汽車發(fā)動機預(yù)裝線裝配平衡改進研究

朱術(shù)名，張志英

（1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200030；2.同濟大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200092）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的全球化和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國汽車制造總能力不斷加強，而市場競爭日益加劇，因而，汽車生產(chǎn)企業(yè)都必須以較低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品作為目標(biāo)，才能使企業(yè)立于不敗之地。如何將資源充分利用，以達到效率高、交期準(zhǔn)、浪費少、成本低、增強經(jīng)濟效益和社會效益，是汽車制造企業(yè)要實現(xiàn)的主要目標(biāo)之一。發(fā)動機作為汽車的心臟，在汽車商品中占有舉足輕重的作用[1]。由于顧客的大部分定制要求和汽車的質(zhì)量最終必須通過裝配環(huán)節(jié)來保證，裝配環(huán)節(jié)對產(chǎn)品的實現(xiàn)顯得尤為重要。

市場需求的不斷變化，用戶對汽車發(fā)動機提出了越來越多的個性化需求，產(chǎn)品改型越來越快，品種系列越來越多，為滿足當(dāng)前客戶的多樣化需求、同競爭企業(yè)產(chǎn)品的差異化要求，現(xiàn)在的汽車發(fā)動機大多實行多品種小批量生產(chǎn)，也就需要混合裝配流水線來生產(chǎn)。另一方面，多品種混合裝配流水線具有生產(chǎn)規(guī)?；⑷嵝曰?、裝配工藝復(fù)雜性、裝配質(zhì)量的不穩(wěn)定性、裝配工人技能水平波動性、混品種裝配時間差異性等特點，其正常運轉(zhuǎn)的一個關(guān)鍵前提是生產(chǎn)的均衡化和同步化[2]，要求企業(yè)采取平準(zhǔn)化的生產(chǎn)方式，以快速響應(yīng)市場多樣化的需求，適應(yīng)多品種汽車發(fā)動機拉動式生產(chǎn)的市場要求，提高客戶滿意度，增強企業(yè)在市場中的競爭力，因此發(fā)動機裝配流水線的平衡化研究具有現(xiàn)實意義。

1 汽車裝配流水線平衡現(xiàn)狀

1.1 汽車裝配流水線平衡問題的提出

企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的主要目標(biāo)就是通過高效率的生產(chǎn)管理方式，以最小的投入獲取最大的收益，最大限度地減少企業(yè)生產(chǎn)所占用的資源，努力降低企業(yè)管理與運營成本，以獲得最大的利潤，提高企業(yè)產(chǎn)品的競爭力。高效的生產(chǎn)組織管理方式雖然多種多樣，但它們的共同特點都是消除一切浪費，追求精益求精和不斷完善。所追求的是用最少的人員、生產(chǎn)場地、投資、生產(chǎn)周期、庫存量，就能生產(chǎn)高品質(zhì)、多品種的產(chǎn)品。在汽車制造業(yè)，生產(chǎn)線是由設(shè)備和操作員工構(gòu)成的，是生產(chǎn)成品、零件或產(chǎn)品的基本管理單元。流水線生產(chǎn)效率的高低直接影響到生產(chǎn)成本的高低，提高流水線的效率是降低生產(chǎn)成本的有效手段。

本文通過對上海大眾汽車發(fā)動機裝配車間流水線進行調(diào)研分析，可知其生產(chǎn)線批量大，工藝方法較為穩(wěn)定。因此，工藝過程的分析、分解、工序的組合等成了工程管理在加工階段的核心問題。由于分工作業(yè)，各工序的作業(yè)時間在理論和實現(xiàn)中都不可能完全相同，這就必然造成工序間作業(yè)負(fù)荷不均的現(xiàn)象，生產(chǎn)時除了造成無謂的工時損失外，還造成工序間在制品庫存的堆積，嚴(yán)重時甚至造成生產(chǎn)線停產(chǎn)。

1.2 汽車裝配流水線平衡方法研究

裝配線生產(chǎn)一直以其高效、規(guī)范的生產(chǎn)特征為制造企業(yè)廣泛青睞，其平衡設(shè)計問題，能最大程度地發(fā)掘生產(chǎn)潛力，歷來是學(xué)者關(guān)注焦點之一。國外學(xué)者對裝配線平衡問題的研究[3]主要有：Thomopoulos在1967年建立了關(guān)于負(fù)荷平衡的以最小總懲罰代價為目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型并用啟發(fā)式算法進行了求解；Roberts建立了求解混流線平衡的整數(shù)規(guī)劃模型，這種模型是對Gutjahar和Nemhauser單一流水線平衡方法的修改，變量個數(shù)與約束條件隨著ALB問題規(guī)模的增大而急劇增加，因而只有理論意義；Ruey-Shun Chen對混合裝配線的最小化節(jié)拍、最小化均衡指數(shù)、最小化機器及設(shè)備調(diào)整、更換頻數(shù)、最小化裝配復(fù)雜性采用了加權(quán)平均的方法，轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)的優(yōu)化問題；Erdal和Hadi給出了流線平衡問題的最短路徑算法，這也是對Gutjahar和Ncmhauser的算法的改進，局限性在于不能解決大規(guī)模的流水線問題，Bukchin等研究了基于訂單生產(chǎn)條件下的流水線平衡問題。國內(nèi)學(xué)者對裝配線平衡方法主要可以歸納為三類：（1）最優(yōu)化方法（線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法等）；（2）啟發(fā)式方法；（3）方法研究和作業(yè)測定。

國內(nèi)外研究主要集中于模型建立及算法的理論研究上，很少根據(jù)生產(chǎn)實際的需求來解決作業(yè)元素個數(shù)較多、約束條件較多、滿足多目標(biāo)的平衡問題。在建立平衡模型上，研究大部分集中于單獨考慮縱向平衡（即把混合裝配線轉(zhuǎn)化為單一品種裝配線平衡問題）和橫向平衡（不同工作站間的不同型號產(chǎn)品作業(yè)時間的平衡）的數(shù)學(xué)模型，很少結(jié)合縱向平衡與橫向平衡兩種思路，建立目標(biāo)函數(shù)模型。而企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，一般采用提高流水線生產(chǎn)效率方式來實現(xiàn)。生產(chǎn)線平衡就是要使生產(chǎn)線的設(shè)備運行符合率更高、更經(jīng)濟，具體是指排列裝配加工各工序及裝配線上的裝配任務(wù)，保證每個工序或每個工作站的總加工和裝配作業(yè)時間相近，并有相同或近似相等的總作業(yè)時間[4]。

基于以上研究方法，本文結(jié)合實際情況，認(rèn)為生產(chǎn)線平衡率是衡量生產(chǎn)線各工序作業(yè)時間平均化狀況的指標(biāo)，也是衡量生產(chǎn)線生產(chǎn)效率、考核生產(chǎn)成本的指標(biāo)。生產(chǎn)線各工序作業(yè)時間的差別是影響生產(chǎn)線平衡率的關(guān)鍵。因此，通過對各工序的作業(yè)時間進行平均，實現(xiàn)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，保證生產(chǎn)線流動順暢，從而達到較高的生產(chǎn)效率。

2 汽車發(fā)動機生產(chǎn)線裝配平衡改進

2.1 汽車發(fā)動機生產(chǎn)線

汽車發(fā)動機生產(chǎn)主要將發(fā)動機和變速箱連接，為汽車底盤組裝提供一個發(fā)動機總成。主要工作內(nèi)容包含：（1）發(fā)動機吊運；（2）變速箱吊運；（3）硬管安裝；（4）AG螺母安裝；（5）水管連接；（6）發(fā)動機與變速箱緊固；（7）發(fā)電機安裝；（8）變速箱支撐；（9）差速器安裝；（10）空壓機安裝；（11）上水管；（12）發(fā)電機生產(chǎn)；（13）循環(huán)水泵；（14）油管生產(chǎn)。某工廠汽車發(fā)動機生產(chǎn)線的作業(yè)平面圖如圖1。

2.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀描述

2.2.1 節(jié)拍確定

根據(jù)設(shè)計要求，生產(chǎn)能力為30JPH，即每小時生產(chǎn)30臺整車，設(shè)備開動率為p=95%，所以生產(chǎn)節(jié)拍為：

2.2.2 生產(chǎn)崗位平衡分析

生產(chǎn)線平衡率[6]優(yōu)化基本思想是盡可能消除各工作站上的空閑時間，達到成本最小化或產(chǎn)出最大化。目前，裝配線平衡問題的研究主要分為以下三類：

（1）給定裝配線的節(jié)拍，求最小工作站的數(shù)量，通常稱為第一類平衡問題，此類問題主要在裝配線的設(shè)計與安裝階段進行。

（2）給定裝配線的工作站數(shù)最少，求裝配線的最小節(jié)拍，通常稱為第二類平衡問題，主要是對已存在的裝配線進行調(diào)整優(yōu)化。

（3）在裝配線的工作站數(shù)和節(jié)拍得到優(yōu)化確定的條件下，均衡裝配線上的工作負(fù)荷[4]。

在優(yōu)化過程中，首先測定各生產(chǎn)崗位操作工時和移動工時，計算各生產(chǎn)崗位生產(chǎn)平衡率（見表1）所示。

表1 初始生產(chǎn)崗位平衡率

由于最初在生產(chǎn)線設(shè)計時，崗位配置根據(jù)工藝操作予以配置，崗位排布在生產(chǎn)線兩側(cè)，如崗位2和崗位3，在同一個工位，工作負(fù)荷不足，整個生產(chǎn)線平衡率低。

通過現(xiàn)場分析，造成該裝配線生產(chǎn)平衡率低的原因主要有以下幾點：

（1）部分崗位負(fù)荷不足，如發(fā)動機調(diào)運、變速箱支架安裝等；

（2）生產(chǎn)崗位物料擺放不合理，工位布局不合理；

（3）水管安裝等崗位行走距離過長；

（4）差速計與變速箱支撐安裝崗位受設(shè)備影響，部分型號無法整車復(fù)位放行。

2.3 生產(chǎn)崗位確定

生產(chǎn)崗位首先確定總工作量，由于已經(jīng)測得每個崗位的工作時間，可得到總工作量，用L表示：

則得到：

其中Smin為最小崗位數(shù)，向上取整，該生產(chǎn)線崗位設(shè)置為10個。

通過計算，可得出此次生產(chǎn)平衡優(yōu)化的目標(biāo)，即將崗位優(yōu)化至10個，從而達到生產(chǎn)平衡優(yōu)化的目的。

3 發(fā)動機生產(chǎn)線工序同期化優(yōu)化

3.1 工位內(nèi)部工序同期化優(yōu)化

崗位1由于原料架位置布局[7]不合理，操作工走動多，每次發(fā)動機吊裝走動距離在28m左右?，F(xiàn)場查看可通過重新制作料架并調(diào)整料架的位置，從而減少操作工走動距離。通過優(yōu)化，操作工走動距離由28m減少到18m左右，走動時間由17s減少到8s。

崗位4原操作為手動預(yù)緊螺母，耗時4s，再用高精度槍打緊，耗時7s，共計用時11s。對該崗位操作優(yōu)化：先用氣動槍預(yù)緊三分之二的螺紋，耗時4s，再用高精度槍打緊，耗時4s，共計耗時8s。每顆螺母安裝節(jié)省3s，安裝3顆螺母可節(jié)時10s左右；

崗位9只有在自動變速箱通過崗位時，需要作業(yè)，手動變速箱在崗位9沒有作業(yè)，而此處設(shè)備默認(rèn)高精度打緊后才可以放行，而手動變速箱無差數(shù)計安裝，當(dāng)無差數(shù)計型號機器經(jīng)過工位時，需走至設(shè)備處手動放行。所以要求設(shè)備參數(shù)調(diào)整，操作工按下蘑菇按鈕即可放行。

崗位13、14在取拿螺栓墊片等物料時，使用小料盒，裝料少、取料頻繁、耗時多。通過改進，使用大料盒，減少取料頻次，減少走動，從而節(jié)省走動時間。

工位內(nèi)部優(yōu)化還有一項就是5S改進，如高精度槍的擺放位置，物料擺放位置等。通過工位內(nèi)部工序同期化優(yōu)化，為工位間的工序同期化做準(zhǔn)備。

3.2 工位間工序同期化優(yōu)化

工位間工序同期化優(yōu)化主要通過工藝拆分重組優(yōu)化崗位，提高崗位負(fù)荷，從而提高生產(chǎn)平衡率。對發(fā)動機生產(chǎn)線崗位重組優(yōu)化主要從以下幾個方面進行：

工位3操作工負(fù)荷不足，主要工作內(nèi)容是：①安裝鐵質(zhì)硬管；②啟動機支架生產(chǎn)；③條形碼校對。通過合理拆分，將工位3操作工工作內(nèi)容重新分配到其它工位：工作內(nèi)容①分配到工位1操作工，工作內(nèi)容②分配給工位2操作工，工作內(nèi)容③分配給工位4操作工，從而取消工位3操作工。

工位8操作工工作和走動時間僅52s，負(fù)荷嚴(yán)重不足，主要工作內(nèi)容是：①變速箱支撐預(yù)緊；②變速箱支撐緊固。通過合理拆分，將工作內(nèi)容①分配給工位6操作工，將工作內(nèi)容②分配給工位11操作工。通過工作內(nèi)容拆分，從而取消工位8操作工。

工位12、13操作工操作內(nèi)容是生產(chǎn)，主要工作就是行走、取料、生產(chǎn)，操作簡單。對于生產(chǎn)工位，主要通過調(diào)整工位布局，減少走動，從而達到提高崗位負(fù)荷，優(yōu)化崗位的目的。

工位布局優(yōu)化見圖2，生產(chǎn)區(qū)域原工位布局，操作工行走距離達到32m，而通過改善后的布局，走動僅為12m，可取消工位13操作工。

工位14操作工操作是在裝配線之外的生產(chǎn)，主要工作內(nèi)容是油管安裝及其附件的安裝?？赏ㄟ^對工位14操作工內(nèi)容重新分配，將其安裝部件分配給工位1、2、4、5的操作工，可取消工位14的操作工。

3.3 工序同期化優(yōu)化結(jié)果

通過工位內(nèi)和工位間的工序同期化優(yōu)化，將部分工位工作內(nèi)容予以拆分重組[8]，提高崗位負(fù)荷，從而提高生產(chǎn)平衡率。工序同期化優(yōu)化后生產(chǎn)崗位平衡率如表2所示。

優(yōu)化后生產(chǎn)線生產(chǎn)平衡率為：

從優(yōu)化后生產(chǎn)崗位平衡率崗位可以看出，大部分崗位負(fù)荷得到提高，生產(chǎn)平衡率達到90%，還有部分崗位由于工藝的特殊性，在此次平衡率提升實施過程中，沒有得到很好的優(yōu)化，需要不斷改進。

4 結(jié) 論

采用流水線平衡原理對某汽車制造廠裝配車間發(fā)動機生產(chǎn)線進行生成平衡率優(yōu)化，提高了生產(chǎn)線生產(chǎn)平衡率，優(yōu)化生產(chǎn)崗位4個，減少了生產(chǎn)場地，為企業(yè)節(jié)省了人力、場地等資源。對于已經(jīng)成型的生產(chǎn)流水線，同樣可以利用流水線平衡原理進行改進，從小的環(huán)節(jié)上著手，對生產(chǎn)各要素、各組成部分進行改進，就可以進一步提高生產(chǎn)平衡率，是對工業(yè)工程理論的一種最佳實踐。

表2 工序同期化后生產(chǎn)崗位平衡率

[1]劉光富，馬婷婷.基于eM-plant的水洗機裝配線平衡分析[J].工業(yè)工程與管理，2007(3):104-108.

[2]孫建華，胡中燕，嚴(yán)金波,等.基于多品種混合流水線的平衡設(shè)計方法研究[J].機械設(shè)計與制造，2007(7):4-6.

[3]苑明海，李東波，于敏建.面向大規(guī)模定制的混流裝配線平衡研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2008,14(1):79-83.

[4]余小紅.層流手術(shù)室的使用及管理[J].現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志，2008,14(4):144-145.

[5]齊二石，荊冰彬.物流工程[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2001.

[6]董海.設(shè)施規(guī)劃與物流分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[7]王國華.現(xiàn)代物流工程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[8]蔣長兵.物流系統(tǒng)與物流工程[M].北京：中國物資出版社，2007.

[9]劉光富，陳曉莉.系統(tǒng)布置設(shè)計在生產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].工業(yè)工程與管理，2008(3):125-128.