企業(yè) 柔性生產線及動態(tài)平衡改善法

1、第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法 企業(yè)柔性生產線及動態(tài)平衡改善法i柔性生產線定義2.1.1裝配組織形式與裝配線的類型裝配生產是多數制造業(yè)中重要的組成部分小至手表電子元器件大至汽車15O*飛機制造業(yè)從部件裝配到總裝配裝配生產處處可見在MRPC物料需求計劃）MRPI1（制造資源需求JIT（準時化生產）等各種現代化的生產管理方式中計劃）都以裝配生產的某些指標作為組織生產訂貸及安排工廠活動的重要依據因此裝配生產在整個生產系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，、裝配生產的目的是在最大限度地滿足市場需求的前提下用較少的人力物力生產出高質量低成本的產品好的裝配線是實現這一目標的必要條件根據產品特點產量大小裝配生產大致可

2、分為以下幾類。1單人單產品式一個人完成一件產品操作者要完成所有作業(yè)這種裝配方式操作者對作業(yè)不易熟練裝配周期長生產管理混亂2單產品固定式將基礎件固定在特定的位置上按規(guī)定的順序將其它零部件或總成與基礎件聯接固定。最后形成產品這種方式適用于單件生產的產品如飛機船舶大型鍋爐等，3多產品固定式將若干個相同的基礎件固定在特定的位置上每個或每組工人按規(guī)定的順序分別對每個產品完成相同的作業(yè)最后完成產品裝配這種方式適用于批量不大的重型產品如重型汽車等-4,自由流水式產品在裝配過程中不遵守嚴格的節(jié)拍。工位間可以積存在制品以防止工位之間由于裝配速度不同而造成的等待現象這種方式具有一定的柔性但在制品數量較多一般用于小

3、型產品或某些產品的總成裝配，5連續(xù)傳動流水式裝配件在裝配過程中隨傳送裝置一起處于運動狀態(tài)工人在各自的工位上在節(jié)拍時間內完成該工位所規(guī)定的作業(yè)內容接著完成下一個裝配件的相同作業(yè)內容這種方式適用于大批量生產如大批量生產的轎車載重車摩托車等-6間歇傳動流水式在工人進行裝配操作肘傳送裝置及裝配件不動在所有該工位的作業(yè)都完成之后傳送裝置帶著裝配件移動一個工位這種方式適用于批量不九節(jié)拍較長的裝配生產如批量不大的各種車輛等7分組式按照產品構成，分成若干個裝配組，在裝配組之間可設置在制品，用來消除由于各裝配組的裝配速度不同而造成的等待現象，使裝配生產均衡地進行。每一裝配組可視具體情況組成各種形式的裝配線。這種

4、組織方式便于管理，在生產上具有一定的柔性，已受到了普遍重視。另外，按一條裝配線上所完成的產品類型數量可分為.1單產品裝配線2多產品裝配線3混產品裝配線只裝配一種產品。裝配多種產品，各種產品的投產間隔較長。裝配多種產品，各種產品的投產間隔較短。柔性化生產線產生的背景流水生產方式在1913年產生于美國福特汽車，最初用于汽車裝配，使公司生產效率大大提高隨著流水生產組織技術的不斷改進完善和運用到零件的機械加工過程福特汽車公司的生產效率遠遠超過其他工廠使福特的汽車價格在10年從2000美元以上逐步降到26使汽車進入了普通百姓家庭這間3美元，種規(guī)范化設計大批量生產的模式很快為各大汽車制造廠所采用并逐步發(fā)展

5、成為汽車生產的規(guī)模經濟原則。某種車型只有達到一定的規(guī)模批量其生產才有經濟性產品才有市場競爭力但事物的發(fā)展總帶有兩面性采用大批量生產方式的廠家用的是昂貴的專用設備適用單一品種產品的不間斷生產由于投入高因此企業(yè)總是盡可能延長產品的生存期因為一旦產品改型就需在金錢和時間上重新大量投入此外在生產組織上企業(yè)還得考慮最大限度庫存量較高的廢品率和配備技能單一的大量熟練半熟練操作工顯然這種傳統(tǒng)的生產模式難以適應今天的形勢在目前的經濟形勢下為了適應快速變化的市場需求汽車制造公司必須生產多型號多品種多配置的汽車增加快速響應市場的能力如果每次更新產品設備與工裝必須全部隨之更新的話新產品就可能因投入過多而難以投產在這

6、種情況下柔性化生產的概念應運而生柔性化生產線的定義，柔性化生產線是指在一定時間內在一條生產線上生產出多種不同型號和配置的產品產品的品種和數量可以隨顧客需求的變化而變化柔性生產極大地提高了線上的工時利用率和生產效率彌補了單一產品生產時由于缺件倒線所造成的工時空耗和空線現象0同時柔性化生產也是基于計算機輔助生產的一種方式相對于過去手工的機械的生產方式，柔性化生產更強調計算機軟件的基礎，靈活性、調整方便以及人性化的空間。據國外統(tǒng)計，柔性制造生產系統(tǒng)可提高生產設備的利用率50%，減少設備占用面積40%節(jié)省操作人員20%40%100%60%.:;柔性生產線包括三個方面的內容生產線對新產品的適應性同一生產

7、線TOC o 1-5 h zJu?nas生可以生產40多種類型的汽車的多品種通過性裝配工時的彈性能同時具備上述三方面內容的生產線即為柔性生產線空調車門或其他部件不同8小時單班25輛w當前上海通用汽車公司SGMgon例如在豐田汽車廠的Coro產線上每種車型的發(fā)動機變速箱加速器生產250輛S125輛ha1能集中高檔轎車旅行車緊湊型轎車實現同一條生產線生產是GM全球范圍內柔性最強的生產線之一在世界汽車制造業(yè)也是屈指可數一般來說）柔性生產線具有以下一些特征1edanrdt.opaO靠自動化的傳輸來保證固定的節(jié)拍工藝過程是封閉的并且工作地或設備按工藝順序排列成鏈索形式產品在工序間單向移動在一條流水線上成

8、批的生產幾種型號的產品產品的產量與產品配比是變化的每個工位的操作內容用料以及設備工裝是相對獨立的且針對不同的產品可能具有不同的操作時間以及設備材料的需求操作工在對不同產品進行操作時具有工時彈牲,第一點說明，一旦產品開始生產生產節(jié)拍是固定的這是流水線生產方式與JOB-SHOP生產方式的最大區(qū)別在汽車的柔性生產中不同的產品被固定在不同的夾具上，再由同一條輸送鏈從頭至尾的經過各個裝配工位每個工位必須在固定的節(jié)拍時間內完成所有的工序否則傳送的連續(xù)性就會被打破第二點說明生產線的柔性以及需求的變化增加了生產的復雜性和不確定性這對于生產線的平衡問題而言，意味著必須隨著需求的改變和產品配比的變化隨時調整生產線

9、的平衡這就是上面提到過的動態(tài)的概念。在實際生產中生產線的改善是一項持續(xù)不斷的工作而人們往往忽略動態(tài)平衡的重要性那是因為以前的生產線并非是柔性的，這就無所謂產品配比的變化只要在生產之初進行平衡以后便可一勞永逸了但是引入柔性化生產之后我們必須把持續(xù)的改善工作與動態(tài)平衡結合在一起才能夠跟上生產的需要第三點說明針對不同的產品生產線改善及平衡的方案應該是有所區(qū)別的但是它們同屬于一條流水線這些方案之間又必然存在著聯系例如不可能將一種車型的安裝輪胎工作安排在某個工位而將另一種車型的輪胎安裝安排在其他工位這是不合理的因此在考慮方案時既要考慮每種車型的不同又要考慮設備物料場地等多方面的限制因素這也正是柔性生產線

10、區(qū)別于單線生產的一個特點。此外，各種產品間操作時間的不同也產生了工時的彈性，即一種較亡的產品之后如果跟著一種較茫閑的產品，操作工可適當的借用后者的一點操作時間。這無形中也增加了柔性生產線的適應性。對生產系統(tǒng)柔性的評價企業(yè)追求生產系統(tǒng)柔性的目的是為了提高企業(yè)的經濟效益，即柔性價值，追求高投人產出價值。生產系統(tǒng)的柔性價值要涉及到柔性功能和柔性成本的兩個方面，二者之比越大，生產系統(tǒng)的柔性價值越大。生產系統(tǒng)的柔性功能強弱主要由生產系統(tǒng)對變化環(huán)境的響應范圍和響應速度來決定。因此，綜合分析，生產系統(tǒng)的柔性評價應該以下面4個要素為標準7：5反應的迅捷性。即生產系統(tǒng)對外部環(huán)境變化的感受應速度。如果外部環(huán)境變化

11、已經影響到生產系統(tǒng)，而生產系統(tǒng)對這一信息反應遲鈍，則很難迅速調整以適應條件變化，則行動柔性差。今成本性它涉及為增加柔性而需要的信息搜尋成本、研制成本、生產成本、機會成本等。生產系統(tǒng)柔性的獲得成本越低則柔性所創(chuàng)造的效益會更好。多魯棒性它指在受干擾時，仍能維持正常后果的能力，它意味著即使企業(yè)在市場發(fā)生變化，轉產新產品后，仍能保證產品質量、正常進行生產經營，體現了以不變應變能力。4適應性柔性不反應對可預測變化范圍內的可變性有所反應也應該對不可預測變化的適應能力作出反應。2.2國內外研究現狀,簡而言之就是在滿足一定的約束條件的情況下，處理所謂生產線的平衡好兩個主要問題一是工位操作時間的平衡即各工位之間

12、的時間差距要盡可能的小二是保持生產線能夠連續(xù)生產因此如果要對生產線進行整體重排平衡這樣的問題是一種典型的組合優(yōu)化問題生產線的平衡及改善是一個系統(tǒng)工程其中涉及到生產的方方面面目前在ALB問題國內外有許多相關的論文他們中有許多是研究線平衡的數學建上。模和優(yōu)化算法的這中間包括了對于單種產品的研究和多種產品混線裝配的研究還有不少論文研究了生產線的改善問題即通過各種途徑。縮短工序的周期時間增加操作的效率提高生產率生產質量以及安全性等就目前研究現狀來說裝配線平衡問題的求解方法大致可分為精確算法與近第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法 似算法兩大類匕精確算法（主要是運籌學中的各種

13、算法）有線性規(guī)劃法、整數規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、目標規(guī)劃法、最短路徑法、最大路徑法、分枝定界法.近似算法（主要是各種啟發(fā)式算法）有優(yōu)先排列與指派法對于可分配的作業(yè)，按照各種優(yōu)先規(guī)則，分別對工位進行指派。樹狀搜索法（啟發(fā)式的分枝定界法）采取先定界后分枝的方法，對各種可能的情況分別進行計算，從中選優(yōu)。交換與轉移法對某些工位間的作業(yè)進行交換或轉移。隨機抽樣法從可分配的作業(yè)中隨機抽取，對工位進行指派。模擬方法是模擬技術在裝配線平衡設計中的應用。其中研究人員既而轉向用啟發(fā)式方法，它能使問題得到比較好的平衡。啟發(fā)算法求解平衡問題的基本思路是.首先將可分配作業(yè)與不可分配作業(yè)分開，然后在可分配作業(yè)中，從第一個工位

14、開始，尋找工序的組合，并使這個工位的閑置時間最短，再進入下一個工位，并把已選出的工序從以后的考慮中去掉。此過程重復進行，直至所有作業(yè)分配完畢。在實際中生產線平衡常用的方法有杰克遜的列舉法、分枝界限法、赫爾森和伯尼的位置權值法、霍夫曼的矩陣法與凱爾布里奇和韋斯特方法。在實際工作中大多數公司采用較為簡便的位置權值法忌首先先介紹幾個線平衡中的基本概念和評價參數。1基本概念1）工作要素workelement工作要素有時就稱為工序。它是裝配過程中全部工作內容的一部分，是完成某項操作所進行的最小工作單元。即，在進行線平衡時，我們不能將工作要素再行拆分。2工作站workstatio有時也稱工位，是裝配線中的

15、一個工作地，產品在此工作地要完成一個或幾個工作要素工序）的操作。簡單的可以理解為汽車在裝配線上停留待裝的部位，或者說就是車位。對于混流生產裝配線，工位的設置要根據裝配線的長度和所裝車型總長最長的車型的長度來設置，無論長車或是短車，應當每個工位一輛車，裝配線上存放的待裝車數量相同，同類型的零部件的存放地點相同，保證裝配線通過能力不受所裝車長度的影響。勺優(yōu)先圖優(yōu)先圖是描述各工作要素加工次序的圖。某些工序只有在前面的工序完成之后才能進行。實際上，生產線的平衡問題很大程度上依賴于優(yōu)先圖，平衡的效率就取決于優(yōu)先圖的復雜程度。下圖就是一張簡單的優(yōu)先圖。圖2-Fig.2-1式中ST工位的操作時間一個簡單的優(yōu)

16、先圖ApreferenceChart令產品配比它是指柔性生產線上生產的各種產品之間的產量比例關系。在柔性生產線上，這一比例關系往往是變動的。它的變化與產品需求量的變化往往就是生產線動態(tài)調整與平衡的原動力。2線平衡調整的評價參數在做生產線平衡工作時，必須確定一個或多個評價指標作為優(yōu)化問題的目標函數，用這些參數來評定平衡的效率以及平衡方案的優(yōu)劣。下面，介紹幾個常用的評價參數=1)生產線效LineEfficiency：即所有工位時間之和與節(jié)拍時間與工位數之率積的比值.st(2-1)k位的總數CT節(jié)拍時間有的時候這一比率也可稱為工位平均繁忙率AverageBusyRate對于柔性生產線而言這個比值具有

17、系統(tǒng)整體性的意義因為有的時候我們可能只k注意單個產品的工序分派e=只是針對單一產品的生產線進行平衡而在柔性生產線中有些工位可能對于某些產品的操作時間較多比較忙兒而對另一些產品的操作時間較少比較閑因而單個產品如果平衡了不等于混合產品生產時就能夠平衡而這個平均繁忙率是就總體平均而言的它主要考察的是生產線的整體效率因而對于柔性生產線而言這個評價參數更有意義2)平滑指數S?即表示一個給定裝配線相對平滑度的指數平滑指數為零表示理想平衡如果用柱狀圖顯示各工位的操作時間則很容易理解平滑指數中的平滑二字平滑指數的計算公式如下：SI=口（ST口ST）2（2-2）maxi式中STmax最大工位時間STi第i個工位

18、的操作時間k工位總數當然，根據需要和實際情況，還可以有許多其它的評價參數和指標。例如，在SGM由于引入了暗燈系統(tǒng)，每天該系統(tǒng)都會自動生成一份暗燈情況匯總表.中表中顯示了當日暗燈停線的次數統(tǒng)計以及造成停線的工位號這樣的統(tǒng)計報表其實也是一種評價指標通過它可以發(fā)現線上經常出問題的工位當我們進行了重新線平衡后可以在試運行的過程中統(tǒng)計這一參數與調整前作比較從而評價平衡的效果我們還可以借助計算機仿真技術來進行電腦虛擬試運行得到更多更詳盡的評價參數下面對可以使生產線平衡問題獲得較好的兩種方法作些簡單介紹位置權值法將在第五章中作詳細介紹一、吉爾布里奇一維斯特Kilbiage-Wester啟發(fā)式方法在這種方法中

19、對每個作業(yè)進行標號以表示它有多少個前導工序具有最小標號的作業(yè)首先進入工位下面就是該方法的步驟：1構造一個工序優(yōu)先順序圖在圖中第I列工序沒有前導工序第II列工序必須放在第I列之后以后各列依此類推有很多排列能夠滿足優(yōu)先順序圖只要工序之間沒有箭頭制約則可以自由的進行列與列之間的工序轉換2節(jié)拍時間CT是通過口卩全部工序時間）的質數的所有組合來決定的實ii=1際情況下我們必須參考每日需求量和每日的總工作時間來決定節(jié)拍時間N決定了節(jié)拍時間c則工位的可能數是T口T(2-3)iNCT3將工序分配給工位使各工序的工作時間之和不得超過節(jié)拍時間CT4把已分配完的工序從總數中去掉并重復步驟35如果某工位時間ST由于加

20、入某個工序而超過節(jié)拍時間則把這個工序移CT入下一個工位，6重復步驟3到步驟直到所有工序都納入各工位5我們舉例來說明Kilbriage-Wester方法的操作步驟第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法 # 設一個裝配線的工序優(yōu)先圖如下:根據Kilbriage-Wester方法的原則，工序被劃分在7個列中每列中的各工序之間沒有箭頭，因此，在安排工序時，它們具有相同的優(yōu)先順序，可以進行互換.如圖，所有工序的操作時間已標在各工序標號的上方，在此例中，卅T=50oii=150的質數是2*5*5,節(jié)拍時間的范圍已由7CT50給出。那么這些質數的所有可能的組合，可以分為兩類，即可行

21、節(jié)拍和不可行節(jié)拍。見表21表2-1可行節(jié)拍和不可行節(jié)拍可行節(jié)拍時間不可行節(jié)拍時間C1=50C4=2C2=5*5*5=25C5=5C3=2*5=10假設，我們結合生產的需求量，確定CT萬來平衡裝配線。每個工序的前10導工序數如表2-2所我們重新組合工序作業(yè)1最先被選入因為它的前導示工序數最少工序2和作業(yè)時間都是3所以都可以分配到第一個工作站我們選擇工序,2進入工位這時工位時間為8vCT工序4不能再進入工位1否則工位的操作時間將超過周期時間因此我們分配工序4到第2個工位經過以上過程把所有的工序都分配到工位得到結果如表2-3所示第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法根據表一

22、3的分配方我們用上文提到的兩個評價參數進行評價:2-4線效率L=56*100%=8芒)03曠平滑指數S=4+1+1+9+9=24=4.89此時可以縮短I表22各工序的前導工序數及操作時間工序I前導工序數操作時間Ti1052133244135266557628769611064117412,11,7工位L工序0/6*9*100%=92.6(%工位時（間CTS1SI=51+1+1+1=22-7T2表233分配給工位的CT-10工序丿J丄2LU3J丄丄U56T34Qi65O厶IV7273通過仔細研究表2我們可以在工位之間變化工序以使工作站更加平衡可能的變換在表24中給由于最大工位時間STmax出節(jié)拍

23、時間令節(jié)拍時間C=那么LE和I為.T9C.III9117第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法181891104V86100114VI12773表24修正后分配給工位的CT=9)工位工序序fl工位時間CTS工位亠工序Ti工位時間CTS15TkI238143II569034III659072IV8681104114V9181VI12781可見通過修正變換使生產線效率和工位閑置時間改善不少這樣的結吉果我們可認為已經是最優(yōu)的了(因為實際情況90%的效率就已經非常好了、()二穆迪一楊MOODIE-YOUNG方法這一方法包括兩個階段階段1利用最大選擇準則把工序分派到裝配線上相鄰

24、的工位中最大選擇準則的要點是分配可行工序那些沒有前導工序制約的要素兒以使時間縮短因此如果兩個工序都可以分配到同一個工作站那么首先分配時間長的工序當每一個工序都分配完后再考慮下一批分配的可行工序以使下一批分配的工作時間最短我們將在分配過程中;應用P矩陣表示每個工序的緊前工序和F矩陣表示每個要素的緊后工序階段2階段2試圖通過交換手法和工位之間的工序轉換在遵守順序約束的前提下使所有工位的閑置時間趨于平衡第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法下面是第2階段的步驟從階段1的平衡中找出最大和最小的工位時間把這二者之差的一半稱作目標GOAL）。GOAL=STmax七tmQ/2（28

25、從STmax中找出所有小于2倍并且換到STmin中不違反順序制約的單個工宀序找出STmax中與STmin中單個工序之間的所有可能的交換并使STmax的567減少和STmin的增加均小于2*GOaL選擇那些作業(yè)時間與GOAL的絕對差值最小的要素進行交換如果在最大工位與最小工位之間不能交換試圖按下列順序的排序工位進行交換：N（第N工位位具有最大閑置時間的工位32如果交換仍然不行就取消goal值的限制通過以上步驟進行交換并使各工位的時間增加不要超出原節(jié)拍時間，同樣的我們舉例說明該方法的運用考慮上例中給出的12個工序的問題運用oMoodie-Young方法進行生產線平衡我們首先列出P矩陣和F矩陣如表4

26、.4所示P矩陣的第一列為所有工序號第二三四列為第一列工序的緊前工序F矩陣的第二三四列為第一列工序的緊后工序進行以下步驟1找岀P矩陣中均為零的行如果不只一個那么找出工序時間最大者首先進行分配-記下F矩陣中那些與步驟1中已分配的工序相對應的工序編并在這些編號.號所表示的P矩陣的行中用零來代替者已分配工序的編號繼上述12步驟之后繼續(xù)分配工序并遵守以下約束條件maxT.8STk8CT29當P矩陣全部為零時問題就得到了解答P矩陣表25矩陣P矩陣和F1F矩陣100012421030023206003410500454060056357906760800787012008000001000第二章柔性生產線及

27、動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法第二章柔性生產線及動態(tài)平衡改善法 9600912001060010110011100011120012891112000當以上步驟全部結束時，得到如表26所示的分配結表26階段1的分配結果工位工序Ti工位時間CTSTI158k23II439156III349165102IV11610074V847391VI12773同樣的，假設CT=果10LE=50/6*10)*100%=83.3%2-10)2-11)SI=J4+1+1+9+9=4.89下面進行階段2來優(yōu)化階段1的解GOAL=(10-7)/2=1.52-12)把工序7轉到工位，工序9轉到工位V工序

28、7在工位V中必須在工序8之前可以得到最大工位時間9并將節(jié)拍時間縮小到CT=9LE=50/(6*9)*100%=92.6%2-13廠SI=4=22-14以上介紹了進行生產線平衡的常用的兩種啟發(fā)式算法在此對上述的方法再作幾點說明：l這兩種方法都是啟發(fā)式算法因此理論上并不能得到問題的最優(yōu)解所以，引入評價參數，只要管理人員認為結果是可以接受的，或是實際運行或仿真運行后效果是理想的，則可以認為是最優(yōu)的結果。l我們注意到，上述兩種方法在得到可行解之后，往往都要再進行修正調整。這是為了彌補啟發(fā)式算法的不足而進行的人工調整。一般而言，優(yōu)先圖的分支越多越復雜，工序的操作時間相對節(jié)拍時間越短，那么，運用上述啟發(fā)式

29、算法所得到的平衡結果就越優(yōu)，平衡的效率就越高。所以，如果遇到了這種情況，在進行了平衡計算得到了分配方案后，可不必再進行調整，因為結果已經很接近最優(yōu)解了。l我們在介紹這兩種方法的時候，都舉了一個單一產品生產的例子，并且問題的約束也只有優(yōu)先關系約束。這是為了方便闡明算法而故意將問題簡化。在實際生產中，我們的約束條件還包括設備布置、物料供應、作業(yè)空間以及安排合理性等方面的約束，柔性化的生產使得我們必須綜合考慮多種產品生產的情況包括評價指標的綜合性丄這些都必須在進行生產線平衡時予以重視。23動態(tài)平衡改善法目前在上海通用總裝車間采用的是動態(tài)平衡改善方法。它是根據柔性生產線的實際情況，并結合解決問題的科學性邏輯思維以及持續(xù)改進的理念總結出來的一套方法。該方法可分為三個階段：第一階段=現狀調査與分析評估階段在這一階段，主要分為以下兩個步驟。1基礎數據收集。這一步是所有改善活動的開始。收集的數據主要包括：當前的生產量，生產配比，節(jié)拍時間；最近的現場管理工作報告，停線日志，質量日報；工藝流程、每個工位的標準化操作指導書StandardOperationSheet）以及工作任務書JobInstructionSheet）等等。收集這些方面的資料，是一項基礎工作，它為以后的分析評估作了數據準備。2數據分析與評估這一步是將上一步所得的數據進行綜合分析，從而對生產線的效率進行評估，尋找并確定