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机械产品管控一体柔性装配线平衡问题研究 摘要 装配过程是整个生产活动中最重要、最复杂且涉及面最广的过程，其执行 的好坏对最终产品的质量有着重要影响。本文针对在研究传统装配线静态平衡 问题过程中缺乏考量制造柔性因素的现状，全局性的分析影响装配线平衡的各 类因素的合力作用及各因素之间的相关度，基于机械产品装配线管控一体化理 论提出一种实时分析工序柔性装配因子的管控策略和改进遗传算法的优化处理 方法。 首先在分析管控一体柔性装配线软硬件特征的基础上，构建了机械产品管 控一体柔性装配线平衡模型，综合权衡管控一体柔性装配线不平衡的各类因素， 建立了装配工序的装配次数一预期时间函数。其次在管控决策台对平衡状态实 时分析的基础上，构建了基于改进遗传算法的优化处理模型，并给出基于动态 工位分割算法和动态交叉、变异概率的算法改进步骤。最后以管控一体柔性装 配线实验平台为依托，应用本文所研究的方法开发针对某汽车公司差速器装配 生产实例的管控一体柔性装配线平衡系统模块，从而有效的解决了管控一体柔 性装配线动态平衡问题。 关键词：管控一体，平衡问题，装配柔性因子，装配次数一预期时间函 数，遗传算法 r e s e a r c ho n b a l a n c i n gp r o b l e mo fm a n a g e m e n ta n d c o n t r o l i n t e g r a t e df l e x i b l ea s s e m b l yl i n e f o rm e c h a n i c a lp r o d u c t s a b s t r a c t a s s e m b j y 1 st h em o s tc o m p l e xa n dc o m p l i c a t e dp r o c e s sa m o n ga u o ft h e p r o d u c t i o na c t i v i t i e s i t si m p l e m e n t a t i o ne b c th a sa n i m p o r t a n ti m p a c to nt h ef i n a l p r o d u c tq u a l i t y ai n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nr e a l t i m e a n a l y s i so fn e x i b l ea s s e m b l yp r o c e s sf a c t o ra n da no p t i m i z a t i o na p p r o a c hb a s e d o n 1 m p r o v e dg e n e t l ca l g o n t h mw e r ep u tf o r w a r d ，o nt h eb a s i so fa s s e m b l vl i n ef o r m a c n l n e r yp r o d u c t si n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lt h e o r y ，a i m i n ga tl a c ko f c o n s l d e r a t i o nf o rt h ef a c t o r so f m a n u f a c t u r i n gn e x i b l ei nt h es t u d yo fs t a t i cb a l a n c e o ft h et r a d i t i o n a l a s s e m b l yh n ep r o c e s s ，a e f 佗c to ff a c t o r st h a ta f f e c tt h ea s s e m b l yl i n e f a c t o r s c o m p r e h e n s i v ea n a i y s i so ft h ej o i n t b a l a n c i n ga n dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1i n t e g r a t e dn e x i b l ea s s e m b l yl i n e ，ab a l a n c i n gm o d e lo ft h e m e c h a n l c a l m a n a g e m e n t a n dc o n t r o l i n t e g r a t e df l e x i b l ea s s e m b l yl i n ew a s e s t a b l i s h e d a n dt h e n ， c o n s o l i d a t e dm e a s u r eo f u n b a l a n c i n gf a c t o r so ft h e m a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1i n t e g r a t e df l e x i b l ea s s e m b l yl i n e ，a s s e m b l yn u m b e r t h e e x p e c t e dt l m ef u n c t i o nlw e r ee s t a b l i s h e df - o rt h ea s s e m b l yp r o c e s s s e c o n d i y ，o n t h eb a s i so fr e a l t i m ea n a l y s i so f b a l a n c i n gs t a t ef r o mt h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i n t e g r a t e dc e n t e r ，a no p t i m i z a t i o nm o d e lb a s e do ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mw a s e s t a b l i s h e d ， m o r e o v e rt h e i m p r o v e ds t e p b a s e do n a l g o r i t h m o fd y n a m i c p a r t l t l o n l n gs t a t i o na n dp r o b a b i l i t yo fd y n a m i cc r o s s o v e ra n dm u t a t i o nw a sg i v e n f i n a l l y ， a sr e l y i n go nt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fm a n a g e m e n ta n dc o n t r 0 1 i n t e g r a t e dn e x i b l ea s s e m b l yl i n e ，ab a l a n c i n go fs y s t e mm o d u l e so fm a n a g e m e n t a n dc o n t r o li n t e g r a t e dn e x i b l ea s s e m b l yl i n et ot h ed i f - f e r e n t i a la s s e m b l vl i n eo fa c a rc o n l p a n yw a sd e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h i s m e t h o d a n dt h u s ， t h eb a l a n c i n g p r o b l e mo fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t e dn e x i b l ea s s e m b l vl i n ew a ss o l v e d e f 佗c t i v e l y k e y w o r d s ： m a n a g e m e n ta n dc o n t r o l i n t e g r a t e d ，b a l a n c i n gp r o b l e m ，f l e x i b l e a s s e m b l yf a c t o r ，a s s e m b l yn u m b e r t h ee x p e c t e dt i m ef u n c t i o n ，g e n e t i ca l g o “t h m 致谢 感谢我尊敬的导师沈维蕾副教授。从研究生入学开始，到近三年的研究生 学习与生活，导师一直不断地给予我丰富的知识与真诚的教导。沈老师在繁忙 的工作中，从未放松过对我的指导，不仅在理论研究上给予我耐心的启发性指 导，而且为我提供了许多实践的机会，锻炼了我独立解决问题和实际运用知识 的能力，对我的学习和研究给予了极大支持，为我的学业、研究和论文的顺利 完成打下了坚实的基础。沈老师渊博广阔的学识、严谨的治学态度、敏锐深邃 的洞察力、平易近人的待人处事方式，都深深的感染和影响着我，激励我在今 后的工作和生活道路上奋进不息。 感谢刘明周教授、蒋增强副教授、葛茂根老师、张铭鑫老师、扈静老师等 工业工程教研室的老师们，在我课题的研究过程中给予的指导、帮助和帮助。 感谢赵志彪、王强等研究生同学以及已经走向工作岗位的各位师兄师姐对 我的帮助和指导，同时也感谢师弟师妹们给予我的帮助和支持。 感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们! 衷心感谢在百忙中抽出宝贵时间对论文进行评审的专家和学者们。 最后，深深感谢我的父母和亲友们，是他们给予我生活上无微不至的关怀 和精神上的巨大支持和鼓励。 作者：罗洋 2 0 1 2 年4 月1 0 日 图1 一 图2 一 图3 一 图3 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 8 插图清单 论文组织结构图6 管控一体柔性装配线的逻辑架构图1 1 管控一体柔性装配线平衡架构模型图1 4 管控一体柔性装配线平衡架构流程分析图1 5 改进遗传算法流程图2 4 作业顺序图2 5 优先关系矩阵2 5 随机拓扑排序算法核心步骤流程图2 6 作业顺序图3 2 寻优收敛速度对比图3 4 管控一体柔性装配线实验平台的硬件拓扑图3 5 管控一体柔性装配线平衡系统数据库关系图3 8 登录界面4 1 工序基础数据图4 1 当前作业顺序图4 2 工位基础数据图4 2 线体配置图4 3 寻优结果图4 4 表格清单 生产线平衡状态评价表2 故障等级指数表1 8 工序预期时间表3 3 交叉概率对比表3 3 变异概率对比表3 3 工序基本信息表3 9 l l l 2 3 1 一 一 一 一 一 一 1 3 4 4 4 5 表表表表表表 第一章绪论 1 1 引言 纵观人类文明的发展历史，制造业的发展程度是文明史发展的重要标杆之 一。现代制造业两次伟大的变革引导制造业的生产方式发生重大的改变：第一 次变革是19 1 3 年美国福特汽车公司发明了流水线，用大批量生产方式代替手工 单件生产方式，缩短制造周期，降低生产成本：第二次变革是以日本丰田汽车 制造公司倡导的精益生产为核心技术的制造革命，进一步降低成本，提高劳动 生产率，极大的推动了世界经济的发展。 在制造过程中，生产制造的最终环节是装配环节，整个装配过程是否合理， 信息流与物料流是否通畅，对产品的产量、质量和成本都会产生很大的影响， 为了使流水装配线充分且有效的发挥其作用，必须使生产线平衡( a s s e m b l yl i n e b a l a n c i n g ) 。为解决这一难题，产生了面向机械产品装配线的管控一体化技术理 论体系，这一新的科学技术理论体系融合机械控制技术、精益制造方法、物联 网交互技术、云计算服务技术、现代通信方法等众多领域知识于一体，整合装 配过程中各类制造资源，最终使装配结果最优。 1 2 课题研究的目的与意义 1 2 1 课题研究的目的 在现代装配制造过程中，为了增强管理与控制策略的实时性，管理决策者 把“时间”作为一种制造资源，将装配过程中有效的处理实时装配信息作为科 学有效管理的重要权衡标准；与此同时，底层的自动控制层也逐渐增加管理层 面的逻辑指令，在过去以往只有纯动作控制指令的基础上增加数据采集、过程 监测、实时反馈等管控信息处理动作。二者相互促进并融合发展，在不同的硬 件层面和软件交叉地带衍生了一条新的理论研究道路，即机械产品管控一体柔 性装配线理论。在满足指定装配约束条件下，在不同的工位中合理的分配各个 作业工序，使整条装配线负荷平衡，即装配线平衡。管控一体装配线平衡问题 本质上也是装配线平衡问题，其平衡目标是使装配线保持一种均衡、连续的物 流状态，物质与信息交流通畅，减小工作站空闲时间，保持一种动态平衡状态， 从而提高装配线生产效率，这也是本课题研究的目的所在。 1 2 2 课题研究的意义 装配线平衡是生产顺利运行的重要前提。根据相关资料统计，在欧美等资 本主义工业相当发达的国家，因为装配线的不平衡问题，造成至少百分之五到 十的装配生产时间浪费【1 1 。对装配线平衡问题评价标准也没有明确的定量，一 般常用的评价标准如表1 1 所示： 表1 1生产线平衡状态评价表 平衡率 说明 5 0 6 0 生产线缺乏管理，生产随意 6 0 7 0 生产过程中管理比较关注平衡问题 7 0 8 5 生产线的管理十分科学 大于8 5 该生产线的平衡问题得到了很好解决 为了实现装配线的负荷平衡与物流平衡的目标，构建机械产品管控一体柔 性装配线已成为新兴的解决方法之一，而对于该类装配线的构建及其平衡问题 的研究，则需要认真分析各类影响装配线平衡因素的基础上，统筹结合各层次 不同权重的装配指标，并建立一个合理有效的装配线平衡问题模型，深入研究 并探索管控一体柔性装配线平衡问题的解决方法，以期找出在多因素影响作用 下的全局最优解。因此，管控一体柔性装配线平衡的改善有着如下重要意义： ( 1 ) 减少产品装配时间，增加单位时间的生产量，提升装配线装配效率； ( 2 ) 减少现场浪费，降低生产成本； ( 3 ) 缩短工程与工程间的预备时间，加快生产速度； ( 4 ) 可以稳定和提升产品品质； ( 5 ) 减少工序间的在制品，减少现场场地的占用； ( 6 ) 减缓工位等待，提升装配工士气。 1 3 装配线平衡问题研究现状 1 3 1 传统装配线平衡问题研究现状 目前，国内外学者对于传统装配线平衡问题已经提出了许多数学模型及平 衡优化算法，在本小节中，将将对装配线平衡问题及其相关优化算法实现分别 进行论述，进而引出本文研究的核心问题和主要工作。 1 9 5 5 年，s a l v e s o nm e 提出了使用线性规划模型去描述单一机械产品装配 线平衡问题并试图用解析法去寻找解决问题的方法并给出了一系列结论。但由 于时代限制的原因，由于他所在年代的计算机发展水平限制，不能很好的验证 他所给出的解法的答案【2 j 。 1 9 6 7 年，t h o m o p o u l o sn t 在k i l b n d g e 提出的解决单一品种流水线平衡问 题方法的基础上进行了一定程度的改进，基于班次转化的方法去平衡混合装配 线不平衡问题。这种方法提出的意义大于实际效果，使装配线平衡问题面相多 种产品装配线，提出了一个新的问题方向【3 】。 1 9 7 9 年，d a r - e le m 在研究了w e s t e r 等人提出的方法后，将混合装配线平 2 衡问题的类型，特点，规律进行了系统的论述，其描述的工作站如何分类，系 统如何输送、产品如何投放等相关论断都对其以后的研究起到了方向性的作用 【4 】 o 1 9 8 1 年，e d w a r d r c k a o 在a c u s 等人的研究基础上利用启发式算法尝试解决 装配线的平衡问题。首先利用t o n g e 论文中所论述的启发式方法产生一些装配线 平衡问题的随机可行解，然后利用他提出的一种评价准则去衡量这种解是否能 达到费用最小化设计目标。该方法在满足在一定计算误差和计算时间的条件下， 求解出大量的满足生产要求的并可以接受的随机解p j 。 19 9 4 年，l e uy y 提出一种利用遗传算法去解决装配线平衡问题，这种问 题是面相单一类型的装配线平衡问题，首先定义一个工序就是一个染色体基因， 然后根据工序的作业前后顺序约束进遗传编码，编码完成后定义以装配线平衡 效率为准则的适应度函数，利用轮盘赌的方法选择染色体，之后再依概率交叉 和变异染色体。最后求得满足条件的解【6 j 。 1 9 9 9 年，h a d ig o k c e n 在研究了n e m h a u s e r 等人提出的解决算法基础上，通 过使用s h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m 求解混合品种装配线平衡问题，虽然有一定的改 进但是仍然不能很好的适应大规模混合装配线平衡问题7 | 。 2 0 0 1 年，k o r k m a z e lt 等人提出工作站的负载均衡和流水线的部件消耗均衡 这两个平衡指标，并将这两个指标作为精益生产追求目标。实际计算中，由于 直接实现零部件的消耗均衡是比较困难的，所以在保证实际产量与需求相等和 零部件使用率稳定的条件下，使用最小化实际产量和理论产量之差作为流水线 的部件消耗均衡指标的目标函数【8 j 。 2 0 0 2 年，宋华明和韩玉启使用禁忌搜索算法去解决多目标装配线平衡问题。 运用工业工程中生产管理的思想系统的分析了多目标装配线平衡问题与单一目 标装配线平衡问题的不同及其特点，利用多目标之间的关系，使用禁忌搜索算 法进行优化一j 。 2 0 0 3 年，s b l i u 等人建立t a t t 程序规则，运用启发式搜索方法，对流 水线上的工位从反方向搜索，最终结果趋向于最中间的工位。这种搜索算法节 省了搜索的时间，获得良好的效果【1 0 】。 2 0 0 4 年，杨本强等人在汽车总成装配作业均衡编排问题的数学建模一 文中，系统的解析了汽车总成装配操作的均衡编排问题要素，用线性规划的方 法分析并建立该问题的理论模型，使用计算机算法优化装配操作的编排，减少 了工位数，提高了劳动生产率【1 1 | 。 2 0 0 5 年，a g p a k 等人在解决第一类装配线平衡问题中，用o 一1 整数规划的方 法来创建理论模型并求解装配线平衡问题【l2 1 。 2 0 0 6 年，g r e g o r y l e v i t i n ，j a c o br u b i n o v i t z 和b o r i ss h n i t s 运用改进遗传算 法去解决机器人生产流水线的平衡问题并与以往的算法进行比较，获得了良好 的效果1 1 3 】。 2 0 0 7 年，吴智铭等人在研究大规模带复杂任务约束的装配线平衡问题中， 针对传统启发式算法的弊端，给出修正模型，改进了算法的选择规则和任务分 配规则，得到了有效可行解i l 4 | 。 2 0 0 8 年，凌文曙提出了利用惩罚函数处理装配工序以外的约束的方法来研 究车桥装配线平衡问题，同时优化装配节拍与工位平衡率，增强了单一品种和 混合流水线工作站的平衡效果的有效性，为研究车桥类装配线平衡问题打开了 新的思路5 | 。 目前，针对装配线平衡问题的理论探讨和实验论证国内外的研究学者普遍 采取的都是面向装配线规划中的可预期的平衡问题，或者说就是一种静态平衡 问题，理论和实验的侧重点在于给定装配条件下装配序列的优化处理，但是工 业操作现场的实际工况往往是复杂多变，不可预知的，如果仅仅至考量一种理 论工作状况而并未全局性的分析影响装配线平衡的各类因素的合力作用及各因 素之间的相关度，那么研究出来的理论成果必定不能很好的适应实际现场的工 况，简而言之平衡效果一般。 1 3 2 管控一体柔性装配线平衡问题研究现状 2 0 1 0 年，刘明周，涂化刚等人提出了面向装配过程的车间管控一体化制造 执行系统这一概念，文中虽没有大量篇幅的论述管控一体技术理论，但是引用 了管控一体的思想去解决制造车间的管理与控制系统，并结合实例分析，收到 了很好的效果【l6 | 。 2 0 1 1 年，王榜，蒋增强等人在系统的研究了涂化刚等人的理论成果上，结 合o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d i n gf o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) 工业标准和语义数据 模型化技术一i d e f l x 方法，建立了管控一体柔性装配线管控策略理论实验平 台，同时提出了面向柔性装配生产线管控一体化策略仿真实验技术的研究，系 统的论述了面向机械产品装配线的管控一体化技术理论体系【l 7 1 。之后又向国家 专利局申请了管控一体柔性装配线管控策略实验平台和机械产品管控一 体柔性装配线两篇专利，将管控一体化理论推向了一个新的理论高度。文章 中针对现代流水线装配过程中线体柔性要求大、控制动作和管理动作逻辑一体 化需求高及在多不可以预知因素影响作用下的现状，融合机械控制技术、精益 制造方法、物联网交互技术、云计算服务技术、现代通信方法等众多领域知识 于一体，初步构建了集软硬件高度冗合与策略实时分析的管控一体化实验平台。 不仅可以提高研究装配线管控策略的科学性与先进性，进而增加装配线对有限 柔性下同系列复杂机械产品装配过程的制造敏捷性，而且为在线仿真原理在中 大型复杂实验对象与环境中的实现和物物感知交互技术在实验领域的运用开启 了思路。 4 1 4 论文研究的主要内容 研究管控一体柔性装配线平衡问题时，导致装配线不平衡的各类影响因子 和装配工序如何合理有序的重新分配到各个工位中是必须考虑的两个问题。 ( 1 ) 对于不同工序其需要的装配操作环境，装配工具，装配工人是不一样 的，那么在工业操作现场的复杂多变的工况下，影响该道装配工序的操作时间 的因素是复杂多变不可预知的。因此，全局性的分析可能导致工序操作时间不 平衡的各层次不同权重的因素，找出他们之间的动态关联度，并尝试着量化成 可以作为决策下轮操做的参考标准之一，这也是解决管控一体柔性装配线平衡 问题的必须考虑的首要方面。 ( 2 ) 对于不同类型的装配操作，他们的装配顺序是有前后约束的。对于已 经规划成型的装配线，线体上的加工机械很多往往是不可移动的，随首次规划 就已经位置固定，还有某些工序必须要在特定的工作环境中装配，比如无尘环 境。在这些情况下，该工位中的工序是不可以移动到其他工位中进行替代装配 的，那么如何在同一条流水线的不同工位上再分配有着顺序约束和位置约束的 工序，并对他们进行合理有效的排序，就成为解决管控一体装配线平衡问题中 不可忽视的重要方面。 解决管控一体柔性装配线平衡问题是一个找出瓶颈、解析原因、完善结果 的过程，通过不断的改进，让管控一体装配线不断达到一个新的更高效率的平 衡状态，然后循环往复。本文的研究正是基于这样的思想进行的，针对影响管 控一体柔性装配线装平衡因素的复杂性与多样性问题，提出一种基于实时分析 工序装配柔性因子的管控策略和改进遗传算法的优化处理方法。首先综合权衡 导致管控一体柔性装配线不平衡的各类因素，为装配工序建立一个可以供给下 一轮装配决策的量化数学模型；其次在管控决策台对平衡状态实时分析的基础 上，构建基于改进遗传算法的优化处理模型，并给出满足工序的顺序约束和位 置约束条件下的某一类改进算法的改进步骤。最后结合某一实例，对改进的结 果进行对比，以期实现管控一体柔性装配线的动态平衡和持续改善。 1 5 论文的组织结构 全文共分六章，论文的组织结构图如上图所示，第一章为绪论。 第二章为机械产品管控一体柔性装配线平衡问题描述，阐述传统装配线平 衡问题基本理论和机械产品管控一体柔性装配线平衡问题基本概念。 第三章为基于柔性装配因子分析的管控策略建模，介绍机械产品管控一体 柔性装配线平衡模型与该模型运行机理，并对装配过程中影响平衡的因素进行 分析和量化。 第四章是基于改进遗传算法的平衡方法研究，首先简介遗传算法，然后阐 述机械产品管控一体柔性装配线平衡模型的改进遗传算法设计。 第五章是机械产品管控一体柔性装配线平衡系统模块的实现与验证，包括 系统的界面设计与数据库设计。 第六章为总结与展望。 本文的组织结构如图1 1 所示： 图l 一1论文组织结构图 1 6 本章小结 本章首先介绍了机械产品管控一体柔性装配线的出现对现代加工制造业 中流水线装配的重要意义，提出了装配线平衡问题不可忽视的论断，接着在总 结现有传统装配线平衡问题局限性的基础上，论述了国内外学者就这一课题的 研究现状，并提出本文的研究目的与研究意义，最后介绍了本文的主要内容， 研究思路和结构框架。 6 第二章机械产品管控一体柔性装配线平衡问题描述 在现代生产制造中，企业如果想减少生产成本，提高劳动效率，保持生产 连续，增加自身竞争力的关键就是保证生产装配线的平衡稳定。但是实际生产 中往往会遇到这样的一个现状：流水线在规划时和刚刚投产时，线上的工位都 能按照计划中的指标保持装配的相对稳定和平衡，但是随着加工装配的持续， 一些不可预料的因素伴随发生，比如装配人员的学习能力提高导致加工时间缩 短、人员的疲劳程度增加导致装配时间增加、加工机械或者工具的非致命损坏、 生产计划的临时加单、装配工艺的改进等等都会导致装配线出现不平衡的现象， 整体闲置时间增加。如果任由这种情况继续发展下去，那么在瓶颈的工位上引 起大量的不能完工的产品出现，进而引起流水线生产停顿。 管控一体柔性装配线的出现就能够合适的解决上述问题，能够平衡工作站 的负载，在满足既定理论生产节拍的前提下，重新分配可移动工序，使各种产 品在同一工作站内部的装配时间尽可能接近，最终调整后的装配线较调整前明 显平衡稳定。 2 1 装配线平衡术语 装配线平衡问题( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，a l b p ) ：对装配的全 部工序进行平均化、均衡化，调整各工序或工位的作业负荷或工作量，使各工 序的作业时间尽可能相近或相等，最终消除各种等待浪费现象，达到生产效率 最大化。它是生产流程设计与作业标准化中最重要的方法。 装配线平衡问题常用的术语如下： ( 1 ) 装配线：是指劳动对象按照一定的工艺路线，顺序地通过各个工作中 心，并按照一定的装配速度( 节拍) 完成作业的连续重复装配的一种生产组织 形成。 装配线分类一般有如下两种：1 ) 按装配对象数目可分为单一对象装配线和 多对象装配线，其中多对象装配线又可以分为可变装配线和混合装配线；2 ) 按 装配过程的连续程度可分为连续装配线和间断装配线。 ( 2 ) 生产周期或生产节拍( c y c l et i m e ) ：是流水线上相继出产两件相同 产品之间的时间间隔。节拍是一种期量标准，是装配线组织和设计的重要数 据，它决定了装配线的生产能力，以及生产的速度和效率。确定节拍的依据 是计划期的产量和有效工作时间。用c 丁来表示节拍时间。 ( 3 ) 工作站或工位( w o r ks t a t i o n ) ：为了完成一定的工序，一次装夹工件 后，工件( 或装配单元) 与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定 部分所占据的每一个位置。装配线中定义为装配工人为了完成指定作业在装配 线上的工作位置。用m 来表示工位数，第，个工位一般用，来表示。 ( 4 ) 工序或作业元素( o p e r a t i o n ) ：是装配过程中全部工作内容的一部分， 是完成某项操作所进行的不可拆分的最小工作单元。用n 来表示工序数，第f 个 工序一般用f 来表示。 ( 5 ) 工序时间或操作时间( o p e r a t i o nt i m e ) ：机器或工人完成一个工序操 作所使用的时间。第f 个作业元素的操作时间一般用z 表示。 ( 6 ) 工位时间或工作站时间( w o r ks t a t i o nt i m e ) ：机器或工人完成一个 工位或工作站内全部工序或作业所使用的时间。第u ，个工作站的工位时间一般 用r 表示。 ( 7 ) 装配线平衡率( r a t eo f a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g ) ：评价装配线装配连 续性程度的一个指标，其数学意义是装配线上工序装配使用的时间与装配线总 装配时间的比值。其计算公式如下： ：圣垒! 互 ( 1 ) m 乃( m a x 式中： 聊工位数； 胛工序数； z 第f 个工序的操作时间； f 第，个工作站的工位时间。 ( 8 ) 装配线平滑指数( a s s e m b l yl i n es m o o t h n e s si n d e x ) ：评价装配线各个 工位的负荷均衡程度的一个指标。其计算公式如下： 盯= 压丽面i 而 式中： 聊工位数； 弓第个工作站的工位时间。 ( 2 ) 2 2 传统装配线平衡问题分类 ( 1 ) 第1 类装配线平衡问题( a l b p i ) 已知装配流水线的生产节拍，使工位数最小化。这种情况一般出现在装配 线初始规划阶段，设计人员根据产品的市场需求，企业的投资，装配线的效率 来规划流水线的生产能力，进一步确定流水线的生产周期或节拍。优化目标是 使流水线的工位数最小化，最终可以减少设备与人员的费用，降低生产成本， 提高生产效率。 ( 2 ) 第1 i 类装配线平衡问题( a l b p i i ) 已知装配流水线的工位数，使装配节拍最小化【l8 l 。这种情况一般出现在装 配线的成型之后的阶段，该阶段内，装配的工位数基本确定，设备和人员基本 到位，为了提高在单位时间内流水线的装配成品数，设计人员需要考虑优化生 产节拍，利用已知的资源，做好资源的最优分配，以期使装配线的产出率最大 化。 ( 3 ) 第1 类装配线平衡问题( a l b p i ) 已知装配流水线的生产节拍和工位数，使装配线更加平衡【1 9 】。这种情况一 般出现在装配线已经投产阶段，在该阶段往往会出现一些不可预料的状况，比 如由于员工的学习能力，引进新的设备，工艺的改进，导致装配时间的缩短， 导致流水线装配过程不平衡，为了使生产线维持连续和均衡，不得不对原装配 任务进行调整和改进。对于第1 类装配线平衡问题还可以分为p i 型第1 类装配 线平衡问题( a l b p p i ) 和s i 型第类装配线平衡问题( a l b p s i ) 。第一个种 平衡目的是维持装配线装配作业的连续性，尽可能地将装配作业平均分配给沿 线各作业站，以减少装配线的总闲置时间。第二个平衡目的是使装配线各个工 位的负荷更加均衡，增加工人的公平感，提升士气，均衡工人劳动强度。在实 际的优化过程中二者一般都会作为评价的衡量标准，根据企业的追求目标，设 定合理的权重系数，然后加权求出实际的平衡指数。 2 3 传统装配线平衡问题的一般数学描述及求解思路 装配线平衡问题可以基本分为三大类，下面分别描述各个分类的基本数学 描述。 ( 1 ) 第1 类装配线平衡问题数学描述 已知： 生产节拍c 丁：工序集( 其中f ( 1 ，2 ，3 门) ) ；工位集s i ( 其中 歹( 1 ，2 ，3 加。) ，。为最大工位数) ； 优化目标：最小化工位数。 目标函数： 1 1 1 i n 黑) j 喇聊) ( 3 ) ( 2 ) 第1 i 类装配线平衡问题数学描述 已知： 工位数m ；工序集( 其中f ( 1 ，2 ，3 阳) ) ；工位集s i ( 其中 ，( 1 ，2 ，3 朋) ) ： 优化目标：最小化实际生产节拍。 目标函数： 叫浆) j 叫c 丁) ( 4 ) ( 3 ) 第1 类装配线平衡问题数学描述 已知： 工位数脚，生产节拍c 丁；工序集( 其中f ( 1 ，2 ，3 刀) ) ；工位集s ， ( 其中歹( 1 ，2 ，3 m ) ) ： 9 优化目标：优化装配线连续性和均衡性。 目标函数： a 砉亳+ 卢m r ( 朋缸) j 1 1 1 i n + 卢盯) 2 4 机械产品管控一体柔性装配线平衡问题基本概念 2 4 1 管控一体柔性装配线概述 管控一体柔性装配线是一种新型流水装配线，融合机械控制技术、精益制 造方法、物联网交互技术、现代通信方法等众多领域的前沿交叉地带而成的一 种高度智能、高度集成、高度柔性的综合自动化装配平台，可以提高装配制造 过程的敏捷性、平衡性和快速响应性，属于现代制造体系的技术范畴。从装配 对象看，既可以是手机手表等小型精密产品也可以是汽车轮船等大型机械产品， 既可以单一品种装配线也可以是多品种装配线。 管控一体柔性装配线以决策者提供的装配目标信息和装配过程中线体反馈 的实时信息为异步输入信号，调用管控系统集成的逻辑管控策略输出最优因变 决策信息，协调控制单元、标识单元、信息单元与执行单元四类管控单元及其 组合统一运作最终达成装配目标。装配线管控系统全局性的考量企业在生产过 程中投入的设备、人力、制造资源等生产要素，把装配前的计划、装配中的监 控、装配后的追溯等生产环节同化到系统的管控过程中。其结构图如图2 1 所 不。 根据上文提出的功能要求，得出机械产品管控一体柔性装配线的具体硬件 构架，其特征在于：采用逻辑全局式网状管控中心与分布式多路数据共享通道 结合的具体硬件架构。 根据上文提出的硬件结构，得出机械产品管控一体柔性装配线的具体软件 构架，其特征在于：采用动态自适应的管控策略程序模式与管控单元多角色转 换机制相结合的具体软件构架。 1 0 图2 1 管控一体柔性装配线的逻辑架构图 2 4 2 管控一体柔性装配线平衡问题特点 装配线的完全平衡过程有如下的特征：装配线上所有工位的操作时间是完 全相等的、装配线上的所有的工位级操作是同步进行的。对于传统的装配线平 衡问题，都是在装配线建设或者投产初期尚在规划中的平衡问题，国内外研究 学者普遍采取的解决方案是：在不考虑各种影响生产线稳定性和连续性等确定 性因素的前提下，针对最小生产循环，综合考虑产品的装配时间和装配操作次 序，将装配工序合理的分配到线体各个工位中 2 0 2 1 】。这种平衡过程简而言之是 一种静态平衡过程，而且对于解决平衡问题提出了很多限制条件假设，总结如 下： ( 1 ) 工序的操作时间是固定的，不可改变的。 ( 2 ) 不存在环境限制，装配工序的设备和工具是可以随意移动的。 ( 3 ) 工序的工艺是不变的，确定的。 ( 4 ) 装配工人的操作水平是恒定的，无任何能力变化的。 ( 5 ) 装配任务确定后，工序任务配比是不可更改的。 ( 6 ) 装配过程无任何浪费存在的。 然而，a l b p 问题本身就是一个n p h a r d 问题，流水线在规划时和刚刚投产 时，线上的工位都能按照计划中的指标保持装配的相对稳定和平衡，但是随着 加工装配的持续，一些不可预料的因素伴随发生： ( 1 ) 装配工人由于学习能力的存在，工序的操作时间越来越短；装配工人 随着操作的持续，会越来越疲劳，工序的操作时间越来越长；由于工作班次和 工作时间的变化，新工人比老工人装配时间要长，白班操作时间比夜班操作时 间要短。 ( 2 ) 操作设备和工具不同程度的损坏，会造成工序的操作时间不同程度的 延长，甚至由于损坏后的不可替代性，导致生产线停滞。 ( 3 ) 产品设计的改变往往需要装配线的装配过程随之改变；由于一些客户 对产品的定制现象存在，对装配操作必然需要工艺的改进；产品投产后，由于 对产品质量和成本的综合考虑，常常对某些工序的操作工艺进行改变。那么这 些必然会影响到工序的操作时间。 ( 4 ) 由于市场供求关系或是生产计划的改变，影响到产量的变化；物料供 应是否充足也直接关系着产量是否充足。这些最终会影响到产品的配比，对工 位级别来说，直接影响某一工序在工位中的操作总时间。 正是由于这些动态的和不确定性的因素，导致了装配线的实际平衡状态与 规划中的平衡状态不符合，如果任由这种情况继续发展下去，那么可能回在瓶 颈的工位上引起大量的不能完工的产品出现，进而引起流水线生产停顿。而管 控一体柔性装配线的平衡过程就是一个动态自适应的平衡过程，为这些动态不 确定因素建立一个按操作次数或者工作班次来区分的动态评估机制，再同一量 化到某一可供参考和决策的参数指标中，为装配线进一步平衡优化做基础。最 终实现平衡工作站的平均负载，在满足既定理论生产节拍的前提下，重新分配 可移动工序，使各种产品在同一工作站内部的装配时间尽可能接近。所以管控 一体柔性装配线的平衡过程是一个动态平衡过程，是一个不断在已经存在的旧 平衡基础上重新建立新平衡的过程。 2 5 本章小结 本章首先介绍了传统装配线平衡问题的一些基本术语和分类方法，并根据 这些分类方法描述了传统装配线平衡问题的数学模型和解决思路。在此基础上 论述了机械产品管控一体柔性装配线的定义、功能和软硬件架构的特征。总结 了机械产品管控一体柔性装配线和传统装配线在平衡过程上的不同，为下文做 好了铺垫。 第三章基于柔性装配因子分析策略的平衡建模 3 1 机械产品管控一体柔性装配线平衡模型与机理 管控一体柔性装配线的平衡过程就是一个动态白适应的平衡过程，是一个 不断在已经存在的旧平衡基础上重新建立新平衡的过程。它的平衡流程设计为 一个可以不断反馈的和不断修正输入的闭环迭代循环流程。 3 1 1 管控一体柔性装配线平衡模型分析 根据机械产品管控一体柔性装配线采用逻辑全局式网状管控中心与分布式 多路数据共享通道结合的具体硬件架构的特征。设计管控一体柔性装配线的主 体架构为管控处理器和各个智能管控单元的有机组合。基于管控一体柔性装配 线理论的主体思想，并在这一思想的指导下本文构建了管控一体柔性装配线平 衡架构模型，如图3 1 所示。 由图3 1 可以看出管控一体柔性装配线管控中心内部逻辑构架共由五部分 组成，分别是：管控决策台、装配模型库、装配线模拟装配中心、装配线模拟 装配中心i 0 接口与结果显示台。 管控一体柔性装配线管控中心可以根据实际装配现场的工况，建立工序级 的柔性装配因子分析矩阵集，决策人员输入柔性装配目标，管控决策台中的分 析器解析柔性装配因子，并建立工序柔性装配因子特征值矩阵，向控制器传达 装配目标指令。控制器接收到指令后，一面向管控中心中的装配模型中心发出 调用模型指令，一面向装配线模拟装配中心传达模拟装配参数指令。装配线模 拟装配中心将接收到的模型显示在工位显示台，并配以模拟装配参数，同时进 行模拟装配，模拟装配无误后，向装配线模拟装配i o 接口发出装配输入信息。 装配线模拟装配i o 接口再向线体输送实际的物理装配信号。随着装配进行， 线体将采集到的反馈信息一步一步上传到管控决策台，经分析器对柔性装配因 子的二次分析和运算器执行算法优化，将最优决策结果显示在结果显示台上， 供给决策人员参考。由决策人员决定是否进行下一轮装配。 该装配流程是一个“8 ”字型闭环迭代流程，装配的运行过程就实际包含了 一个动态白适应的平衡过程，把根据实际工况得到的平衡优化决策信息融入到 了实际生产过程中，做到了高效性，省时性，快速响应性，达到了生产管控 平衡一体的设计目的。 决 策 人 员 决策 信息 装配 目标 信息 最优 装配 方案 管控一体柔性装配线管控中心 侩：结果 u ：转化 装配模型库 管控决策台 蚓瓤 f 设备柔性因子六 ：乏! ，畜丽蒜 五 夤 模 型 调 用 指 令 控制器 反馈预期人员分配l 虚拟装i 管控 信息预期王垡分配j 配参数l 指令 装配线模拟装配中心 反馈 信息 装配系 列指令 装配线模拟装配中心i o 接口 萎蒋喜墅塞雾薹萋磊蓁雾 反馈l 员工学习指数县 输入 信息l 异常报警信号s信号 生产节拍z 装配个数万 物料配送f 小车数量胛 管控一体柔性装配线 图3 1管控一体柔性装配线平衡架构模型图 3 1 2 管控一体柔性装配线平衡机理分析 根据机械产品管控一体柔性装配线采用动态白适应的管控策略程序模式与 管控单元多角色转换机制相结合的具体软件构架的特征，得到如图3 - 2 显示的管 控一体柔性装配线平衡架构流程分析图，从图中分析可知，整个装配线的运行流 程。 1 4 管控一体装配线实时装配模型传送通道 问子集位法 区因列工算信配序配传可装行分遗衡悭执割进平紊可分改断理选态行判处筛动执 厂 丁，认为当前工序分配不合理，将丁7 赋值给c 丁， 转s t e p2 ；当丁丁7 时，认为当前工序分配合理，丁即为当前最小节拍。 4 4 2 初始种群的产生 遗传算法的本质是一种优化搜索算法，通过对部分解的寻优和操作以期求 出全体解中的最优解，所以初始种群的选取直接影响着寻优的质量，大多数研 究人员认为：达到所有状态的遍历条件下的随机