毕业设计114基于分支界定法求解混合型装配线平衡问题的岗位和作业重叠费用的最小值
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毕业设计114基于分支界定法求解混合型装配线平衡问题的岗位和作业重叠费用的最小值,机械毕业设计论文
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本科毕业设计（论文） 外文参考文献译文及原文 学 院 机电 工程学院 专 业 工 业 工 程 年级班别 2003 级 (2)班 学 号 3103000637 学生姓名 欧家恒 指导教师 苏 平 2007 年 6 月 10 日 nts 摘 要 在文献里，混合型装配线平衡的一个常见假设是一个属于共同多重模型的作业必须分配到一个岗位。在本文，我们放宽了这个限制，并允许一个共同作业被分配到的不同岗位。为了寻 求岗位和重复作业的总费用的最小值，我们制定了基于回溯分支界限算法的最佳解决程序 ,并通过一系列实验评估其绩效。启发式方法与下界方法的比较和实验表明 , 采用启发式比传统方法提供更好的解决办法。 关键词 ： 生产 ， 分支界定法 ， 混合型装配线平衡 nts 1 目 录 1 引言 . 1 2 模型介绍 . 3 2.1 问题陈述 . 3 2.2 例子 . 5 3 分支界定法 . 8 3.1关键因数的分支界定算法 . 8 3.1.1 分支界定法树结构 . 8 3.1.2 界定计算 . 9 nts 1 1 引言 装配线是典型的大批量标准化的日用品工业装配流水线生产体系。在装配过程中，产品一个岗位接一个岗位地穿过装配线， 在 每个岗位都有一个固定的预定作业在被执行。每项作业都是一个原子工作单元 ,它们需要特定的机器和技术。装配线设计是基于考虑给定的优先作业 关系 把各种作业分配到各工作站 ,。 最简单的装配线配置是单一模型装配流水线。单一模型装配流水线最常见的目标是通过最小化每一单元生产量所必需的资源来最大化装配线的效率。这一目标可以通过在给定的所需的周期时间下减少工作站数目或者在给定工作站数目的条件下减 少周期时间获得。相关综合调查研究出现在 baybars(1986年 ),ghosh和 gagnon(1989年 )和 Scholl and Becker(出版社 ). 混合型装配流水线是一个有若干类型产品 ,（简称为模型）同时组装的较为复杂的环境。混合型装配流水线平衡涉及所有类型产品的作业如何分配到不同的工作站问题，这个问题之所以复杂 ,是因为它需要额外考虑组装模型相互之间的关系。混合型装配流水线平衡问题更为真实的反映了以多种类小批量生产的为特征的现代装配线。 这个现象 从 越来越多型号的汽车 ,电视机 ,计算机 ,录像机 等 其 他产品 可以看出来。 这一问题 已经 在过去的 40年里展开调查了，例如早期的一些关于 Thomopoulos的著作。 对于最近调查 的 各类装配生产线的平衡问题 ，见 Erel和 Sarin( 1998年 )和 Becker和 Scholl(出版社 ).由于 混合型装配流水线在现代工业中显得越来越重要，在过去的几年里，已经有一些相关的研究了。 (e.g. Gokcen and Erel, 1998; Erel and Gokcen, 1999; Merengo et al., 1999; Matanachai and Yano, 2001; Vilarinho and Simaria, 2002; Karabati and Sayin, 2003; Xhao et al., 2004)。大部分的研究都一基于一中方法，这种方法是一个属于多个模型的作业被局限在一个独立岗位上。由于这个限制，这种平衡方法类似与单一模型的平衡方法， 一般而言 ，它是平衡一个合并的模型， 这个模型 代表了一个多模型多作业的联合体。 Van Zante-de Fokkert and De Kok (1997) 在他们的著作里提出了两种关于 混合型装配线平衡 的方法。一种是联合排名图表 法，一种是调整工作时间处理方法，后者是求解各模型的各个作业的相对频率平均时间加权法。两种方法都是把问题转化成单一模型直线平衡问题处理。 nts 2 在本文， 我们重新审视传统的 方法，然后质疑上述限制的必要性。我们声称使用这种没有考虑相关成本的限制会可能导致一些更有效的可行配置的数目减少。 我们提出的模型，放宽了作业分配的限制；虽然一个模型的作业应该被分配到一个岗位。同属于不同的模型的共同作业可 以 被分配到不同的岗位。我们将此认为是重复作业， 一些额外的费用与 重复作业有关，例如：机械和工具重复投资的成本，与此相关增加了复杂程度 的操作费用（培训，学习），库存管理费用。 因此，目标函数也需要修改，总目标是尽量减少平衡岗位的总费用，而不仅是岗位的数目。两个成本因素需要考虑在目标函数里，一是岗位成本，它与岗位的数目成正比；一是作业成本，包括重复作业的成本。 审核作业成本，人们可以看到，由于每个作业都必须在至少一个岗位上被操作，平衡方案的总作业成本包括一 个 固定成本（所有作业的操作成本，这里的作业不包括重复的部分）和一 个 变量成本，它与作业重复的次数有关。人们 已经 注意到，放宽分配限制已经被运用在Roberts and Villa（ 1970）和 Bukchin（ 2002）。然而，那重要的一个相同的作业在多个岗位被操作的费用没有被考虑在单据上，因此， 这些方法不能被 应用在更一般的重复作业的案例。前者应用放宽限制方法在全部作业上；而后者则把作业分成两部分，一是限制应该保留，一是限制应该放宽的。 Bukchin et al. (2002)假设了一个重复作业的零成本（第二组）因此，目标函数是在给定的周期时间内求解岗位数的最小值。 在下一节中建议的模式是随着其整数规划而提出的， 一个例子说明了成本折衷模型 。 最优解程序 是 基于回溯分枝界限 被提 出 在第 3部分 以及广泛的实验 ,以测试算法性能的问题参数 的 各种 可能 值 。在第 4部分，我们提出了启发式的分支法求解大型问题，然后提交一套证明启发式在实践中效果的实验。一套大型问题的实验是通过与下界法来获得启发式方法， 这些实验也证明了新的方法 是可行的， 通过对比分析两种极端情况 。 总结和讨论 ,列 在 第 5部分。 nts 3 2. 模型介绍 现在我们 介绍 混合装配线 模型 ,其目的是减少设计的装配线总成本 。 该模型假设 说明 如下 : 1） .多种同类型号的产品 ,都聚集在同一路线 . 2） .作业 不变 ,但可能 随 模式 的不同而不同 . 3） .周期时间与每一个 模型有密切的关系。 4） .作业 的是不长于 相关模型的 周期时间 (不使用 岗位 平行 ) 5） .每次 模型的岗位周期时间 不应超过 共同模型的 周期时间 6） .每个模型的 每个任务应 分配 给一 个岗位。 每个模型的投入包括下列资料：模型的数目，每个模型的每个作业的持续时间；一系优先作业序列；每个模型的周期时间；生产线上每个岗位启动的成本；最后，每 个作业的重复成本。注意，组装线上组装的模型是同种产品的不同类型 。 这应该表示了类似的 作业， 这个条件 在混合型环境中非常重要的，以避免生产线上的堵塞和停滞。 否则 ，模型之间的差别是很大的 , 生产 线 的流动 可能 发生 阻塞和 停滞而 造成很高的闲置时间 和 减少吞吐量速率 。 在这种情况下 ,在一个多模式环境实施的解决方案可以考虑在不同模型组装中小型分批上线的顺序 。 这一做法 ,不是针对本文 ， 将涉及 生产线上 设备 排序 ,当 产品发生了变化 ,并可能增加取决于批量大小 的 存货持有成 本 (Scholl, 1999年 ). 解决上述模式是 使 装配线 上 所有任务 , 所有型号 ， 被分派到各工作站 , 周期时间和优先约束每个模式 得到满足。 2.1 问题陈述 用来 说明 问题 的相关符号 如下 : 参数 N 不同装配任务的总数。 M 生产线上组装模型的总数。 Tij 模型 j的作业 i的 执行时间。 IPij 一系列在模型 j的作业 i的优先作业。 Cj 模型所需的周期时间 nts 4 SC 岗位的固定成本 TCi 作业的固定成本 决策变量 Z 可用于组装的岗位数目 注意 ,由于 岗位 的数目是一个决策变量 ,我们运用了 作业的总数 ， 作为 这个 价值 的上界。 问题的说明如下 ： ： nts 5 目标函数 ( 1 )是求 总成本 的最小值 (站与 作业的 总 费用 )； 约束 ( 2 )确保每一个模型 的 每个作业必 交给刚好一 岗位； 作业之间的排列 关系被约束 ( 3 )限制 ,确保了 作业 将被派到某 岗位时只有其 紧 前 的作业 已全部 分 配到 前面的岗位； 约束 ( 4 )限制了生产全过程的时候每个模型在每站 时间 不超过 所有模型的周期时间； 约束 ( 5 )确定 了可以被使用的 总 岗位数 (最大的 岗位 指等于 全部 作业 和 模型的数目 )； 约束 ( 6 )检查 是否任何一 个 模式 的作业 i被 分配 到岗位 k， 最后 ,约束 ( 7 )确定 所有决策变量 为 二 进数。 在混合型组装线平衡问题上，可能存在这种情况，某些模型的作业可以被分配 在一些较前的岗位 k，可能在后面的岗位被推迟，表示为 K + D， 需要 为这种模 型 征收闲置时间或一个空闲的岗位 ， 我们将这种情况 称 为 缺口。比如， 相隔 2的 大小将发生在 生产 线配置 ,如果两个相邻 岗位 跳过或如果一站留下部分空下一站的顺序是不可或缺的 ， 我们应 确 定 生产 线缺口 (简称 GAP )项目 ,作为 在配置线的 最大 缺口。缺口是有效 探索一切可行的平衡组合 的方法。 这一点也可以 在下一段 表明 。 单一模型平衡问题是复杂的 NP-Hard，因为 单 一模型 平衡问题是一个特殊的混 合 流 水 线平衡问题 , 而后者则 更为 复杂。 2.2 例子 现在我们提出一个 简单的例子来说明这个问题 ,并 在 其解决办法强调 混合作业 费用 的重要性。 为此 ，定义 ai 为作业被分配到岗位的总数。 ， 考虑一个有两种 模型的产品 （ m=2）， 装配过程中的每一个模型中包含了一系列的装配 作业 挑选出一组 系数最大为 5的 可能 作业。 两种 模型排列如 图 1所示，作业的相关操作时间（单位时间）给出在表 1。 nts 6 如图 1所示，模型 II的一系列作业，是模型 I的一个子集，此外，两个模型的共有作业不一定需要同样多的时间来执 行。岗位的成本， SC，等于 10个单元成本。模型 I与模型 II所需的周期时间分别是 8个单位时间和 5个单位时间。 在表 2，提出了三个平衡的解决方法， 第一种办法是一个任意可行的办法 。 第二个办法是基于独立岗位限制的 最 优值求 解 方法 ， 即 所有模型的 每 一个作业 是被迫 在 同一 岗位执行。第三个办法在求解最优值的时候放宽了独立岗位的限制。 这个表分成了许多块，每一快代表一个岗位。在每个块，在岗位烂下面的单元格指出分配到该岗位的作业。 nts 7 在 SLACK拦下面的单元格指出了每个模型在 岗位占的空闲时间百分比。 在可行解中，一共有四个岗位在生产线上（ z=9）。因此，岗位总费用应该为：40410 zSC 两个作业不止被分配到一个岗位。模型 1的作业 1被分配到岗位 2，而模型 2的作业 1被分配到岗位 1，模型 1的作业 3被分配到岗位 4，模型 2的作业 3被分配到岗位 2。因此， ta1=ta3=2,而ta2=ta4=ta5=1。同时，所有作业的总成本为 ni taiTCi1 .48生产线的总成本等于岗位总成本与作业总成本之和： 40 + 48 =88。 第二种方法 ，简写为 USC，对应与传统的混合组装线平衡方法，该方法是所有模型的每个作业都被限制在唯一的岗位上。我们可以看到最优解包含了模型 2在岗位 2是空的情况。由于没有其他的岗位跳过或者部分被分配，所以这条生产线的缺口等于 1。 事实上 ,在本案中 ,鉴于上述制约因素 ,缺口 是必须实现的可行性 。 新的线配置分为四个站 ， 所以 岗位 的成本组成部分 ,仍然 是 SC=40，唯一性的岗位约束意味着 因此，作业组合等于 ni TCi1 29， 总配置成本现 等于 40 + 29 = 69,这是一个显著的改善。在第三种方法中，放宽了岗位唯一性的限制。 这次 作业 5 (以相对低的成本 ) ,被 分配给两个不同的 岗位。生产线上仅有三个岗位，而且还有一个模型 2在岗位 1和岗位 3的缺口。生产线总成本等于 30+31=61，这个值优于第二种方法得到的值。因此，可以看放宽岗位唯一性的限制能减少生产线总成本。 nts 8 3 分支界定法 我们提出的一个分支 界定 的回路 法 ,一个 深度优先方法 ,为解决混合型装配流水线的平衡问题 . 运用这一算法 , 能 产生一个快速可行的办法 ,其目标函数值构成初始方向上的总成本 .然后 ， 其次 ,在搜查过程中 得到其他的界 ,同时 改善 (降低 )的上界值 . 分 支 产 生 局部解的一个下界大于或等于最佳目前为止 发现的上界 ,有多大 。 算法 终止时，所以的分支都被探索出来，而且还有一个最优值。 首先介绍关键要素的分支式算法 ， 下一步 , 解释算法步骤 . 最后 , 本节最后描述了一套实验进行了研究算法的性能和如何 被 该问题的参数 的影响。 3.1 关键因数的分支界定算法 我们先介绍一下 分支 界定 算法 的主要因数， 一些额外 必须的 标注 。 UAj 尚未分配到模型 j的作业数目 Ami 作业 i被分配到模型的数目 UAMi 作业 i已经 存在，但没分到作业 i的模型的数目 Osj 最后作业被分配到模型 j的指数。 Slj 最后作业被分配到模型 j的空闲时间 Sij 模型 j的作业 j被分配的岗位指数 Msij 能容纳模型 j的作业 i的最低岗位指数 Nsj 需要为模型 j备用额外岗位的最小数 Glij 为模型 j的候选作业 i而限制上界缺口的数目 Atai 作业 i被分配到岗位的岗位数目。 3.1.1 分支界定法树结构 在分支界定树的每个节点都是另外一个作业，表示为模型 j的作业 i被分配到某一个岗位 k。在树的根部，没有分配作业，因此， AMj= i，在每个分支的尽头，有一个完全的解，那nts 9 时所有模型的所有作业被分配到岗位的解，即， UAMj= i。树的每个节点代表部分作业被分配到部分的岗位的解。这部分的解能进一部分解满足下面两种情况的候选作业的解：（ 1）它没有前接或者后接已经被分配到岗位的作业。（ 2）岗位停滞时间大于或等于作业持续的是时间。 3.1.2 界定计算 下界，简称 LB，关于总成本的两个下界。与岗位数目有关的下界成本，间称为 LBs；与重复作业有关的下界成本，间称为 LBd。每个下界都有两部分组成。包括部分解决在内 累积迄今的作业分配费用。没分配但需要配置作业的 下界费用 ,(类似做法 ,见 bukchin和 Tzur, 2000年 )，使模型 q的作业 p成为下界即将被计算的目前候选者，各变量限制的组成联系节点如下。3.1.3 关于岗位成本的下界 当模型 q的作业 p被分配后， OSq将根据作业 p被分配到岗位而变化。在部分解里开放的岗位数目由 OS给出， jj osMaxos 相关岗位的实际成本等于 SC.OS. 计算下界的成本与剩余的任务 ,我们做以下几项工作 .首先 ,nsq的 下界值是变化的 ,SALB-P的下界等于岗位数目的最大下界值 ,第一个下界 ,间称 LB1,等于将被模型 q分配到周期时间的剩下时间 , 四舍五入至下一整数 .即 QUAi iqqq tcns1 第二个和第三个下界值被 Johnson研究过 . 这些下界是以现有不同时间 的 分配工作任务的局限在同一个车站 .在这里 ,与所有作用有关的 LB2大于周期时间的一半 ,而 LB3与大于周期时间的三分之一而小于或等于周期时间的一半的作业有关 .下一个下界是 LB4,曾经被 Berger研究过 ,是基于与 LB2和 LB3的相似原理 .虽 然这个下界 ,考虑 LB2和LB3后而声明两个作业 ,这里最后一个下界是 LB5,由 Scholl 和 Klein 提出 .这个下界在岗位数目的下界和周期时间的下界之间变化 .每次周期时间的下界都是根据给出的岗位数目的下界计算出来的 .这个计算结果考虑了岗位数目和作业数目之间分配到一个岗位的最小时间的和 . 举例来说 , 说下界 岗位 的数目就是五 ,有 六个 作用需要 被 分配 .显然最大作业和两个最小作业的总时间都必须小于周期时间 .每次计算出的周期时间的下界都大于给出的周期 ,岗位数目的下界就增加 1个 ,重复这个过程 ,已经开放给模型 q的岗位数 目的下界是nsq=maxr=15LBr. 最终结果额外开放的岗位数目最小值是 ns = Maxjnsj.因此，与岗位数目有关的成本下界是 LBS = SC .(os + ns). nts 10 nts 1 广东工业大学本科生毕业设计（论文）答辩记录 学院 _ _机电学院 _ _ 专业 _ 工业工程 _ 答辩人 _ _ 毕业设计（论文）题目 _马达定子卷线生产线平衡的改 善 _ 记录人 _ 答辩小组成 员： 说明： 1.主要记录 答辩 委员所提的问题及 答辩人对问题的回答。 2.本记录与学生的毕业设计（论文）资料一同装订。 记 录 内 容 问题 1： 生产线生产的机种有多少种？ 答： 该生产线现状生产 3 种机种，其中 KH145 机种的产量占 60%。 问题 2：机种更换频率是多少？ 答：根据调查，大概一天更换一次。 问题 2：生产是根据市场需要或看板生产的？生产能力会不会过剩？ 答：该生产线的产品有旺季和淡季之分，现在是生产旺季，产量是根据市场制定的，如果能够通过改善提高产量，就可以降低有时需要外协生产成本，所以不会存在生产能力过剩的情况。 （本页不够另附页） nts 2 nts 1 广东工业大学本科生毕业设计（论文）指导情况记录表 学院： 机电工程 学院 专业： 工业工程 班级： 03 级 (2)班 序号 日 期 学生签名 教师签名 进度情况（提前、按计划、滞后及原因等） 1 07-03-05 毕业设计动员，布置任务 2 07-03-12 讲座 1：生产现场改善 3 07-03-22 讲座 2：毕业论文撰写 4 07-03-26 进入三菱电机 （广州）压缩机有限公司 的第一天，安全教育、参观全厂各个车间。 5 07-03-30 熟悉公司环境和工时测量培训 6 07-04-06 进一步熟悉生产现场，初步选定研究对象 7 07-04-13 确定马达车间为研究对象，确定毕业设计研究方向 8 07-04-20 卷线 S 线 现状调查与把握 9 07-04-27 卷线 S 线 各个工序及作业要素的时间观测 10 07-05-08 数据输入，整理及部分数据重新收集 11 07-05-11 卷线 S 线 平衡效率分析 12 07-05-18 制定平衡改善方案与对策 13 07-05-25 研修报告初步完成上交三菱电机公司 14 07-05-30 三菱公司研修报告会发表研修成果 15 07-06-07 撰写和修改 毕业 论文 16 07-06-11 制作 论文 PPT 和论文答辩 17 18 19 20 21 22 注：本表供指导教师在每次与学生见面指导时记录使用。 不够填写可附纸。 nts 本科毕业设计（论文） 马达定子卷线生产线平衡的改善 摘 要 生产线平衡是指为了有效地达成预计的生产目标，在既定的条件下，把生产线上的各作业者的负荷时间作平衡的分配，即就是指为了有效地达成计划性的生产，而对设备和人员的调整作适当设计 。 nts 本文 从生产线 平衡 的概念出发 ,阐述生产线平衡的制约因素和生产平衡的目的 ，然后 分析了实现生产线平衡的传统工业工程的基本手段和方法 ,接着 引进一种新的基于传统工业工程手法的生产线平衡 分析 辅助工具 表准作业组合票 。表准作业组合票 是一种 对生产线 进行方法研究的工具，它准确地描述要素 作业 的 内容 、要素 作业 的 时间 、要素 作业的顺序 以及工位周期时间，通过表准作业组合票，可以清楚地知道工位作业人员的作业内容、是否存在浪费作业和不均匀的作业负荷 。 最后利用 作业测定和表准作业组合票对某公司 一条有十几年历史的 马达定子卷线生产线进行生产线平衡 分析和改善 ， 从而达到平衡生产线的 岗位 负荷，减少在制品库存，缩短停滞时间，减少生产加工周期的目的 。 关键词 : 生产线平衡 ， 方法研究 ， 表准作业组合票 ， 马达定子卷线 Abstract In order to get the expected production targets, and make sure the workload balance within each worker, line balancing problem is proposed, which means making appropriate adjustments to the design of equipment and worker to effectively reach the planned production. nts Based on the concept of line- balance, this paper analyses some principle methods of traditional industrial engineering, and introduce a new auxiliary tool named Status Operation Table. The Status Operation Table is a production line methods research tool, which accurately describes the operating elements, elements of the operating time, Operating elements of the sequence and cycle-time workers, through the Status Operation Table, you can be clearly aware of the position of personnel operations, the existence of waste operations and uneven load operation. With the Operating Determination and the Status Operation Table, analysis and improving a motor stator rolling line which has a history of 10 years for a company, so as to achieve balance between stations, reduce the apparel inventory ,shorten the time of stagnation and reduce manufacturing cycle time Keywords : Line-balance ,Method analysis , Status Operation Table, Motor stator rolling 目 录 1 绪论 . 1 1.1工业工程在中国发展与应用现况简要论述 . 1 1.2 IE 技术在生产线平衡的应用 . 1 2 生产线平衡的基本原理 . 3 2.1生产线平衡的定义 . 3 2.2 生产线平衡要满足的约束 . 3 2.3 生产线平衡的目的 . 3 2.4生产线平衡率的定义 . 3 2.5 生产线平衡的手段与基本方法 . 4 nts 2.5.1 生产线平衡中的方法研究 . 4 2.5.2 生产线平衡中的作业测定 . 5 3 表准作业组合票 . 8 3.1 表准作业组合票说明 . 8 4 改善实例 . 9 4.1生产线现状布局及工位人员配置 . 9 4.2生产线参数 . 10 4.3 各个工位的作业测定 . 10 4.4 平衡率分析 . 10 4.5 改善方案的制定 . 12 4.5.1 改善一 . 12 4.5.2改善二 . 15 4.5.3 改善三 . 18 4.5.4改善四 . 19 4.6改善效果预测 . 21 5 总结与展望 . 24 5.1降低更换绝缘纸的影响 . 24 5.2消除不良习惯 . 24 5.3减少浪费作业 . 24 参考文献 . 26 致谢 . 26 nts 1 1 绪论 1.1 工业工程在中国发展与应用现况简要论述 工业工程自 20 世纪初起源于美国，不断发展壮大，作为一门高效的方法工具推广普及到各国的生产行业中并大量运用，在日本更得到广泛应用并成熟完善。如今在发达国家，工业工程技术已深入应用到各行各业，尤其在第三产业有着广阔的拓展空间。 IE 技术历经一百多年的成长已成为人类生产创造活动中一门重要学科。 在中国，由于历史 、 政治 、 经济 、 技术及文化等因素的制约， IE 技术的重视和应用起步于改革开放后的 80 年代中，比西方滞后大半个世纪， 其认知层面相对狭窄，国内各生产领域对 IE 技术了解不多且不全面，早期从业人员 IE 专业基础知识薄弱，促使高校教育成为该学科人才培养的主要力量。经过二十多年的迅速发展深入，各企事业单位日益重视 IE的应用投入，融会其精益生产的精髓提高自身竞争力。 中国是个工业基础薄弱的人口大国，针对现阶段国情中国工业将以劳动密集外向加工型的生产制造业为主，其表现特点为：技术含量低 、 自动化程度不高 、 人员配置密集 、劳动素质不高、 制造资源成本耗费大 、 质量参差 、 生产周期长 、 货源不稳定（订单量由客户决定） 、 管理不规范 、反应滞后、 行业内部恶性 竞争导致利润空间日渐缩窄、缺乏实力品牌、产品过时滞销、产品寿命周期长、样式单一等 1。 面对以上的困境和挑战，单一生产职能的企业要通过控制成本提高生产率与质量才能在日趋激烈的竞争中立于不败之地， IE技术的应用无疑成为广大企业通往成功的契机。因为 IE 技术是将生产三大要素中人员 、 原料 、 设备充分配合并榨取出最大利润的有效工具，改造投入费用不高且收效显著、反馈快是其最大优势。 IE 有着如此广阔前景及可开发潜力，目前在国内沿海地区外资企业中应用最广泛。就珠三角而言，大部分外企均设立 IE部来统筹生产管理及现场改善等工 作。 1.2 工业工程 技术在生产线平衡的应用 制造企业在采用细分化之后的多工序连续作业生产线时，由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而，经过了这样的作业的细分化之后，各工序的作业时间在理论上、现实上都不能完全相同，这样势必存在工序间nts 2 作业负荷不均衡的现象。除了造成无谓的工时损失之外，还造成大量的工序堆积，严重时会造成生产线的中止 2。 生产线平衡就是为了解决上述问题而提出的，它是现场 IE的一种管理手法，也是解决生产线负荷平均化这一影响生产线效率关键问题的重要方法。它对各 工序的作业时间进行平均化，同时对作业进行研究、对时间进行测定，使各作业时间具有尽可能相近的技术手段与方法。 工业生产线上的不平衡程度不仅直接反应了生产线的生产效率，而且影响到产品的质量。这是由于生产线的不平衡所造成的装配工人的劳动强度不一，使得劳动强度大的装配工人为了赶上装配线运行节拍，而常常不得不忽视装配质量。生产线的平衡问题一直是生产组织中长期关注的问题，并对企业生产秩序的正常运作起着关键性的作用。生产线的平衡问题是一个发现问题、分析问题、改善问题的过程。通过改善 ,从而使生产线在更高的水平上达到新的平衡 ,并在新的环境条件下发现新的瓶颈、不断改进、不断完善，这样才能提高企业生产效率。这是企业真正追求的目标 ,也是工业工程的真谛所在。因此，要保证生产线的平衡，就必须对生产线进行不断地分析、研究和改善。 本文运用生产线平衡手法对三菱电机（广州）压缩机有限公司马达车间的定子卷线S 线进行综合改善，从而达到平衡生产线的 工位 负荷，减少在制品库存，缩短停滞时间，减少生产加工周期的目的 nts 3 2 生产线平衡的基本原理 2.1 生产线平衡的定义 生产线平衡指的是装配加工各工序及装配线上装配任务的排列如何 保证每个工序或每个工作站的总制作、处理和装配作业时间近似接近于不变并有相同或近似相等的总作业时间。使生产线上每个组成单元的物件流动为同一生产率，而不会出现“等待”或传送零件过程中零件的“堆积”失衡 3。 2.2 生产线平衡要满足的约束 生产线平衡要满足下面的约束： 1）节拍的约束：生产线节拍是生产相邻两件产品的时间间隔，每个工作站的总作业时间不能超过生产线节拍。 2）优先关系的约束：优先关系是由产品设计和生产工艺所确定的作业元素之间的加工先后顺序，在生产线平衡中当且仅当一个作业元素的所有紧前作业 要 素被分配完毕，这个作业元素才能被分配。 3）其他方面的约束：由于场地、设备的限制，一些作业元素只能被分配到固定的工作站，一些作业元素不能（或只能）分配到同一个工作站等等。 2.3 生产线平衡的目的 生产线平衡的目的主要有以下几个方面： 1）物流快速，减少生产周期； 2）减少或消除物料，半成品周转场所； 3）减少在制品堆积 3； 4）消除工程瓶颈，提高作业效率；5）稳定产品质量； 6）提升员工工作士气，改善作业程序。 2.4 生产线平衡率 的定义 衡量生产线平衡状态的效果，可采用生产线平衡率 4(Balancing Rate)这一定量指标表示： %1 0 0 CT工位数各工位时间总和生产线平衡率 由此式可见生产线各相关工序之间的作业量平均与否必然直接影响整个生产过程的整体效率，生产线在一定作业周期内完成一个产品的时间（即生产线周期）是由生产线上nts 4 作业时间最长的工序的时间（ CT） 决定的，因为无论其他工序作业速度多快也只能在CT 时间内传送产品，从而存在停工待料现象，造成一定的损失。因此，降低瓶颈工序的 CT 值，使生产线各工序生产负荷平均化是提高生产线平衡率的关键。生产线平衡率越高，生产线的工时消耗越小，生产 在制品就越少，生产线整体效率就越高。 提高生产线平衡率的直接效果就是提高作业人员和生产线设备的工作效率，减少工时浪费和工序间的库存，降低生产成本。但在生产现场，当生产线平衡达到较高水平时，细分化的流水生产线作业人员虽然工作效率较高，但劳动负荷大，长期从事单调较高负荷的操作易失去对工作的专注和乐趣，会对生产现场管理工作带来负面影响，通常采用定期交换作业人员工作 工位 的方法来消除可能带来的负面影响。 2.5 生产线平衡的手段与基本方法 目前现代工业工程虽然在许多行业得到广泛应用，特别是在国外企业及 一些国防工业中已取得显著效益，但全球大部分企业仍以基础工业工程为应用的重点。在我国沿海，大部分在华的外资、合资企业对基础工业工程都十分重视，根据我国企业的技术条件、管理水平、信息化程度和所处的经济与市场环境，企业从基础工业工程（或叫经典工业工程）做起不仅容易，而且成效也快且显著，同时可为将来实行现代工业工程打下坚实的基础。因此，为达到生产线平衡的目的可采用传统工业工程的方法研究 5和作业测定6等方法。 2.5.1 生产线平衡中的方法研究 一条均衡性很高的生产线所追求的目标包括：减少物质、能源、 时间和资金的占用与浪费；降低生产成本；降低员工的疲劳度，减少遭受损伤和工伤的概率；利用有限的资源求得更高的产出，提高生产效率。如果没有一个良好的运行方法，就不可能达到以上目标，也就是说均衡生产需要一个良好方法，一个好方法反过来也能带来好的均衡性。 方法研究就是对现有或拟议的工作方法进行系统记录和严格考察，作为开发和应用更容易、更有效的工作方法以及降低成本的一种手段。按照从粗到精，从宏观到微观，由概括到具体的体系，方法研究包括程序分析、操作分析和动作分析三部分 。 1）程序分析 完成任何工作所需经过的路 线和手续即为程序，程序分析主要以整个生产过程为研究对象，研究分析一个完整的工艺流程，看是否有多余或重复作业，工序是否合理，搬运是否太多，等待是否太长，进一步来改善工作程序和工作方法。高平衡nts 5 率的生产线离不开良好的作业程序。 2）操作分析 所谓操作分析就是通过对以人为主工序的详细研究，使操作者、操作对象、操作工具三者科学的结合，合理的布置和安排，达到工序结构合理，减轻劳动强度，减少作业时间消耗之要求，以提高产品品质和产量为目的而进行的分析。通常，合理的人机配合，能为高平衡率的生产线提高最直接的单元保障。如果人机 结合不合理、不科学，那么这种作业就是一种粗放型、高消耗的作业，就没有人员之间、机器之间、人机之间的相互协调与配合，更谈不上合理，这时不免会出现人等人、人等机、机等人和机等机等一系列严重影响生产线平衡的“等待性”浪费。也就是说，人机相互之间高效合理的配合，不仅能够大大减少作业等待，更重要的是能够提高生产线的平衡率，进而提升作业效率。 3）动作分析 动作分析是在程序决定后，研究并减少甚至消除人体各种动作的浪费，以寻求省力、省时、安全和最经济的动作。其实质是研究分析人在进行各种操作时的细微动作，消除无效动作，使操 作简单有效，提高工作效率。 动作分析能在其他方法无效时，给生产线的平衡提供一把秘密武器，他从最基本的“动素”入手，寻求改进空间，以提高生产线的平衡能力。当然它与工业工程其他方法综合运用，会使企业收到更好的效果。 2.5.2 生产线平衡中的作业测定 作业测定技术是运用各种技术来确定合格工人在适宜地操作条件下，用最合适的操作方法，以普通熟练工人的正常速度完成标准作业所需要的劳动时间。作业测定是工业工程的主要内容之一。它是对某一作业所必需的要素作业和所需时间进行分析研究的一种技术。通过时间分析可以去除或减 少无效因素，比较作业方法，并进行研究、改进，规定完成作业所必需的标准时间。 作业测定是一种科学、客观的制定标准时间的方法，目前世界上发达国家都采用作业测定方法制定标准时间。该方法确定的标准时间由正常时间和宽放时间两部分组成。其中正常时间是指合格工人以正常速度操作所需的作业时间，宽放时间为操作者在工作中必须给予的停顿或休息时间。 作业测定技术包括 4种方法，即时间研究（也称秒表时间研究）、工作抽样、预定时间标准和标准资料法。我国企业常用的方法是时间研究与预定时间标准法中的模特法。（以下主要介绍时间研究与模特法）。 时间研究方法属于密集型抽样方法。首先， IE 人员利用秒表在一段时间内按照预nts 6 计的观测次数对作业者的各单元操作进行连续观测、记录、计算各单元实测时间平均值，并对操作者各单元的操作进行评比，求出工人完成此项工作的正常时间；其次，根据工作环境及工作性质要求，确定宽放时间，以制定标准时间。 模特法把人作业时的动作分为 21 种基本动作，并预先为各种动作制定时间标准来确定进行各种操作所需的标准时间。研究人员通过现场记录工人操作动作，可直接计算正常时间。加入宽放时间后，即可求出标准时间。 标准时间的确 定，是以科学的时间研究为基础，把作业测定作为控制其合理性的手段，把作业条件、宽放时间作为影响标准时间的重要因素。标准时间的表达式为： 标准时间 =平均观测时间评定系数（ 1+宽放率） 毫无疑问，不同的作业者的作业速度相差较大，即使是同一作业者在不同的时间里作业速度也相差较大。因此，应用作业测定技术对某一时间内进行时间测定后，还要对其作业速度进行评定。这样通过适当的处理（利用评定系数），把具体的时间观测值调整为按照普通作业者速度进行作业的时间值（正常时间）就可以作为计算合理的标准时间的基础。确定评比系数，首先 要了解某一作业的标准速度。所谓标准作业速度，是指中等水平的熟练程度、中等水平的适应性和作业热情的作业者，按标准的作业方法，以一定的努力程度进行作业时的速度。然后，由观测者对所感受的测试对象的作业速度进行评定。另外标准时间的制定离不开宽放时间的确定。宽放时间是指在生产过程中进行非主体作业所消耗的附加时间以及补偿某些影响因素影响生产的时间。 在作业测时准备期间，对该 工位 工人围绕“ 什么是作业测定技术”，“为什么要进行作业测定”等问题进行培训，并作好思想政治工作，取得了工人对该项工作的支持与配合。在此基础上，选择 一名中等技术水平的工人作为测时对象，并使测时人员有充分的时间与测时对象相互熟悉，以便于测时人员了解测时对象的个人情况、技术水平和加工速度等。同时也使测时对象消除紧张和反感情绪，能够在测时期间很自然地工作。此外，还要预先划分工序操作项目，确定定时点（前一个操作终了和下一个操作开始的分界点）以便于准确记录操作时间。最后，进行测时观察记录。在测试过程中，每个 工位至少要有 2名测时人员，测试人员应提前上岗，在观察过程中要注意里集中。在进行作业测定时，选择合格工人是很重要的，工人的工作速度各不相同，如果根据动作速度较慢 的或不熟练工人来制定标准时间，势必造成时间过宽，从而使生产活动不经济；而根据动作速度较快的工人制定标准时间，则势必造成时间过紧，使大多数工人不适应。在nts 7 工业企业中，人工是一项重要的生产成本，而且人工配置的合理与否对生产线平衡性的好坏会带来很大的影响。人工成本的高低反映了企业经营管理的水平，能够折射出生产线的均衡状况，因此，在作业程序和方法都行之有效地基础上，公正合理地制定时间标准，并基于此来恰到好处地分配人工，使整条生产线均衡的生产是每一个企业需要解决的重要课题。 nts 8 3 表准作业组合票 3.1 表准作业组合票 说明 表准作业组合票 如表 3.1所示，是一种对生产线进行方法研究的工具，它准确地描述要素作业的内容、要素作业的时间、要素作业的顺序以及工位周期时间。通过表准作业组合票，可以清楚地知道工位作业人员的作业内容、是否存在浪费作业和不均匀的作业负荷。 表准作业组合票 介绍： 1)“作业内容”就是要素作业 2)“时间”一栏下面的“手”表示人的操作时间 ,用黑色的粗实线表示 3)“时间”一栏下面的“送”表示机加工时间 ,用黑色虚线表示 4)“时间”一栏下面的“步”表示人步行时间 ,用 黑色的细实线表示 5)如果工人有作业等待，在“手等待”一栏用 *号标记，并在图中用黑色虚线表示 6)竖直的红色粗实线标记该岗位的周期时间 表 3.1 表准作业组合票 间隔秒 0.5要素数 301 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 累计时间 累计时间（时间输入）要素 秒 時間 分 秒1手 # # # # # 2.输入各作业后的计测累计时间1歩 输入方法2种。任一种都OK2手 # # # # #2歩 (1)各要素完成时间采用累计（秒）把握时3手 # # # # # 在累计时间sec里直接输入。3歩 (2)各要素完成时间采用时钟(ex 0:3:203分20秒)把握时4手 # # # # # 在累计时间（时间输入）的时、分、秒的各个单位里4歩 输入时间。完成后点击5手 # # # # #5歩6手 # # # # #6歩7手 # # # # #7歩8手 # # # #8歩9手 # # # #9歩10手 42 43 45 39 4110歩11手 46 48 44 4611歩12手 66 68 69 63 6512歩13手 68 71 65 6813歩14手 69 73 66 6914歩15手 73 76 70 7215歩16手16歩17手17歩18手18歩19手19歩20手20歩21手21歩22手22歩23手23歩24手24歩25手25歩26手26歩27手27歩28手28歩29手29歩30手机种 KH145表准作业组合票每班必要数图号 周期时间秒生产线名 卷线S线工程名系长 班长 作成6.8IE系手作业手头、自动送步 行SWA005定子刻印(1) 副号 作成日順 作業内容手待時間手 送 歩 1 2 3 43.202821 22 23 245 6 7 16 25 26 2717 18 19 20 29 301 右手取下成品,左手装夹素材,启动 3.582*机加工63 保持启动状态 1.604 等待51.60107891411121318151617221920212623242530272829合計5.2手待01.6周期时间秒 6.8表(標)準作業票半成品加工前 加工後 安全注意 品質 時間換算線引S WA 005 传送链导轨机器nts 9 4 改善实例 三菱电机（广州）压缩机有限公司是一家以生产空调压缩机为主的一个大型日资企业。 该公司生产的压缩机 ，由于种类多，质量好，在市场上得很多空调厂商的好评。但是这几年家电市场的饱和，利润空间不断缩小 ,造成了 压缩机厂商竞争越来越激烈 。 为了进一步降低产品成本， 保持市 场的占有率， 公司从上到下都在推广 JIT生产， 到处都洋溢着 IE 改善的精神和成功的案例。我这次 有幸 在三菱电机实习，主要是针对马达车间的 定子 卷线 S 线 。 卷线 S 线是 生产 KH机种定子 的 ，由于该生产线的 工位 比较多， 工位 之间的负荷很不平衡，在制品库存难以控制，所以对卷线 S 线进行 平衡 的改善就显得极为重要。 为了更容易找出问题，我选择了 该线经常生产的 KH145 定子作为这条生产线的研究 对象， 首先对整条生产线进行调查分析，把握各个 工位 的实际情况，例如作业内容、布局等。 4.1 生产线现状布局及 工位 人员配置 图 4.1 卷线 S 的布局图 图 4.2 数据统计截图 如图 4.1和图 4.2所示，这次要改善的生产线一共有 18 个 工位， 27 个作业人员，nts 10 虽然卷线 S 线的后面还有一个工位“定子热套”，但是这个工位并不是只加工卷线 S 线的定子，所以它不在我这次研究范围内。 4.2 生产线参数 该线 生产的 KH145 压缩机 的瓶颈时间 是 15.96s，生产时间是 11hr，稼动率是 81%，所以： p c s2009%8196.15 360011 稼动率瓶颈时间生产时间日产量 hr.76.6 人作业人员总数生产时间 日产量人均产能 4.3 各个 工位 的 作业测定 为保证作业测定 的 时间具有一般性和可信性， 我采取 了 以下的措施： 1） 测定时间段为早上 9 点 至 10 点和 下午 2 点 至 3 点，因为这两个时候的工人一般都进入最佳的工作状态， 测量的时候可以避免工人速度快慢不均匀和开小差的情况 ； 2） 我对每个工位的每个要素作业都 要 测量 15 次，计算要素作业的平均 值 时，去掉 两个 最大和最小 的 时间 值 ； 3）这次的时间测定由 3 个人来完成，因为 卷线 S 线工位比较多，一个人完成那么多工位的作业测定 容易因为集中力不够 而 造成测量数据的不准确 。 经过以上 措施获得的要素作业时间值，通过与现场工作人员的核对，得出的结果是：这次的作业测定 的时间与实际的生产情况很符合。 4.4 平 衡率分析 通过对 测定的作业时间统计分析 ，可以很容易地各个 工位 的 周期时间和整条生产线的平衡率 ， 表 4.1 和表 4.2 所 示。 在产品生产流程中，定子从原材料开始投入到成品装箱共有 18 个工位，其中瓶颈工位是：引线绝缘纸插入，它的周期时间是 15.96s， %88.72%10096.1518%100181 Ini CTCT工位数各工位时间总和生产线平衡率很显然 ， 该线的平衡率还没达到精益生产 7的要 求 ， 工位与工位之间的 CT相差很大 ,造成大量在制品库存 ， 为了使这条十多年的生产线重新焕发活力 ， 进行一步降低定子的生nts 11 产成本 ， 适应越来越来激烈的市场竞争要求 ,在不需要投入大量金钱的条件下 ， 我们必须利用工业工程 的方法，提高这条生产线的平衡率。 表 4.1 改善前工 位参数统计 编号 工序 人数 机 /台 CT/s 差异 1 定子刻印 1 1 7.61 8.35 2 槽绝缘纸插入 1 1 11.85 4.11 3 外线圈卷线插入 3 3 12.96 3.00 4 中间成形 1 1 12.89 3.07 5 内线 圈卷线插入 3 3 12.75 3.21 6 前点检 (1) 1 0 8.60 7.36 前点检 (2) 1 0 7.50 8.46 7 套管插入 1 0 11.19 4.77 8 前整形 1 1 13.34 2.62 9 引线烧焊 1 0 8.13 7.83 10 结线去皮膜 1 0 10.37 5.59 11 引线钎焊 1 0 13.41 2.55 12 引线固定 1 1 10.57 5.39 13 引线绝缘纸插入 2 2 15.96 0.00 14 后整形 1 1 13.79 2.17 15 扎线 2 2 13.77 2.19 16 最终整形 1 1 12.50 3.46 17 后点检 3 0 12.83 3.13 18 电气检测 1 2 10.96 5.00 nts 12 表 4.2 改善前 工位山积表 0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.00差异 8.35 4.11 3.00 3.07 3.21 5.78 8.46 4.77 2.62 7.83 5.59 2.55 5.39 0.00 2.17 2.19 3.46 3.13 5.00 CT 7.61 11.85 12.96 12.89 12.75 10.18 7.50 11.19 13.34 8.13 10.37 13.41 10.57 15.96 13.79 13.77 12.50 12.83 10.96 定子刻印槽绝缘纸插入外线圈卷线插入中间成形内线圈卷线插入前点检(1)前点检(2)套管插入 前整形 引线烧焊结线去皮膜引线钎焊 引线固定引线绝缘纸插入后整形 扎线 最终整形 后点检 电气检测4.5 改善方案的制定 4.5.1 改善一 工位 1“ 定子刻印 ” 与 工位 2“ 槽绝缘纸插入 ” 合并 ,减少一个人。 表 4.4a 工位 1“定子刻印” 间隔秒 0.5要素数 301 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 累计时间 累计时间（时间输入）要素 秒 時間 分 秒1手 1 1 1 2 1 2.输入各作业后的计测累计时间1歩 输入方法2种。任一种都OK2手 3 3 2 3 32歩 (1)各要素完成时间采用累计（秒）把握时3手 6 6 6 7 5 在累计时间sec里直接输入。3歩 (2)各要素完成时间采用时钟(ex 0:3:203分20秒)把握时4手 11 10 11 12 10 在累计时间（时间输入）的时、分、秒的各个单位里4歩 输入时间。完成后点击5手 13 12 12 14 125歩6手 14 14 14 15 146歩7手 17 17 16 17 177歩8手 26 26 25 268歩9手 29 29 29 289歩10手 42 43 45 39 4110歩11手 46 48 44 4611歩12手 66 68 69 63 6512歩13手 68 71 65 6813歩14手 69 73 66 6914歩15手 73 76 70 7215歩16手16歩17手17歩18手18歩19手19歩20手20歩21手21歩22手22歩23手23歩24手24歩25手25歩26手26歩27手27歩28手28歩29手29歩30手机种 KH145表准作业组合票每班必要数图号 周期时间秒生产线名 卷线S线工程名系长 班长 作成8.4IE系手作业手头、自动送步 行SWA005定子刻印(2) 副号 作成日順 作業内容手待時間手 送 歩 1 2 3 4 5 6 7 8 15 169 10 11 12 2821 22 23 24225 26 2717 18 19 2013 143.2029 301 右手取下成品,左手装夹素材,启动 3.58机加工63 保持启动状态 1.604 到传送带取两个素材到工作台53.19107891411121318151617221920212623242530272829合計8.4手待00周期时间秒 8.4表(標)準作業票半成品加工前 加工後 安全注意 品質 時間換算線引S WA 005 传送链导轨机器瓶颈工位 15.96s nts 13 表 4.4b 工位 1“定子刻印” 间隔秒 0.5要素数 301 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 累计时间 累计时间（时间输入）要素 秒 時間 分 秒1手 1 1 1 2 1 2.输入各作业后的计测累计时间1歩 输入方法2种。任一种都OK2手 3 3 2 3 32歩 (1)各要素完成时间采用累计（秒）把握时3手 6 6 6 7 5 在累计时间sec里直接输入。3歩 (2)各要素完成时间采用时钟(ex 0:3:203分20秒)把握时4手 11 10 11 12 10 在累计时间（时间输入）的时、分、秒的各个单位里4歩 输入时间。完成后点击5手 13 12 12 14 125歩6手 14 14 14 15 146歩7手 17 17 16 17 177歩8手 26 26 25 268歩9手 29
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