第二章 柔性生产线及动态平衡改善法

第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 9 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 2.1柔性生产线定义 2.1.1装配组织形式与装配线的类型 装配生产是多数制造业中重要的组成部分 小至手表 电子元器件大至汽车 飞机制造业 从部件装配到总装配 装配生产处处可见 在MRP(物料需求 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ) MRPII(制造资源需求计划) JIT(准时化生产)等各种现代化的生产管理方式中 都以装配生产的某些指标作为组织生产 订贷及安排工厂活动的重要依据 因此 装配生产在整个生产系统中具有举足轻重的地位 装配生产的目的是在最大限度地满足市场需求的前提下 用较少的人力 物 力生产出高质量 低成本的产品 好的装配线是实现这一目标的必要条件 根据产品特点 产量大小 装配生产大致可分为以下几类 1单人单产品式 一个人完成一件产品 操作者要完成所有作业 这种装 配方式操作者对作业不易熟练 装配周期长 生产管理混乱 2单产品固定式 将基础件固定在特定的位置上 按规定的顺序将其它零 部件或总成与基础件联接 固定 最后形成产品 这种方式适用于单件生产的产 品 如飞机 船舶 大型锅炉等 3多产品固定式 将若干个相同的基础件固定在特定的位置上 每个或每 组工人按规定的顺序分别对每个产品完成相同的作业 最后完成产品装配 这种 方式适用于批量不大的重型产品 如重型汽车等 4 自由流水式 产品在装配过程中 不遵守严格的节拍 工位间可以积存 在制品 以防止工位之间由于装配速度不同而造成的等待现象 这种方式具有一 定的柔性 但在制品数量较多 一般用于小型产品或某些产品的总成装配 5 连续传动流水式 装配件在装配过程中随传送装置一起处于运动状态 工人在各自的工位上在节拍时间内完成该工位所规定的作业内容 接着完成下一 个装配件的相同作业内容 这种方式适用于大批量生产 如大批量生产的轿车 载重车 摩托车等 6 间歇传动流水式 在工人进行装配操作肘 传送装置及装配件不动 在 所有该工位的作业都完成之后 传送装置带着装配件移动一个工位 这种方式适 用于批量不九节拍较长的装配生产 如批量不大的各种车辆等 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 10 7 分组式 按照产品构成 分成若干个装配组 在装配组之间可设置在制 品 用来消除由于各装配组的装配速度不同而造成的等待现象 使装配生产均衡 地进行 每一装配组可视具体情况组成各种形式的装配线 这种组织方式便于管 理 在生产上具有一定的柔性 已受到了普遍重视 另外 按一条装配线上所完成的产品类型数量可分为 1 单产品装配线 只装配一种产品 2 多产品装配线 装配多种产品 各种产品的投产间隔较长 3 混产品装配线 装配多种产品 各种产品的投产间隔较短 2.1.2 柔性化生产线产生的背景 流水生产方式在 1913年产生于美国福特汽车公司 最初用于汽车装配 使 生产效率大大提高 随着流水生产组织技术的不断改进完善和运用到零件的机械 加工过程 福特汽车公司的生产效率远远超过其他工厂 使福特的汽车价格在 10年间 从2000美元以上逐步降到263美元 使汽车进入了普通百姓家庭 这 种 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化设计大批量生产的模式很快为各大汽车制造厂所采用 并逐步发展成为 汽车生产的规模经济原则 某种车型只有达到一定的规模批量 其生产才有经济 性 产品才有市场竞争力 但事物的发展总带有两面性 采用大批量生产方式的厂家 用的是昂贵的专 用设备 适用单一品种产品的不间断生产 由于投入高 因此企业总是尽可能延 长产品的生存期 因为一旦产品改型 就需在金钱和时间上重新大量投入 此外 在生产组织上 企业还得考虑最大限度库存量 较高的废品率和配备技能单一的 大量熟练 半熟练操作工 显然 这种传统的生产模式难以适应今天的形势[4] 在目前的经济形势下 为了适应快速变化的市场需求 汽车制造公司必须生 产多型号 多品种 多配置的汽车 增加快速响应市场的能力 如果每次更新产 品 设备与工装必须全部随之更新的话 新产品就可能因投入过多而难以投产 在这种情况下 柔性化生产的概念应运而生 2.1.3 柔性化生产线的定义 柔性化生产线是指在一定时间内 在一条生产线上生产出多种不同型号和配 置的产品 产品的品种和数量可以随顾客需求的变化而变化 柔性生产极大地 提高了线上的工时利用率和生产效率 弥补了单一产品生产时 由于缺件 倒线 所造成的工时空耗和空线现象[5] 同时柔性化生产也是基于计算机辅助生产的一种方式 相对于过去手工的 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 11 机械的生产方式 柔性化生产更强调计算机软件的基础 灵活性 调整方便以及 人性化的空间 据国外统计 柔性制造生产系统可提高生产设备的利用率 50%-100%减少设备占用面积40%-60%节省操作人员20%-40%[6] 柔性生产线包括三个方面的内容 生产线对新产品的适应性 同一生产线 的多品种通过性 装配工时的弹性 能同时具备上述三方面内容的生产线 即为 柔性生产线 例如 在丰田汽车厂的Coronas生产线上 可以生产40多种类型的汽车 每种车型的发动机 变速箱 加速器 空调 车门或其他部件不同 8小时单班 生产250辆sedan125辆hardtop125辆wagon当前 上海通用汽车公司 SGM 能集中高档轿车 旅行车 紧凑型轿车实现同一条生产线生产 是 GM全球范围 内柔性最强的生产线之一 在世界汽车制造业也是屈指可数 一般来说 柔性生产线具有以下一些特征 1 靠自动化的传输来保证固定的节拍 工艺过程是封闭的 并且工作地 或 设备 按工艺顺序排列成链索形式 产品在工序间单向移动 2 在一条流水线上成批的生产几种型号的产品 产品的产量与产品配比是 变化的 3 每个工位的操作内容 用料以及设备工装是相对独立的 且针对不同的 产品 可能具有不同的操作时间以及设备材料的需求 操作工在对不同 产品进行操作时具有工时弹性 第一点说明 一旦产品开始生产 生产节拍是固定的 这是流水线生产方式 与 JOB-SHOP 生产方式的最大区别 在汽车的柔性生产中 不同的产品被固定 在不同的夹具上 再由同一条输送链从头至尾的经过各个装配工位 每个工位必 须在固定的节拍时间内完成所有的工序 否则 传送的连续性就会被打破 第二点说明 生产线的柔性以及需求的变化增加了生产的复杂性和不确定 性 这对于生产线的平衡问题而言 意味着必须随着需求的改变和产品配比的变 化随时调整生产线的平衡 这就是上面提到过的动态的概念 在实际生产中 生 产线的改善是一项持续不断的工作 而人们往往忽略动态平衡的重要性 那是因 为以前的生产线并非是柔性的 这就无所谓产品配比的变化 只要在生产之初进 行平衡 以后便可一劳永逸了 但是引入柔性化生产之后 我们必须把持续的改 善工作与动态平衡结合在一起 才能够跟上生产的需要 第三点说明 针对不同的产品 生产线改善及平衡的方案应该是有所区别的 但是 它们同属于一条流水线 这些方案之间又必然存在着联系 例如 不可能 将一种车型的安装轮胎工作安排在某个工位 而将另一种车型的轮胎安装安排在 其他工位 这是不合理的 因此 在考虑方案时 既要考虑每种车型的不同 又 要考虑设备 物料 场地等多方面的限制因素 这也正是柔性生产线区别于单线 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 12 生产的一个特点 此外 各种产品间操作时间的不同也产生了工时的弹性 即一 种较 忙 的产品之后如果跟着一种较 闲 的产品 操作工可适当的 借 用 后者的一点操作时间 这无形中也增加了柔性生产线的适应性 2.1.4 对生产系统柔性的评价 企业追求生产系统柔性的目的是为了提高企业的经济效益 即柔性价值 追 求高投人产出价值 生产系统的柔性价值要涉及到柔性功能和柔性成本的两个方 面 二者之比越大 生产系统的柔性价值越大 生产系统的柔性功能强弱主要由 生产系统对变化环境的响应范围和响应速度来决定 因此 综合分析 生产系统 的柔性评价应该以下面4个要素为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 [7] 1 反应的迅捷性 即生产系统对外部环境变化的感受应速度 如果外部环 境变化已经影响到生产系统 而生产系统对这一信息反应迟钝 则很难迅速调整 以适应条件变化 则行动柔性差 2 成本性 它涉及为增加柔性而需要的信息搜寻成本 研制成本 生产成 本 机会成本等 生产系统柔性的获得成本越低则柔性所创造的效益会更好 3 鲁棒性 它指在受干扰时 仍能维持正常后果的能力 它意味着即使企 业在市场发生变化 转产新产品后 仍能保证产品质量 正常进行生产经营 体 现了以不变应变能力 4 适应性 柔性不反应对可预测变化范围内的可变性有所反应 也应该对 不可预测变化的适应能力作出反应 2.2 国内外研究现状 所谓生产线的平衡 简而言之就是在满足一定的约束条件的情况下 处理 好两个主要问题 一是工位操作时间的平衡 即各工位之间的时间差距要尽可能 的小 二是保持生产线能够连续生产 因此 如果要对生产线进行整体重排平衡 这样的问题是一种典型的组合优化问题 生产线的平衡及改善是一个系统工程 其中涉及到生产的方方面面 目前 在ALB问题上 国内外有许多相关的论文 他们中有许多是研究线平衡的数学建 模和优化算法的 这中间包括了对于单种产品的研究和多种产品混线装配的研 究 还有不少论文研究了生产线的改善问题 即通过各种途径 缩短工序的周期 时间 增加操作的效率 提高生产率 生产质量以及安全性等 就目前研究现状来说 装配线平衡问题的求解方法大致可分为精确算法与近 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 13 似算法两大类[2] 精确算法(主要是运筹学中的各种算法)有 线性规划法 整数规划法 动态 规划法 目标规划法 最短路径法 最大路径法 分枝定界法 近似算法(主要是各种启发式算法)有 优先排列与指派法 对于可分配的作业 按照各种优先 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 分别对工位进 行指派 树状搜索法(启发式的分枝定界法) 采取先定界 后分枝的方法 对各种可 能的情况分别进行计算 从中选优 交换与转移法 对某些工位间的作业进行交换或转移 随机抽样法 从可分配的作业中随机抽取 对工位进行指派 模拟方法 是模拟技术在装配线平衡设计中的应用 其中研究人员既而转向用启发式方法 它能使问题得到比较好的平衡 启发 算法求解平衡问题的基本思路是 首先将可分配作业与不可分配作业分开 然后 在可分配作业中 从第一个工位开始 寻找工序的组合 并使这个工位的闲置时 间最短 再进入下一个工位 并把已选出的工序从以后的考虑中去掉 此过程重 复进行 直至所有作业分配完毕 在实际中生产线平衡常用的方法有杰克逊的列举法 分枝界限法 赫尔森和 伯尼的位置权值法 霍夫曼的矩阵法与凯尔布里奇和韦斯特方法 在实际工作中 大多数公司采用较为简便的位置权值法[8] 首先先介绍几个线平衡中的基本概念和评价参数 1 基本概念 1 工作要素 work element 工作要素有时就称为工序 它是装配过程中全部工作内容的一部分 是完成 某项操作所进行的最小工作单元 即 在进行线平衡时 我们不能将工作要素再 行拆分 2 工作站 work station 有时也称工位 是装配线中的一个工作地 产品在此工作地要完成一个或 几个工作要素 工序 的操作 简单的可以理解为汽车在装配线上停留待装的部 位 或者说就是车位 对于混流生产装配线 工位的设置要根据装配线的长度和 所装车型总长最长的车型的长度来设置 无论长车或是短车 应当每个工位一辆 车 装配线上存放的待装车数量相同 同类型的零部件的存放地点相同 保证装 配线通过能力不受所装车长度的影响 3 优先图 优先图是描述各工作要素加工次序的图 某些工序只有在前面的工序完成之 后才能进行 实际上 生产线的平衡问题很大程度上依赖于优先图 平衡的效率 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 14 就取决于优先图的复杂程度 下图就是一张简单的优先图 图2-1 一个简单的优先图 Fig.2-1 A preference Chart 4 产品配比 它是指柔性生产线上生产的各种产品之间的产量比例关系 在柔性生产线 上 这一比例关系往往是变动的 它的变化与产品需求量的变化往往就是生产线 动态调整与平衡的原动力 2 线平衡调整的评价参数 在做生产线平衡工作时 必须确定一个或多个评价指标作为优化问题的目标 函数 用这些参数来评定平衡的效率以及平衡方案的优劣 下面 介绍几个常用 的评价参数 1) 生产线效率 Line Efficiency 即所有工位时间之和与节拍时间与工位数之 积的比值 LE= %1001 ´ × å = CTk ST k i i (2-1) 式中 ST 工位的操作时间 k 工位的总数 CT 节拍时间 有的时候 这一比率也可称为工位平均繁忙率 Average Busy Rate 对于 柔性生产线而言 这个比值具有系统整体性的意义 因为有的时候 我们可能只 注意单个产品的工序分派 只是针对单一产品的生产线进行平衡 而在柔性生产 线中 有些工位可能对于某些产品的操作时间较多 比较忙 而对另一些产品 的操作时间较少 比较闲 因而 单个产品如果平衡了 不等于混合产品生产 时就能够平衡 而这个平均繁忙率是就总体平均而言的 它主要考察的是生产线 的整体效率 因而 对于柔性生产线而言 这个评价参数更有意义 2) 平滑指数 SI 即表示一个给定装配线相对平滑度的指数 平滑指数为零 表示理想平衡 如果用柱状图显示各工位的操作时间 则很容易理解平滑指数中 的平滑二字 平滑指数的计算公式如下 4 3 5 2 6 7 8 9 1 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 15 å = -= k i iSTSTSI 1 2 max )( (2-2) 式中 STmax 最大工位时间 STi 第 i个工位的操作时间 k 工位总数 当然 根据需要和实际情况 还可以有许多其它的评价参数和指标 例如 在SGM中 由于引入了暗灯系统 每天该系统都会自动生成一份暗灯情况汇总表 表中显示了当日暗灯停线的次数统计 以及造成停线的工位号 这样的统计报表 其实也是一种评价指标 通过它可以发现线上经常出问题的工位 当我们进行了 重新线平衡后 可以在试运行的过程中统计这一参数 与调整前作比较 从而评 价平衡的效果 我们还可以借助计算机仿真技术来进行电脑虚拟试运行 得到更 多更详尽的评价参数 下面对可以使生产线平衡问题获得较好的两种方法作些简单介绍 位置权值 法将在第五章中作详细介绍 一 吉尔布里奇-维斯特 Kilbiage-Wester 启发式方法 在这种方法中 对每个作业进行标号 以表示它有多少个前导工序 具有最 小标号的作业首先进入工位 下面就是该方法的步骤 1 构造一个工序优先顺序图 在图中 第I列工序没有前导工序 第II列工序 必须放在第I列之后 以后各列依此类推 有很多排列能够满足优先顺序图 只要工序之间没有箭头制约 则可以自由的进行列与列之间的工序转换 2 节拍时间 CT是通过å = N i iT 1 全部工序时间 的质数的所有组合来决定的 实 际情况下 我们必须参考每日需求量和每日的总工作时间来决定节拍时间 决定了节拍时间CT则工位的可能数是 CT T K N i iå == 1 (2-3) 3 将工序分配给工位 使各工序的工作时间之和不得超过节拍时间CT 4 把已分配完的工序从总数中去掉 并重复步骤3 5 如果某工位时间 ST由于加入某个工序而超过节拍时间 CT则把这个工序移 入下一个工位 6 重复步骤3到步骤5 直到所有工序都纳入各工位 我们举例来说明 Kilbriage-Wester方法的操作步骤 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 16 设一个装配线的工序优先图如下 根据 Kilbriage-Wester方法的原则 工序被划分在 7个列中 每列中的各工 序之间没有箭头 因此 在安排工序时 它们具有相同的优先顺序 可以进行互 换 如图 所有工序的操作时间已标在各工序标号的上方 在此例中 å = = N i iT 1 50 50 的质数是 2*5*5 节拍时间的范围已由 7�CT�50给出 那么这些质数的 所有可能的组合 可以分为两类 即可行节拍和不可行节拍 见表2-1 表2-1 可行节拍和不可行节拍 可行节拍时间 不可行节拍时间 C1=50 C4=2 C2=5*5*5=25 C5=5 C3=2*5=10 假设 我们结合生产的需求量 确定CT=10来平衡装配线 每个工序的前 导工序数如表2-2所示 我们重新组合工序 作业1最先被选入 因为它的前导 工序数最少 工序2和4 作业时间都是3 所以都可以分配到第一个工作站 我们选择工序2进入工位1 这时工位时间为 8 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf Standard Operation Sheet 以及工作任务书 Job Instruction Sheet 等等 收集这些方面的资料 是一项基础工作 它为以后的分 析评估作了数据准备 2 数据分析与评估 这一步是将上一步所得的数据进行综合分析 从而对生产线的效率进行评 估 寻找并确定改善和平衡的对象和目标 因为改善不能没有针对性 必须把有 限的精力用在最需要改进的地方 所以 确定一个改善对象和目标显得尤为重要 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 22 第二阶段 改善与平衡阶段 在这个阶段 通过一定的方法 生产线将得到改善和平衡 这个阶段中的每 个步骤可能都要重复尝试多次 才能够得到较为满意的效果 重复的次数以及满 意程度的评价都与财力 精力以及上一阶段设定的目标有关 这个阶段可分为先后两个步骤 1 工序改善 这个步骤的目标就是要改善工序 使工位的操作时间降低 效率和生产质量 提升 在这个过程中 我们可用工作研究 人机工程 质量管理等工具和方法来 进行工序的优化和改善 具体的改进方法会在第四章中详细介绍 这一步的目 的其实是压缩瓶颈工位的操作时间 调整工序 从而为下一步进行工位间的平衡 打下基础 2 生产线平衡 这一步就是在各工位之间进行调整 以求生产线获得新的平衡 我们前面已 经讲过 平衡的广义理解就是生产顺畅 负荷差距小 因而 在这一步骤中 关 键的一点是要用一些评价的参数来衡量平衡的效果 这些参数可与第一阶段中的 评价参数对应起来 从而验证平衡以及改进的程度和效率 在这个过程中 我们 还可以借助计算机仿真技术来进行辅助的改善与评价工作 第三阶段 确认成果与推广阶段 这是改进方法的最后一个阶段 在这个阶段中 前面的改进与平衡的结果以 文件的形式被保存确认 企业根据新的方案形成各种新的生产文件 如 新的操 作指导书 工作任务书 新的生产线布置等等 这个阶段中具体要做的几项工作 如下 1 确认成果 生成新文件形成新的工艺文件和生产规范 正式实施改进方案 2 考虑仍存在的不足之处 确定下一个改进目标 因为在分析评估阶段 我们 确定的改进目标可能是当时问题十分突出的部分 当对这一部分进行改进之后 瓶颈工位很有可能转移到其他工位中 这使得我们必须重新评估 进入新一轮的 改进活动 这种循环式的改进与平衡方法是持续改善理念的具体应用 是十分必 要的可持续发展思路 3 考虑推广的可能性 有远见的公司管理者会发现 在一处取得成功的改进方案 可能对企业其他 生产线的改进具有启发作用 所以 将这个成功经验推广是十分必要的 当然 在推广过程中不能够照搬照用 而要根据实际情况有所变化 这便是动态平衡改善法的一般步骤 图2-3阐述了这一方法的运作流程 第二章 柔性生产线及动态平衡改善法 23 基础数据收集 数据分析评估 确定改进对象 工序改善 生产线平衡 成果确认 推广 第一阶段 第二阶段 第三阶段 图2-3 动态平衡改善法工作流程图 Fig. 2-3 Flow chart of Dynamic Line Balance Method