面向大规模定制的开关柜智能装配生产线设计研究

肖栋

(上海市建筑科学研究院科技发展有限公司, 上海 201500 )

1 开关柜装配现状及面临问题

开关柜生产模式逐渐地由“产品导向性”朝着“顾客导向性”的方向发展[1]，大规模定制及超短交货周期为必须的核心竞争力。然而国内开关柜普遍以人员地面安装为主要模式，部分企业陆续使用装配线来生产，但多为刚性生产线[2]，且核心设备严重依赖进口，价格高昂、回报周期漫长，大部分企业无法承受，由此而导致开关柜装配生产依然有不少企业采用“人海战术”、“地面安装”、“摆地摊”形式(图1)，3～5个人从柜体零部件一直安装到成品。生产企业在装配环节面临以下问题：1)产品的大规模定制需求，需兼顾各类配置及尺寸要求。2)大规模定制生产管理困难。3)想仿造行业龙头企业装配线作业却受制于高昂改造成本及漫长回报周期。4)人力成本增高，产品交货周期缩短。解决上述问题，突破装配瓶颈成为相关企业的迫切需要。现以KYN28型开关柜为例展开探索研究。

图1 人工地面装配

2 开关柜智能装配线布局方案设计

2.1 Gephi可视化分析和模块划分

基于Gephi软件分析KYN28型开关柜的零部件之间的关系和装配顺序的相关数据，对产品进行定性分析[3]。建立及导入节点数据、边数据后采用统计、分割、排序、流程、滤波等手段对产品数据进行定性分析[3]。运作模型及结论图分别如图2-图3所示。

图2 大规模定制开关柜运作模型

图3 结论图

产品的结构会影响其装配[4]，通过图3可以发现零部件是聚类分组、相对独立的。可以根据以上规律结合人工装配工艺，最终归纳整理的自动化装配工艺如图4所示。

图4 KYN28自动化装配工艺

2.2 QFD对装配作业需求进行分析

运用QFD工具做装配作业的需求分析。对用户需求与设计需求的相关关系度进行量化[5]，如表1所示。

表1 重要度计算表

2.3 装配线布局方案

以常规企业为例，装配人员20人、250 d、8 h，产能为2 500台。同等条件下实现产能翻一番，投资回报周期为1年才具备改造价值，现以产量5 200台为目标，归纳关键指标参数如表2所示。

表2 关键指标参数表

RGV做主物流输送，工位非字型排布在轨道两侧。设计机器人拼柜作业岛及人工拼柜作业岛，兼顾全自动化尝试及保证装配线的正常运转。28个标准工位，包含装配作业工序。开关柜平行轨道放置，装配人员可同时安装前后部，提高安装效率。缓存工位均匀分布，方便就近缓存，节约节拍。在互感器与仪表箱装配位置配置助力机械手及平衡吊。设置耐压测试区，实现在线检测。具体布局如图5所示。

图5 装配线布局图

计算布局的生产节拍CT、工作站数m、平衡率P、平衡延迟率BD、装配线平滑指数SI。布局的生产节拍CT=22min，工作站总数为31，其中缓存工位数为11，故工作站数m=20。则所有工作站作业时间总和为654min，最大工作站时间max(Tk)=44min，代入如下公式可得平衡率为

由平衡率可得平衡延迟率为

根据分类平衡率70%～85%，平衡延迟率15%～30%，该产线生产方式定义为大体科学管理装配线，基本满足设计要求。

平滑性指数计算：

2.4 FlexSim仿真

应用FlexSim软件对布局做详细仿真分析，布局连接如图6所示。布局虽然集成了机器人拼柜岛与人工拼柜岛，但机器人拼柜岛尚处于研发摸索阶段，暂时没有成熟的产品。所以仿真仅仅针对人工拼柜岛部分进行仿真。

图6 连接对象图

想让整个产线发挥出最大的效能，必须使各工序的生产能力均衡一致[6]。对装配线进行仿真，分别输入各个工位的操作时间，整体仿真时间设置为4 800min，如图7所示。

图7 4 800min仿真数据

由图7所知，除下线工位外，其余工位利用率均达到 90%以上。整体产线状态良好，说明装配线设计合理，可实施性较强。

3 开关柜智能装配生产系统实现

3.1 装配生产线设计实现

节选部分关键机械设备、电气控制及MES系统来介绍开关柜智能装配生产系统的具体实现(图8-图11)。

图8 人工拼柜岛三维设计图

图9 壳体拼装操作界面

图10 MES系统硬件结构

图11 生产状态看板

3.2 实施效果

开关柜智能装配生产线安装调试完成后，须进行联调和运行，检验其实际效果。实际生产统计产能如表3所示。

表3 产能对比表 单位：台

通过表3可知产能比以往翻了一番，达到要求。下面将关键指标和实测做个比较，如表4所示。

表4 产线关键指标参数对比表

4 结语

该装配线后期使用中实现如下效果：1)实现产品的大规模定制，兼顾各类配置及尺寸。2)MES系统接入使生产管理便捷高效。3)成本仅为进口同类型功能装配线的1/4，回报周期仅为1年。4)不增加人员及工作时间实现产能翻番，交货周期进一步缩短。装配线具备柔性化兼容性强、信息化程度高、投入低回报快、减员提效等四大优势，将助力开关柜企业突破装配瓶颈，满足市场需求。