CN114493025A - 基于线体平衡率的产线布局优化方法 - Google Patents

基于线体平衡率的产线布局优化方法 Download PDF

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CN114493025A CN202210117221.1A CN202210117221A CN114493025A CN 114493025 A CN114493025 A CN 114493025A CN 202210117221 A CN202210117221 A CN 202210117221A CN 114493025 A CN114493025 A CN 114493025A
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李欣
郑秋月
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Abstract

本发明涉及一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，属于工程装配领域。本发明在工艺流程基础上，将所有操作拆解为最小工步，并构建二叉树模型；结构化解析工步工时库；相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并；遍历二叉树模型查询各组合关系及其工位数，利用工步与工时的映射关系求得该组合的线体平衡率；对比所有组合结果得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系；线体平衡率最大值为最有目标方案。本发明可将装配、检验、测试等环节以最优节拍、最优工位数合理布置于同一条产线上，实现跨工种合作、柔性化的产线布局设计。

Description

基于线体平衡率的产线布局优化方法
技术领域
本发明属于工程装配领域，具体涉及一种基于线体平衡率的产线布局优化方法。
背景技术
工程装配制造业的生产大多采用多工步合并为一个工序、多工序串行生产的流水化作业，为避免工时相差悬殊导致工位作业堆积或闲置，需对产线合理布局，保证产线节拍均衡，提高线体平衡率及产线利用率。
目前，对生产线平衡问题的研究，主要是在给定生产线的节拍或者最小工位数的前提下开展，计算方法如规划法、启发式算法、遗传算法等，主要存在以下问题：
1.规划法在计算最优线体平衡率时运算量大，且数学模型构建难度大；
2.启发式算法难以得出最优解，依赖于生产实践及经验；
3.遗传算法易出现违反作业顺序的情况，且无法解决多工种合作的生产问题；
4.在产线节拍、工位数均未给定时，需经过前期大量的试错来摸索较为合理的节拍或者工位数，在此基础上再进行计算，耗费大量的人工及时间成本。
在装配过程中，经常需穿插检验环节，且装配后的测试作业必不可少，因此将装配、检验及测试同时布置于产线上，可有效减少产品周转，提高生产效率。但目前的产线平衡率计算方法没有考虑多工种合作的生产问题，也未提出对应的解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，以解决目前多工种合作生产中，产品周转导致生产过程不连续、生产效率低的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，该方法包括如下步骤：
S1、根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库；并建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，即[a1,a2,a3,…,an]与[t1,t2,t3,…,tn]的唯一对应关系；
S2、将所有工步按照作业顺序构建二叉树；
S3、通过前序遍历二叉树获得相邻工步合并的所有组合结果，并保留所有组合结果的遍历记录；
S4、对各组合结果计算线体平衡率，计算公式为：线体平衡率＝总时长/(工位数×产线节拍)×100％，其中节拍表示各工位的生产操作时间，产线节拍表示产线上生产耗时最长的工位节拍；
S5、通过对比所有计算结果，得出数值最大的线体平衡率，即最优线体平衡率，查询该线体平衡率下的组合结果，进而反向求解对应的产线节拍、工位数及各工步的组合关系，视为产线最优节拍、最优工位数；
S6、将最终求解的组合结果应用于生产线上，实现产线节拍的一致性。
进一步地，建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系包括：建立工步名称与工时时长的映射关系，即随意搜索其中的工步及工时，均能准确查找对应的工时及工步。
进一步地，所述步骤S2中在构建二叉树时，应满足工步作业的先后顺序。
进一步地，所述步骤S2中构建二叉树包括：第一道工步视为根节点a1，其左、右节点分别表示不与第一道工步合并，记为(，a2)，与第一道工步合并为同一工位，记为(+a2)，即表示为[a1,a2]、[a1+a2]，后续工步以此类推。
进一步地，在构建二叉树时，相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并。
进一步地，所述前序遍历方法包括：从根节点开始，以优先遍历所有左节点、随后遍历上一节点的右节点为原则，记录每一次的遍历过程。
进一步地，所述步骤S3之后，步骤S4之前，还包括：获取所有组合结果的工位数和产线节拍。
进一步地，若产线生产操作均为同一工种，形成完全二叉数，组合共有2n-1种，n为工步总数，需排除所有工步合并于同一工位的情况，即由单人完成所有操作内容。
进一步地，线体平衡率中的工位数和产线节拍为两个自变量，在二叉树遍历中求解，并在此基础上计算线体平衡率，通过比较得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系。
进一步地，在给定产线节拍或工位数的情况下，在二叉树遍历的所有结果中，求解与产线节拍或工位数相对应的所有组合结果，在所有组合结果中得出最优解。
(三)有益效果
本发明提出一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，本发明的有益效益在于：在满足工步作业先后顺序前提下，创新地采用遍历二叉树的算法，快速查询工步合并、多工种合作的所有组合结果，求解最优线体平衡率及其对应的产线节拍、工位数，保证生产过程连续、生产效率高。算法的时间和空间复杂度为O(N),运行效率高。使用本发明能有效解决在接收新的生产订单初期，根据经验及实践摸索进行初步工位配置的问题。本发明可适用于产线布局设计，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明产线多工种合作的二叉树模型示意图；
图2为产线单工种装配的完全二叉树模型示意图；
图3为产线多工种合作的装配印制板的二叉树算法实例；
图4为产线单工种装配的装配连接器的二叉树算法实例。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，可将装配、检验、测试等环节以最优节拍、最优工位数合理布置于同一条产线上，实现跨工种合作、柔性化的产线布局设计。主要方法是在工艺流程基础上，将所有操作拆解为最小工步，并构建二叉树模型；结构化解析工步工时库；相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并；遍历二叉树模型查询各组合关系及其工位数，利用工步与工时的映射关系求得该组合的线体平衡率；对比所有组合结果得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系；线体平衡率最大值为最有目标方案。
本发明的目的在于提供一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，解决目前多工种合作生产中，产品周转导致生产过程不连续、生产效率低的问题，同时在产线节拍、工位数均未知的前提下，提供快速求解最优线体平衡率的技术方案。
本发明提供的线体平衡率计算方法包括以下步骤：
S1、根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库；并建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，即[a1,a2,a3,…,an]与[t1,t2,t3,…,tn]的唯一对应关系；
S2、将所有工步按照作业顺序构建二叉树；
S3、通过前序遍历二叉树获得相邻工步合并的所有组合结果，并保留所有组合结果的遍历记录；
S4、对各组合结果计算线体平衡率，计算公式为：线体平衡率＝总时长/(工位数×产线节拍)×100％，其中节拍表示各工位的生产操作时间，产线节拍表示产线上生产耗时最长的工位节拍；
S5、通过对比所有计算结果，得出数值最大的线体平衡率，即最优线体平衡率，查询该线体平衡率下的组合结果，进而反向求解对应的产线节拍、工位数及各工步的组合关系，视为产线最优节拍、最优工位数；
S6、将最终求解的组合结果应用于生产线上，实现产线节拍的一致性。
其中，根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库后，将工步库和工时库作为构建二叉树的原始数据。建立工步名称与工时时长的映射关系，即随意搜索其中的工步及工时，均能准确查找对应的工时及工步，避免因工时时长相同无法准确定位工步的情况。
其中，在构建二叉树时，应满足工步作业的先后顺序。如图1所示，第一道工步视为根节点a1，其左、右节点分别表示不与第一道工步合并(，a2)、与第一道工步合并为同一工位(+a2)，即表示为[a1,a2]、[a1+a2]，后续工步以此类推。另外，需严格按照作业指导书的操作执行，相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并，如图1中a1、a2顺序不能改变，a2、b1之间不能合并为同一工位。
其中，采用前序遍历方法，从根节点开始，以优先遍历所有左节点、随后遍历上一节点的右节点为原则，记录每一次的遍历过程。遍历图1中二叉树的所有工步组合结果，共4种，分别为[a1,a2,b1,b2,c1]、[a1,a2,b1+b2,c1]、[a1+a2,b1,b2,c1]、[a1+a2,,b1+b2,c1]；其中“+”表示不同工步形成工序，合并于同一工位，“，”表示工步不再继续合并，由下一工位完成操作。获取所有组合结果的工位数和产线节拍。4种组合结果的工位数分别为5、4、4、3；a、b、c代表不同工种，如装配、检验、测试等。
其中，若产线生产操作均为同一工种，形成完全二叉数，组合共有2n-1种，n为工步总数，需排除所有工步合并于同一工位的情况，即由单人完成所有操作内容。
其中，线体平衡率中的工位数和产线节拍为两个自变量，在二叉树遍历中求解，并在此基础上计算线体平衡率。通过比较得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系。
其中，在给定产线节拍或工位数的情况下，可在二叉树遍历的所有结果中，求解与产线节拍或工位数相对应的所有组合结果，可在所有组合结果中得出最优解。
下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，本实施例是通过本发明技术方案进行实施，但是本发明的保护范围不限于下述的实施例。需要指出的是，在本发明基础上进行的改进与变形都属于本发明的保护范围。
本发明提供的基于线体平衡率的产线布局优化方法，包含如下步骤：
第一步读取作业指导书中的最小工步及工时，形成工步库及工时库。本实施例中，包含装配、检验、测试等环节，见表1所示：
表1
Figure BDA0003496894870000051
Figure BDA0003496894870000061
建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，将工步名称[装钢套，平放PCB板，紧固PCB板，检验尺寸，拍照，绝缘测试]用数列表示：[a1,a2,a3,b1,b2,c1]；将工时[10,5,15,20,15,25]用数列表示[ta1,ta2,ta3,tb1,tb2,tc1]，使得工步名称与工时在程序上绑定，避免在工时数值相同：tb2＝ta3＝15s的情况下，无法区分紧固PCB板a3、拍照tb2的情况。
第二步在满足工步作业的先后顺序的前提下，构建二叉树模型。在本实施例中，按照工艺流程，并遵循相邻工步但跨工种的操作不能合并、同工种但跨工步的操作不能合并的原则，构建二叉树，如图3所示。
第三步采用前序遍历方法，遍历本实施例中构建的二叉树，共8种组合结果，见表2所示：
表2
Figure BDA0003496894870000062
第四步本实施的线体平衡率计算公式为：η＝T/(M×Ptmax)×100％
其中，η—线体平衡率(一般在85％以上合理，平衡损失率应控制在5％-13％以下)，Ptmax—产线节拍(最长工位的工时)，T—生产总时长，M—工位数。本实施例中生产总时长为ta1+ta2+ta3+tb1+tb2+tc1＝87s,8中组合结果的线体平衡率分别为：66％、50％、80％、62％、79％、62％、73％、97％。从结果可以看出，第8种组合结果的线体平衡率最优，组合关系为[a1+a2+a3,b1+b2,c1]，装钢套、平放PCB板、紧固PCB板合并于一个工位，检验尺寸、拍照合并于一个工位，绝缘测试单独工位，共需3个工位，瓶颈节拍为30s。
第五步本实施例中，在提前给定产线节拍或者工位数的前提下，比如要求产线工位数为5，可得出共有3种组合：[a1,a2,a3,b1+b2,c1]、[a1,a2+a3,b1,b2,c1]、[a1+a2,a3,b1,b2,c1]，线体平衡率分别为50％、80％、79％，由此可得出最优线体平衡率为80％，组合关系：装钢套为单独工位，平放PCB板、紧固PCB板合并于一个工位，检验尺寸为单独工位,拍照为单独工位，绝缘测试为单独工位，产线节拍为22s。
第六步若产线为单一装配工种，包含装屏蔽垫、装连接器、器件对插、紧固组件，工时与工步见表3所示：
表3
工种 工步名称 工时/s
装配1 装屏蔽垫 7
装配2 装连接器 25
装配3 器件对插 13
装配4 紧固组件 27
建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，将工步名称[装屏蔽垫，装连接器，器件对插，紧固组件]用数列表示：[a1,a2,a3,a4]；将工时[7,25,13,27]用数列表示[t1,t2,t3,t4]。在此基础上构建完全二叉树模型，如图4所示。采用前序遍历方法，遍历本实施例中构建的二叉树，共8种组合结果，见表4所示：
表4
Figure BDA0003496894870000081
本实施例中生产总时长为t1+t2+t3+t4＝72s,需排除所有工步合并于同一工位的情况，见表4序号8。7中组合结果的线体平衡率分别为：67％、60％、63％、55％、75％、90％、80％。从结果可以看出，第6种组合结果的线体平衡率最优，组合关系为[a1+a2,a3+a4]，装屏蔽垫、装连接器合并于一个工位，器件对插、紧固组件合并于一个工位，共需2个工位，瓶颈节拍为40s。
以上所述方法，运算效率高，可以保障多工种合作时生产过程连续，生产效率高，能进一步提高产能。
实施例：
本发明的基于线体平衡率的产线布局优化方法，包括：
根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库，并建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，即[a1,a2,a3,…,an]与[t1,t2,t3,…,tn]的唯一对应关系；将所有工步按照作业顺序构建二叉树，通过遍历二叉树获得相邻工步合并的所有组合结果；对各组合结果计算线体平衡率，计算公式为：线体平衡率＝总时长/(工位数×产线节拍)×100％；通过对比所有计算结果，得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系；将最优组合结果应用于生产线上，实现最优节拍生产。
进一步地，根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库，将工步库和工时库作为构建二叉树的原始数据。并将工步名称与工时时长建立映射关系，即随意搜索其中的工步及工时，均能准确查找对应的工时及工步，避免因工时时长相同无法准确定位工步的情况。
进一步地，在构建二叉树时，应满足工步作业的先后顺序，严格按照作业指导书的操作执行，相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并，如图1中a1、a2顺序不能改变，a2、b1之间不能合并为同一工位。
进一步地，采用前序遍历方法，遍历图1中二叉树的所有工步组合结果，共4种，分别为[a1,a2,b1,b2,c1]、[a1,a2,b1+b2,c1]、[a1+a2,b1,b2,c1]、[a1+a2,,b1+b2,c1]；其中“+”表示不同工步形成工序，合并于同一工位，“，”表示工步不再继续合并，由下一工位完成操作，4种组合结果的工位数分别为5、4、4、3；a、b、c代表不同工种，如装配、检验、测试等。
进一步地，若产线生产操作均为同一工种，形成完全二叉数，组合共有2n-1种，n为工步总数，如图2所示，需排除所有工步合并于同一工位的情况，即由单人完成所有操作内容。
进一步地，线体平衡率中的工位数和产线节拍为两个自变量，在二叉树遍历中求解，并在此基础上计算线体平衡率。通过比较得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系。
进一步地，在给定产线节拍或工位数的情况下，可在二叉树遍历的所有结果中，求解与产线节拍或工位数相对应的所有组合结果，可在所有组合结果中得出最优解。
本发明的有益效益在于：在满足工步作业先后顺序前提下，创新地采用遍历二叉树的算法，快速查询工步合并、多工种合作的所有组合结果，求解最优线体平衡率及其对应的产线节拍、工位数，保证生产过程连续、生产效率高。算法的时间和空间复杂度为O(N),运行效率高。使用本发明能有效解决在接收新的生产订单初期，根据经验及实践摸索进行初步工位配置的问题。本发明可适用于产线布局设计，具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、根据作业指导书的最小工步及工时，形成工步库及工时库；并建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系，即[a1,a2,a3,…,an]与[t1,t2,t3,…,tn]的唯一对应关系；
S2、将所有工步按照作业顺序构建二叉树；
S3、通过前序遍历二叉树获得相邻工步合并的所有组合结果，并保留所有组合结果的遍历记录；
S4、对各组合结果计算线体平衡率，计算公式为：线体平衡率＝总时长/(工位数×产线节拍)×100％，其中节拍表示各工位的生产操作时间，产线节拍表示产线上生产耗时最长的工位节拍；
S5、通过对比所有计算结果，得出数值最大的线体平衡率，即最优线体平衡率，查询该线体平衡率下的组合结果，进而反向求解对应的产线节拍、工位数及各工步的组合关系，视为产线最优节拍、最优工位数；
S6、将最终求解的组合结果应用于生产线上，实现产线节拍的一致性。
2.如权利要求1所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，建立工步名称与工时时长在程序上的映射关系包括：建立工步名称与工时时长的映射关系，即随意搜索其中的工步及工时，均能准确查找对应的工时及工步。
3.如权利要求1所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，所述步骤S2中在构建二叉树时，应满足工步作业的先后顺序。
4.如权利要求3所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，所述步骤S2中构建二叉树包括：第一道工步视为根节点a1，其左、右节点分别表示不与第一道工步合并，记为(，a2)，与第一道工步合并为同一工位，记为(+a2)，即表示为[a1,a2]、[a1+a2]，后续工步以此类推。
5.如权利要求4所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，在构建二叉树时，相邻工步但跨工种的操作不能合并，违反作业顺序、跨工步的操作不能合并。
6.如权利要求1所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，所述前序遍历方法包括：从根节点开始，以优先遍历所有左节点、随后遍历上一节点的右节点为原则，记录每一次的遍历过程。
7.如权利要求1所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，所述步骤S3之后，步骤S4之前，还包括：获取所有组合结果的工位数和产线节拍。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，若产线生产操作均为同一工种，形成完全二叉数，组合共有2n-1种，n为工步总数，需排除所有工步合并于同一工位的情况，即由单人完成所有操作内容。
9.如权利要求1-7任一项所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，线体平衡率中的工位数和产线节拍为两个自变量，在二叉树遍历中求解，并在此基础上计算线体平衡率，通过比较得出最优线体平衡率，进而反向求解最优节拍、最优工位及其对应的组合关系。
10.如权利要求1-7任一项所述的基于线体平衡率的产线布局优化方法，其特征在于，在给定产线节拍或工位数的情况下，在二叉树遍历的所有结果中，求解与产线节拍或工位数相对应的所有组合结果，在所有组合结果中得出最优解。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117875680A (zh) * 2024-03-13 2024-04-12 南京理工大学 一种基于工艺原子模型的液压泵生产流程柔性管控方法

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