CN109583700A - 断电器装配线节拍平衡优化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及断电器装配线节拍平衡优化，有效解决在实际生产过程中，存在的因装配线节拍失衡导致的断电器装配线失衡，进而导致的生产效率和产品质量低的问题，其解决的技术方案是包括以生产节拍为变量建立数学模型，根据约束条件，对数学模型进行求解，利用LINGO软件进行求解，在工作站数量和其他条件都确定不变时，得到最小的生产节拍，本发明以断电器装配线为研究对象，从实际生产中节拍平衡优化的问题出发，基于现场调研数据，分析现有装配线的平衡现状，运用工业工程的方法对现行装配线进行建立平衡模型、问题分析及求解算法，提出优化方案，实现装配线节拍平衡优化，使断电器装配工艺能够满足现有装配线平衡需要，提高生产效率和产品质量。

Description

断电器装配线节拍平衡优化

技术领域

本发明涉及节拍平衡优化的技术领域，具体是断电器装配线节拍平衡优化。

背景技术

断电器是输配电系统中广泛使用的重要电器，在国民经济发展中具有重要作用，但国内的断电器制造行业很少重视装配线平衡的对生产效率和产品质量的影响。装配线的平衡直接关系到整条装配线的运行，影响装配线的效率和产品的质量，对一个企业的发展起着至关重要的作用。

国内断电器制造行业已经建立起多条断电器装配线，具有大批量装配的能力。实际生产过程中，由于具有较高的改造成本，生产能力往往是相对固定的，而市场对断电器产品的需求呈现多样化和个性化的趋势。国内的断电器制造行业，其装配工艺设计方法和装配工艺规划只考虑产品功能上的多样性和个性化，却少有对因订单量波动，而减少装配人员造成的平衡率下降，以及工人的熟练度对装配线平衡率的影响的考虑。对于以往成熟的产品，其装配工艺已经过生产实践的多次修正，能够较好地满足装配线的平衡需求。然而，在当前市场的需求环境下，装配线生产缺少对订单变化和人熟练度的考虑，会造成装配线上某一个或几个工位上出现生产工作的不协调不流畅，从而导致装配线的失衡，使生产效率和产品质量都受到影响。

在上述的装配线的平衡问题中，我们大致可以将平衡问题分为三大类，前两类为在装配线改善的基础上，断电器柔性化装配线分为工站数不变减少节拍和节拍不变减少工人两类问题，以及第三类问题，即通过考虑员工技能因素对装配线平衡的影响，通过合理人员调度进行装配线平衡的优化。因此，我们针对装配线平衡优化三类问题中的节拍平衡优化问题，进行研究，且结合实际的案例，对节拍平衡问题进行优化和探索，从而对装配线的平衡问题进行优化，提高生产效率和产品质量。

发明内容

针对上述情况，本发明提供断电器装配线平衡优化的方法，有效的解决了在实际生产过程中，在订单量充足的情况下，存在的因装配线节拍失衡导致的断电器装配线失衡，进而导致的生产效率和产品质量低的问题。

本发明为断电器装配线节拍平衡优化，其特征在于，在建立装配线平衡问题的数学模型之前，节拍平衡优选包括以下几个前提：

前提一：在装配线上进行生产的是同一种产品或者同一类产品，生产工艺确定；

前提二：每个工位只有一位操作人员；

前提三：工序间除优先关系约束之外，没有其他约束关系。

前提四：装配线中各个工序的作业时间已经确定或者可以进行测定。

前提五：装配线中各个工序节拍不超过生产节拍。

为满足满载生产要求，确定最合适的生产节拍,装配线中工作站 (M)数量固定。另外已知N个作业元素及对应时间为ti，在满足所有约束条件的前提下，使整个装配线的生产节拍CT最小化；建立如下数学模型：

步骤一：确定模型中出现的符号：

CT：生产节拍；

K：工作站的数目；k：工作站的序号，k＝1,2,3，…K；

ti：第i个作业元素所需的时间；i＝1,2,3,…m；

Tasks＝{1,2···m}表示作业元素集合；

Pred：作业元素的优先关系的集合；

Pred＝{(i,j)︱作业元素i是j的上一道工序}；

步骤二：确定装配线平衡问题应该具有的约束条件，最后建立装配线平衡问题的0-1整数规划模型。该装配线应该具有的约束条件如下：

(1)装配线中的每个作业元素都必须分配到对应的工作站上。其数学表达式为：

(2)装配线中作业元素i为j的紧前作业，当j被分配到工作站K上，那么作业元素i肯定是在作业元素j之前进行作业，作业元素i只能被分配到1到K工作站中作业，而不能被分配到其他工作站中。其数学表达式为：

(3)装配线中各个工位的作业时间总和必须小于生产节拍CT。其数学表达式为：

得到装配线平衡问题的0-1整数规划模型如下：

Min z＝CT

针对上述的整数规划模型进行求解，在工作站最小数量和其他条 件都确定不变时，得到最小的生产节拍CT。

优选的，针对整数规划模型的求解采用LINGO软件进行求解。

本发明以断电器柔性化装配线为研究对象，从企业实际生产中节拍平衡优化的问题出发，基于现场调研数据，分析现有装配线的平衡现状，运用工业工程的方法对现行装配线进行建立平衡模型、问题分析及求解算法，提出优化方案，实现装配线节拍的平衡优化，充分考虑现有装配线的加工能力，通过合理的装配工艺设计和仿真，使断电器装配工艺能够满足现有装配线平衡需要，从而提高生产效率和产品质量。

附图说明

图1为本发明中某公司断电器产品基本结构侧视图。

图2为本发明中某公司断电器产品基本结构正视图。

图3为本发明中断电器装配线工艺过程。

图4为本发明中断电器装配线车间布局改善前的平面示意图。

图5为本发明中断电器装配线车间布局改善前的平面示意图。

图6为本发明中断电器装配线作业元素优先图。

图7为本发明中断电器装配线节拍平衡问题模型的编写程序示意图。

图8为本发明中断电器装配线节拍平衡问题的编组矩阵图和运行状态图。

图9为本发明中断电器装配线重排优化前各工位操作时间的山积图。

图10为本发明中断电器装配线重排优化后各工位操作时间的山积图。

图11为本发明所采用的方法步骤框图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图11对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例，同时我们给出实施例在实际中的应用及其取得的效果，为实施例的实行提供有效的数据参考和依据。

问题描述：

我们以某电器公司的断电器装配线的平衡问题为研究对象，来具体结合本发明的技术方法进行详细说明：

某电器公司断电器产品的主要构件为箱体、互感器、绝缘盒、机构、套管、大轴、拐臂、分闸簧、导电杆等，如附图1和附图2所示，该公司的总装车间的整条装配线按照特定的顺序进行，附图3对断电器装配线的工艺过程进行了清晰的描述；

原断电器装配线平衡研究：

通过秒表测时按照以下标准和原则绘制标准工时及产能表1：

(1)各工序宽放率为10％；标准工时＝观测时间×评定系数× (1+宽放率)。

(2)瓶颈工时为所有工序标准工时最大值；标准时间为各站标准工时的和。

(3)平衡率＝各工序标准工时和/(最长工序时间×总人数)。

(4)人均产能＝3600/(总人数×瓶颈工时)。

(5)不平衡损失＝瓶颈工时×总人数－各工序(每人)时间之和。

(6)各工序最高允许工时＝标准产能/直接人力。最大产能＝单位标准时间/瓶颈工序标准时间。

表1标准工时及产能表

ZW-20装配线生产操作员20人、机动2人、管理1人、节拍为792s，标准人均为1.7台/时，标准产能为5台/时，一台机器的装配时间为149.90min；

装配线平衡率＝实际作业所需时间总和/作业时间总和＝149.9/211.28≈70.95％；

表2对该装配线的工艺过程进行了详细的描述。如下表所示：

表2排线表

断电器装配线问题分析：

总装车间需要的零件都来自于其他车间，由于零件运输问题发现车间的整体布局并不是特别理想，对此以总装车间为研究对象，采用 SLP对车间布局进行优化，解决了车间布局优化问题，改善结果附图4和附图5所示；

该公司总装车间ZW-20断电器装配线，为适应产品订单多变的特性采取柔

性化装配线生产方式，满负荷生产时分为16个工序20名操作工人，订单量减少时分为16个工序适当减少作业工人，采取一名工人负责多个不相邻的工位进行轮换的作业方式。因此装配线员工均为多能工种，但由于工位较多，造成员工与工位之间分配不匹配问题，影响装配线的产线平衡率。

该公司总装车间装配线采用柔性化生产方式，但因不成熟产生以下问题：

(1)装配线平衡率较低。在订单量较大时，由于产线的平衡率仅为70.95％，在订单量大时无法满足客户需求，导致企业竞争力不足。

(2)生产方式的单一无法满足订单的多变。在订单量少时，单纯的减少人数会产生新的瓶颈和生产的混乱，造成平衡率的降低。

(3)工位人员安排不合理。不同人对不同工位的熟练度不同，所使用的时间大不相同，使得平衡的装配线因人而变得不平衡，导致平衡率下降。

断电器装配线平衡优化：

作业元素与优化关系：

最小作业单元的划分规则如下：

(1)确定各工序的紧前工序。

(2)根据作业工具使用情况以及操作动作的不同，进行细分。

(3)各单元时间长短适中，一般不低于0.04min。

(4)作业单元划分并非越细越好，考虑到同一类动作的重复操作，不应对其进行单元分割以免产生多余的动作。

将组装线细分成39个作业元素，具体内容如下表3所示：

根据产品装配工艺和划分好的最小作业单元，绘制出断电器装配作业元素优先图参考附图6，在附图6中，圆圈内的数字用来表示各个作业元素的序号，带箭头的直线代表着工作元素之间的先后关系；

实施例一，断电器装配线节拍平衡优化，其特征在于，节拍平衡优选包括以下几个前提：

(1)在装配线上进行生产的是同一种产品或者同一类产品，生产工艺确定；

(2)每个工位只有一位操作人员；

(3)工序间除优先关系约束之外，没有其他约束关系；

(4)装配线中各个工序的作业时间已经确定或者可以进行测定；

(5)装配线中各个工序节拍不超过生产节拍；

为满足满载生产要求，确定最合适的生产节拍,装配线中工作站 (M)数量固定；另外已知N个作业元素及对应时间为ti，在满足所有约束条件的前提下，使整个装配线的生产节拍CT最小化；其数学模型如下：

步骤一：确定模型中出现的符号：

CT：生产节拍；

K：工作站的数目；k：工作站的序号，k＝1,2,3，…K；

ti：第i个作业元素所需的时间；i＝1,2,3,…m；

Tasks＝{1,2···m}表示作业元素集合；

Pred：作业元素的优先关系的集合；

Pred＝{(i,j)︱作业元素i是j的上一道工序}；

步骤二：确定装配线平衡问题应该具有的约束条件，最后建立装配线平衡问题的0-1整数规划模型。该装配线应该具有的约束条件如下：

(1)装配线中的每个作业元素都必须分配到对应的工作站上。其数学表达式为：

(2)装配线中作业元素i为j的紧前作业，当j被分配到工作站K上，那么作业元素i肯定是在作业元素j之前进行作业，作业元素i只能被分配到1到K工作站中作业，而不能被分配到其他工作站中。其数学表达式为：

(3)装配线中各个工位的作业时间总和必须小于生产节拍(CT)。其数学表达式为：

当工作站最小数量和其他条件都确定不变时，降低生产节拍 (CT)，提高企

业整体效益，因此，生产节拍(CT)的最小化则是解决装配线平衡问题的有效突破口；针对该问题建立装配线平衡问题的0-1整数规划模型如下：

Min z＝CT

然后，针对上述的整数规划模型进行求解，在工作站最小数量和其他条件都确定不变时，得到最小的生产节拍CT，从而进行断电器的装配线节拍的平衡优化。

实施例二，在实施例一的基础上，针对整数规划模型的求解采用 LINGO软件进行求解；

根据上文所建立的总装装配线平衡问题的模型，将其相应地转换成在LINGO软件中的整数规划模型目标函数如下：

Min＝A1+A2+A3+…+A16；

该公司电器总装装配线中各作业元素之间的有限关系以集合形式表达式为：

PRED＝{(1，2)(2，9)(1，3)(3，4)(4，9)(5，9)(6，9)(7，9)(8，9)……}

根据装配线中作业元素的标准作业时间和优化关系，以及LINGO 软件的编程要求，编写订单大时平衡问题整数规划模型的LINGO软件程序如附图7所示；

运行LINGO软件之后，分别得到该装配线平衡问题的LINGO 求解结果如附图8所示；

从结果图8中可得出，当装配线的工作站数量为M＝16时，最小生产节拍CT＝573s，下表4为各个作业元素被分配到各工作站的真实分配情况及新工作站的标准工时，通过Flexsim仿真统计生成各个工位的空闲率，如下表所示：

表4Y公司装配线装配1线平衡后的结果

绘制重新分配后的装配工艺排线表如下表5所示，操作员由20 人降为16人，标准产能为6台/时，标准人均为2.5台/时，节拍为573s，一台机器的装配时间为144.5min；

表5订单量充足时排线表

效果评价：

装配线重拍优化前后装配线的山积图如附图9和附图10所示；

将装配线平衡前后效果对比情况绘制下表6：

表6装配线平衡前后效果对比情况

订单量充足时的平衡率为94.5％较现行装配线平衡率70.95％有明显提高；

(1)标准人均分别提高0.9台，提高人员利用率。

(2)订单量充足时标准产能提高1.5台，提高33.33％产能。

(3)市场价8300元/台的价格计算，订单量足够时，公司每月可多生产360

台，可以多销售2988000元。

本发明受企业实际生产问题的启发，基于现场调研数据，分析现有装配线的平衡现状，运用工业工程的方法对现行装配线进行建立平衡模型、问题分析及求解算法，提出优化方案，实现装配线的平衡优化。充分考虑现有装配线的加工能力，通过合理的装配工艺设计和仿真，使断电器装配工艺能够满足现有装配线平衡需要，从而提高生产效率和产品质量，本发明利用断电器装配线节拍的平衡优化，实现了装配线合理的，均衡的，高效的运行。

Claims (2)

1.断电器装配线节拍平衡优化，其特征在于，在建立装配线平衡问题的数学模型之前，节拍平衡优化包括以下几个前提：

前提一：在装配线上进行生产的是同一种产品或者同一类产品，生产工艺确定；

前提二：每个工位只有一位操作人员；

前提三：工序间除优先关系约束之外，没有其他约束关系。

前提四：装配线中各个工序的作业时间已经确定或者可以进行测定。

前提五：装配线中各个工序节拍不超过生产节拍。

为满足满载生产要求，确定最合适的生产节拍,装配线中工作站(M)数量固定。另外已知N个作业元素及对应时间为t i，在满足所有约束条件的前提下，使整个装配线的生产节拍CT最小化；建立如下数学模型：

步骤一：确定模型中出现的符号：

CT：生产节拍；

K：工作站的数目；k：工作站的序号，k＝1,2,3，…K；

ti：第i个作业元素所需的时间；i＝1,2,3,…m；

Tasks＝{1,2···m}表示作业元素集合；

Pred：作业元素的优先关系的集合；

Pred＝{(i,j)︱作业元素i是j的上一道工序}；

步骤二：确定装配线平衡问题应该具有的约束条件，最后建立装配线平衡问题的0-1整数规划模型。该装配线应该具有的约束条件如下：

(1)装配线中的每个作业元素都必须分配到对应的工作站上。其数学表达式为：

(2)装配线中作业元素i为j的紧前作业，当j被分配到工作站K上，那么作业元素i肯定是在作业元素j之前进行作业，作业元素i只能被分配到1到K工作站中作业，而不能被分配到其他工作站中。其数学表达式为：

(3)装配线中各个工位的作业时间总和必须小于生产节拍CT。其数学表达式为：

得到装配线平衡问题的0-1整数规划模型如下：

Min z＝CT

针对上述的整数规划模型进行求解，在工作站最小数量和其他条件都确定不变时，得到最小的生产节拍CT。

2.根据权利要求1所述的断电器装配线节拍平衡优化，其特征在于，针对整数规划模型的求解采用LINGO软件进行求解。