（光学工程专业论文）汽车装配线平衡方法的研究与应用.pdf

s t u d ya n da p p l i c a t i o no ft h ea u t o m o t i v ea s s e m b l yl i n e b a l a n c i n gm e t h o d b y l i nj i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n v e h i c l ee n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h o n gz h i h u aa n dp r o f e s s o rd e n gq i a n w a n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：漪4 - 日期：f 7 年j 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 旃够 刷币签轹 1 日期： 期： 日 日 沙 矽 月 月歹岁 年 年 l ，“， 矽 沙 汽车装配线平衡方法的研究与应用 摘要 随着制造业的飞速发展，质量、成本、效率越来越受人们关注。特别对于具 有代表性的汽车行业，汽车厂商之间的竞争日益激烈，只有不断提高生产质量和 效率、降低成本才能不会被淘汰。汽车装配线的不平衡会严重影响汽车的装配质 量和效率。本文以中气轿车小批量试制规划为背景，提出汽车装配线平衡优化的 方法。 建立了一个新装配线平衡模型，将作业难度参数融入到装配线平衡中，使得 装配线的平衡优化结果更加人性化，给工人产生公平感，调动劳动积极性，这对 产品装配线的平衡优化有一定的指导意义。 利用d e l m i a 三维数字化仿真系统，分析中气轿车的装配工艺，从而来确定 装配作业元素之间的关系。通过采用虚拟装配技术，实现了产品、资源、工艺数 据的统一管理，同时可以实现零部件设计、工装夹具设计与工艺制定的并行化， 真正实现了d f a ，缩短产品开发周期。 根据装配线平衡问题的特点，设计了一种基于遗传算法的高效求解策略。在 种群的初始化设计时编码满足作业先后关系，使得所有个体都是可行的作业序列， 实现算法处理问题的高效性。译码的设计根据问题类型的特点兼顾了约束条件与 目标函数。杂交与变异都是以不违背作业元素的先后关系为前提，杂交的后代继 承了父代优良的顺序属性，变异实现了后代的多样性。对设计的遗传算法的个体 选择策略与变异概率提出了改进策略：采用了模拟退火算法的思想对个体适应度 函数进行了改进，改善了个体的选择方式；随着进化的进行，个体的变异概率设 计成变化的，增强了算法的全局搜索能力。实例验证了改进后遗传算法的实用性， 其不仅可以获得比较理想的装配线平衡效果，而且具有很高的计算效率。 采用文章介绍的装配线平衡方法，求解了中气轿车总装试制线平衡问题，在 具体的分析过程中考虑了实际资源约束，得到良好的优化结果，可以指导汽车厂 商对汽车装配线的平衡优化。 关键词：装配线平衡；作业难度；d e l m i a 系统；虚拟装配；遗传算法 l l 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，p e o p l ea t t a c hm o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt ot h eq u a l i t y ，c o s ta n de f f i c i e n c y e s p e c i a l l yi nt h et y p i c a lm o t o r i n d u s t r y ，a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r sc o m p e t em o r ea n dm o r ef i e r c e l yn o w a d a y s t h e y w i l lb ee l i m i n a t e di fn o tt oi m p r o v ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n de f f i c i e n c ya n dr e d u c e c o s t s t h ei m b a l a n c eo fa u t o m o b i l ea s s e m b l yl i n ew i l ls e r i o u s l ya f f e c t st h eq u a l i t y a n de f f i c i e n c yo fv e h i c l ea s s e m b l y t h ep a p e rp r o p o s e dt h em e t h o d so fo p t i m i z i n gc a r a s s e m b l y l i n eb a l a n c i n gi nt h eb a c k g r o u n do ft h ep l a nt h a tt r i a l p r o d u c es m a l l q u a n t i t i e so fz h o n g q is e d a n e s t a b l i s h i n gan e wa s s e m b l yl i n eb a l a n c em o d e l ，i n f u s i n go p e r a t i o nd i f f i c u l t y p a r a m e t e r s i n t oa s s e m b l y l i n eb a l a n c e ，m a k eam o r eh u m a n i s t i cr e s u l t so f o p t i m i z a t i o no ft h ea s s e m b l yl i n eb a l a n c e ，a n dg i v ew o r k e r sas e n s eo ff a i r n e s sa n d m o t i v a t et h e m ，w h i c hl e a dac o n d u c ts i g n i f i c a n c et ot h eo p t i m i z a t i o no ft h er e a l i s t i c a s s e m b l yl i n eb a l a n c e t h em e t h o do ft h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t a ls i m u l a t i o ni s a d o p t e dt oa n a l y z et h e a s s e m b l yp r o c e s st h r o u g hu s i n g t h ed e l m i a s y s t e m ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i po ft a s k e l e m e n t sc a nb ef i x e d b yu s i n gt h ev i s u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y ，w er e a l i z e du n i f i e d m a n a g e m e n to ft h ep r o d u c t ，r e s o u r c ea n dp r o c e s sd a t a ，a n dp a r a l l e l i z a t i o no ft h e v e h i c l em o d i f i c a t i o n ，t o l l sa n df i x t u r ed e s i g na n dt e c h n o l o g yf o r m u l a t i n g ，t oa c h i e v e t r u l yd f a a n ds h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ag e n e t i ca l g o r i t h mw a sd e s i g n e dt os o l v ea s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m e f f i c i e n t l y t h ec o d i n gr e s u l tc a nm e e tt a s k sr e l a t i o n s h i p si nt h ed e s i g no fp o p u l a t i o n i n i t i a l i z a t i o n ，r e a l i z e st h eh i g he f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mp r o c e s s i n gp r o b l e m t h e d e c o d i n gp r i n c i p l e sa r eb a s e do nt h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n sa n do b j e c t i v ef u n c t i o n s b o t hc r o s s i n ga n dm u t a t i n ga r en o ta g a i n s tt h ec o n s t r a i n t so ft a s k sr e l a t i o n t h e o f f s p r i n gs u c c e e d t h ee x c e l l e n tt a s ko r d e ra f t e rc r o s s o v e rb e t w e e nt h e i rp a r e n t s m u t a t i n gd i v e r s i f i e si n d i v i d u a l s i m p r o v e m e n ts t r a t e g i e s o nt h es e l e c t i o np r i n c i p l e a n dm u t a t i n gw e r ep u tf o r w a r d i n d i v i d u a lf i t n e s sf u n c t i o nw a sm o d i f i e da c c o r d i n gt o t h ei d e ao ft h es i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，w h i c hi m p r o v e st h ew a yo fc h o o s i n g i n d i v i d u a l s t oe n h a n c et h ec a p a b i l i t yo fg l o b a ls e a r c h ，t h ep r o b a b i l i t yo fm u t a t i n g w a sd e s i g n e dt oc h a n g ew i t ht h eg e n e r a t i o n t h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mw a s v e r i f i e de f f i c i e n ta n da c c e p t a b l ew i t ha ne x a m p l e t h et r i a l p r o d u c el i n eb a l a n c i n go fz h o n g q is e d a ni sa n a l y z e db yu s i n gt h e m 汽车装配线平衡方法的研究j 应用 i n t r o d u c e dm e t h o do fa s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gi nt h ep a p e r t h ea c t u a lr e s o u r c e c o n s t r a i n t sa r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h ea n a l y s i sp r o c e s sa n dt h er e s u l t sa r e o p t i m i z e d t h e r e f o r e ，t h em e t h o dc a ng u i d ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r st oo p t i m i z e t h e i rc a ra s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g k e yw o r d s ：a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g ；t a s kd i f f i c u l t y ；d e l m i as y s t e m ；v i s u a l a s s e m b l y ；g e n e t i ca l g o r i t h m i v ， 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书1 摘! i 要i i a b s t r a c t i i i 目录v 插图索引v i i 附表索引一v i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 装配线平衡问题的研究状况2 1 3 虚拟装配技术的应用研究状况3 1 4 本文研究的内容与意义。4 第2 章基础理论7 2 1 装配线平衡的概念描述7 2 2d e l m i a 系统的介绍9 2 3 遗传算法的介绍1 2 2 3 1 遗传算法的关键术语解释及进化原理1 2 2 3 2 遗传算法的一般流程1 4 2 3 3 遗传算法在装配线平衡问题中的应用1 5 2 4 本章小结1 6 第3 章融入作业难度参数的线平衡模型建立。1 7 3 1 作业难度参数的提出1 7 3 2 数学模型的建立1 8 3 3 作业难度值的计算1 9 3 4 新模型的实用性验证2 0 3 5 本章小结2 2 第4 章基于遗传算法的装配线平衡问题求解方法2 3 4 1 模型参数。2 3 4 2 算法的设计与改进策略2 4 4 2 1 编码与种群初始化2 4 4 2 2 译码设计2 5 4 2 3 目标函数与个体的选择2 6 v 汽车装配线平衡方法的研究与虑用 4 2 4 杂交与变异。2 7 4 3 实例分析2 8 4 4 本章小结3 0 第5 章中气轿车试制线的平衡优化。3 1 5 1 中气轿车的小批量生产计划。3 1 5 2 划分装配作业元素3 2 5 3 基于d e l m i a 的装配工艺分析3 4 5 3 1 装配工艺分析流程3 4 5 3 2 利用d e l m i a 进行工艺可行性分析3 6 5 3 3 利用d e l m i a 进行人机工程分析3 8 5 4 作业元素优先关系的确定o 。4 1 5 5 作业元素分配方案的确定4 3 5 6 本章小结4 5 结论与展望4 6 参考文献。4 8 1 致谢! ；3 附录a 攻读硕士学位期间发表的学术论文。5 4 v l 插图索引 图1 1 课题的研究技术路线图。5 图2 1 作业元素关系优先图的表达8 图2 2 系统的p p r 结构1 0 图2 3 运用d e l m i a 系统的工作模式1 l 图2 4 遗传算法的流程图1 4 图3 1 作业的r u l a 分析1 9 图3 2 作业元素关系优先图2 0 图3 3 方案一的作业难度值分布图。2 1 图3 4 方案二的作业难度值分布图。2 1 图4 1j a c k s o n 作业元素关系优先图2 5 图4 2 改进前后s 值的收敛情况j 2 9 图5 1 厂房的3 d 图。3 1 图5 2 中气轿车总装线的规划图3 2 图5 3 传统的工艺设计流程3 5 图5 4 虚拟装配工艺分析流程一3 6 图5 5 安装螺栓与防尘板干涉。3 7 图5 6 安装螺栓与减振器干涉：3 7 图5 7 安装控制台支架( 没进行人机工程分析) 3 8 图5 8 安装控制台支架( 进行人机工程分析) 3 9 图5 9 安装控制台支架( 修改装配工序后) 3 9 图5 1 0 工人的视野分析。3 9 图5 1 1 安装螺栓的两种工作方式4 0 图5 1 2r u l a 分析结果4 0 图5 1 3 装配作业元素关系优先图4 2 图5 1 4 试制线平衡的s 值收敛情况4 3 图5 1 5 作业时间的分布。4 4 图5 1 6 作业难度的分布4 4 l j h 老 “ 担 汽车装配线甲衡方法的研究与应用 附表索引 表3 1 方案一的作业元素分配情况2 1 表3 2 方案二的作业元素分配情况2 2 表4 1 各方法的求解结果比较3 0 表5 1 装配作业元素名称及编号3 3 表5 2 作业元素的最终分配情况- 4 3 表5 3 各工位的平衡情况4 4 v i l l i l ， ， j 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着汽车技术的发展，汽车厂商之间的竞争日益激烈，人们对汽车的性能及 个性化的要求也越来越高。为满足消费者的需求，汽车企业在保证质量的前提下 需不断地更新产品、缩短汽车的开发周期。在现代的制造业中，装配工作量占整 个产品生产工作量的2 0 7 0 ，平均百分比为4 5 l ，而且装配费用占制造总 费用的2 0 - - 3 0 ，若在装配中发生问题，还会增加5 0 的费用【2 1 ，因此，如何 提高装配质量和装配效率，是企业迫切所要解决的问题。而汽车装配线的平衡程 度直接影响着装配效率，同时，在装配线平衡分析时确定的装配作业的先后关系 又直接影响着装配的质量，因此，汽车装配线的平衡优化对汽车的生产起着至关 重要的作用。 2 0 1 0 年，中国以1 8 0 0 万辆的汽车产销量继续蝉联世界汽车销量第一。虽然中 国目前已跻身世界汽车制造大国的行列，但我们显然还不能算是一个汽车强国。 中国汽车的自主创新水平相对于西方国家还很落后。在经济全球化的趋势下，尤 其是我国已经“入世的大形势下，中国汽车市场面临着更加严峻的考验，竞争 已经是全球化了，中国汽车也必然要走向世界，走国际化道路【3 j 。在这样的形势 下，认真地研究中国汽车企业的竞争力问题，找出提高竞争力的一些思路和方法， 显得非常重要。中国的汽车工业要想赢得生存空间必须进行洗心革面的革命，提 高自主创新能力，降低制造成本和提高产品质量。从2 0 1 1 年起，我国汽车业开始 实施第十二个五年发展规划，总体目标着重强调我国要由汽车大国向汽车强国转 变。要实现这一目标最主要的是要发展技术。 本课题是“中气计划”国家重大专项的子项目之一。“中气计划”是由湖南大 学钟志华院士负责的中国高水平汽车自主创新能力建设项目。项目以“中高档轿 车开发”为主题，并特别提出了探索产学研合作培养高质量机械工程创新人才机 制的任务。“中气轿车 作为“中气计划”项目的研发成果，集结了大量国内汽车 专家、研发机构和湖南大学广大师生的辛勤努力。该项目的整车开发已接近尾声， 整车的性能试验结果也令人满意。根据项目的需要，中气轿车要实现小批量的试 制生产，如何规划轿车的装配线，使得轿车的装配工艺合理、装配线的平衡率较 高，成为了本课题的研究对象。 本文结合中气轿车量产的生产线规划，介绍装配线平衡分析的方法以及具体 在中气轿车总装线上的应用，重点介绍装配线平衡问题的建模过程和求解方法以 汽车装配线甲衡方法的研究与应用 及利用虚拟装配技术确定装配作业元素的先后约束关系的过程。 1 2 装配线平衡问题的研究状况 装配流水线这种生产组织方式于1 9 1 3 年诞生于美国“福特 公司，能够极大 地提高了劳动生产率。就在流水装配线诞生的前夕，1 9 1 3 年的8 月，“福特 公司 的装配车间每个汽车底盘是由一位工人操作，每完成一件装配的时间是1 2 5 小时。 几个月后汽车装配流水线试流成功，完成一件汽车底盘装配的操作时间为9 3 分钟， 公司的生产效率提高了8 倍多。凭借着装配流水线技术的不断改进并运用在了零件 的机加工过程，福特公司的生产效率远远地超过了其它工厂，使得福特汽车的价 格在1 0 年之间从2 0 0 0 美元以上逐步地下降到了2 6 3 美元，汽车产品进入了普通家 庭。装配流水线创造出了巨大的汽车市场，也使福特公司的汽车生产规模超过了 通用公司。因而，可以说是福特汽车公司发明的流水生产线揭开了现代化生产的 序幕【4 1 。 自第一条装配生产线建成投产之后的4 0 年间，其平衡实践一直处于反复试验、 不断摸索的过程中。直到1 9 5 4 年，b r y t o nb 在他的硕士论文中首次提出平衡的概 念后1 5 j ，装配线的平衡问题a l b ( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g ) 便引起了工业界和学术 界的广泛关注【6 1 。装配线平衡是为了提高生产线效率而提出的，它是工业工程的 一种管理手法。装配线平衡设计是将所有基本任务单元分配到各个工作站，以使 得各工作站在生产线的节拍( 即相邻的两个产品从装配线尾端出来的间隔时间) 内均处于繁忙状态，从而使各工作站的闲置时间最少。它对作业进行研究、对时 间进行测定，通过合理地划分和重组生产作业元素，使得各个工位作业时间尽可 能相近【7 】。装配线的平衡是装配线的设计与管理中的一个很重要的问题，因为装 配线的平衡与否直接影响到装配线的生产效率。根据美国有关资料统计，即使在 美国这样工业发达的国家，在工业装配生产中，平均有5 1 0 的装配时间浪费 在平衡延迟中，所以，多年来装配线平衡问题一直受到人们重视【引。 随着装配线平衡理论研究的逐渐深入，所建的模型越来越复杂也越来越接近 实际：从单一型装配线模型发展为混合型模型；从确定型装配线模型发展为随机 型模型；从直线型装配线模型发展为u 型装配线模型再到联合u 型装配线模型：从 单一目标装配线平衡发展为多目标装配线平衡；从无资源约束装配线平衡模型发 展为有资源约束的模型。然而装配线平衡是一个复杂的问题，它会受到实际工厂 条件各种因素的影响，因而许多特殊的约束条件、参数，如并行工作站、模糊作 业时间、资源优化的研究也在深入【弘”j 。然而，虽然近年来学者们对装配线平衡 模型建得越来越复杂，但是由于实际生产条件的不同，我们在解决一些实际的装 配线平衡问题时，必须建立符合实际情况的生产线平衡模型。 由于装配线平衡问题在理论上是属于n p 难问题，模型增大时其求解难度是曾 2 硕十学位论文 指数增长。因而，对于如何解决复杂的装配线平衡问题亦成为了研究的热点【2 圳。 1 9 5 5 年，s a l v e s o nme 首次公开发表了用解析法描述生产线平衡问题的文章【2 ， 他提出j 生产线平衡的线性规划模型，并描绘了其解法过程。1 9 5 6 年，j a c k s o njr 首次采用了动态规划法和分支界定法来解决装配线问题【2 引，之后，h e l de t a l ； s c h r a g ea n db a k e r 分别于1 9 6 3 年、1 9 7 8 年相继沿用了动态规划法求解【2 3 ，2 4 】；j o h n s o n ； w e ea n dm a g a z i n e 都于1 9 8 1 年沿用了分支界定法1 2 5 2 副。1 9 6 0 年，b o w m a neh 首 次提出采用两个独立的0 1 整数规划模型解决生产线平衡问题【2 7 l ，之后，k l e i n ； p a t t e r s o na n da l b r a c h t ；t a l b o ta n dp a t t e r s o n 分别于1 9 6 3 年、1 9 7 5 年、1 9 8 4 年相继 沿用了整数规划法来求解生产线平衡问题1 2 3 0 l 。但是，以上的这些方法只能适用 于小型的装配线平衡优化，对于稍大一点( 例如1 0 0 个左右的作业元素) 的模型只 能寻求其它的方法来求解【3 1 1 。因此，学者们投入了相当大的研究在具有快速搜索 能力的启发式算法上，典型的方法有：d a r e l 于1 9 7 3 年提出了m a l b 3 2 】；d a r e la n d r u b i n o v i t c h 于1 9 7 9 年提出了m u s t1 3 3 1 ；t o n g e ；m o o d i ea n dy o u n g ；n e v i n s 分别于 1 9 6 5 年、1 9 6 5 年、1 9 7 2 年提出了各自的启发式算法求解装配线平衡问题【3 4 0 6 1 ； b a y b a r s 于1 9 8 6 年提出了l b h a 3 7 j ，并将其方法分别与t o n g e ；m o o d i ea n dy o u n g ； n e v i n s 提出的方法作比较；等等。然而，虽然启发式算法的搜索速度快，但是它 的全局搜索性能差，容易使得搜索结果陷入局部最优。因而，研究学者们想要寻 求一种解决方案使得求解的效率与精度平衡。近年来，随着遗传算法、模拟退火 算法、蚁群算法等一些智能算法的出现，人们都想能够在这些高效而搜索能力又 强的算法上得到满意的求解方案【3 8 。4 2 1 。然而，这些智能算法毕竟还只是近似的求 解策略，谁都不能保证自己的算法是最好的，而且根据具体的问题不同，参数的 选取也是不一样的，因而，装配线的平衡算法设计研究是个不断发展的过程。 1 3 虚拟装配技术的应用研究状况 长期以来，c a d 技术的应用和推广，提高了新产品的开发速度，缩短了新 产品推向市场的时间，提高了产品质量，极大地推动着制造业的发展。但目前， 数字化制造技术出现一个症状：工艺制定技术远远落后于产品设计技术和产品制 造技术，严重阻碍了c a d c a p p c a m 的集成化、并行化【4 引。即便是复杂结构的 产品( 如飞机、汽车等) 的装配工艺设计仍停留在二维的基础上。工艺、工装设 计员对产品结构和装配过程的理解只能通过头脑想象二维图纸的表达内容，这需 要丰富的实践经验，而且即便是经验丰富的工程师，制定装配工艺时难免缺乏周 密考虑和疏漏，从而导致了工艺设计不合理、零件返修、工装返修的情况层出不 穷。 虚拟制造技术是沟通信息系统与制造系统的桥梁，为沟通信息系统与制造系 统提供了有效的工具和环境使制造系统的产品及其制造过程数字化，以便计算机 3 汽车装配线平衡方法的研究与应用 系统处理【4 4 1 。虚拟装配是虚拟制造技术的一个重要组成部分，它是实际装配过程 在计算机上的虚拟反映，它具有设计与装配的对象在实际研制过程中难以实现的 动态性能。虚拟装配的特点是通过计算机虚拟仿真反映装配的本质。因此，虚拟 装配技术的实现可以促进产品进行虚拟分析和虚拟设计，能够有助于解决零部件 从设计到生产阶段所出现的技术问题。虚拟装配可以实现对设计结果进行验证， 并提供参考信息，体现了d f a 的思想和要求，而且它可以针对产品装配工艺的设 计问题，基于产品的信息模型和装配的资源模型，利用计算机虚拟仿真技术对产 品进行装配工艺分析，从而制定出符合生产实际的装配工艺 4 5 - 4 7 l 。 美国华盛顿州立大学的s a n k a rj a y a r a m 等人对虚拟装配进行了系统化地研究， 首先提出了虚拟装配的定义：使用计算机，在没有物理实现产品或支持过程的情 况下，通过分析、预测模型、数据的表达和可视化，做出或辅助做出与装配相关 的工程决策【4 引。肖田元等国内学者对虚拟装配的定义为：虚拟装配是装配过程在 计算机上的本质实现，是基于产品的数字化实体模型，在计算机上分析与验证产 品的装配性能及工艺过程，从而提高产品的可装配性1 4 引。 虚拟装配技术实现将产品信息应用于新产品研制以及实施途径的改造，这是 现代化企业生存、发展的必由之路。波音公司无疑是数字化装配技术应用的典范。 波音7 7 7 的研制，整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均在计算 机上完成，使其开发周期从过去8 年时间缩短n 5 年，出错返工率减少了7 5 ，成 本降低了2 5 ，成为数字化设计制造与并行工程技术成功应用的典范【1 1 。欧洲空 中客车公司也采用类似技术，使空中客车的研制周期从4 年缩短为2 5 年，不仅提 前投放市场，而且显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。 波音与空客的成功向人们展示了数字化技术的巨大潜力和优越性1 5 0 , 5 1 j 。 然而，虚拟装配的应用研究在国内制造企业才刚刚起步，它们对装配工艺的 设计主要采用的是c a p p 系统进行，但只是停留在二维产品工艺设计基础上，并没 有与c a d 系统建立紧密的联系，更谈不上与设计过程的并行，不能将装配工艺过 程、装配的零部件件及与装配过程利用的装配资源进行紧密地结合以实现装配过 程的仿真，不能在装配工艺设计的环境中进行三维虚拟装配的工艺验证。对于零 部件能否准确的安装，在实际的安装过程中是否会发生干涉，装配工艺装备是否 满足实际装配需要，装配工艺流程、装配的顺序是否合理，装配操作人员及装配 工具是否可达等一系列的问题都无法在产品设计阶段得到有效的验证【5 2 1 。因而， 如何应用适当的数字化工具，建立标准化的虚拟装配流程，为汽车企业的数字化 装配技术应用提供导向成为我们研究的内容。 1 4 本文研究的内容与意义 本文研究的目的是结合中气轿车的总装线规划，提出具体装配线平衡的建模 4 硕士学位论文 方法和求解策略。主要内容包括：装配线平衡的建模过程、d e l m l a 三位数字化 系统的介绍以及在确定装配作业元素关系而进行的装配工艺分析时的应用、装配 线平衡的算法设计、装配线平衡分析方法在中气项目中的应用。对于具体的装配 工艺分析和装配线平衡分析，本文主要的解决方案包括以下几点： ( 1 ) 改变传统的工艺设计方法，采用三维数字化技术分析中气轿车的装配工 艺，提出轿车虚拟装配的工艺分析流程，从而确定装配作业关系。 ( 2 ) 利用d e l m i a 系统实现产品数模、资源数模以及工艺流程的集成管理， 使得设计过程与工艺分析过程的并行化实现d f a 。 ( 3 ) 在计算机中虚拟展示装配过程，同时加入人机分析，验证装配工艺在实 际操作过程中的可行性。 ( 4 ) 建立包含任务难度参数的生产线平衡模型，在分析装配线平衡时同时考 虑任务难度和作业时间的平衡。 ( 5 ) 针对大模型的装配线平衡问题的求解，设计一种高效的遗传算法并提出 增强其全局搜索能力的改进策略。 ( 6 ) 建立中气轿车总装线平衡模型，合理划分作业元素以及处理资源约束关 系，确保模型符合实际情况。 ( 7 ) 采用设计的遗传算法对中气轿车总装线进行平衡优化，并分析优化结果。 本文针对课题的研究过程绘制了技术路线图，见图1 1 。 图1 1 课题的研究技术路线图 5 汽车装配线平衡方法的研究与应用 从图1 1 可以看出，本课题在对中气轿车总装线进行平衡优化过程中不仅涉及 到了问题本身的建模方法与求解策略而且在确定装配作业元素的先后关系时还涉 及到工艺的分析。课题研究过程采用了虚拟装配技术与装配线平衡技术，保证汽 车在实际装配线上的装配质量和效率，缩短汽车的开发周期，提高汽车装配的效 率，增加汽车产量，减少汽车的装配成本。虽然中气轿车的试制总装线由于场地 限制只设计了九个工位，但是本文所设计的装配线平衡算法适用于更多工位的大 规模装配线平衡，可以适用于汽车整车厂的生产线平衡优化。 6 硕十学位论文 第2 章基础理论 本章主要介绍一下课题中涉及的一些基础知识，为后文的具体应用打下基础。 主要内容包括：装配线平衡的基础知识、d e l m i a 系统的介绍、遗传算法的基础 知识。 2 1 装配线平衡的概念描述 装配线平衡问题实际上就是将所有要装配的任务均衡地分配到一定数量的工 作站上，使得装配线上的各工作站都处于繁忙状态，保证装配线高效率的运行， 避免出现有工作站的长时间空闲等待现象。当然，任务分配的时候还须满足装配 工艺所决定的一些任务之间的先后约束关系，这使得装配线平衡问题的求解变得 很复杂。下面描述一下装配线平衡的一些常用术语。 工位：也称为工作站，即装配工人在装配线上的工作位置。 作业元素：最小的自然作业单元，不过有时为了减小模型会将几个相关联的 作业元素合并成一个作业元素，在进行装配线平衡时作业元素不可再分。 节拍：也称为装配线的周期，即装配线上出来成品的时间间隔，也就是操作 时间最长的工位工时。 作业元素时间：完成一个作业元素所需的标准时间。经常采用“动作一时间 分析法获得。 工位时间：完成分配给一个工作站的全部作业元素所需时间。 总作业时间：完成整个产品的装配过程所需的总时间，它等于所有作业元素 时间之和。 平衡延迟时间：由于作业元素的不可分，要使各个工位的工作量完全相等是 非常困难的。由于任务没有均匀分配给各个工位而产生的装配线上的空闲时间。 值得注意的是，实际上那些被分派了较少工作量的工作站工人，在每个生产节拍 中并没有真正的空闲着，而是在以较慢的节奏在连续工作着。不过，从劳动成本 的大小来说，这种状况与让它空闲一段时间而在其余时间以正常的节奏工作是等 效的。工作站的平衡延迟时间的计算公式为： 工作站的平衡延迟时间= 节拍工位时间 ( 2 1 ) 总空闲时间：平衡延迟可能发生在装配线上的多个工作站，装配线的总空闲 时间是各个工作站的平衡延迟时间总和，它是测量装配线效率的基本尺度。 平衡效率：总作业时间与工位数乘以节拍的百分比。 平衡延迟率：装配线的总空闲时间与产品自始至终以运动方式逗留在生产线 7 汽车装配线甲衡方法的研究与应用 上的时间( 即工作站数与节拍的乘积) 之比。 优先关系：如果一个作业元素j 必须在另一个作业元素i 完成之后才能进行， 那么称作业元素i 与作业元素j 存在优先关系。其中，作业元素i 称为作业元素j 的优 先元素，而作业元素j 称为作业元素i 的后继元素。若在作业元素i 为作业元素j 的优 先元素的前提条件下，如果作业元素i 与作业元素j 的先后关系相邻，那么称作业 元素i 是作业元素j 的直接优先元素，而作业元素j 是作业元素i 的直接后继元素，否 则，作业元素i 是作业元素j 的间接优先元素，而作业元素j 是作业元素i 的间接后继 元素。 作业元素关系优先图：是产品装配过程中作业元素之间的明晰的内在逻辑关 系的一种直观的表示方法。图形中通常以圆圈表示作业元素的编号，圆圈的右上 方数字表示该作业元素的作业时间，圆圈之间的箭头表示作业元素之间存在着直 接优先关系，而无箭头连接的元素间则不存在直接优先关系。假如有6 个装配作业 元素：1 、2 、3 、4 、5 、6 ，它们的工时分别为：6 、5 、4 、3 、2 、1 ，经工艺分析 后它们的装配先后约束关系满足：作业元素1 优先于2 、6 ；作业元素2 优先于3 、5 ； 作业元素3 优先于4 。则可绘出作业元素关系优先图如图2 1 所示，图中右上角的数 字代表相应的作业元素时间。 3 图2 1 作业元素关系优先图的表达 优先矩阵：作业元素优先关系的矩阵化表示。虽然优先图可以很清楚的了解 各个作业元素的逻辑关系，但是对计算机来说，这种图像难以识别，在编写算法 和实现算法系统时必须要有一种人机交互的转换方式，所以就要将作业元素关系 优先图数量化，使之易于计算机的运算，这样就产生了作业元素关系约束矩阵， 它与优先图是一一对应关系。若装配线上有n 个作业元素，则优先矩阵是一个，l 聘 的方阵：a = ( ) 一。一。 优先矩阵的元素是由o 和1 构成，其涵义为： 口玎= 毛 作业元素i 是作业元素j 的直接先行元素 作业元素i 不是作业元素j 的直接先行元素 图2 1 对应的优先矩阵表示为： 8 装配线平衡问题可以分为三大类。第一类是在给定的生产节拍下，满足