IE装配线平衡.docx

IE：装配线平衡

1. 制造环境中的元件装配
装配是一个很古老的概念，是我们理解制造的基础。很难列出制造的、用于出售的产品却没有经过装配的阶段，尽管也有一些，例如，简易扳手、斧柄、刀子、叉。但是，我们想到的制造的产品经常是主要为装配的东西：汽车、计算机、还有飞机。现代的装配作业还没有多少年，它包含工人的数目，移动的传送带，将分散的装配工人合理分配，使用装配传送带将部件带到他们身边。图1解释了这个概念。

传统的装配生产线，就象图1所描绘的，通常是基于以下事实：工人可以被细分（Adam Smith concept）可以在生产线上不同的工位上分配；在生产线上工人通过传送带装配上道工序传来的部件。但是在过去的二十年中，是如扩大提供给每个工位的工作数量的装配应用得到了很大的发展和成功的应用。在这种方式中，移动的传送带可能将部件送到一个工位，一直到它完成才将它移走。在这种情况下，需要一个来料的暂存区减少工作时间波动的影响。
这种装配生产线的“新”形式，让使用创新的传送带结构（被Tuggle叫做modular装配系统）成为可能，它通常需要不同的物理结构满足不同的需求。一些这种新型的装配线的拥护者指出，通过强调技能和建立工人确认产品制度可以提高品质。这种类的生产线需要大量的重复的工具和夹具，因为一些工人可能同时做相似的事情。图2和图3给了两种MODULAR拉的范例。

装配也并不是一定要传送带，甚至可以不需要人。装配可以在工作台或其他的装置上完成。可以通过机器人或其他的可变成的设备固定元件。相对于以传送带为导向的装配线的可供选择的现代的方法是“自动导向运载工具”（Automatic Guided Vehicle——AGV，见图4）。AGV就象是一个移动的装配平台，它可以将要装配的产品从一个装配工位送到另一个。这种结构，虽然昂贵，但是对装配不同产品的生产线有很高的灵活性。

我们不应该认为在制造环境中装配是个独立的动作。制造学的JIT原理中，装配系统可以是驱动力（拉力），用来设定整个制造系统的步伐。图5概要地描述了平衡的装配线从按照装配平衡的步伐进行的制造系统中拉动制造元件。也要注意，从仓储区域中出入的部件也要和装配生产线保持平衡。在本章中主要讨论装配操作的平衡，他们被认为是“应该平衡的因素”（the factor should be balanced）

2. 装配平衡的基本概念
在过去，使用“装配线平衡”解释工作元素分配的过程、需要装备的部件沿工位分配（通常是沿着装配线）是可以接受的。但是，就象我们知道的装配不总是仅仅出现在典型的装配线上，装配平衡就是应该做什么的足够的指引。装配是将两个或更多的在制品或半成品组成一个单位。通常，在装配的过程中有超过两个的元件。这就带来了装配平衡的问题。因为产品的装配时间总是长于单个元件的生产时间，分解装配任务是为了可以在几个装配工位分阶段完成。这些工位的装配任务量一定要“平衡”。图6表明了这种理论。

在这个系统中，每个工位被安排3个任务， 它们独立的时间显示在图6（B）中的柱状图部分。每个工位的积累时间也显示了出来。工位的时间近似相等；但完美的平衡是不可能达到的。这个图也联系到了装配拉平衡的示例，我们会在以后的部分在中具体描述。

3. 装配平衡问题的元素
一个产品被几个工人一步一步的手工装配，这是一个解释装配平衡概念的模型。产品的装配可以被细化为元素任务，当元素任务被以适当的节奏执行的时候，会形成完整的产品。工作元素、执行它们的时间值、执行的先后顺序被叫做“优先图”（Precedence Diagram）。图7是一个出现在Hoffman中的特殊的（简单的）9元素的优先图。出现在另一个元素右边，通过箭头连接在一起的一个元素，不能够在另一个元素完成之前进行；例如，只有元素1完成后才能开始元素2，同样元素3也是。有时，就象元素9那样，必须有两个以上的元素完成后接下来的元素才能进行。

拉平衡运算法则的目的是在几个工位中分配工作元素，使每个工位的总的工作量尽可能相等，满足工作元素的限制和时间，而且满足生产计划的要求。对每个产品来说，当它经过每个装配工位的时候，在每个工位上的工人重复自己的工作。
通常，会有很多可能的优先图的排列，作业元素可能分配给工位的顺序不同。例如，在9元素的优先图中有24种可能的元素顺序。整个拉平衡的运算法则希望能在众多的方法中选择“好的平衡”（选择好的元素顺序）。装配线平衡问题通常的定义是“最小的总的空闲时间，或者相当于在给定工作量和给定的装配线速度的情况下最小的工人数量。”这被称作平衡延迟的最小化。平衡延迟定义为全部的，从不同的生产时间到不同的工位所引起的空闲时间的总和。只有在很少的情况下可能达到较好的平衡，通过平衡会消除空闲时间。

4. 用于装配线系统建模的参数
为了更好的理解装配线平衡问题和计算机导向（computer-oriented ）的生产线平衡过程，象征性的定义问题是必要的。以下的符号就是为了达到这一目的：
c = cycle time 循环时间
k = workstation number 1<=k<=K 工位数目
i = work element identification number 1<=i<=K 工作元素数目
Ti = time value for work element i 为完成工作元素i的时间
Sk = amount of time assigned station k 在工位k上所花费的时间和
dk = delay (idle time)at station k 在工位k上的延迟时间（空闲时间）和
D = balance delay for entire assembly line 整个生产线的平衡延迟

循环时间定义为被装配的产品出现在装配线尾部的速率(the rate at which assembled products emerge from the end of the assembly line)。它也是一个产品按顺序装配时通过装配工位时可用的最大时间。假设产品在传送带上装配，循环时间应该如下定义：
C = H / P
其中，H = 每计划界限的时间（天、工作等）；P = 在H小时内的产品数量，包括返工和报废。
有了这个C值，我们就能得到装配线上最小可能数目的工位：
Kmin = ∑Ti / C + r (0≤r≤1) = an integer
如果根据给定的循环时间装配劳力的分配∑Ti/C有余数r（r是一个相对的平衡值），在这种情况下所有工位的循环时间完全相等是不可能的。使生产线平衡的C为：C = ∑Ti / Kmin
全部生产线的平衡延迟有以下的公式：
D = ∑dk = ∑（C - Sk ）
图8显示了一个工位中d、c、s之间的关系。

优先图”的信息可以简洁的包含在“优先矩阵”中（但是没有可视功能）。图9显示了在图7所示的9个元素之间的优先关系。
i j
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
2
-1
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
3
-1
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
4
-1
-1
-1
0
+1
+1
+1
+1
+1
5
-1
-1
-1
-1
0
0
0
0
+1
6
-1
-1
-1
-1
0
0
0
+1
+1
7
-1
-1
-1
-1
0
0
0
0
+1
8
-1
-1
-1
-1
0
-1
0
0
+1
9
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
0
在矩阵中，“+1”代表i元素绝对优先于j元素。例如，元素3优先于矩阵4。“0”代表没有关系。矩阵的对角线明显应该是0；除此之外，还表示成对元素之间没有关系，例如5和6、7和8等。“-1”代表i元素绝对落后于j元素。这个信息由于已经由+1表示过了而显得多余。另有一种优先矩阵没有-1的关系。

5。 装配线平衡方法
优先矩阵和之前讨论的装配线参数之间的基本关系是装配线平衡运算法则的基本输入。在本章讨论的基本运算通常使用启发式或最优化的方法操作优化矩阵，这个过程是动态程序(dynamic programming)、分散集合(branch and bound)、等等。有些文献建议使用计算机导向的过程；有些仅仅是理论的东西，但是还有一些在工业实践中有典型的实际应用。我们这里讨论的是等级位置权重法(ranked positional weight method)，一种启发式的方法。
等级位置权重法由Helgeson和Birnie在1961年发明，当时的目的是显示在装配线平衡运算过程中基本条件是如何计算的。但是，必须认识到，这种方法相对于用在工业应用中的其他的方法是一个简单的运算。而其他的方法由于元素数量大、优先权的限制、装配线结构和工装的限制等而非常复杂。
使用以前讨论过的9元素问题，优先矩阵可以要求给出的两列元素时间新系来讨论（如图10）。第一列数据是元素的操作时间（小时）；第二列数据是元素的权重。权重的值是元素时间与和该元素关系为+1的所有元素时间的总和。例如，元素4的权重为：0.05+0.01+0.04+0.05+0.04+0.06=0.25。

Ti
1
2
3
4
5
6
7
8
9
PWa
1
0.05
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0.37

2
0.03
0
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0.28
3
0.04
0
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
+1
0.29
4
0.05
0
0
0
0
+1
+1
+1
+1
+1
0.25
5
0.01
0
0
0
0
0
0
0
0
+1
0.07
6
0.04
0
0
0
0
0
0
0
+1
+1
0.10
7
0.06
0
0
0
0
0
0
0
0
+1
0.11
8
0.04
0
0
0
0
0
0

0
0
+1
0.10
9
0.06
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.06

等级位置权重法的基本逻辑是将元素安置在一个位置，使位置在优先权限的限制下，按循环时间升序排列。
如果9元素优先矩阵定义的产品的生产计划为每40小时生产285件，如何用等级位置权重法设置装配线呢？循环时间如下计算：
C = H / P = 40 / 285 = 0.14 小时/件
对于实际的循环时间，理想的工位数为：
K = ∑Ti / C = 0.37 / 0.14 = 2.64 → 3个工位
最后的结果显示完美的平衡（没有空闲时间）是不可能的，最小工位的数量为3个。
就象之前提到的，Helgeson-Birnie方法的主要思想是在优先限制和将工位的空闲时间放在工位许可范围之内的情况下，将元素按权重的升序排位。图11显示了元素-位置安排的步骤。可以当作计算机程序的流程图。图6是计算的结果。

在结束讨论这个问题之前，应该注意循环时间0.14小时是由公式C = H / P 得出的。如果要求在40小时（分子）之内生产多于240件产品（分母），循环时间就要相对的少些。循环时间给装配员工定义了配件通过他面前的一段时间。当循环时间减少，装配线的速度就更快。如果过分希望装配工人在最短的时间内完成任务，品质问题可能会增加。

6. 同时生产两种以上不同产品的装配线平衡
有些工业产品是由几种或更多的不同部件组成的，这些部件要求同时完成。在这种情况下，平衡装配线就要有更多的实践经验。一个很好的例子是汽车的装配，同样汽车的几种模块同时转移到装配线。通常，因为每种模块有不同的优先图，每种模块需要的工作量也不相同；这就形成了生产线上的不平均，从而引起单个工位的工作元素的不平均。模块混合有两个主要的问题：（1）决定生产线部件的生产次序；（2）安排所有模块的所有部件到一个特殊的工位上。后者可以被视为与单模块拉平衡的不同之处。以下我们详细介绍Burns和Daganzo有关装配线的次序问题的理论。
在混合装配线平衡可行的情况下，它可以是单模块生产的一种经济的可替换方式，在不同的模块之间建立起详细的目录，然后管理一种模块到另一种模块变化。但是一个必须回答的问题是，混合拉是否平衡？混合拉比几条单模块拉的平衡延迟时间要长，也更昂贵。
混合拉平衡问题中的主要的部分是决定在同一生产线上生产的不同的模块之间的先后次序。生产线上不同的工位和操作员有不同的技能、混合工具、或者两者都有，所以模块的次序要使工位不至于负担过重或工作量不够。有一个关于焊接工位的例子。6个不同模块可能要求在一个工位仅仅焊接其中连续的3个，而不焊两外的3个。那么在这个工位上焊接的次序要高于其他的。
工位k
元素i
权重
前过程
元素时间Ti
工位时间∑Ti
延迟平衡CSk
1
1
0.37
-
0.05
0.05
0.09
1
3
0.29
1
0.04
0.09
0.05
1
2
0.28
1
0.03
0.12
0.02
2
4
0.25
2.3
0.05
0.05
0.09
2
7
0.11
4
0.05
0.1
0.04
2
6
0.1
4
0.04
0.14
0
3
8
0.1
6
0.04
0.04
0.09
3
5
0.07
6
0.01
0.05
0.09
3
9
0.06
5，7，8
0.06
0.11
0.03
在不同的时间间隔中开始在生产线装配模块的理由（同时也是在生产线上不同地方生产模块的理由）的步骤可能会减小以前段落中提到的问题。但是，专业人员知道生产线上模块的次序是理想的状况，因为它需要模块生产线的配合、采购和制造元件部门的配合，这些都必须着正确的时间送到，很象JIT生产计划。
在混合模块拉的装配过程中选择较好的模块次序有一些方法。这些方法的目的是决定模块的装配次序使之可以平衡不同模块经过的工位的工作量。如果工位使工人机动（当模块移动时，工人仅需要不幸很短的距离），那么好的排序方法可以使上产线上完成模块所需要的额外的移动降低到最少。由Thomopoulos发展的理论——Dar-EI 和Clother，就是解决这个问题的。从Thomopoulos摘录的图12，演示了在混合拉中模块次序引起的4种不同工位排步的可能的操作员的移动。注意，如果员工在指定的时间内或指定的区域内不能完成装配，那么必须增加一个公用的工人做其他事。

7. 混合模块的关系
我们将装配线上同时生产的不同模块标注为A、B、C、……，在给定时间T内要求生产的每种模块的总数标记为Na，Nb，Nc……，（这里使用的是Webster、Kilbridge的命名法则）。如果Tij表示第j模块的第i工作元素的生产过程，那么在给定时间T内生产用的最小的操作员工的数量n为：
n = ∑（Nj∑Tij）/ T
如果n是分数，则取相邻的大的整数值。
如果Nj是未知的，但是我们知道不同的模块在装配过程中使用的比例为fa：fb：fc……，在时间T内使用n个员工能生产的每种模块的最大的产量为：
Max Nj = （nT / ∑（ fj ∑Tij））* fj j = A，B，C…
假设平衡过程可以将装配工作分配给n个操作员工，所以每个操作员工的装配模块的总时间大致相等。这个时间叫做“模块循环时间”（model cycle time）。每个模块的Cj为： Cj = ∑Tij / n j = A，B，C……
对于给定工位数目，最大的模块循环时间应该是有最多装配工作的模块。对于系统的混合比率，最大的模块循环时间应该为连续模块之间的时间。

8. 范例
以下是从Thomopolos中有关混合模块平衡问题的肯定方面的示例。一条装配线一天的产品计划如下：
模块类型 需求量
A 42
B 28
C 14
D 2
E 5
F 9
100
如果我们认为所有的工作元素要联系六个模块，那是非常大的工作量。但是，不同的模块可能是相似的，在装配线上连续生产的部件也不需要完全相同的工作元素。这个使单模块生产线平衡的方法失去了作用。正确的方法是按全部时间所有部件）安排子元素的工位，而不是按循环时间（单个部件）安排。基于这种方法进行混合模块工作的工位安排。
在六模块、100部件的例子中，装配线首先根据小组被分为4个部分。例子仅仅考虑了第一小组的情况，如果在装配周期中（就是这100个部件的计划周期）一个工位有450分钟的装配时间，那么如果给一个周期设计450分钟的时间，工位就可以平衡的很好。使用这个元素安排的原理，在表2中给出了一个工位不同模块的不同工作元素的相互关系。有了正确的不同模块上装配线的次序，安排操作员工、工位上的工作、案秤所有模块的所有元素就是可能的了。
元素序号
模块部件的数量
部件的总计数量
完成元素时间
总时间

A
B
C
D
E
F

1
42
28
14
2
5
9
100
0.32
32.00
2
0
0
0
0
0
9
9
0.11
0.99
3
42
28
14
2
5
9
100
0.44
44.00
4
42
28
14
2
5
9
100
0.62
62.00
5
0
0
0
0
5
0
5
0.26
1.30
6
42
28
14
2
5
9
100
0.45
45.00
7
42
28
14
2
5
9
100
0.26
26.00
8
0
28
0
0
0
0
28
0.07
1.96
9
0
0
0
0
5
0
5
0.31
1.55
10
0
28
0
0
0
0
28
0.05
1.40
11
42
28
14
2
5
9
100
0.2
20.00
12
0
0
0
0
0
9
9
0.04
0.36
13
42
28
14
2
5
9
100
0.89
89.00
14
0
0
0
0
5
0
5
0.16
0.80
15
42
28
14
2

5
9
100
0.24
24.00
16
0
28
0
0
0
0
28
0.02
0.56
17
0
0
0
0
5
0
5
0.12
0.60
18
42
28
0
0
0
0
70
0.05
3.50
19
0
0
0
0
0
9
9
0.04
0.36
20
0
0
0
2
0
0
2
0.17
0.34
21
42
28
0
0
0
0
70
0.04
2.80
22
42
28
14
2
5
9
100
0.48
48.00
23
42
28
14
2
5
9
100
0.08
8.00
24
42
0
0
0
5
0
47
0.3
14.10
25
42
28
14
2
5
9
100
0
0.00
26
0
0
0
0
5
0
5
0.15
0.75
27
0
0
14
2
0
9
25
0.2
5.00
28
0
0
0
2
5
0
7
0.46
3.22
31
0
0
0
2
5
9
16
0.4
6.40

443.99

9. 装配传送带的不同形式
很明显对于装配系统来说，通常是传送带形式的机械式物料转移机构是必不可少的。通常传送带有两种形式：向前流动（progressive flow）和随机流动（random flow）。“向前流动”是我们在工厂经常看见的一种，当部件在传送带上流动的时候，装配动作按次序发生。最早的装配线就是这个样子。“随机流动”是相对来说比较新的一种发展后的形式，它允许在传送带上的物料在任意两个工位之间传递。比较适用于有些装配动作不需要固定操作的场合。
《Modern Material Handling》注明了一些在工位之间移动部件的辅助程序：
工位之间的物流转移可以使用传统的传送带设备。例如，循环滚筒状的传送带可以在装配区域之内传送物料。任何物料都可以包装在盒子中通过运动的滚轮被传送到指定的区域。
沿着传送带布置光扫描器或光电传感器，他们可以通过程序控制器或计算机来控制轮子。因为传送带是一个闭合的环，所以物料可以从任何一个地方送到另一个。
尽管有很多传送的形式，《Modern Materials Handling》描述了５种经常使用的形式。（见图１３）

10. 多标准的装配拉平衡
前面讨论的装配线平衡的模式，绝大部分的内容都是围绕使平衡延迟最小。这些方式的主要输入是“循环时间、因素时间、和优先限制”。这种方法在本世纪60年代得到发展，在刚过去的10年中达到了较好的数据基础和文件储存的能力，越来越功能强大的计算机，使得开发出计算拉平衡的软件成为可能。最早的所谓“超级装配线程序”之一是CALB软件，是1969年由Illinois Institute of Technology Tesearch Intitute的Magad写的。Schofield在1979年描述了另外一种方法NULISP。这种相对来说更有效的装配线平衡软件，有以下的强制方面；
Ÿ 工作元素的时间大于循环时间
Ÿ 由传送带传送物料
Ÿ 可变的观察次数
Ÿ 对不同的原因给任务分组
Ÿ 基于技术差距、干净程度、安全性等原因区分组与组之间的任务
Ÿ 在一条生产线上混合夹具，在一个工位混合任务
定期改变装配方向