汽車線束拼裝工藝平衡問(wèn)題研究

汽車線束拼裝工藝平衡問(wèn)題研究

電子梁是一種用于車輛動(dòng)力和各種信號(hào)的分配系統(tǒng)。其功能為以合理安全的形式給車載用電設(shè)備分配動(dòng)力、傳遞和反饋信號(hào)。汽車線束的裝配工藝一般包括:開(kāi)線、壓接、預(yù)裝、總裝4個(gè)步驟。對(duì)于復(fù)雜的線束,為了提高總裝效率,一般都要設(shè)置預(yù)裝配工位。如果預(yù)裝配工藝效率低或裝配的導(dǎo)線路徑不合理將加大總裝配人員的工作量,降低流水線的執(zhí)行效率。因此,對(duì)汽車線束預(yù)裝配線工藝優(yōu)化與仿真是一個(gè)十分重要的研究?jī)?nèi)容。裝配線工藝是否平衡是反映裝配線執(zhí)行效率的重要指標(biāo)。裝配線平衡問(wèn)題即是將基本的作業(yè)單元分配到一定數(shù)量的工作站,使得裝配線完成盡可能多的工作量,并且各個(gè)工作站的閑置時(shí)間最少。目前,關(guān)于裝配線平衡問(wèn)題的研究仍然主要集中在兩類平衡問(wèn)題上。文獻(xiàn)[4]對(duì)裝配線進(jìn)行多目標(biāo)的平衡問(wèn)題優(yōu)化以得到更平衡的結(jié)果;文獻(xiàn)[5]將工作站加權(quán)平均負(fù)荷設(shè)為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)裝配線瞬時(shí)負(fù)荷平衡進(jìn)行優(yōu)化;文獻(xiàn)[6]研究了混流裝配線的平衡問(wèn)題,將其等效為單一產(chǎn)品裝配線平衡問(wèn)題,但是沒(méi)有考慮不同產(chǎn)品工序操作時(shí)間的不同。文獻(xiàn)[7]研究混流裝配線的第二類平衡問(wèn)題,最小化生產(chǎn)節(jié)拍;文獻(xiàn)[8-9]在求解第一類平衡問(wèn)題的基礎(chǔ)上,運(yùn)用第二類裝配線平衡問(wèn)題的對(duì)偶關(guān)系來(lái)進(jìn)行求解,驗(yàn)證當(dāng)前生產(chǎn)節(jié)拍下的可行解工作站數(shù)量是否滿足要求。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)汽車線束預(yù)裝配工藝的研究較少,且汽車線束預(yù)裝配線平衡問(wèn)題實(shí)質(zhì)是組合優(yōu)化問(wèn)題,產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝和制造過(guò)程技術(shù)決定的作業(yè)子任務(wù)之間先后關(guān)系的多種變化,使平衡問(wèn)題變得更加復(fù)雜。根據(jù)線束預(yù)裝配線工藝優(yōu)化的要求和特點(diǎn),文中把汽車線束預(yù)裝配平衡問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題,建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)了遺傳算法實(shí)現(xiàn)模型求解。最后,以上海某電子線束制造廠的現(xiàn)場(chǎng)線束生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例,對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題進(jìn)行描述并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,利用PlantSimulation進(jìn)行優(yōu)化與仿真。1開(kāi)線、壓接、裝配工藝圖汽車線束一共有4種工藝,分別是開(kāi)線工藝、壓接工藝、預(yù)裝工藝和總裝工藝。(1)開(kāi)線工藝是線束生產(chǎn)的第1個(gè)工位,開(kāi)線工藝的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)進(jìn)度,一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤特別是開(kāi)線尺寸偏短,將會(huì)導(dǎo)致所有工位返工,影響生產(chǎn)效率。所以在編制開(kāi)線工藝時(shí)一定要根據(jù)圖紙的要求合理確定導(dǎo)線的開(kāi)線尺寸、剝頭尺寸、制作開(kāi)線操作說(shuō)明書(shū),制作流程跟蹤卡。(2)壓接工藝是開(kāi)線之后的第2個(gè)生產(chǎn)工位,根據(jù)圖紙要求的端子類型確定壓接參數(shù),制作壓接操作說(shuō)明書(shū),對(duì)于有特殊要求的需要在工藝文件上注明并培訓(xùn)操作工。(3)預(yù)裝工藝。編制預(yù)裝工藝操作說(shuō)明書(shū),為了提高總裝效率,復(fù)雜的線束都要設(shè)置預(yù)裝工位,預(yù)裝工藝的合理與否直接影響總裝配的效率也反映出一個(gè)工藝人員技術(shù)水平的高低。如果預(yù)裝部分裝配的偏少或者裝配的導(dǎo)線路徑不合理會(huì)加大總裝配人員的工作量,放慢流水線的速度。(4)總裝工藝。根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部門(mén)設(shè)計(jì)的裝配臺(tái)板,設(shè)計(jì)工裝設(shè)備、物料盒規(guī)格尺寸并將所有裝配護(hù)套和附件的編號(hào)貼于物料盒上以提高裝配效率。編制各個(gè)工位裝配內(nèi)容和要求,平衡整個(gè)總裝工位,防止出現(xiàn)工作量過(guò)大,放慢整個(gè)流水線速度的情況。要做到工位平衡,必須對(duì)每個(gè)操作了熟于心,且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算工時(shí),隨時(shí)調(diào)整裝配工藝。線束工藝還包括編制材料消耗定額明細(xì)表、工時(shí)測(cè)算、工人培訓(xùn)等。2線束裝配工藝平衡問(wèn)題的描述對(duì)于復(fù)雜總裝線的預(yù)裝部分———KITs,其本身就可以看作一個(gè)縮小版的總裝配線,上一工位的工人完成任務(wù)后,將KITs滑板推到下一個(gè)工位,因此合理地將工作任務(wù)分配到各工位(即單工作站),可有效平衡各工位操作工的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間,提高工作效率。裝配線平衡問(wèn)題大致可以分為兩類:在保證生產(chǎn)節(jié)拍的情況下,盡可能減少工作站,以降低成本;在工作站個(gè)數(shù)確定的情況下,盡可能縮短生產(chǎn)節(jié)拍。由于汽車線束的裝配為勞動(dòng)密集型工作,在裝配線上,一般情況是每個(gè)工作站配置一名操作工人,若要節(jié)約人力資源的成本,則裝配線上的工作站數(shù)量越少越好。在勞動(dòng)力成本日益上升的今天,這樣做可以減少操作工人的數(shù)量,提高勞動(dòng)率,對(duì)于企業(yè)節(jié)約成本,提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。因此文中考慮將KITs內(nèi)的平衡問(wèn)題歸為第一類裝配線平衡問(wèn)題。汽車線束預(yù)裝配工藝的第一類平衡問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述為:已知汽車線束預(yù)裝配線的節(jié)拍C,以最小化裝配線的工作站數(shù)n為優(yōu)化目標(biāo),求解作業(yè)子任務(wù)與工作站的分配關(guān)系。數(shù)學(xué)模型如下:已知:(1)生產(chǎn)節(jié)拍:C;(2)作業(yè)子任務(wù)集合:I={I(3)各元素的操作時(shí)間集合:T={T(5)作業(yè)子任務(wù)集合的優(yōu)先作業(yè)子任務(wù)集合:P(6)兩個(gè)布爾變量:Z式中:j=1,2,…,k。W求解:通過(guò)均衡裝配線的負(fù)荷,使分配到每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間趨于相同,最小化工作站數(shù)量,提高企業(yè)生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,即:約束條件:其中,式(2)表示一個(gè)作業(yè)子任務(wù)只能且必須分配在一個(gè)工作站上,以保證裝配工序的完備性;式(3)表示任意一個(gè)工作站的實(shí)際操作時(shí)間必須不能超過(guò)C;式(4)表示作業(yè)的先后優(yōu)先約束關(guān)系。3遺傳算法制備適應(yīng)性細(xì)胞的流程遺傳算法是一種通過(guò)模擬生物界自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法。遺傳算法針對(duì)算法所產(chǎn)生的每一個(gè)染色體進(jìn)行評(píng)價(jià),并根據(jù)適應(yīng)性進(jìn)行選擇,使適應(yīng)性好的染色體比適應(yīng)性差的染色體有更多的繁殖機(jī)會(huì),經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代,直到某種形式的收斂,其流程如圖1所示。(1)作業(yè)任務(wù)編碼遺傳算法的編碼是構(gòu)造遺傳算法的第一步,好的編碼方式可以清楚地表達(dá)問(wèn)題特征。文中采用基于加工順序表達(dá)的編碼方式,染色體長(zhǎng)度等于作業(yè)任務(wù)數(shù),每個(gè)作業(yè)任務(wù)用一個(gè)數(shù)字表達(dá),其存放順序就是加工順序,然后將作業(yè)按照加工順序分配給工位,使得每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間之和不大于給定生產(chǎn)節(jié)拍C采用基于產(chǎn)品加工順序的編碼方式,可以方便地對(duì)加工任務(wù)較多的平衡問(wèn)題進(jìn)行編碼,且其譯碼過(guò)程十分簡(jiǎn)單,方便了結(jié)果的輸出。(2)這個(gè)群體始于歷史遺傳算法常采用的種群初始化方法為完全隨機(jī)法,即在滿足約束的前提下,隨機(jī)生成n個(gè)基因串作為種群的個(gè)體。(3)負(fù)荷均衡一個(gè)平衡性好的裝配線,不僅要求工位最少,而且還應(yīng)該考慮裝配線的負(fù)荷是否均衡,即分配到每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間大致相等,這樣就可以提高工人和設(shè)備的利用率。故采用如下兩個(gè)適應(yīng)度函數(shù):1平衡指數(shù):2工位指數(shù):式中:Sn———工作站總數(shù)。適應(yīng)度Fitness=ω(4)基因共轉(zhuǎn)體的部分映射選擇:采用輪盤(pán)賭選擇方式。交叉:采用部分映射交叉(PMX)。首先隨機(jī)選擇兩個(gè)交叉點(diǎn),交換父體個(gè)體交叉點(diǎn)之間的片段,對(duì)于交叉點(diǎn)外的基因,若它不與換過(guò)來(lái)的片段沖突則保留,若沖突則通過(guò)部分映射來(lái)確定,直到?jīng)]有沖突的基因?yàn)橹?從而獲得后代個(gè)體。變異:按照變異概率p進(jìn)行變異操作。變異操作時(shí),首先在種群中隨機(jī)選擇一個(gè)個(gè)體,然后再在該個(gè)體染色體上隨機(jī)選擇兩個(gè)基因座,對(duì)這兩個(gè)基因座上的基因值進(jìn)行交換,即完成一個(gè)個(gè)體的變異操作。4案例分析4.1插線作業(yè)任務(wù)的分配通過(guò)調(diào)研,了解到工廠內(nèi)的預(yù)裝部分是按如下方式進(jìn)行的:通過(guò)將復(fù)雜的總裝任務(wù)劃分為子裝配任務(wù),即KITs,可以轉(zhuǎn)移流水線上差異。劃分為方法如圖2所示。如圖3所示,沒(méi)有KITs時(shí)總裝線是一條很長(zhǎng)的流水線,所有的工作內(nèi)容都在流水線上完成,裝配線執(zhí)行效率低下。而將總裝部分任務(wù)劃分為若干單元后,大量的操作被劃分在KTIs中,實(shí)現(xiàn)扁平化操作。使總裝線存留更簡(jiǎn)潔的工作內(nèi)容,從而總裝效率大幅提升,如圖4所示。同時(shí)工裝板尺寸及流水線長(zhǎng)度也得到大幅壓縮,如圖5所示。所有的預(yù)裝工作臺(tái)均布置在總裝線周圍,當(dāng)預(yù)裝線完成KITs的裝配后,放在指定的暫存區(qū),等待總裝線的工人取用。對(duì)于預(yù)裝配部分,操作工人的主要工作有3類:從物料架上取塑件放入滑板上的holder中;將導(dǎo)線插入塑件內(nèi);將塑件的自帶鎖片鎖緊,將塑件卡在尼龍夾中。由于所用的塑件和導(dǎo)線、絞線的型號(hào)和數(shù)量的不同,以及它們所在物料架上的位置不同,造成了各自工作時(shí)間的不同。表2所示是某汽車線束生產(chǎn)企業(yè)EP11-IP線束的部分作業(yè)任務(wù)及用時(shí)表。其中,作業(yè)時(shí)間通過(guò)多次測(cè)量求平均值的方法得到,能夠比較合理、準(zhǔn)確地反應(yīng)作業(yè)任務(wù)的操作時(shí)間。為了達(dá)到減少工作任務(wù)個(gè)數(shù),簡(jiǎn)化運(yùn)算;保證在進(jìn)行插線前,所需要的塑件已經(jīng)放置完成;保證工裝板的移動(dòng)或者翻面必須在其任務(wù)完成之后等目的,需要對(duì)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行劃分,劃分原則如下:原則1:將兩個(gè)緊密相連的若干個(gè)作業(yè)任務(wù)合并與一個(gè)任務(wù)編號(hào)中,如:“取23#塑件、插導(dǎo)線L9133815于塑件內(nèi)、插絞股線L9129420于塑件內(nèi)、插絞股線并頭線L9129421于塑件內(nèi)、將23#塑件卡在尼龍夾中”,可以將這些作業(yè)任務(wù)合并為一個(gè)作業(yè)任務(wù),記為一個(gè)任務(wù)編號(hào),并將各自的作業(yè)時(shí)間相加作為合并后任務(wù)的加工時(shí)間。原則2:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況,必須確保插線目標(biāo)塑件的放置在插線工作前完成,即“取塑件放入Holder中”為“插線”的緊前工序,在用PlantSimulation運(yùn)算仿真時(shí),將“取5#塑件12176461放入Holder中”作為后續(xù)“插導(dǎo)線L9133879于塑件內(nèi)”等眾多插線工作的緊前工序。原則3:涉及到SUB板(工裝板)的操作時(shí),該任務(wù)之前的全部任務(wù)均為其緊前任務(wù),同時(shí),后續(xù)工序均以工裝板操作任務(wù)為一個(gè)緊前任務(wù),如“將SUB板取下放上雙面板”,該任務(wù)前的所有操作,如“取塑件,插導(dǎo)線”等,均為其緊前任務(wù),而后續(xù)的操作必須在該任務(wù)完成后進(jìn)行,即將其作為緊前任務(wù)。4.2基于ation的仿真PlantSimulation是面向?qū)ο蟮?、圖形化的、集成的建模、仿真工具,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)施都滿足面向?qū)ο蟮囊?具有提高生產(chǎn)力、減少投資、庫(kù)存及生產(chǎn)時(shí)間,改善生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和進(jìn)度等眾多優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于數(shù)字化工廠領(lǐng)域。利用GASequence和GAOptimization兩個(gè)遺傳算法模塊,設(shè)置種群數(shù)為100,遺傳代數(shù)為10,以Evaluate對(duì)象為編碼評(píng)估,以termination為終止條件;采用PMX交叉法,設(shè)定變異率為0.1。按照上述任務(wù)劃分原則,將EP11-IP所有預(yù)裝配線的工作任務(wù),以加工順序的編碼形式輸入Jobs對(duì)象中,共得到77項(xiàng)工作任務(wù)。仿真結(jié)束時(shí)各工作站的作業(yè)時(shí)間總和保存在ProcStation表對(duì)象中,而最優(yōu)解集則保留在BestSolution中。軟件運(yùn)行的仿真結(jié)果如圖6所示,系統(tǒng)自動(dòng)生成4個(gè)工作站,即本案例的最優(yōu)工作站數(shù)量為4。各工作站的作業(yè)時(shí)間和如表3所示,可以清楚地看到各工作站的作業(yè)時(shí)間之和達(dá)到了相對(duì)較高的平衡度,且達(dá)到了操作工最小化的目的。同時(shí),可以將生