石展晴 胡佳寧 熊燕華

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

0 引言

現(xiàn)代汽車座椅裝配一般采用裝配流水線方式，將裝配過程劃分為若干作業(yè)單元并合理安排到各工位上。由于各工位同時(shí)作業(yè)，裝配線平衡率對(duì)企業(yè)效益尤為重要。

裝配線平衡問題自從1955年Salveson 首次提出以來 ,學(xué)者們展開了大量研究。Barathwaj等[1]以工站間和工站內(nèi)部工作負(fù)荷指數(shù)最小為目標(biāo)，提出了一種基于裝配線平衡問題的遺傳算法(GA)；Hossein[2]等提出了裝配工人姿態(tài)平衡問題模型，通過工人姿態(tài)平衡改進(jìn)裝配線配置；Zhang[3]提出了一種改進(jìn)的遺傳算法來解決裝配線兩側(cè)平衡問題；韓煜東等[4]在考慮產(chǎn)品需求速率的前提下，提出了調(diào)整加工成本的新方法，建立了混流裝配線平衡問題的多目標(biāo)優(yōu)化模型；公緒霞等[5]采用模糊優(yōu)化理論，建立了裝配線平衡問題的多目標(biāo)非線性規(guī)劃模型；徐立云等[6]構(gòu)建了最少工位數(shù)和最小工位累計(jì)疲勞度標(biāo)準(zhǔn)差的多目標(biāo)優(yōu)化模型，基于優(yōu)先權(quán)重進(jìn)行編碼，設(shè)計(jì)多目標(biāo)粒子群算法求解；焦玉玲等[7]綜合考慮作業(yè)元素的時(shí)間及位置階位值，運(yùn)用改進(jìn)階位法對(duì)裝配線平衡問題求解；李愛平等[8]提出一種考慮裝配關(guān)系復(fù)雜性的改進(jìn)型多目標(biāo)裝配線平衡優(yōu)化方法，并對(duì)遺傳算法的交叉環(huán)節(jié)利用模糊聚類算法作出改進(jìn)。

已有研究主要是以裝配線平衡率相關(guān)指標(biāo)為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型求解，從而重排最小作業(yè)單元，以改善效果，但只是理論推導(dǎo)，并未模擬驗(yàn)證。實(shí)際生產(chǎn)過程中，工人的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作及時(shí)間也會(huì)影響平衡率，且重排作業(yè)單元將耗費(fèi)企業(yè)大量資源。本文分析裝配線平衡率不高的原因，針對(duì)耗時(shí)動(dòng)作和瓶頸工序進(jìn)行優(yōu)化，利用MODPATS預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)，并導(dǎo)入Plant Simulation中仿真驗(yàn)證改善效果。該方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，使改善效果更具可信度，規(guī)范了動(dòng)作，減少了工人疲勞度，對(duì)企業(yè)優(yōu)化裝配線平衡率有一定借鑒作用。

1 MODPATS標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)系統(tǒng)的制定

1.1 MODPATS標(biāo)準(zhǔn)裝配動(dòng)作定義與分類

對(duì)座椅裝配過程中基本動(dòng)作進(jìn)行分類，將標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作劃分為取用動(dòng)作、無(wú)工具動(dòng)作、工具操作、輔助動(dòng)作以及其它動(dòng)作。根據(jù)MODPATS法基本定義，將各動(dòng)作用模特法代碼計(jì)算出模特值，取1MOD=0.129s，計(jì)算各類動(dòng)作的時(shí)間，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作分類代碼及時(shí)間表示例

1.2 座椅裝配標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)計(jì)算

MODPATS法得出的時(shí)間與實(shí)際測(cè)時(shí)較為接近，具有線性關(guān)系，由于測(cè)時(shí)受偶然因素影響，要得到精確結(jié)果，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)量較大，因此采用MOD值經(jīng)過寬放得出標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。根據(jù)該公司實(shí)際，總寬放率=疲勞寬放(5%)+私事寬放(3%)+操作寬放(2%)=10%。

JIT PROCESS BOOK表格[9]可記錄各工步并分解為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，根據(jù)MODPATS法，利用標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，經(jīng)寬放得出標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。統(tǒng)計(jì)得出各工位的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)統(tǒng)計(jì)

2 座椅裝配線平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 裝配線平衡問題分析

2.1.1 裝配線平衡的評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)生產(chǎn)節(jié)拍：

CT=max(Ti)=227.61s

(2)工作站負(fù)荷率：

工作站負(fù)荷率反映該工作站利用效率，值越大說明利用率越高，結(jié)果如表3所示。

表3 閑置時(shí)間及負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)

(3)裝配線閑置率：

其中，TXi為各工序閑置工時(shí)，CT為生產(chǎn)節(jié)拍，n為作業(yè)工位數(shù)。

(4)裝配線平衡率：

(1)

(5)生產(chǎn)平衡損失率：

d=1-LBR=16.26%

平衡損失評(píng)價(jià)表[10]如表4所示。

表4 平衡損失評(píng)價(jià)結(jié)果

(5)平滑性指數(shù)：

(2)

該指標(biāo)反映各工站時(shí)間分布離散度，SI值越大，則各工位作業(yè)時(shí)間分布越分散。

2.1.2 裝配線平衡性能分析

對(duì)照平衡損失評(píng)價(jià)表，該公司生產(chǎn)平衡損失率高于10%，平衡率為良；有3個(gè)工位負(fù)荷率低于70%，閑置率高達(dá)16.26%，意味著在裝配過程中，16.26%的時(shí)間由于生產(chǎn)裝配線配置不平衡而損失了；Z-2工位在227s的節(jié)拍中浪費(fèi)了86s的時(shí)間。綜上，裝配線不平衡對(duì)生產(chǎn)率及公司效益影響較大。

表3顯示，生產(chǎn)線平衡率較低的工位有K-1、K-5、K-6、Z-1、Z-4、Z-5。如果這6個(gè)工位時(shí)間能降低，就可以提高生產(chǎn)線效率。合裝工位閑置時(shí)間普遍較長(zhǎng)，可以通過最小作業(yè)單位重排將其重新分配，以使得裝配線平衡率提高。

2.2 程序分析法下的動(dòng)作優(yōu)化

將裝配過程中各動(dòng)作的使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)后排序如表5所示，其中，注“*”的為增值動(dòng)作。

表5顯示，使用次數(shù)前20的動(dòng)作中17個(gè)屬于非增值動(dòng)作，應(yīng)盡量減少這些動(dòng)作或減少該動(dòng)作的操作時(shí)間。采用5WHY和5W1H方法改善這些動(dòng)作。

(1)針對(duì)非瓶頸工序。如取中等件(非Kitting)，采用5WHY提問法，找出問題根本原因所在，然后針對(duì)根本原因，根據(jù)ECRS原則取消多次動(dòng)作合并為一次，根據(jù)動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則，將物料擺放位置更加合理化，減少動(dòng)作浪費(fèi)及工人負(fù)擔(dān)。

表5 頻繁使用動(dòng)作統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(2)針對(duì)瓶頸工序Z-1。分析Z-1最小作業(yè)單元與時(shí)間，如表6所示。

表6 Z-1主要工步與時(shí)間

2.3 動(dòng)作優(yōu)化的改善效果

2.3.1 改善后標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

將改善后各動(dòng)作及標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)繪制成JIT PROCESS BOOK標(biāo)準(zhǔn)表格，統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間結(jié)果如表7所示。

2.3.2 改善后的平衡性能分析

(1)生產(chǎn)節(jié)拍：

CT=max(Ti)=190.71s

(2)裝配線閑置率：

(3)裝配線平衡率：

表7 改善前后時(shí)間對(duì)比

(4)生產(chǎn)平衡損失率：

d=1-LBR=15.52%

(5)平滑性指數(shù)：

改善后平衡損失率在10%以下，平衡率為優(yōu)。

2.3.3 改善前后平衡性能對(duì)比

繪制改善前后時(shí)間對(duì)比如圖1所示。

圖1 改善前后標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)對(duì)比

經(jīng)過改善，折線圖更加平緩，陡峭的彎折點(diǎn)也已消失，瓶頸工序改變由Z-1變?yōu)閆-4，分析改善后平衡性能如表8所示。

表8 改善前后各平衡指標(biāo)對(duì)比

(1)改善后的生產(chǎn)節(jié)拍減少36.89s，班產(chǎn)由119份增加到142份，生產(chǎn)效率提高19.35%，不增加工人的情況下公司多盈利。

(2)生產(chǎn)線平衡率上升近10%，裝配線閑置率下降近10%，平滑性指數(shù)下降，說明各工位裝配時(shí)間接近，裝配線平衡性能明顯提高，緩沖區(qū)貨物不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重堆積，減少暫存區(qū)的浪費(fèi)[11]。

(3)減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，通過改善作業(yè)順序、動(dòng)作順序、工具擺放問題，使得工人取消了不必要的多余動(dòng)作，每生產(chǎn)一份座椅減少735個(gè)模特值。

3 動(dòng)作優(yōu)化改善效果的仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型建立

采用Plant Simulation仿真軟件，將實(shí)際系統(tǒng)中的復(fù)雜問題簡(jiǎn)化為Flow Shop(流水作業(yè)生產(chǎn)線)模型[12]，并進(jìn)行以下定義及簡(jiǎn)化：①模型中各元素的順序?yàn)檠b配過程的邏輯順序；②在裝配過程中，由于工位之間搬運(yùn)距離較短，因此將其抽象為緩存區(qū)，模型中機(jī)器操作簡(jiǎn)化為時(shí)間延遲；③假設(shè)在仿真運(yùn)行期間，沒有發(fā)生故障；④以MODAPTS測(cè)算的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)為基礎(chǔ)，在σ=2s范圍內(nèi)上下波動(dòng)。

裝配線平衡問題ALBP (Assembly Line Balancing Problem) 一般按其優(yōu)化目標(biāo)分為以下幾類[13]:最小化工作站數(shù)、最小化生產(chǎn)節(jié)拍、最大化裝配線生產(chǎn)率、平衡裝配線各工位負(fù)荷(負(fù)荷均衡化)。本文以負(fù)荷均衡化為仿真優(yōu)化目標(biāo)建立仿真模型，設(shè)置T-1工位的組裝規(guī)則，設(shè)置各裝配工站加工時(shí)間參數(shù)，如表7所示，仿真總時(shí)間為30天，建立仿真模型效果圖如圖2所示。

圖2 座椅裝配仿真模型效果

3.2 仿真結(jié)果

運(yùn)行仿真模型，得到改善前后各裝配工站實(shí)時(shí)負(fù)荷柱狀圖和曲線圖，如圖3、4所示。從仿真實(shí)驗(yàn)的最終數(shù)據(jù)可以看出，改善前后工位平均負(fù)荷率與模特法測(cè)時(shí)計(jì)算出的裝配線負(fù)荷率大體接近，驗(yàn)證了動(dòng)作優(yōu)化改善效果的合理性。

圖3 改善前(左)后(右)裝配工位實(shí)時(shí)負(fù)荷柱狀

圖4 改善前(左)后(右)裝配工位實(shí)時(shí)負(fù)荷曲線

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車前排座椅裝配線平衡問題，采用模特法與仿真分析法相結(jié)合的方式進(jìn)行研究。首先，通過建立基于MODAPTS的工時(shí)測(cè)算系統(tǒng)，分析裝配工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，以裝配線平衡率、工位負(fù)荷率和平滑性指數(shù)等多重因子為評(píng)價(jià)指標(biāo)，改善裝配線平衡率。其次，對(duì)裝配流水線上耗時(shí)且頻繁的動(dòng)作，運(yùn)用動(dòng)作分析改善原理及步驟進(jìn)行改善，對(duì)瓶頸工序采用最小作業(yè)重排法進(jìn)行分解重排。最后，利用Plant Simulation仿真分析方法驗(yàn)證改善前后的效果，使結(jié)果更加可靠。案例研究結(jié)果表明，應(yīng)用MODAPTS法預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)并優(yōu)化動(dòng)作，有利于提高裝配線平衡率，并減少工人的疲勞度。