雜、制造過(guò)程各類生產(chǎn)要素眾多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、各產(chǎn)品間差異大，導(dǎo)致不同產(chǎn)品的制造周期不相等、操作人員配置和工藝布局差異明顯，而且受供應(yīng)鏈策略影響，眾多零件分體供貨，更增加了工藝規(guī)劃難度，因此，越來(lái)越多的企業(yè)關(guān)注模塊化分裝場(chǎng)景的應(yīng)用和優(yōu)化[-4]。

行業(yè)針對(duì)生產(chǎn)線分裝布局規(guī)劃已經(jīng)開(kāi)展了許多研究。李華峰5指出，將多品種或多變型系列產(chǎn)品的變化規(guī)劃至分裝，可以提高總裝線的柔性，為多品種共線創(chuàng)造條件。鄭德權(quán)等以轎車生產(chǎn)線為例，規(guī)劃了整車分裝工藝，總結(jié)分裝裝配的設(shè)計(jì)原則以及分裝的優(yōu)點(diǎn)。董曉光通過(guò)工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了分裝與總裝的同步，闡述了此分裝規(guī)劃下的收益。

分裝工藝規(guī)劃一般包含：

a.分裝工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，即根據(jù)產(chǎn)品輸人，確定總成的大致裝配順序。b.分裝工藝過(guò)程規(guī)劃，即結(jié)合產(chǎn)能、工位數(shù)、工藝定額、線平衡等設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)劃出各工位的裝配內(nèi)容，同時(shí)需兼顧裝配質(zhì)量控制、安全環(huán)保、后續(xù)調(diào)整柔性等因素。c.工藝布局規(guī)劃，即結(jié)合分裝、主線緩沖容量和產(chǎn)能規(guī)劃配送節(jié)拍和配送量，結(jié)合零件尺寸、分裝生產(chǎn)節(jié)拍等信息規(guī)劃分裝及總裝工位布局。

然而現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有對(duì)分裝模式類型、應(yīng)用場(chǎng)景等的細(xì)化研究，以及更深入的工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)。本文基于某發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)工廠的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況，深人討論模塊化分裝工藝的類型和特點(diǎn)，并著重對(duì)隨線分裝和集中分裝2種模式下工藝過(guò)程規(guī)劃中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理性研究，提出對(duì)應(yīng)的工藝定額數(shù)學(xué)模型，并基于精益管理思想通過(guò)Matlab對(duì)集中分裝模式下工藝定額與產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行仿真，以期得到2種分裝模式在精益性方面的臨界條件，為企業(yè)提升分裝工藝規(guī)劃和精益生產(chǎn)能力提供借鑒。

2隨線分裝模式研究

2.1 概念及特點(diǎn)

隨線分裝模式指通過(guò)主生產(chǎn)線產(chǎn)品預(yù)撥此產(chǎn)品的分裝信息至分裝工位/產(chǎn)線，提前分裝完成的總成組件要與主線產(chǎn)品/主體一對(duì)一裝配使用。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配領(lǐng)域一般應(yīng)用于缸蓋、活塞、空壓機(jī)、增壓器、排氣歧管等總成的分裝場(chǎng)景。

a.適用范圍：針對(duì)各產(chǎn)品的通用結(jié)構(gòu)，各產(chǎn)品的總成結(jié)構(gòu)在工藝規(guī)劃、分裝總工時(shí)上無(wú)明顯差異。

b.產(chǎn)能要求：分裝能力要高于或等于主線產(chǎn)能，以滿足主線產(chǎn)品的正常使用需求。

c.區(qū)域規(guī)劃：通常規(guī)劃至主線需求工位旁，直接對(duì)接主線產(chǎn)品裝配使用，減少物流轉(zhuǎn)運(yùn)消耗，提高與主線產(chǎn)品的一對(duì)一匹配效率。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)定義

2.2.1 生產(chǎn)能力

根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)及未來(lái)預(yù)測(cè)產(chǎn)量確定生產(chǎn)能力，計(jì)算公式如下：

式中： R_JPH 為產(chǎn)能， 為預(yù)測(cè)產(chǎn)量， T 為每班的有效工時(shí)， D 為每年的有效工作天數(shù)， N 為生產(chǎn)班制，q 為綜合開(kāi)動(dòng)率。

某工廠預(yù)測(cè)產(chǎn)量為54000臺(tái)/年；每班的有效工時(shí)為 7.5h ，每年的有效工作天數(shù)為270天，單班生產(chǎn)，綜合開(kāi)動(dòng)率為 90% ，則可得需求產(chǎn)能為JPH29.6，則產(chǎn)線產(chǎn)能可按JPH30規(guī)劃。

2.2.2 主線工位節(jié)拍

實(shí)際上產(chǎn)線的瓶頸節(jié)拍與產(chǎn)能息息相關(guān)，即瓶頸節(jié)拍越短，產(chǎn)能越高，具體關(guān)系為：

式中： Q 為生產(chǎn)效率， P 為托盤轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間及制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）反應(yīng)時(shí)間， T_max 為主線瓶頸節(jié)拍。

該工廠產(chǎn)能為JPH30，生產(chǎn)效率 Q 按 80% 計(jì)算，工位間轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間及MES反應(yīng)時(shí)間 P 取 19s ，根據(jù)式（2）計(jì)算可得，瓶頸節(jié)拍為 77s 。

2.2.3分裝工位工藝定額配置

因隨線分裝模式下分裝產(chǎn)能要大于等于主線產(chǎn)能，所以分裝工位工藝定額的計(jì)算公式如下：

式中： H 為分裝所需工藝定額數(shù)，即實(shí)際需要配置的操作人員數(shù)； T 為某個(gè)分裝總成單人分裝完成所需的時(shí)間； T_max 為主線瓶頸節(jié)拍。

例如，該工廠分裝缸蓋超級(jí)總成下凸輪軸、搖臂、吊耳等結(jié)構(gòu)所需時(shí)間為 460s ，則在主線JPH30的產(chǎn)能下，缸蓋分裝線至少需配置6人完成分裝作業(yè)；另綜合考慮氣門間隙調(diào)整的精益方案，投資自動(dòng)設(shè)備完成調(diào)整檢測(cè)，自動(dòng)設(shè)備能力亦需滿足主線JPH30產(chǎn)能要求，避免成為瓶頸工位無(wú)法供應(yīng)主線建造需求。

3集中分裝模式研究

3.1 概念及特點(diǎn)

集中分裝模式是指針對(duì)差異產(chǎn)品的差異總成組件提前批量分裝，在生產(chǎn)工單鎖定后即可分裝，建立一定量的庫(kù)存供主線產(chǎn)品使用。

a.適用范圍：針對(duì)所有產(chǎn)品的差異結(jié)構(gòu)，各產(chǎn)品的總成結(jié)構(gòu)在工藝規(guī)劃、分裝總工時(shí)上差異明顯，甚至分裝的總成組件為某產(chǎn)品的特有結(jié)構(gòu)，例如A產(chǎn)品無(wú)需分裝節(jié)溫器、B產(chǎn)品需要分裝節(jié)溫器，則B產(chǎn)品所需分裝的節(jié)溫器為差異結(jié)構(gòu)。

b.產(chǎn)能要求：因此模式可以提前批量分裝，分裝能力無(wú)需與主線產(chǎn)能嚴(yán)格匹配，則提前分裝數(shù)量滿足主線產(chǎn)品使用需求即可。

c.區(qū)域規(guī)劃：因集中分裝模式提前批量分裝的特點(diǎn)，優(yōu)先在主生產(chǎn)線外設(shè)置集中分裝區(qū)域。一方面可以大幅度減少多品種小批量模式下主線物料空間不足的情況，另一方面集中分裝區(qū)可以設(shè)置獨(dú)立分裝工位，將同一產(chǎn)品的不同分裝工位集中布置，便于生產(chǎn)組織。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)定義

集中分裝模式下，分裝產(chǎn)能無(wú)需與主線產(chǎn)能嚴(yán)格匹配，因此工藝定額配置主要受當(dāng)日所需分裝機(jī)型產(chǎn)量影響：

式中： T_ik 為 i 產(chǎn)品下第 k 個(gè)分裝總成單人分裝完成所需的時(shí)間； P_i 為 i 產(chǎn)品當(dāng)天產(chǎn)量； H 為集中分裝模式所需工藝定額數(shù)， T 為提前分裝時(shí)間； T₁ 為補(bǔ)償分裝時(shí)間，即提前分裝 T 小時(shí)完成的分裝總成在主線需要消耗的時(shí)間； Q 為生產(chǎn)效率。

理論上， T_?1 可以無(wú)限迭代，因?yàn)樘崆胺盅b的零件在主線消耗的過(guò)程中，分裝區(qū)仍可以分裝并繼續(xù)供主線消耗使用，循環(huán)往復(fù)至無(wú)法滿足主線消耗為止，但因后續(xù)迭代消耗影響逐漸減小，且出于簡(jiǎn)化公式考量，式中僅迭代消耗一次：

式中： T₁ 為補(bǔ)償分裝時(shí)間， P₁ 為提前分裝 T 小時(shí)下的產(chǎn)量。

結(jié)合式（4）可得 P₁ 為：

綜合式（4） ～ 式（6）可以得到集中分裝模式下工藝定額和產(chǎn)量的關(guān)系如下：

H-T_ikP_i=0

其中， T_ik 可以依據(jù)實(shí)際分裝區(qū)域布置，將某產(chǎn)品的多個(gè)分裝單元進(jìn)行組合求和，方便人員統(tǒng)一組織。

4集中分裝模式數(shù)學(xué)模型論證

4.1 理論核算

以某工廠為例，將A產(chǎn)品分裝內(nèi)容統(tǒng)一布置到集中分裝一區(qū)，此區(qū)域分設(shè)4個(gè)分裝工位，分別完成廢氣再循環(huán)（ExhaustGasRecirculation，EGR）系統(tǒng)跨管、進(jìn)氣管、節(jié)溫器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（EngineControlModule，ECM）支架總成分裝，占地147m³ ，其余參數(shù)說(shuō)明如下：

a.分裝總工時(shí) T_ik 為 1200s ，包含拿取物料及總成物料擺放等時(shí)間。

b.提前分裝時(shí)間T為 2h ，提前分裝時(shí)間受諸多條件影響，此處選用極限最小時(shí)間，即當(dāng)天生產(chǎn)工單當(dāng)天分裝，在 R_JPH 為30的產(chǎn)能條件下，主線發(fā)動(dòng)機(jī)從上線到第一個(gè)分裝總成需求點(diǎn)位需 2h ，即提前分裝時(shí)間 2h 則可以滿足主線發(fā)動(dòng)機(jī)使用需求。選用極限最小時(shí)間可以有效避免分裝異常情況導(dǎo)致的分裝總成無(wú)法供應(yīng)主線發(fā)動(dòng)機(jī)使用情況。

c.Q為 80% 。

根據(jù)式（7）可以計(jì)算出不同日產(chǎn)下工藝定額配置?；隍?yàn)證需求此處計(jì)算出日產(chǎn)15臺(tái)需要工藝定額向上取整2人。

4.2 實(shí)際驗(yàn)證

以某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠為例，裝配區(qū)為如圖1所示U型線， A，B，C，D 分別為集中分裝一區(qū)涉及的4個(gè)分裝工位對(duì)應(yīng)的主線合裝工位。

又如4.1所述情況，日產(chǎn)15臺(tái)的情況下，從開(kāi)班在集中分裝區(qū)配置2人，按 對(duì)應(yīng)的分裝順序完成所有15臺(tái)份的分裝任務(wù)，記錄各分裝工時(shí)如表1所示。當(dāng)日工單從上線到A需求點(diǎn)的時(shí)間為 130min ，A需求點(diǎn)到B需求點(diǎn)的時(shí)間為 100min ，因B，C，D3 個(gè)需求點(diǎn)位相近，此處不再細(xì)分，所有集中分裝任務(wù)需保證各主線發(fā)動(dòng)機(jī)的使用。

實(shí)際證明，A分裝點(diǎn)15臺(tái)分裝任務(wù)需要18min ，遠(yuǎn)小于主線走線所需 130min ，即A分裝可滿足A主線點(diǎn)使用需求，同理，其余分裝工位亦能滿足主線使用需求。但若僅配置1人，完成所有15臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所需分裝任務(wù)需要 300min ，但主線發(fā)動(dòng)機(jī)走線時(shí)間僅 230min ，無(wú)法滿足供應(yīng)。

集中分裝工時(shí)僅 141min ，遠(yuǎn)小于每班的有效工時(shí) 7.5h ，其余時(shí)間可以支持其余集中分裝區(qū)任務(wù)或進(jìn)行其他日常業(yè)務(wù)，避免浪費(fèi)。

同理，又以日產(chǎn)20、50、100分別論證按數(shù)學(xué)模型式（7）核算的人員是否能滿足生產(chǎn)需求，結(jié)論是可以滿足，證明數(shù)學(xué)模型的真實(shí)性。

4.3 Matlab仿真分析

Matlab是一款可用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和交互式環(huán)境的數(shù)學(xué)軟件，廣泛應(yīng)用于需要數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)分析的領(lǐng)域8]。

本文通過(guò)Matlab對(duì)式（7）數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程仿真，分別得到主線產(chǎn)能為JPH20和JPH30條件下，集中分裝模式下分裝一區(qū)工藝定額和產(chǎn)量的關(guān)系曲線，如圖2所示。

其中不同主線產(chǎn)能對(duì)應(yīng)的提前分裝時(shí)間不同，JPH越低，主線發(fā)動(dòng)機(jī)制造越慢，則在滿足主線合裝供應(yīng)的前提下給予的提前分裝時(shí)間越長(zhǎng)。以該工廠為例，JPH20和JPH30對(duì)應(yīng)的提前分裝時(shí)間分別為3h和 2h 。

5 應(yīng)用研究

通過(guò)上文對(duì)2種分裝模式下工藝定額數(shù)學(xué)模型的研究發(fā)現(xiàn)，在不同產(chǎn)量下選擇何種分裝模式更精益，即配置更少的工藝定額，是存在臨界條件的。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠為例，該工廠分裝一區(qū)分裝總工時(shí)為 1200s ，原分裝模式為隨線分裝，在JPH30產(chǎn)能下，結(jié)合式（2）和式（3）得出隨線分裝模式下需要工藝定額15.6人，向上取整為16人。然而受小批量多品種影響，工廠有分裝需求的日產(chǎn)量在30＼～100臺(tái)不等，且波動(dòng)大，原隨線分裝模式下的工藝定額過(guò)剩，出現(xiàn)了大量人員浪費(fèi)?；诠S精益運(yùn)營(yíng)管理需求，將隨線分裝模式切換為集中分裝模式，結(jié)合圖2中JPH30曲線關(guān)系，16人對(duì)應(yīng)日產(chǎn)量可達(dá)175臺(tái)，即175臺(tái)為該工況下分裝模式選擇的臨界點(diǎn)。若日產(chǎn)量低于175臺(tái)，選用集中分裝模式更精益，且可以隨產(chǎn)品波動(dòng)靈活組織生產(chǎn)；反之，選用隨線分裝模式更精益。

同理，基于上述條件亦可計(jì)算出JPH20產(chǎn)能下的臨界點(diǎn)，如圖3所示。

工廠經(jīng)過(guò)分裝模式切換，在保證交付的同時(shí)，將分裝工藝定額由16人減至9人，并綜合對(duì)排產(chǎn)的限制和靈活的生產(chǎn)組織模式有效支持了其余業(yè)務(wù)落地，為工廠帶來(lái)了超300萬(wàn)收益。

另外由圖3可知，主線產(chǎn)能越低，臨界點(diǎn)條件即產(chǎn)量越低，可以指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行不同分裝區(qū)域、主線產(chǎn)能等相關(guān)工藝規(guī)劃。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的隨線分裝和集中分裝模式的特點(diǎn)、工藝定額數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用均結(jié)合企業(yè)實(shí)際應(yīng)用需求，2種分裝模式特點(diǎn)不同，各有優(yōu)劣，且從精益角度存在臨界點(diǎn)，可結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)需求選擇所用模式。

另外，傳統(tǒng)MES系統(tǒng)不便匹配本文所述分裝模式下的復(fù)雜的防錯(cuò)能力。建議在分裝規(guī)劃時(shí)充分考慮分裝防錯(cuò)能力的建立，如考慮開(kāi)發(fā)獨(dú)立系統(tǒng)對(duì)接ERP和MES系統(tǒng)，定制化建立分裝防錯(cuò)能力。一方面可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的分裝場(chǎng)景，另一方面可以通過(guò)軟件接口進(jìn)行諸如分裝庫(kù)存、分裝能力等相關(guān)內(nèi)容的數(shù)字化呈現(xiàn)。

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