汽车中后桥主减混合装配线设施规划及其平衡问题研究

合肥工业大学硕士学位论文汽车中后桥主减混合装配线设施规划及其平衡问题研究姓名杜伟山申请学位级别硕士专业工业工程指导教师刘明周20090401汽车中后桥主减混合装配线设施规划及其平衡问题研究摘要汽车中、后桥主减速器是汽车关键部件之一，其装配效率是影响汽车订单交货期的关键因素。本文的研究针对汽车中后桥主减速器混合装配线，主要包括两方面内容装配线的设施规划及工位平衡问题。论文介绍了中、后桥主减速器的结构、装配工艺和装配设备；针对传统物流规划中存在的缺乏动态性、直观性等不足及作业区内的微观布局易出现疏漏等缺点，应用系统化设施布置规划和可视化工具相结合的设计方法规划装配线和存储区域，提高了企业规划布局的准确性与可靠性，确定了机器空间位置的约束、人员活动范围的约束、产品空间位置等约束，为装配生产线平衡提供了必要的约束条件，使装配生产线平衡仿真更加符合实际生产条件；针对传统混合装配生产线缺乏对一个工位多个产品的研究，建立了一个工位多个产品的装配生产线平衡问题模型，以主减装配生产线为例，对模型进行分析建模，设计了基于激素调节机制的改进遗传算法的适应度函数、选择、交叉及变异算子，对一工位多产品的混合装配生产线平衡问题模型进行求解，然后利用MATLAB软件编写仿真算法程序对模型进行仿真，验证了模型的可行性和算法的有效性。本文是从设施规划到工位平衡分配的一个整体优化设计过程，能够为汽车企业组建主减混合装配线提供有效参考。关键词主减速器设施规划装配线平衡遗传算法激素调节机制RESEARCHONFACILITIESPLANNINGANDBALANCINGPROBLEMOFAUTOMOTIVEMIDANDFINALDRIVEREDUCERMIXASSEMBLYLINEABSTRACTDRIVEREDUCERISONEOFTHEKEYCOMPONENTSOFAUTOMOBILE，ITSASSEMBLINGEFFICIENCYWILLDIRECTLYINFLUENCETHECONSIGNMENTSCHEDULEDTIMEOFAUTOMOBILETHERESEARCHOFDISSERTATIONAIMATMIDANDFINALDRIVEREDUCERMIXINGASSEMBLYLINE，INCLUDINGTWOSIDESTHEFACILITIESPLANNINGANDTHEASSEMBLYLINESLINEBALANCINGPROBLEMTHEDISSERTATIONINTRODUCEDTHESTRUCTURE，ASSEMBLETECHNICSANDASSEMBLEEQUIPMENTOFTHEMIDANDFINALDRIVEREDUCERCONTRAPOSINGTHEPROBLEMSUCHASLACKOFDYNAMIC，LACKOFVISUALANDTHEOVERSIGHTSAREEASYTOCOMEOUTINTHETASKSECTION，THEDISSERTATIONINTRODUCEANEWDESIGNMETHODWHICHWASCOMBINEDBYSYSTEMATICFACILITIESPLANNINGANDVISUALTOOLSTOPROGRAMTHEASSEMBLYLINEANDSTORAGEAREATHISWILLIMPROVETHEVERACITYANDRELIABILITYOFTHEENTERPRISESOVERALLARRANGEMENT。ANDWILLCONFIRMTHELCASHOFTHEMACHINESPOSITION，PERSONALTERRITORY，ANDTHEPRODUCTSPACEPOSITIONANDSOON，ANDWILLAFFORDTHEESSENTIALLCASHQUALIFICATIONTOTHEASSEMBLY1INESBALANCEWHICHWILLMAKETHEBALANCEEMULATIONOFTHEASSEMBLYLINEMORETALLYWITHTHEACTUALMANUFACTURECONDITIONCONTRAPOSINGTOTHELACKOFSTUDYONTHETRADITIONALMIXINGASSEMBLYLINERELYONONEPOSITIONTOMULTIPRODUCT，THISDISSERTATIONTRYTOESTABLISHAMODELABOUTONEPOSITIONTOMULTIPRODUCTTAKETHEDRIVEREDUCERASSEMBLY1INEASANEXAMPLE，PUTUPTHEMODELTOANALYSISANDMODELING，DESIGNTHEAPPLICABILITYFUNCTIONWHICHBASEONHORMONEADJUSTMENTMECHANISMGENETICALGORITHM，TOELECTINTERSECTANDVARIANCEARITHMETICOPERATORS，TRYTOGETTHEANSWEROFTHEBALANCEPROBLEMOFMULTIPRODUCTSMIXEDASSEMBLYLINEATLAST，MAKEUSEOFTHEMATLABTOCOMPILEEMULATIONARITHMETICPROCEEDINGTOIMITATETHEMODEL，VALIDATETHEFEASIBILITYANDVALIDITYOFTHEMODELTHISRESEARCHISAWHOLEOPTIMIZEDESIGNFROMFACILITIESPLANNINGTOWORKINGPROCEDUREDISTRIBUTION，ANDISCAPABLEOFEFFICIENCYCONSULTTOTHEAUTOMOBILECORPORATIONTOESTABLISHTHEDRIVEREDUCERASSEMBLYLINEKEYWORDSDRIVEREDUCER；FACILITIESPLANNING；ASSEMBLYLINEBALANCE；GENETICALGORITHM；HORMONEADJUSTMENTMECHANISM插图清单图21主减速器结构6图22中桥主减变速器7图23装配线及小车8图31SLP的主要内容及先后顺序13图32设施规划综合方法。14图33非物流相互关图15图34物流相互关系图16图35综合相互关系图17图36作业单位相对位置18图37设备空间参数19图38工艺流程分析20图39主锥总成及过桥箱总成混合装配线三维模型21图310差速器装配线三维模型22图311整体优化布局方案22图41问题编码示例28图42问题解码示例29图43染色体交叉过程30图51单工位多工件混合装配生产线37图52后桥优先关系图38图5。3中桥优先关系图38图5，4混合优先关系图39图55单工位多工件装配生产线平衡仿真结果40图56单工位多工件装配生产线平衡仿真收敛曲线图40图57两个中桥一个后桥的混合优先关系图41图5，8三个后桥的混合优先关系图42表格清单表31作业单元积14表32“密切程度”代码15表33“密切程度”理由代码15表34互关系的等级及划分比例表16表35后桥主动锥齿轮带轴承座总成装配线装配设备20表36后桥主动锥齿轮带轴承座总成装配线装配设备20表37差速器装配线所需设备21表51中桥主减总成工艺流程表37表52中桥主减总成工艺流程表38表53工位分配表41表54不同混合装配比例生产线平衡率42表55不同产量的生产策略42表56不同产量的生产策略42独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字棚伪签字魄冲年争月伽学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书学位论文者签名签字日期加7年Q,902EI|学位论文作者毕业后去向工作单位通讯地址剔磁锄氮签字嗍吁年争咖日电话邮编致谢在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，得到了我的导师刘明周教授的悉心指导，由衷感谢刘教授在学业指导及各方面所给予我的关心，特别是刘教授高尚的品质和道德情操使我受益匪浅。导师广博的学识、严谨的治学态度、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。非常感谢曹国安、蒋增强、沈维蕾、葛茂根、扈静等老师在学习和论文完成过程中所提出的宝贵建议和给予的帮助。也感何源、张明伟、甘丽珍、唐娟、卢佳、王海瑶等研究生同学的指导和帮助感谢在百忙之中抽出宝贵时间对论文进行评审的专家、学者们。感谢我的父母，感谢我的家人，感谢他们在我背后默默地支持和无私的奉献。最后，感谢所有关心过我，帮助过我的人。作者杜伟山2009年3月1O日第一章绪论11课题研究背景及意义进入21世纪中国汽车市场发展进入井喷期，随着中国加入WTO和人民生活水平的不断提高，汽车需求量和保有量出现了快速增长的趋势。据专家计算20092010年中国汽车保有量将以16一20的速度增长，到2010年我国汽车需求量和保有量将在6000万辆以上。可以推算2010年汽车的年需求量将达到1300万辆以上。因此，中国有望在2L世纪前10年成为世界上最具成长性的汽车消费市场，汽车在中国日益发展成为一种大众消费品【L】。随着我国汽车需求量的增加20世纪90年代起，中国的汽车工业也进入了一个快速发展的时期，特别是20012007年期间，中国汽车产量由200万辆迅速上升到720万辆，年均增长率高达24。2008年更是中国汽车行业快速发展的一年，全年国产汽车产销量分别接近和超过880万辆，再创历史新高。其中，轿车销量达到47266万辆，载货汽车产销量分别为25013万辆和24940万辆【2】O虽然我国汽车产量逐年增加，但我们应该认识到我国汽车行业制造水平同国外相比有着很大的差距，全球汽车行业的激烈竞争促使我国的汽车行业必须提高汽车生产的效率和质量。一方面，汽车的水平和质量取决于装备水平，另一方面，一个国家汽车工业和一个汽车企业的国际竞争力又取决于制造成本。企业生产系统合理物流设施规划可以在提高生产效率的同时大大降低企业的制造成本，这样才能利用价格优势去适应激烈的竞争环境。所以汽车装备制造业企业内部的合理物流设施规划同提高装备水平一样已成为我国汽车工业发展的一个课题。论文对汽车关键部件主减速器装配线进行合理的设施规划和工位的平衡分配，对提高汽车装配业的生产率，降低汽车制造成本有重要的理论指导和实践意义。12课题研究现状121设施规划研究现状布局设施规划问题在文献上始见于1930年。到目前为止，研究人员己经提出了数个解决制造系统布局问题的公式与规则，涌现出了大量的方法与技术手段刘晖，张秋英，范秀敏对基于设备分类的生产线车间平面布局进行了研究，提出了基于设备布局的生产线布局方法【31。曹振新，朱云龙，宋崎等对制造系统的布局方法进行了研究，提出了动态环境下的设备布局方法41。郝理想等通过可视化仿真的对车间设施布局进行研究5】。琚科昌，王转利对制造企业设施规划的SLPSYSTEMATICLAYOUTPLANNING方法进行了研究【6】。叶慕静，周根贵利用SLP和遗传算法结合研究工厂平面布置F71。李伟峰研究了三维仿真技术在车间布局设计中的应用【81。ALANGEVIN等人讨论了流水线的布局问题PJ。SSHERAGU等学者则采用混合整数规划方法求解生产线车间模型【L。虽然设施规划研究方法众多，其中SLP系统化规划方法和可视化手段目前应用最为广泛，其中SLP方法的优点是其系统化的思想可以设计人员提供一个宏观布局思想，而可视化的仿真方法可以设计者提供一个对微观布局一目了然的三维可视化的人机界面，本文这正是基于这种方法互补的思想对主减装配线的设施采取二者相结合的方法进行合理的布局规划。122生产线平衡研究现状生产线平衡问题是在1954年，美国人BBRYTON在他的硕士论文连续生产线平衡中第一次提出并着手解决这一问题。其后生产线平衡成为一个热点研究领域。BOMAN提出了利用01规划方法解决ALBASSEMBLYLINEBALANCE问题【J。SIMARIA考虑了混流线上存在并行工作站的情况，并提出了数学模型和遗传算法求解过程12】。COWAY提出了利用分枝定界的方法解决ALB问题13】。MATTHIASAMEN采用一种精确回朔优化方法研究了面向成本的装配线平衡141。JOHNMILTENBURG使用动态规划算法研究了JIT生产模式下U形生产线车间的平衡和再平衡问题【L51。陈晓峰等使用鳗鱼选择法通过对遗传算法杂交算子的设计进行生产线平衡问题研究161，宋华明等用遗传算法解决了U型生产线平衡问题171。王芸风等采用模拟退火算法研究生产线平衡问题，该方法可以有效避免遗传算法由于速度过快而收敛于局部最优的缺点181。周亮，宋华明等提出了基于遗传算法的随机型生产线负荷平衡问题的求解算法【19】。周金应，但斌等提出了面向产品族的混流装配线平衡研究【201。以上的众多方法可归结为四种类型最优化方法数学模型法、启发式方法和工业工程方法、仿真技术的应用。下面是解决流水线平衡问题各种方法之间的比较分析。1最优化方法尽管利用数学模型能找到最优解，但是只能局限于作业元素个数较少的ALB问题的求解。2启发式方法通俗易懂、建模简单，流程图基于决策者的经验而建立，但在平衡前需预先确定准则，体现出它的静态性，不能满足目前市场及其环境变化的动态性。3工业工程方法是不需要进行建模，只需决策者运用工作研究和作业测定技术对作业工序进行深入分析，但对于作业元素个数较多且约束条件较多的2ALB问题则体现出一定的局限性。4仿真技术的运用。在应用优化方法求解的同时，几乎都用到了仿真技术，随着计算机技术的发展，在目前现有软件包的基础上进行二次开发，建立可视化的虚拟仿真装配系统，以实现装配线的动态平衡效果，将值得进一步研究和思考。13课题来源本论文依据“论文写在产品上，研究做在工程中的论文思想，依托于合肥工业大学机械与汽车工程学院与安徽江淮自动化有限公司合作的车桥主减速器装配线仿真设计及物流瓶颈分析项目作为课题来源。江淮自动化有限公司是一家专门从事汽车装配线研发生产的企业，占据汽车装配业生产线产量的35的市场份额。其核心产品就是本文研究的汽车主减装配线，随着我国汽车行业的飞速发展，对汽车装配生产线设计与规划提出更高的要求，目前的主减速器装配线存在如下的不足1自动化程度比较低由于我国的汽车装配业与国外的相比差距很大，大部分装配工序采用手工装配，本文研究的主减生产线，其主动锥齿轮和差速器装配线主要是采用半自动化的加工方式，而合装生产线装配几乎全部由手动装配为主，装配效率低下，工位分配混乱，很难调动工人的工作积极性。2规划不合理由于主减装配线有多条分支组成，其间的配件、在制品等物流复杂繁琐，如果不进行合理的实施规划，将对装配线的生产效率产生极大的影响，而且作业区内的微观布局缺乏准确性与可靠性，并且在规划过程中缺乏对机器空间位置的约束、人员活动范围的约束、产品空间位置约束等。3装配线平衡性差由于主减装配线的手动装配比较多，装配线的平衡对装配的产品效率、装配质量都会产生很大的影响。这是由生产线的不平衡所导致装配工人的劳动强度不同造成的，瓶颈工位上的员工为了赶上装配线运行节拍，而常常忽视装配质量。为了满足汽车主减装配业的提高装配效率、提升产品质量的要求，需要对主减装配线及其存储区域进行合理的设施规划，使机器空间位置约束、人员活动范围约束、产品空间位置约束等一目了然。并且在确定各种约束的基础上把装配线的工序平衡分配到各工位，以降低由于装配工人的因劳动强度不同造成的质量损失和效率损失。14论文的主要内容本文的主要内容分为两大部分1主减装配线设施规划2主减装配线平衡问题3其中合理的设施规划能够为装配线的平衡问题的研究提供了机器空间位置约束、人员活动范围约束、产品空间位置约束，以使装配生产线平衡仿真更加符合实际生产条件。第一章绪论。论述了本论文研究的工程背景及研究意义，总结了设施规划和生产线平衡问题的三种主要解决方法，分析了设施规划和生产线平衡问题的国内外相关研究现状，阐述了本课题研究的关键问题、现有条件及解决关键问题的方法和途径。第二章介绍汽车中后桥主减速器的结构，装配线的加工方式及主要设备进行了详细介绍。第三章装配线的物流设施规划，包括装配线和存储区相对位置的确定，装配线设备的建模、布局，在装配线和存储区的宏观相对位置规划采用系统化设施布置规划方法，对作业区内的微观布局主要采用可视化仿真的方法，并且确定了机器空间位置的约束、人员活动范围的约束、产品空间位置约束，并为装配生产线平衡提供了必要的约束条件，以使装配生产线平衡仿真更加符合实际生产条件。第四章采用基于激素调节机制的改进遗传算法对装配生产线平衡问题进行建模，构造了模型的适应度函数，研究了基于该算法解决装配线平衡问题模型的编码方式、解码过程、初始种群的生成方式，并设计了激素调节机制的改进遗传算法的选择算子、交叉算子和编译算子，以使激素调节机制的改进遗传算法能够对装配生产线平衡问题进行顺利求解。第五章首先介绍生产线平衡问题包括相关概念，评价指标，然后提出基于激素调节机制的改进遗传算法并利用该算法解决了单工位多产品的主减总装线工位平衡问题，并提出了不同产量配比下的最优策略选取，并通过仿真进行了模型有效性、可行性的验证。第六章总结与展望15课题中的关键问题及解决办法本课题的关键问题为1三条装配线和六大存储区域的位置确定。2装配线内设备的微观布局。3单工位多产品的主减总装线平衡问题。关键问题的解决方法为1三条装配线和六大存储区域的位置确定主要采用系统化设施布置规戈IJSLP方法，建立作业单位的综合相互关系图进而分析出各个单位的相对位置，得到宏观位置布置方案。2设备的微观布局本文主要采用EFACTORY仿真软件，通过设备真实尺寸和功能进行模块化建模仿真，以确定设备间的空间约束，在工序流程的基础上确定设备的位4置。3单工位多产品的主减总装线平衡IHJ题，主提通过基于激素调节机制的改进遗传算建模仿真，得出工位分配的最优解。16本章小结本章首先介绍论文研究的工程背景及研究意义，其次分析了装配线设施规划及生产线平衡问题的国内外研究现状。在此基础上，阐述了本课题研究的主要内容、关键问题、以及拟解决关键问题的方法和途径。5第二章汽车中后桥主减速器及装配设备简介21汽车中后桥主减速器结构211后桥主减速器结构2H根据驱动桥主减速器的形式可将驱动桥主减速器分为单级主减和双级主减、双速主减、单级贯通、双级贯通、单级或双级减速配以轮边减速等，其中单级主减速器和单级贯通减速器为单级主减速器，其它为双级主减速器。在驱动桥中，斯太尔系列驱动桥结构典型，应用广泛。斯太尔系列重型卡车采用分离式双级主减速器结构，主减速器的第一级设于驱动桥的中部，结构同一般的单级主减速器，第二级为行星齿轮减速器。本文设计的装配线主要装配对象就是斯太尔驱动桥主减速器。主减速器有时也称主减速器总成、主减总成或主减，从图21上来看，后桥主减速器结构可以分为以下几大部分1主动锥齿轮总成，主动锥齿轮总成结构由主动锥齿轮、凸缘、主锥轴承座总成等构成；3差速器总成，差速器总成结构由差速器右壳、差速器左壳、被动锥齿轮等构成；2主减速器壳等合装零件。2凸生图21主减速器结构212汽车中桥主减速器结构【2L】汽车中桥主减速器结构由三大部分组成，如图24所示。其中差速器总成6与后桥主减相同。1过桥箱总成，过桥箱总成结构由过桥箱、主动锥齿轮等组成；2差速器总成；3主减速器壳等合装零件。2主动锭齿轮图22中桥主减变速器22装配线介绍按照装配线平面布置的形状它可以分为直线型、U型、环型。传统的装配线设计成直线型，线上分工很细，相对于需求的变化，难以重新调整而达到新的平衡。线上的操作人员进行的是简单的重复作业，枯燥无味，容易产心理疲劳，混流型和U型装配线是多品种小批量的一种装配组织方式，实现装配单元内的作业人员一人多机操作，减少操作人员，提高了系统的柔性和装配效率，便于随时调整作业人数，适应产品和产量需求的变化。混流型和U型装配线布置是JIT生产系统的一个特征，也是JIT系统实现“只在需要的时候，按需要的量，装配所需的产品目标的重要措施。环型装配线是在U型装配线的基础上发展起来的，它的目的是为了重复利用装配线上的某个辅具，通过添加轨道和转向机构而让装配线构成封闭形状。它同样也具有U型装配线的特点。主锥总成装配线和差速器生产线属于U型生产线，主要可分为两种形式平面双循环形式和立体上下返回式。两种形式没有本质上的区别，只有一点差异就是托盘小车的返回形式不同。平面双循环形式，采用环形设计，在四个转角处设有转向机构。随行小车物流方由外侧边线完成装配，由里侧边线自然返回。而立体上下返回形式小车不是有内测边线返回，而是由装配线两端的升降机构和底部的复线返回。无论哪种形式，各工位设有定位器，小车间设有缓冲7器，可适用多品种变化的要求。主减合装线只能采用平面双循环形式，小车采用牵引力输送，装配线上每个工位设有停止器，可随时停止与启动。由于减壳在装配丰锥总成和差速器总成时需要翻转，所以台环小车上还设有360回转装置和分度定位装置，以适应台装时主减速器需要多次翻转的要求。丰减速器合装线小车的夹具根据不同的产品定位设计，定位稳定、夹紧牢固，有较强的刚性，使用寿命长，涧整方便、可适应多品种。建立装配线驶小车三维模型如图23所示。忙1环形装目E线幽23装配线及小乍装配线生产方式一般分为单品种装配和柔性化多品种装配方式。单产品装配线是指只装配一种产品的装配线；柔性化装配线是指在一定时间内在一条装配线L装配山多种不同型号和配置的产品，产品的品种和数量可|三【随顾客需求的变化而变化。柔性装配极大地提高R装配线上的工时利用率和生产效率，弥补了单一产品牛产时南于缺件倒线所造成的工时空耗和空线现象。因为汽车主减总成品种多，装配线般为柔性多品种混合装配线。23装配线主要设备介绍主减装配线上的主要设备包括压力机，测量机，四轮拧紧机，凸缘拧紧机，压测机。1主锥轴承预紧调整垫片预选机圆锥滚子轴承需要正确地预紧，主动锥齿轮总成的结构上，调整垫片就是用来调整轴承预紧的。调整垫片通过控制外轴承内圈与内轴承内圈的相对轴向位移量来达到所需要的预负荷，垫片厚度直接影响到预紧力矩的大小，装配工凭经验主观选择垫片容易造成装配的不合格和返修。为彻底改变这一状态，江淮自动化公司专门研制了主锥轴承预紧调整垫片预选机，主要由主机、辅机、垫片存放台、垫片厚度复测仪及其控制系统五部分组成【221。该设备工作原理是，垫片预选机主机、辅机测量出相关数据，通过数控机计算得出应选垫片结果，灯箱指示给操作者。操作者选取正确垫片后，通过垫片复测仪检验垫片厚度是否符合选垫结果，如果垫片厚度与选垫结果相符，则选垫成功，将垫片与隔套装入主锥，进行下一步的操作。2专用压力机一般情况下，轴承与轴以及轴承座相配合才能使用。轴承相对与套圈发生相对旋转，也就是说，当径向载荷的方向不变，但套圈旋转时，或者套圈静止，但载荷绕套圈旋转时，配合面上承受载荷的位置将发生接触变形。同时，在其相反位置将产生间隙。于是，配合面的内侧零件与外侧零件的圆周长将不一致，内侧零件将在外侧零件的内径面内滑移。这种滑移是缓慢的，一般称为蠕变CREEP23】。发生蠕变后，由于配合面的润滑较差，再加上磨粒的作用，配合面将发生严重的磨损，使轴承旋转不良、发热或引起轴承内部磨损，最终导致套圈损坏。为了防止这种现象，主减的装配大多需要采用过盈配合，使配合面不产生间隙。主减装配线采用以正规厂家的成熟产品为基型，根据各压装工位的具体要求，进行改型设计和PLC控制，这样既可满足压装要求，又保证压力机质量稳定，动作可靠，刚性好。一般采用带下缸下缸公称推力与上缸相同的专用压力机，由上、下缸对压完成压装工作，这样既可很好地保证在线完成压装工作，又可避免小车和装配线体承受压力而产生变形。3数控电动拧紧机主减速器各凸缘处的大螺母，旋紧扭矩大，对扭矩值定扭矩的要求也较高，部分产品还有对孔要求。为此安徽江淮自动化装备有限公司研制的特制拧测机，可以在拧紧螺母过程中，实时检测轴承预紧力矩情况。当采用动态拧紧后，设备可以根据预紧力矩的需要，自动计算拧紧力矩，提高主锥装配质量，提高装配效率。工件到达本工位时，拧紧滑台升降气缸带动拧紧系统下降，预紧滑台9升降气缸带动预紧力矩测量系统上升，拧紧力矩传感器测量拧紧力矩的同时，预紧力矩传感器实时监控主锥轴承的预紧力矩大小。为此装配线采用电动拧紧机，该机由计算机闭环控制，不仅旋装平稳，扭矩大、精度高，并能实时显示旋装时的实际扭矩和旋紧达到的最大扭矩，根据需要，部分拧紧机可进行相位控制【241。4数控多轴拧紧机主要用于差速器装配线的盆齿螺栓和左、右差壳螺栓的拧紧，闭环自动控制，可消除多轴拧紧时各轴间拧紧不同步的轴间干涉，保证各轴都能达到设定的扭矩值和合理的轴间拧紧顺序。扭矩大、精度高，工作可靠，可显著提高生产率和装配质量【251。5数控压测机集合压装，测量为一体的多功能设备，其作用是压装主锥总成的轴承内圈，凸缘总成。其工作原理是压装凸缘后由上下压头规定总成，然后有测量系统测试主锥与轴承座之间的配合情况【261。24本章小结本章详细介绍了汽车中后桥主减的结构，混合装配线的运行及生产方式，并详细介绍了包括主锥轴承预紧调整垫片预选机、专用压力机、数控电动拧紧机、数控多轴拧紧机、数控压测机在内的主要设备的功能。10第三章装配线及配件存储区布置规划系统化设施布置规划SLPSYSTEMATIELAYOUTPLANNING适用于车间设备的宏观规划，简单易行，但对作业区内的微观布局由于过多的空间和工序间的约束分析起来非常的复杂，而且容易出现遗漏。可视化仿真方法恰恰可以弥补之一缺点，可视化的三维立体模型使系统中的空间约束一目了然，本文对装配线的设计采用二者结合方法，在装配线和存储区的宏观相对位置规划采用系统化设施布置规划方法，对作业区内的微观布局主要采用可视化仿真的方法，提高了企业规划布局的准确性与可靠性，并且确定了机器空间位置的约束、人员活动范围的约束、产品空间位置约束，以此为装配生产线平衡提供了必要的约束条件，以使装配生产线平衡仿真更加符合实际生产条件。31物流设施规划的内容和原则311物流设施规划内容生产物流规划通过对外部条件、生产模式、产品结构、产量、工艺路线、制造资源和物流资源的配置等生产相关数据的研究，从对生产物流的空间静态结构和动态运作的分析出发，对生产系统的工厂选址、车间空间设施布置、缓存区的容量和位置、物料搬运系统配置、物流通道分布、物流设备调度等生产物流问题进行规划，使生产物流的人力、财力、物力得到最合理、最经济、最高效的配置和利用，提高物流效率，进而提高生产效率，达到以最少投入获得最大效益的目的【271。312生产物流设施规划的原则1工艺性原则工艺性是产品生产制造过程合理、连续以及生产各环节加工能力相匹配的有力保证。工艺合理不仅可以减少生产过程中的中断、等待和停顿还可以避免系统配置的不平衡，减少生产能力的冗余，保证零件的加工要求。2物流简化原则在物料搬运过程中应该尽量保证物料移动距离最短、搬运环节最少以及搬运作业最简。在保证加工任务顺利完成的情况下，应该尽可能减少物料和人员的流动距离，避免物流交叉，尽量采用直线前进的原则，以节省时间，降低费用，减少混乱。同时，尽量简化搬运作业，减少搬运环节，提高系统物流的可靠性。3可持续性原则可持续性是对车间系统更新和升级能力的要求。一方面通过重组或变更串接的设备，就能方便地组成适应形状和工艺变动较大的零件加工的新设备布局；另一方面通过扩展或减少并联的设备，就可在不影响己有设备运行的前提下，根据市场的动向迅速无缝地调整产品的产量。4经济性原则经济性是在车间布局时应该考虑的一个重要原则。要用尽可能少的资金，实现满意的车间布局，提高企业的经济效益。另外，车间布局进行重组时，经济性也是必须考虑的重要因素之一。若设备重组的成本过高，必然会提高产品的生产成本，导致产品不为顾客接受，难以满足市场的要求，因此，在进行设备重组之前，也必须先对重组成本的经济性进行综合评估，以保证企业的效益。5柔性化可重构原则考虑到产品结构、生产规模、技术进步和工艺条件的变化以及管理结构的变革，都会引起车间布局结构的变化，因此，在车间布局设计时，应该尽可能根据企业的战略，将产品未来的变化考虑进来，采用柔性生产线以及可重构的车间布局形式，便于将来产品的变更。6充分利用空间和场地原则根据产品的生产工艺，合理安排机器、物料的摆放位置以及人员的工位，在保证加工任务顺利完成的同时节约场地。另外，在搬运过程中，尽量使用符合集装单元和标准化原则的各种托盘、料箱、料架等工位器具，以有利于提高搬运效率，物料活性系数，系统机械化和自动化水平，节约空间。32设施规划的方法321MUTHER系统化设施布置规划SLP方法20世纪60年代美国RICHARDMUTHER提出的系统化布置设计SYSTEMATICLAYOUTPLANNING，是对工业设施传统经验布置方法的重要挑战，在世界范围内对设施布置都有较大的影响。系统化布置设计SLP是对设计项目进行布置的一套有条理、循序渐进的、对各种布置设施都适用的方法。是一种基本的程序模式，非常适合于各种规模的工厂的新建、扩建、或改建中对设施或设备的布置和调整。1SLP的输入数据SLP的输入数据是P、O、R、S、T，其中1P一一产品和物料，包括其变化和特性；2Q一一每种产品的数量；3R一一加工流程或搬运路线；4S一一支持生产过程的服务部门或辅助部门；5T一一与上述四项有关的时间因素，以及与设计本身进度有关的时间因素。2SLP的三个阶段1确定位置。位置可以是一个新址，或是一个厂房，或是一个仓库等。2总体规划。要决定布置范围内的基本物流模式，要标明每个作业区域、12作业单位、车间或工厂的大小和相互关系。3详细布置。包括每一台设备及每一项设施详细位置。SLP的主要内容及先后顺序如图31【28】所示。图31SLP的主要内容及先后顺序322可视化仿真设施规划方法可视化仿真是虚拟制造VIRTUALMANUFACTURING技术的关键技术之一，跟随计算机技术的发展可视化仿真技术近年来发展也非常迅速。它应用计算机通过两种方式建立系统模型，可以是抽象简化模型，也可以是真实实体相识度很高的模型，对复杂的运作系统进行抽象以形成系统模型，然后利用算法或软件运行此模型，以优化实施方案。因此，利用可视化仿真技术将现实布局环境及布局过程通过建模映射到计算机虚拟环境中借助相关软、硬件设备，提供给布局设计者一个三维、可交互及直观方便的人机界面，然后利用建立起来的数字化模型来代替实物模型进行仿真、设计和分析。由于仿真是以系统模型为对象的研究方法，因而不用干扰实际生产系统。同时由于计算机的快速运算能力，可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时间的生产周期。从而改变传统的设计理念，在质量、成本、服务和环境等多方面提高决策设计水平【2弘31J。323系统化设施布置规划SLP与可视化仿真结合布置规划车间布局包含两个层次的内容，作业区之间的宏观布局及各作业区内的微观布局，这两个层次的内容包括了车间的物理信息和逻辑信息。物理信息包括建筑模型、车间空间布局、在制品、设备、工人的几何模型、工位安排及输送系统等；逻辑信息包括工艺流程及生产组织信息等。13本文对装配线的设计采用二者结合方法，在装配线和存储区的宏观相对位置规划采用系统化设施布置规划方法，对作业区内的微观布局主要采用可视化仿真的方法。具体步骤如图32所示图32设施规划综合方法33装配线及存储区相对位置规划331各作业单位所占面积表31作业单元面积作业单位长度单位米宽度单位米主锥及过桥箱总成装配线1545差速器总成装配线153总装线7865主轴及过桥箱存储区242差速器外壳存储区242主锥及过桥箱总成存储区262差速器总成存储区42减可存储区252减速器总成存储区638车间总面积4212332作业关系分析在设施布置中，各设施除了通过物流关系联系外，还有工作事务、行政事务等的活动，联系都可以表示为各单位之间的关系，也成为非物流关系。通过单位之间活动的频繁度可以说明单位之间的关系是密切的还是疏远的。这种单位之间的密切程度的分析称为作业单位相互关系分析。作业单位相互关系分析主要通过作业单位相互关系图进行分析。这一方法主要是采用一种“密切程度“代码如表32所示。此外还有一种理由代码说明到14此种密切关系程度的理由，如表33。表32“密切程度”代码程度代码AEIOUX绝对必要特别重要重要一般不重要不要靠近实际含义ABSOLUTELYESPECIALLYORDINARYCLOSENESSNECESSARYIMPORTANTIMPORTANTUNIMPORTANTIMPORTANTUNDESIRABLE表33“密切程度”理由代码理由代码12345678用同一库存控零件流理由物流服务方便联系清洁场地制动主动锥齿轮的生产车间划分为9大区域，分别为主锥及过桥箱总成装配线、差速器总成装配线、合装线、过桥箱及主轴存储区、差速器外壳存储区、过桥箱总成及主锥总成存放区、差速器总成存放区、减壳存放区、减速器总成存储区。并依据“密切程度“代码和理由得出作业单位非物流相互关系图如图33。菱形框的上半部为密切程度代码，下半部为理由代码。然后根据各个区域之间的物流强度画出物流相互关系图物流相互关系图所采用的程度代码与表32一致如图34。图33非物流相互关图1主锥总成装配线2差速器总成装配线3总装线4主轴及过桥箱存储区5差速器外壳存储区6主锥及过桥箱总成存储区7差速器总成存储区8减壳存储区9减速器总成存储区U夕羚UY图34物流相互关系图量化物流强度等级和非物流的密切程度等级。量化的数量值取为A4，E3，I2，O1，U0，X一1，权重比为11。关系矩阵加权相加为054224020004204020040044444O0OOO40000411041O40405424242O404O44003O0404422403420404OO354O04O4由得出的关系矩阵并经过调整各等级所占比例，比例调整依据表3。4，得出综合相互关系图35。表34互关系的等级及划分比例表关系密切程度等级符号作业单位配对比例绝对必要靠近AL3特别重要靠近E25重要I38一般O515不重要U2085不希望靠近X010U0；N为HILL系数，且111；11和T共同决定曲线上升和下降的斜率。该函数具有如下性质1瓦1一瓦。；2FGGR蛎；30FG1，其中，FG表示兄G或兀删G。如果激素X受激素Y调控，则激素X的分泌速率与激素Y的浓度Q的关系为EAFC,最O43其中，S。表示激素X的基础分泌速率，A为常量系数422求解装配生产线平衡问题的基于激素调节机制遗传算法1适应度函数的构造在遗传算法的应用中，要结合求解问题本身的要求设计适应度函数，适应度函数一般是由目标函数加以变换得到的，但要保证是最大化问题和非负性。一条平衡性好的装配生产线，不仅要求装配生产线工位间的负荷均衡，还要考虑减少成本，减少装配生产线上的工位数，可以节约生产线占地面积、减少物料搬运设备和相关的夹具设备，从而降低企业的制造成本。这里引入平衡损耗系数D，竹宰MAXT07“D二J三L44MMAXT0、上式中MAXTI表示瓶颈工位加工时间，即所有工位时间最长。M表示总工位数，D它表示了由于生产线上工位之间作业分配不均而导致的空程时间比率，D值越大表示工位损失时间越多，从上述表达式中不难发现，合理控制生产线的工位数目能在一定程度上减少工位损失时间。在平衡的装配生产线上，要求装配生产线上各个工位间的负荷均衡，由生产线的平滑指数肼来表示，赋逸小表示生产线工位的负荷越平衡，其中CT为生产节拍，乃为每个工位的加工时间。M为总工位数髓、C丁一TI2M45综合考虑生产线平衡损耗状况和平衡状况，构造目标函数如下M宰鼍W等件6，WL和W2为权重系数，盯一，D。；分别为每代粒子中SI，D的最大值，函数的第一部分保证装配生产线的平衡，第二部分保证装配生产线上的工位数最少，一般取WJW21，W，和W2的取值根据目标函数对装配生产线平衡和工位数的要求而定，若W，W2则表示使生产线负荷平衡的目标比工位数目最少的目标更重要。所以算法的适应度函数为FXMAX驴X47遗传法由于仅靠适应度来评估和引导搜索，所以求解问题所固有的约束不能明确表示出来。而在装配生产线平衡问题中由于设备大小，工序的衔接等约束导致有些工序不等在同一个工作站进行，对此本文设计如下惩罚函数GX来解决这一问题鼬，M木MAX。喜K，C4删其中K，X。，X2彳。，以，X州，托为约束工序对，当工序对成立的时候彳。，以1，否则为O。当分在一个工位的工序中如果存在一个以上约27束对时，耳1RL49所以最终的算法适应度函数为耻细AX卜等等埘悻E其中W，W2一一权重系数5口，口一一一分别为生产线的平滑指数、每代粒子中口的最大值；D，D一一一分别为平衡损耗系数D、每代粒子中D的最大值；M一一惩罚函数系数MAXT0，K，一惩罚函数。2算法的编码和解码应用启发式算法解决组合优化问题首先要进行编码，把优化问题的一切性质都通过编码来实现。问题空间到表达空间的一一映射关系称为编码，一个有效的编码必须覆盖问题空间的整个可行域，这样才能有效地保证求解的全局最优，如果编码方式处理不当，很容易在进化过程中产生无效解。为了便于描述模型的实际意义，减少计算量，现采取遗传算法的实数编码方式，具体编码如下一个染色体由所有工序排列组成，代表一种生产线平衡方案的可行解。例如，一生产线上的产品由6道工序组成，工序A1，A2，A3，A4，A5，A6。加工时间分别为22S、11S、14S、2S、16S、15S，如果基因团圈团囡固团图41问题编码示例表示一个可行解，那么根据对染色体的解码过程，就可以得到染色体适应度值的大小，并可以划分出工作站中工序，求出一个生产线平衡率。解码和编码是相对应的，算法的最后一个工作解释通过解码得到问题的解。根据上述的编码方式，问题的编码是按照作业要素的优先顺序来进行的，解码时按照编码的顺序依次计算作业要素的累积时间T，并与生产线节拍CT进行比较，当计算到第I位编码时累积时间TI仍小于CT，再向下累加到第IL位编码时，若TI1大于CT，则以前面I个编码对应的作业要素分配给第一个工位，依次进行直到把对应编码中所有的作业要素分配完毕。以图41所示的编码进行解码，我们假设生产线节拍为3S，按照上述方法进行解码，得到图42中编码对应的解为TL22223T326T42图42问题解码示例3初始种群的生成初始种群的生成也要根据生产线平衡问题的应用进行设计，在生产线平衡问题中，由于产品的工序之间具有工艺上的约束，即每道工序一般具有紧前工序的约束，有些模型随机生成染色体，使染色体中存在大量的不可行解，然后在算法优化计算时再调整染色体，使之变为可行解，但这样必然影响算法效率，增大计算量，并影响优化结果的精度。因此，为了提高算法运算效率及计算结果的精度，本文在初始生成染色体时即使染色体为可行解，并在优化计算过程中始终保持染色体为可行解，以避免染色体在算法运算过程中变为不可行解。生产作业要素的优先关系图是一个顶点表示活动的网ACTIVITYONVERTEXNETWORK，简称AOV网【361。它是用顶点表示活动，用弧表示活动之间的优先关系的有向无环图。在有向图GE，P中，E集中顶点的序列EL，E2，EI，E11称为拓扑排序，序列必须满足对于序列中任意两个顶点EI和EJ，在G中如果有一条从EI到EJ的路径，那么在序列中EI必须排在EJ之前。染色体种群的生成采取无前趋的顶点优先的拓扑排序方法，即对每个节点进行遍历，以出度数、入度数表示紧前工序、紧后工序的工艺约束。该方法的每一步总是输出当前无前趋即入度为零的顶点，其算法伪代码可描述为NONPREFIRSTTOPSORTG优先输出无前趋的顶点WHILEG中有入度为0的顶点DO52，“【一3装配生产线平衡效率效耻琢篙麓枷。装配线平衡效率表示了整条或者部分生产线的平衡和连续状况，平衡率对应的还有平衡损失率D似纠。4平滑性指数平滑性指数SMOOTHNESSINDEX，简称SITS、凹一A2M与装配线53甜是生产线上工位作业时间分布的离散状况的衡量指标，表示了生产线上各个工位之间的作业时间的偏差程度，S瞄越大，则生产线上工位的作业时间分布偏差越大，反之则偏差越小。53装配线平衡设计优化的一般原则装配生产线平衡问题是优化设计装配线的主要问题，尽量调整各工序间的作业时间，使各个工作站总装配时间使差距最小。各工作站间的作业时间差距越小，生产线就越平衡。装配平衡优化设计遵循如下原则1装配生产线设备布置按工序流程进行设备种类配置；依据生产节拍的需求合理配置设备数量；设备布局型式以“U”字型为首选方案，作业方向应统一，设备间距尽量缩小。2工序内在制品的物流存储实行“单件小批一个流传递”的原则；明确存储位置与存储量；配置相应的物流设备。3装配生产线物料零部件供应采用“多频次、少批量、准时制”的原则，确定供货存储区域、存储量、供货物流规则，设置供货物流设备。4装配生产作业方式依据生产节拍实行“一人多工序“的节拍生产。5装配线人员配置实行人机作业时间分离原则，作业循环时间应为恒定，作业内容应是重复作业。6装配生产计划依据各工序生产能力与生产节拍指示生产量与进度；在销售计划与生产计划进行整合的前提下，实施“平准化“原则。54混流装配生产线平衡的理论研究混合品种装配生产线平衡问题时有如下的前提与假设【44J1所有品种的任务子集相同，各品种优先顺序关系图可以重叠合并为一个无回路的联合优先顺序关系图。2同一工作站中，各产品品种的相同任务有不同的操作时间，当操作时间为零时，表示该品种没有这项装配任务。3计划期内按照预先希望的产品品种混合比例装配产品。计划期内的对于品种需求可以用最小产品集MINIMUMPARTSET，MPS描述，或者称之为品种混合比，它是计划期内的一个最小品种生产循环。整个生产是由一系列的MPS重复运作完成的。这就是混合品种生产中通常采用的循环生产法45CYCLICPRODUCTION。混合装配线上生产种产品，在一个时间段内市场对这种产品的总需求量为S，每个品种的需求量为S，