線束裝配線平衡改善與仿真*

胡羅克，陳 勇，覃 濤

(1.浙江大學(xué) 現(xiàn)代制造工程研究所，杭州 310027;2.浙江工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程研究所，杭州 310032;3.合興集團(tuán)汽車電子有限公司，浙江樂(lè)清 325608)

線束裝配線平衡改善與仿真*

胡羅克1，陳 勇2，覃 濤3

(1.浙江大學(xué) 現(xiàn)代制造工程研究所，杭州 310027;2.浙江工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程研究所，杭州 310032;3.合興集團(tuán)汽車電子有限公司，浙江樂(lè)清 325608)

以合興集團(tuán)汽車電子有限公司線束型號(hào)CJY1079裝配線為研究對(duì)象，應(yīng)用工業(yè)工程方法和仿真技術(shù)對(duì)其做系統(tǒng)平衡分析和改善。首先，以作業(yè)測(cè)定為依據(jù)研究線束裝配線的平衡現(xiàn)狀并確定瓶頸工位;接著，應(yīng)用人機(jī)分析、工藝簡(jiǎn)化、雙手操作分析等工業(yè)工程方法對(duì)瓶頸工位做局部改善;然后，運(yùn)用“ECRS”原則從整體上對(duì)裝配線做進(jìn)一步平衡分析與優(yōu)化;最后，利用Quest仿真軟件對(duì)線束裝配線進(jìn)行建模與仿真并對(duì)擬定方案進(jìn)行可視化分析與評(píng)價(jià)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了改善方案的可行性。

裝配線平衡;作業(yè)測(cè)定;方法研究;可視化仿真

0 引言

裝配線是國(guó)內(nèi)外企業(yè)廣泛采用的一種制造系統(tǒng)。在裝配線生產(chǎn)的模式下，裝配線的平衡問(wèn)題一直是裝配線設(shè)計(jì)與管理過(guò)程中的一個(gè)重要問(wèn)題，通過(guò)提升裝配線的平衡性能夠有效地提高裝配線的整體效率和減少工序間在制品數(shù)量，從而降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，進(jìn)而為企業(yè)贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，裝配線平衡問(wèn)題的研究具有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值并受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。在過(guò)去幾十年里，相關(guān)學(xué)者和管理人員提出了各種提高裝配線平衡率的方法和途徑［1-4］，但其中很多方法都比較偏理論，不適合在復(fù)雜多變的實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用，目前缺乏一些解決裝配線平衡問(wèn)題的實(shí)用且系統(tǒng)的方法。

針對(duì)現(xiàn)階段裝配線研究中的各種不足和缺陷，本文在分析和總結(jié)裝配線平衡問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法的基礎(chǔ)上，主要應(yīng)用工業(yè)工程方法和仿真技術(shù)對(duì)實(shí)際企業(yè)的裝配線做系統(tǒng)科學(xué)的平衡分析和改善并以合興汽車電子公司車燈線束CJY1079裝配線為改善對(duì)象展開(kāi)研究。

1 線束裝配線平衡分析

線束CJY1079裝配線采用傳統(tǒng)的直線型設(shè)計(jì)，前一工位加工完制品后依靠手工傳遞到下一工位。首先對(duì)線束產(chǎn)品做工藝程序分析，并繪制相應(yīng)的工藝程序圖，如下圖1所示。由圖可知，線束CJY1079的完成需經(jīng)過(guò)17個(gè)工位的裝配和檢驗(yàn)處理。

圖1 線束工藝程序圖

采用秒表測(cè)時(shí)法對(duì)裝配線上的17個(gè)工位進(jìn)行時(shí)間測(cè)定，每個(gè)工位測(cè)時(shí)10次，并運(yùn)用誤差界限法［5］確定合理可靠的觀測(cè)次數(shù)，本文的置信水平取95%，誤差界限取5%(樣本均值與總體均值的誤差范圍控制在±5%以內(nèi))，則:

然后對(duì)測(cè)時(shí)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的制定，經(jīng)過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)定計(jì)算和寬放［5-6］處理，求得各個(gè)工位的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，如表1所示，工位的作業(yè)內(nèi)容參照工藝程序圖。

表1 各工位的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間

基于對(duì)線束裝配線的時(shí)間研究，采用柱狀圖的形式來(lái)分析現(xiàn)階段的裝配線平衡狀況，如下圖2所示。由圖可知，裝配線的理論節(jié)拍由裝配線上耗時(shí)最長(zhǎng)的第16工位的作業(yè)時(shí)間所決定，節(jié)拍CT=65.9s，而裝配線大部分工位的作業(yè)時(shí)間在45.0s以內(nèi)，因此，可訂立45.0s作為裝配線改進(jìn)的目標(biāo)節(jié)拍。改善前，線束裝配線的平衡率 =717.5/(17*65.9)=64.05%(裝配線平衡率 =各工序作業(yè)時(shí)間總和 /(工序數(shù)*CT)*100%)，現(xiàn)階段裝配線平衡率較低。

2 線束裝配線平衡改善

2.1 瓶頸工位的研究與改善

通過(guò)對(duì)線束裝配線的秒表時(shí)間研究和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，確定了4個(gè)主要瓶頸工位:導(dǎo)通檢測(cè)工位、氣密性檢測(cè)工位、端子壓接工位以及裝線＆扎帶工位。本文運(yùn)用人機(jī)作業(yè)分析技術(shù)［5］解決導(dǎo)通檢測(cè)和氣密性檢測(cè)工位產(chǎn)能不足的問(wèn)題，利用工藝改善縮短壓接工位的端子壓接時(shí)間，通過(guò)對(duì)裝線＆扎帶工位的作業(yè)重新分配［7］和雙手操作分析［5］消除工位瓶頸現(xiàn)象。

圖2 裝配線平衡現(xiàn)狀柱狀圖

2.1.1 導(dǎo)通測(cè)試工位與氣密性檢測(cè)工位改善

氣密性檢測(cè)工位主要負(fù)責(zé)對(duì)線束氣密性能的檢測(cè)。該工位配有一臺(tái)檢測(cè)設(shè)備并由一名作業(yè)人員負(fù)責(zé)檢測(cè)，作業(yè)人員在操作上無(wú)明顯不合理，較難壓縮員工的作業(yè)時(shí)間。

通過(guò)人機(jī)作業(yè)分析［5］發(fā)現(xiàn)，在每一個(gè)周程內(nèi)，工人有較多的空閑時(shí)間，可以利用空閑時(shí)間多操作一臺(tái)氣密檢測(cè)儀器，即通過(guò)一人多機(jī)方式來(lái)提升工位產(chǎn)能，需采用人機(jī)分析技術(shù)對(duì)一人兩機(jī)的可行性做進(jìn)一步判斷。經(jīng)人機(jī)作業(yè)分析可知，一名工人有足夠的時(shí)間操作兩臺(tái)檢測(cè)設(shè)備。因此，改善方案確定為給氣密性檢測(cè)工位配置兩臺(tái)檢測(cè)設(shè)備和一名工人，工位時(shí)間由原來(lái)的65.9s縮減至僅為30.9s，完成了預(yù)期改善的目標(biāo)。

線束裝配線導(dǎo)通檢測(cè)工位與氣密性檢測(cè)工位情況非常相似，目前工位配置為一名工人和一臺(tái)設(shè)備，工位時(shí)間為62.9s，該工位改善思路與氣密性檢測(cè)工位改善的方法思路基本一致，通過(guò)人機(jī)分析，人機(jī)配置確定為一人兩機(jī)，單個(gè)產(chǎn)品的工位時(shí)間縮減至29.4s。

2.1.2 端子壓接工位工藝分析與改善

通過(guò)對(duì)壓接工位的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作分解可知，工位的主要耗時(shí)動(dòng)作為包銅皮，耗時(shí)18.0s，將其作為重點(diǎn)改進(jìn)對(duì)象。經(jīng)過(guò)對(duì)銅皮的功能分析可知，包銅皮的作用在于提高導(dǎo)線與壓線腳間的拉脫力，確保其≥150N，若存在其它工藝確保拉脫力合格，則可以取消包銅皮操作，從而降低壓接作業(yè)時(shí)間。

拉脫力是一種靜摩擦力，靜摩擦力f=μ×Fn，理論上可以通過(guò)提高摩擦系數(shù)或增加接觸壓力的方法來(lái)提高拉脫力。首先，采用增加壓線腳對(duì)線皮包覆力的方法，即調(diào)整壓接高度來(lái)增大壓線腳與線皮間的包覆力以增加接觸壓力，從而提高靜摩擦力。但通過(guò)少量樣品模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用該方法的產(chǎn)品存在芯線斷裂的風(fēng)險(xiǎn)并且拉脫力也偏低，不建議采用。通過(guò)進(jìn)一步分析與討論，可以考慮在壓線腳上壓花來(lái)提高摩擦系數(shù)從而增加拉脫力，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該方法的產(chǎn)品拉脫力合格并且線皮未壓傷破損，但需要展開(kāi)進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)線束包銅皮+不壓花(現(xiàn)行方案)和不包銅皮+壓花(改善方案)分別進(jìn)行拉伸測(cè)試，各情況選取13個(gè)樣本，然后使用Excel的“數(shù)據(jù)分析”功能對(duì)收集的拉脫力數(shù)據(jù)進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，置信度取95%即α=0.05，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 包銅皮+不壓花與不包銅皮+壓花雙樣本t檢驗(yàn)

由表可知，包銅皮+不壓花(現(xiàn)行方案)和不包銅皮+壓花(改善方案)這兩個(gè)樣本的P值=0.3029＞0.05，所以判定系數(shù)無(wú)顯著差異，即不包銅皮+壓花方案可行不被拒絕，可以采用壓花工藝來(lái)取代包銅皮工藝。

通過(guò)對(duì)壓接工位的改善，取得如下效益:①取消了銅皮，每年可節(jié)省采購(gòu)銅皮的材料費(fèi)用約6930元;②取消了包銅皮的動(dòng)作，每只可節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間18.0s，每年可節(jié)省工時(shí)1650h，按人工成本9元/h計(jì)算，折合工時(shí)費(fèi)用14850元;③取消了裁切銅皮的工作，每只產(chǎn)品可節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間3s，每年節(jié)省工時(shí)275h，并且節(jié)省了機(jī)器成本;④工位時(shí)間由50.9s縮減至32.9s，滿足了預(yù)期節(jié)拍要求，消除了該工位的瓶頸問(wèn)題;⑤能夠?yàn)榻窈箢愃乒の坏母纳铺峁┙?jīng)驗(yàn)參考。

2.1.3 裝線＆扎帶工位改善

裝線＆扎帶工位的主要作業(yè)內(nèi)容為將線束右端的六個(gè)線頭分別插入孔座對(duì)應(yīng)線孔并用膠帶固定PVC管到指定位置，以上裝配任務(wù)由一名員工完成。裝線每根耗時(shí)6.0s，六根總共耗時(shí)30.0s，纏繞膠帶25-35圈，纏繞長(zhǎng)度為110±5mm，耗時(shí)25.9s，因此工位總時(shí)間為55.9s。作為瓶頸工位，裝線＆扎帶工位存在大量的在制品堆積，除此以外，員工為了趕工而忽視產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，經(jīng)常出現(xiàn)裝線不到位和錯(cuò)位現(xiàn)象。首先對(duì)該工位的作業(yè)內(nèi)容纏繞膠帶進(jìn)行雙手操作分析，通過(guò)對(duì)扎帶作業(yè)的觀察與雙手操作分析，可得出以下結(jié)論以及相應(yīng)改進(jìn):

(1)在操作上，存在一定的動(dòng)作浪費(fèi)。在導(dǎo)線上纏繞膠帶的長(zhǎng)度有固定的尺寸要求，可在工作臺(tái)面上直接做標(biāo)記，使長(zhǎng)度測(cè)量更加方便直觀，而且取消了直尺的取放。

(2)在移動(dòng)距離上，工具盒的擺放位置離雙手作業(yè)位置較遠(yuǎn)，存在一定距離浪費(fèi)，可移近所需工具的距離。通過(guò)對(duì)工具盒的作用進(jìn)行提問(wèn)發(fā)現(xiàn)，工具盒對(duì)工人操作無(wú)實(shí)質(zhì)幫助，可移除工具盒并將膠帶和剪刀等工具直接放置在雙手作業(yè)位置附近。

(3)左右手的作業(yè)量不均衡且作業(yè)內(nèi)容不對(duì)稱，左手有90%以上的時(shí)間處于持住狀態(tài)，可設(shè)計(jì)相應(yīng)的夾具取消左手充當(dāng)夾具的作用。但是，使用夾具會(huì)對(duì)作業(yè)效率的提升帶來(lái)一定負(fù)面效果，比如產(chǎn)品的裝卸需要消耗一定時(shí)間并且扎帶作業(yè)性質(zhì)決定了其不適合雙手同時(shí)作業(yè)，因此，夾具對(duì)扎帶作業(yè)效率的提升有待進(jìn)一步確定，這里暫且不引入夾具。

按照以上分析和提出的改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)工作臺(tái)面進(jìn)行重新布置，如圖3所示。

圖3 扎帶作業(yè)工作臺(tái)面布置(改進(jìn)后)

通過(guò)改進(jìn)，扎帶作業(yè)時(shí)間由原來(lái)的25.9s縮減至21.9s，改善了工位的部分作業(yè)，但工位總時(shí)間仍需51.9s，需要對(duì)裝線作業(yè)部分做進(jìn)一步改善處理。根據(jù)裝線的作業(yè)性質(zhì)，可對(duì)裝線＆扎帶工位的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行重新分配，具體內(nèi)容分為3個(gè)方面，如表3所示。

表3 裝線＆扎帶作業(yè)分解

將工位的作業(yè)內(nèi)容由原來(lái)的作業(yè)1、2、3，簡(jiǎn)化成作業(yè)2、3，將作業(yè)1作為獨(dú)立的作業(yè)內(nèi)容分出，在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中會(huì)對(duì)該作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行合理再分配。經(jīng)過(guò)作業(yè)分解，該工位的作業(yè)時(shí)間由原來(lái)的55.9s縮短到了41.9s，滿足了裝配線的目標(biāo)節(jié)拍要求。

2.2 基于“ECRS”的裝配線整體優(yōu)化

運(yùn)用“ECRS”原則對(duì)裝配線上各個(gè)工位的作業(yè)內(nèi)容進(jìn)行分析研究，消除重復(fù)和不必要的作業(yè)，通過(guò)分析，線束裝配線基本無(wú)可直接取消的工位。因此，將改善重點(diǎn)集中在作業(yè)時(shí)間較短工位的合并和重排上，根據(jù)作業(yè)優(yōu)先圖［8］確定工位合并和重排的可行性。具體合并和重排結(jié)果如表4所示。

表4 合并和重排工位分析

2.3 改善后裝配線平衡效果分析

通過(guò)對(duì)裝配線瓶頸工位的改善和工位間的合并與重排，完成了裝配線從局部到整體的改進(jìn)，裝配線節(jié)拍時(shí)間由原來(lái)的65.9s縮減至僅44.8s，工位數(shù)量由原來(lái)的17個(gè)縮減到15個(gè)并且優(yōu)化了作業(yè)流程。裝配線平衡率由改善前的64.05%提高到了90.80%［610.2/(15*44.8)］，裝配線上各工位的作業(yè)時(shí)間變得更加均衡，很大程度解決了合興汽車電子公司線束裝配線的平衡問(wèn)題，提高了整條裝配線效率。下文通過(guò)Quest軟件對(duì)改善效果做進(jìn)一步可視化分析與評(píng)價(jià)。

3 線束裝配線仿真建模與評(píng)價(jià)

3.1 線束裝配線Quest仿真建模

Deneb/Quest仿真軟件是Delmia公司開(kāi)發(fā)的一種數(shù)字化工廠及面向?qū)ο蟮碾x散事件三維仿真軟件［9］，能夠?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)工程師、制造工程師和管理技術(shù)人員提供一個(gè)簡(jiǎn)便的協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境［10］。應(yīng)用Quest對(duì)線束裝配線這類離散事件系統(tǒng)的仿真建模實(shí)質(zhì)上包括兩個(gè)層面意義上的建模:第一個(gè)層面，物理模型建模，即各類實(shí)體在虛擬環(huán)境中的3D幾何表達(dá);第二個(gè)層面，邏輯模型建模，即定義各種資源對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系和交互行為。

在對(duì)線束裝配線進(jìn)行物理建模時(shí)，本文選擇采用Solidworks軟件完成實(shí)物的三維繪圖，通過(guò)Quest軟件提供的接口導(dǎo)入模型庫(kù)以備調(diào)用。然后，對(duì)部分建立的虛擬物理模型包括裝配線傳送帶(convey)、工人(Labor)及工位的檢測(cè)機(jī)器(machine)等資源進(jìn)行邏輯設(shè)置。

3.2 裝配線可視化分析與評(píng)價(jià)

首先，對(duì)建立的裝配線模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為8小時(shí)(28800 s)，即日產(chǎn)量。經(jīng)過(guò)8小時(shí)的運(yùn)行，檢測(cè)sink元素(負(fù)責(zé)接受完成裝配的線束產(chǎn)品)，總共完成產(chǎn)品427件，如圖4所示。根據(jù)制造部第一車間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，線束CJY1079實(shí)際日產(chǎn)量為420件，與仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)非常接近，因此，該仿真模型基本可靠。接著對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，同樣運(yùn)行8小時(shí)，得到sink輸出結(jié)果見(jiàn)下圖5。由圖可知，改善后，裝配線的日產(chǎn)量達(dá)到628件，比改善前提高了47.1%。

圖4 線束裝配線日產(chǎn)量仿真結(jié)果(改進(jìn)前)

圖5 線束裝配線日產(chǎn)量仿真結(jié)果(改進(jìn)后)

接著，對(duì)瓶頸工位改善前后進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)。通過(guò)秒表時(shí)間研究，確定了導(dǎo)通檢測(cè)工位、氣密性檢測(cè)工位、端子壓接工位以及裝線＆扎帶工位這四個(gè)主要瓶頸工位。通過(guò)對(duì)實(shí)際裝配線的觀測(cè)，第3工位的在制品數(shù)量最多，嚴(yán)重制約了裝配線的產(chǎn)能，以該工位為例展開(kāi)仿真分析，圖6為裝線＆扎帶工位的在制品堆積情況。

圖6 原方案裝線＆扎帶工位線束堆積情況

由上圖可以直觀看出，裝配線在仿真運(yùn)行過(guò)程中，裝線＆扎帶工位出現(xiàn)大量的在制品堆積，與實(shí)際情形相符。改善后，對(duì)該工位重新進(jìn)行觀測(cè)，沒(méi)有出現(xiàn)在制品堆積現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 改善后裝線＆扎帶待裝配線束堆積情況

最后，對(duì)運(yùn)用“ECRS”原則完成的工位合并進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。這里以端子壓接工位與壓接檢查工位的合并為例展開(kāi)仿真分析和評(píng)價(jià)，仿真圖表數(shù)據(jù)輸出如圖8和圖9所示。

圖8 第7工位工人利用率情況(改進(jìn)前)

圖9 第7工位工人利用率情況(改進(jìn)后)

由圖表數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)前，端子壓接工位的工人利用率為90.3%;改進(jìn)后，工人的作業(yè)率達(dá)到了99.1%，工人得到了高效利用。合并后工位作業(yè)時(shí)間為44.8 s，能夠滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，而且通過(guò)對(duì)壓接檢查工位的合并，減少了一個(gè)工人，實(shí)現(xiàn)了少人化，合并方案可行有效。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)仿真對(duì)比分析，驗(yàn)證了改善方案的可行性和有效性。但對(duì)新方案的仿真運(yùn)行過(guò)程中，也可以發(fā)現(xiàn)改善后的裝配線仍然存在一些問(wèn)題，比如在第2工位，即套PVC＆裝線工位，存在一定量的線束在制品堆積。由于改善本身就是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的循環(huán)過(guò)程，這里不再對(duì)新瓶頸工位展開(kāi)分析和研究，可將該工位將作為下一輪的改善的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)合興汽車電子公司現(xiàn)階段汽車零部件產(chǎn)能不足的情況，本文將線束裝配線作為重點(diǎn)分析改善對(duì)象，運(yùn)用工業(yè)工程相關(guān)的理論和方法對(duì)線束裝配線進(jìn)行了分析與研究并給出了相應(yīng)的改善方案，最后，通過(guò)Quest仿真驗(yàn)證了擬定方案的可行性，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了新問(wèn)題，這為下一輪改善找到了突破口。本文提出的裝配線平衡方法具有非常高的系統(tǒng)性和實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)實(shí)裝配線的持續(xù)改善，對(duì)于類似裝配線平衡改善的開(kāi)展具有一定借鑒意義。

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Harness Assembly Line Balancing Improvement and Simulation

HU Luo-ke1，CHEN Yong2，QIN Tao3
(1.Institute of Manufacturing Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China;2.Institute of Industry Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China)

Industrial engineering methods and simulation technology were applied to make balancing analyses and improvements for a type CJY1079 harness assembly line in the CWB automobile electronic company.Firstly，study the assembly line balancing status based on the work determination to get the bottleneck stations;secondly，some industrial engineering methods，such as the man-machine operation analyses，work simplifications and two hands operation analyses are utilized to shorten the task time of the bottleneck stations;thirdly，utilize the“ECRS”principle to furthermore optimize the assembly line from the whole;finally，the Quest simulation software is applied to make visual analyses and evaluations for the improved scheme of the assembly line，the results of which verifies the feasibility of the new scheme.

assembly line balance;work determination;method study;visual simulation

F273.1;TH186

A

1001-2265(2012)02-0092-06

2011-06-13;

2011-07-01

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y607456)

胡羅克(1989—)，男，浙江樂(lè)清人，浙江大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)博士研究生，主要研究方向?yàn)樯a(chǎn)系統(tǒng)分析與改善，(E-mail)huluoke@yahoo.com.cn。

(編輯 李秀敏)