电机部装生产线平衡策略研究

田昊

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

在电机制造各工艺流程中，电机的装配是核心工艺和关键环节，能够占电机制造总工时的25%～40%，是决定电机产品最终质量、制造成本和周期的主要因素。

1 装配生产线平衡和主要影响因素

电机部件装配车间内，按照工艺需求，会设置多个装配工位。生产组织关系上，设置多个生产小组。每个生产小组根据生产需求，配备不同的工艺人员、班组长。每个生产小组配备不同类型的工装、夹具、线上工具以及线上设备。每个班组负责一条生产线，不同的生产线负责装配不同的电机部件，部件的装配工艺流程往往都包含多道工序，且具有较高相似性。因此，各班组之间会存在资源竞争、排产冲突等问题，这导致电机生产线的平衡优化策略是个复杂的博弈过程。

影响生产线平衡的因素很多，主要包括班组因素、产线因素、产品需求、工艺布置、场内物流等，具体如下所示。

1.1 班组因素

班组因素是指各生产小组的装配能力、工艺种类和技能熟练程度。班组成员的技术能力水平限制了装配线各工位的可用资源，班组成员的技术能力越强，越容易实现生产线的平衡；人员技能熟练程度越高，越有利于装配线的平衡，所以工作人员的动态调度直接影响生产线的平衡。

1.2 产品需求

产品需求是指某一时间增加电机的改型任务，混线装配生产，导致装配节拍发生变化。需要对产线进行优化，甚至重新规划来实现新的产线平衡。

1.3 工艺布置

生产线的工艺布置不仅影响各班组人员的站位、人员、物流路线、工位数量，还影响各个班组对物料的获取的时间。工艺布置对生产线的平衡影响较大。

2 电机部装线平衡问题分类

电机部装生产线更具优化对象的不同可以分为3 类。

（1）在产线节拍CT 确定的情况下，使得班组规模最小（班组需要的工位数K 最小）。在电机部装生产线规划设计阶段，应根据产品的规模来计算生产线的节拍CT，根据CT 计算K 的最小值（MIN），得到最小的生产班组规模条件下，人员和产线设备的需求量最少，又满足产品的生产需求。第一类问题主要是针对成熟产品、生产厂房平面已经确定情况下的产线平衡问题。主要开展生产线优化设计，使得厂房面积利用率最高、空间布局最合理。

（2）在生产班组规模确定（K 值确定）的情况下，通过优化，使得生产线的节拍CT 最小。对于一些传统企业，生产班组已经相对固定，班组的人员和设备已经固定，K 值已经确定。通过对工序的再分配，使得生产线达到平衡状态，提高生产效率。这类问题主要是针对老旧厂房、传统企业针对新产品，根据流程再走，规划新产品最短的生产节拍CT。

（3）在产线节拍CT 和生产班组（K 值）都相对确定的情况下，平衡产线各环节的工作量。对这类问题进行研究，保证每个工艺环节的完成时间均落在一定相对合理区间内，班组之间、班组之内的生产符合大致相同。即使出现产线扰动，只要扰动在一定区间内，也能保障各生产班组能够及时处理突发事件，减少扰动对产线平衡的影响。这类问题主要针对新产品在现有厂房内的产线规划问题。

根据精益生产的理念，部装生产线的装配周期需与总装生产线的节拍需保持一致，故部装装配线的节拍CT 是一定的，主要求解站位数，进一步细化为班组组成问题。

3 问题描述及建模

3.1 问题描述

部装生产线的平衡主要包括2 个方面：一是各班组之间的平衡；二是班组内的平衡。

生产班组间的平衡是电机不同组成模块之间的装配线平衡。从电机机构角度，电机主要包括机芯、定子和转子等组成，将上述各大部件看成一个整体站位，部装生产线就可分为机芯装配站位、定子装配站位、转子装配站位，部装生产线站位间的平衡问题就可转化为各部件装配站位的平衡。生产班组内部的生产平衡是生产班组间生产平衡的基础。生产班组间的生产平衡策略研究属于第一类产线平衡问题。

生产班组内的生产平衡是基于工序或任务包的装配平衡，侧重于装配任务分配的均衡性。影响生产班组内内部生产平衡的因素主要有工位节拍、人员工时、工时制度以及设备年时基数等。设备年时基数及人员班制决定了生产线的工作时间。因此，生产班组内生产线平衡问题属于第三类问题。

3.2 生产线平衡建模

3.2.1 生产线平衡数学模型

A 生产班组间的工序平衡。站位间的平衡是在已知生产节拍的前提下求解最少站位的问题，最少站位数=站位的装配时间÷节拍CT。

B 生产班组内的工序平衡。生产班组内的工位是由多个连续生产的工位组成，根据生产工艺组合成线。每个工序的节拍是确定的。产线平衡策略研究的是在满足生产工艺的前提下，使得生产班组内每个工位的生产节拍落在合理区间内。将工位进行适应性调整，重新优化分配，使得生产班组内的生产形成流水线。

站位内工序平衡是一个多目标的优化问题，为简化问题，突出重点，我们提出以下假设：工艺流程是确定的。工艺流程包括生产班组内各工位之间的顺序、物流关系、生产节拍、人员能力要求等；目前只考虑各工序的装配时间，暂不考虑物流运输、物料缓冲、人员等待、设备故障等时间等；生产班组内的每个工位的生产节拍CT 是确定的。

根据上述装配线的描述，装配线平衡的数学理论模型如下：

m 为装配线工作站的总个数，n 是装配线中装配工序的总数目。其中，约束条件（1）表示生产班组内的工位只进行一个工序；约束条件（2）表达的是生产工艺的优先级，工序i 是工序k 的前序工艺；约束条件（3）表达的是生产班组内工位j 工序的总工作时间；约束条件（4）表达的是生产班组内每个工位的节拍不超过电机产线总生产节拍；约束条件（5）给出了xij的取值范围，当第i 个生产工序在第j 工位上进行时，xij取值为1，否则为0。

3.2.2 混线装配模式下的生产线平衡

随着柔性工装的广泛应用以及电机改型的频繁程度，多型号的混线生产在部装车间中已成为常态，多产品部装生产线平衡问题需要考虑的问题较多，包括生产工序的前后关系、生产物流的上下游关系，还要考虑不同产品转段生产、更换工装夹具消耗的时间，同时还要考虑不同产品产量的比例。

本文采用一种简化模式，将混线装配线的平衡问题转化为单一型号装配线的平衡问题，即每次新型号装配任务的下达，均可看作在现在条件下增加了装配任务，按照多型号总的工序内容，重新做一次装配线的平衡。

4 生产线平衡评价指标

通过对电机部件装配生产线的需求分析，提炼形成包含装配节拍、站位工作率和设备负荷率等在内的装配线评价指标体系，作为衡量装配线性能优劣的准则。具体如下。

4.1 装配节拍

装配节拍是装配线设计时的核心指标，装配线各工位的实际节拍与装配线的期望节拍之间的标准差越小，整条生产线的平衡性越好，生产效率越高。

4.2 空程时间比率

空程时间比率指整个装配线的等待时间与电机装配总时间的比例。产线在进行工艺试验时，需要严格采集空程时间以及空程时间比例。空程时间比例大了标明产线中的生产平衡，出现了大量资源浪费，产线效率不高。

4.3 装配线平滑性系数

装配线平滑性系数衡量的是每个生产班组工位节拍之间的标准差。标准差越小，表明产线越平衡。

5 电机部装生产线仿真评估与优化技术

电机部件装配生产线仿真技术主要包括仿真准备、仿真建模与验证、仿真运行及结果输出3 个方面。根据电机部件装配生产线仿真目标，采集仿真建模需要的数据，主要包含规范的生产线工艺布置图、混线产品信息、工艺流程信息、人员信息以及物流信息等。准确的数据收集是决定仿真结果准确性的关键。

可以基于Delmia/Quest平台，创建生产线几何模型，设置工艺流程相关的信息和参数，建立电机部件装配生产线仿真模型，并从工艺流程逻辑正确性和输出结果正确性两个方面验证仿真模型的可行性和有效性。

基于电机部件装配生产线仿真评价指标体系，结合定制开发，形成电机部件装配生产线仿真评估与优化系统，量化分析评价指标，确定影响生产线行为的关键因素并进行优化。

6 生产线平衡的仿真验证

6.1 仿真试验方案设计

仿真模拟试验的目的是在满足产品装配周期的情况下，优化电机装配生产线，改善瓶颈环节，提高生产线的效率。针对本文研究的实际情况，采用电机装配周期、各装配单元利用率等指标作为衡量电机装配生产线优劣的标准。

6.2 仿真结果分析及装配线优化

6.2.1 初始方案仿真结果

仿真模型内各装配工位单元的工作率柱状图如图1所示。

6.2.2 初始方案分析及优化

仿真中系统繁忙环节即为产线设计的瓶颈工序，从上述仿真结果可以得到，扁线（利用率为99.26%）、嵌线（ 利用率为99.26%）、 预总装（ 利用率为98.65%）、定型（93.24%）、分型（利用率为85.66%）为瓶颈工位。

因此，可通过增加装配单元和工艺分离面的重新划分等方法提高其工作节拍；平衡各生产班组内工位的节拍，提高产线设备利用率，减少设备的等待、物流缓冲状态。

6.2.3 优化后的装配线仿真结果

本文采用增加装配单元的形式即增加效率工装，得到改进后的仿真结果如下：

仿真模型内各装配工位单元的工作率柱状图如图2所示。

图2 各装配工位单元的工作率柱状图

7 动态调度策略

在实际的部装车间生产过程中，由于生产系统环境的复杂性和不确定性，常常会出现不同的生产扰动，对于这些生产扰动的研究是进行动态实时调度研究的基础。

7.1 装配人员重调度策略

装配人员作为装配过程中的重要因素，直接影响装配生产线的平衡，从而影响装配进度和质量。由于电机装配过程的很多工序比较复杂，生产班组内各工位之间需要协同配合才能完成电机部装任务，各组人员之间的属性功能不同，只能完成某一项或某几项工作。如遇到装配人员请假、离职等扰动。首先，要评价人员的请假/离职对生产造成的影响，如果造成的影响在保证装配周期的前提下短时间是可恢复的，则可按照原始排产方案照常进行生产。如果为核心人员，造成的影响是不可逆的，则需寻找相似工种的替代人员，由于替代人员的熟练程度会影响相关工序工时的增加，需进行右移重调度。

7.2 工装/设备重调度策略

工装/设备发生故障，如果是可维修的故障，在原有调度方案上预估维修时间，明确受影响的工序，采用右移重调度策略，因为大多数部装车间的工装均为“独生子”设备并具有唯一的属性，某套工装/设备出现故障也可能给后续存在“先后关系”的工序带来影响，受影响的工序也要进行右移重调度；如果是工装设备报废，则需进行完全重调度。

7.3 与任务相关的重调度策略

与任务相关的生产扰动包括任务加入、任务取消和任务交货期改变。部装车间一般仅涉及任务加入和任务装配周期的改变。对于任务加入和装配周期的改变，集合所有未装配的工序进行完全重调度。

8 结语

本文针对电机部装生产线能力平衡问题，采用Plant Simulation 软件进行验证。

针对部装车间的各种动态扰动因素，提出了各种实时动态调度策略以自动响应不同类型的生产扰动，但没有采用相应方法对所提出的动态调度策略进行仿真验证。为验证解决电机部装生产线能力平衡和动态调度策略问题方法的可行性，并为装配生产线智能管控系统的搭建提供技术支撑，后续将以2 个问题的仿真验证作为研究对象。