U型装配线平衡与仿真研究

1、U型装配线平衡与仿真研究 分类号: 学校代号:密级: 学号:广东工业大学硕士学位论文工学硕士型装配线平衡与仿真研究刘凯指导教师姓名、职称:企业导师姓名、职称:专业或领域名称:学生所属学院:论文辩论日期:舢洲 四九¨四 .,摘要摘要随着精益生产的推行,越来越多的装配线设计采用型布局。相比传统直线型布局,型布局不仅能取得更佳的平衡性,而且布局空间紧奏,能缩短员工作业行走路径,减少物料搬运浪费。由于型线上员工实行轮岗制,具备多技能,且密切联系,使得型线在人员配置、产品切换与节拍调整等方面更加具有柔性,能快速响应外部需求的变化。研究型线平衡理论与型布局的实际结合将有利于制造企业型线的推广。本

2、文结合装配制造型企业装配线运行的实际情况,研究符合企业实际应用的型装配线的平衡问题。针对工人作业时间随机分布并与工人行走路径时间相互独立的型装配线平衡问题,运用遗传算法与仿真建模分析相结合的方法即基于仿真的优化方法求解在给定的节拍与完工率下的型线工作站数目,并且每一工作站实际完工率到达给定的完工率,解决符合实际应用的问题。由于所研究问题的实际复杂性,本文从总结装配线平衡理论根底开始,由传统直线型装配线布局引出型装配线布局,从描述传统直线型装配线平衡问题到型装配线平衡问题、作业时间随机分布的型装配线平衡问题、考虑工人行走路径的作业时间随机分布的型装配线平衡问题,并建立各自的数学规划模型。从综述传

3、统直线型装配线平衡问题的求解方法来分析解决作业时间随机分布的型装配线平衡问题,并设计基于可行作业元素序列编码方式的遗传优化算法求解。对于考虑工人行走路径的作业时间随机分布的型装配线平衡问题,由于传统求解方法的数学规划模型存在局限性,以及对实际性与随机性问题完全采用遗传算法进行编码与解码的求解过程存在复杂性,提出运用遗传算法与仿真建模分析相结合的方法求解。基于遗传算法求解的最优作业元素序列建立考虑工人行走路径的型线布局仿真模型,模拟工人行走路径以及工人作业时间的随机分布,得到型装配线平衡所需的工作站数目。本文研究的内容符合企业实际需求,为了更好更方便企业管理人员用于实践,设计型装配线平衡仿真系统

4、,其原理主要由两个模块相互构成:遗传算法优化模真软件,利用.内嵌的基于的语言设计遗传算法,采用.强大的仿真建模工具建立考虑工人行走路径的型布局仿真模型,系统结构功能齐广东工业大学硕士学位论文全,能够满足用户使用需求。最后通过算例验证所开发的型装配线平衡仿真系统是可行的。关键字:型线;随机分布;工人行走;仿真的优化方法, . , , ,. ?, , . ? ? ., .,. . . ,. .? ,? . . 广东工业大学硕士学位论文 . , , . . . ,. :. ?. .?. .; :;目录目录摘要?.?.目录。.第一章绪论.研究背景与意义?.研究对象与问题?.研究现状?.型装配线平衡问题

5、的研究现状一.时间随机分布的装配线平衡问题的研究现状?一.研究内容与章节安排第二章装配线平衡理论?.装配线定义与分类.装配线定义.装配线按布局分类?.传统直线型布局.型布局?.装配线按产品种类性质分类.装配线平衡问题理论?.装配线平衡问题定义?一.装配线平衡问题术语?.装配线平衡问题分类?. 型装配线平衡问题数学描述.本章小结.第三章作业时间随机分布的型线平衡.问题描述与数学模型?.作业时问的随机性广东工业大学硕士学位论文.工人的完工率?.数学模型?.算法设计.遗传算法?.编码方式?.初始种群的产生?.适应度函数.遗传算子操作.算例求解.本章小结.第四章考虑工人行走的.站立式走动作业方式?.考

6、虑工人行走的问题描述?一.数学模型.求解方法.型布局仿真建模?.仿真软件介绍?.?仿真软件应用特点.型布局模型构建.型布局根本仿真对象?.型布局元素建模.本章小结.第五章型装配线平衡仿真系统?.系统设计.基于仿真的优化方法.系统原理?.系统功能简介?.问题算例验证.问题集?.最优作业元素分配方案?目录.仿真模型及其结果.考虑与不考虑工人行走的结果比拟?.本章小结.全文总结与展望?参考文献?攻读硕士期间发表的论文独创性声明?.致谢?.广东 大学硕士学位论文?.:. .?.?.?.?.?.?. .?.?.?.?.?.?. . .?.?.?.?. .?.?.?. .?.?.?.?. .?。. .?.

7、 .?.?.?.?.:.?.?. .?.广东大学硕士学位论文.?.?.?.?.?.?第一章绪论第一章绪论.研究背景与意义年“福特装配车间每个汽车底盘由一名工人操作,每装配完成一件的时间是.小时,当装配线试运行成功以后,完成一件汽车底盘的操作时间为分钟,劳动生产率提高了倍多【】。在这种大规模生产方式下,单品种、大批量的流水装配线是一种生产过程的先进组织形式,能够极大地提高劳动生产率。装配生产过程的组织是否合理,对于流水线上产品的质量、本钱和产量都有很大的影响。流水线追求专业化分工的效率,将装配生产的整体过程分解成很多的工序,空间上顺序依次进行,时间上可以重叠并行。为了实现流水线的顺畅运转,需要经

8、常进行生产线平衡, ,让流水线保持一定的“节拍,通过各种技术组织措施,安排工序的单件时间使之与节拍相等或成倍数的关系。随着市场需求向多样化开展,适合多品种、小批量混合生产条件下的高质量、低消耗的精益生产方式产生了。精益生产是在适当的时间生产必要数量的市场需要的产品。消除一切不必要的浪费是精益生产的行动目标。在实际制造加工中,浪费表现在以下方面:不必要的工艺加工或过度工艺加工;不合格的半成品与成品的生产;在制品所占用的库存;原料、半成品、成品盲目地搬运;工序间负荷不平衡或完工不及时造成的等待与阻塞。这些浪费会造成工时损失。所以必须消除浪费,减少工时损失,实现均衡化生产。相比传统直线流水线生产方式

9、,精益生产方式更加柔性,推崇型布局生产。按型布局,工作站与工作站紧密布置,节约空间面积,方便操作人员“一人多机的管理设备,也便于零部件在设备工作站问的跳跃、迂回流动,缩短在整个加工流程中的时间。在型布局中,工作站内的操作工人可以方便地在型线的两边内侧同时操作多个任务,减少多余动作,提高了工人工作效率,缩短了工人行走路径。另外,采用型布局方式使得零部件在制品的传递更加流畅、方便,减少零部件运输搬运时间与本钱,便于单件生产和传递。型布局将生产单元的出口与入口布置在同一个空间位置上,出口与入口拉的很近,对原料进入与成品下线实现少人化管理,在“拉动式准时化生产模式下能够保证生产单元内的各个工序上的在制

10、品数量稳定,方便控制生产节拍,不生产多余在制品库广东工业大学硕士学位论文存与浪费品,实现生产的柔性化,并快速适应车间整体生产方案的变化与调整。由于对于现代化企业生产运作管理,追求高质量、低本钱、快速响应效劳成为每一个企业的一种根本目标。适时对生产线进行再设计,可以实现快速反响,提高生产线对外部的适应性与柔性。为了到达快速反响,缩短交期,提高生产线对内外部环境的适应性与柔性,需适时对生产线进行再设计;为了鼓励员工,提高工人的满意度,实现人性化管理,必须对工作任务进行再设计,进行工作轮换,到达工作丰富化、工作扩大化。事实证明,型布局生产对于提高生产线的柔性化、工人的满意度和士气,鼓励人性化工作方式

11、,提高产品质量、劳动效率和效劳满意度是十分有效的手段【。.研究对象与问题在精益生产方式下,为了调整生产节拍,有时需要一个工人同时操作两台或多台机器,这是“一人多机作业模式。在这种模式中,作业人员不能坐着工作,而是采用站立走动的作业方式。型布局中常见的现象是“一人多机。在一个人机配合作业循环中,包括工人作业时间与机器作业时间,机器作业时间与工人作业时间是相互独立的。工人执行的作业有:从机台上取下成品,检验成品质量,再装夹上新的半成品,启动机台,然后等待观察机台加工一切就绪好后此时机器进行作业,离开此机台,走向下一台机器去执行相同的任务,直至一个作业循环完成。在理想人机模型中,节拍往往由一个循环中

12、工人总的操作时间与工人行走路径时间的总和决定。在型装配线上由于工人生理疲劳与心理情绪影响以及作业环境影响如作业空间大小、噪音强度、灯光效果等等和线上物料短缺、物料质量问题、工具损坏等等情况,不可防止地影响工人装配操作时间,使得工人操作时间成为一个随机变量。即便是在自动化装配线上,操作工人、机台设备、物料、环境等等也会产生随机性影响,导致所在工作站的总作业时间也是一个随机变量。而实际中装配线设计员为了简化作业分配,往往将工人作业时问看成是一确定量,然后分配作业至工作站,最后按照工业工程的额定工时标准给予一定的宽放率确定生产线额定节拍。当生产线投产后,生产线设计节拍与现场实际节拍相去甚远,导致在制

13、品库存高、工人作业出现忙闲不均、日产能达不到、员工加班加点的现象。所以研究工人作业时间随机性的问题更具有现实意义。第一章绪论本文从型装配线在工厂实际应用中出现的问题为出发点,第一,型装配线上的工人装配操作的作业元素时间的随机性;第二,型装配线上的工人对“一人多任务的操作模式采用走动方式作业;基于此来研究型装配线平衡问题。其特点描述为:型装配线上每个工作站配备一名工人,工人负责操作型工作站内的多个作业元素任务,工人完成一个作业元素任务后行走至下一个作业元素处继续操作。其中工人完成作业元素任务的时间是服从随机分布的变量,工人的行走路径时间由工人所行走的路径与工人行走的速度二者决定,且工人完成作业元

14、素任务的时间与工人行走路径的时间是相互独立的,即本文不考虑现实中装配工人一边操作一边行走操作与行走有重叠现象的情况。.研究现状.型装配线平衡问题的研究现状型装配线平衡问题是对传统直线型装配线平衡问题在布局方式上的一个拓展。为了研究型装配线平衡问题,有必要回忆直线型装配线平衡的方法思路。关于传统直线型装配线平衡问题的详细研究历程可以参考文献【¨。对传统直线型装配线平衡方法的开展可以归类为如下:最优模型精确求解方法.自从于年用数学规划模型描述问题后,采用最优模型方法求解问题的文献相继出现,用整数规划、动态规划、最短路径法、网络模型法等等求解问题。最优模型方法能够很精确的描述问题,且在计算

15、机求解规模范围内能够求得的最优解。最优模型求解方法对装配线平衡问题的研究提供了理论根底。启发式方法由于最优模型方法在求解大规模问题上的局限性,于是产生了启发式方法试图克服最优模型方法的缺陷。年提出解决问题的枚举法,该启发式算法简单易懂,为后来的启发式算法提供了根本性的理论依据。常用的装配线平衡的启发式算法有最大候选规那么、法、位置加权排序法【】等等。这些启发式算法往往对具体实际的问题解决非常有效,不仅克服了现实建模的困难,也为装配线平衡设计人员提供了一种更为有效、简单、实用的决策支持工具。当然,广东工业大学硕士学位论丈简单启发式算法是针对具体问题采用具体启发规那么解决问题,缺乏适应现实的动态性

16、与解决问题的通用性。于是后启发式算法也应用于求解问题。人工智能算法问题可以简化为装箱问题,比装箱问题更为复杂,也属于组合优化问题一类。年提出一种 的方法求解问题,该方法综合了计算机、随机抽样、蒙特卡洛等技术。当时研究人员正在寻求用结合计算机技术的随机搜索算法求解该类问题。伴随着人工智能算法时代的到来,禁忌搜索算法、遗传算法、模拟退火算法、神经网络算法、蚁群算法等等也应用于解决问题。对型装配线平衡问题的研究过程也是经历了最优模型算法、启发式方法、人工智能算法这三个阶段,并且在不断开展与创新。和】于年首次提出生产模式下型装配线平衡问题. ,指出型装配线平衡问题不同于直线型装配线平衡问题的方面在于平

17、衡过程中可以对作业元素关系图从前向后或从后向前同时搜索作业元素,并双向分配作业元素。例如在作业元素关系图上,第一个作业元素与最后一个作业元素可以分配到同一个工作站,但是直线型装配线是不允许的。文章用动态规划算法求解作业元素个数达到的的最优解,而对于作业元素个数规模大的问题,采用改良的启发式阶位权重法求解。的学生于年最先研究混流型装配线平衡问题,该问题也是问题,文章给出了一个分四步骤的近似算法求解。前两个步骤是将混流装配线平衡问题等效为单一品种装配线平衡问题,得到综合作业顺序优先图;第三步骤是用分支定界算法求解单一品种装配线平衡问题的最优解;最后是对所求的结果根据各种产品的作业顺序图进行修正并调

18、整工作站间的作业。其中分支定界算法只能求解作业元素个数到达个的单一品种装配线平衡问题。最后指出装配线作业元素分配问题与投产排序问题同时影响着混流型装配线的平衡。继最优化模型。针对型装配线平衡中作业元素既可以从前向后、从后向前或者前后方向同时分配到工作站的特殊性,建立了一个“虚拟作业元素关系图,并将其补充画在原始作业元素关系图左边,这样形成一个“虚拟一原始作业元素关系图。以图中“中点开始,顺着原始作业关系图是从前向后分配作业元素,顺着虚拟作业关系图是从后向前分配作业元素,两个方向同时就是同时前前方向分配。第一章绪论最后对于作业元素个数为中等规模的问题利用标准数学规划软件求解。对于同一个问题,直线

19、型装配线平衡的可行解空间是包含于型装配线平衡的可行解空间内的。遗传算法可以很好的求解直线型装配线平衡问题,同样也可以求解型.【于年对利用遗传算装配线平衡问题。 .和法优化两个目标:最小化工作站总的空闲时间和最均衡化工作站负荷。遗传算法是求解该问题的较好的算法,计算速度高效。和】于年提出. ,一种基于分支定界方法的程序进行高效率最优或次优求.和 .于解,求解作业元素个数规模可以到达。 .,年用基于模拟退火算法求解。 .和,.,于年采用更高效的分支定界算法精确求解。和】【于年用最短路径法求解,并于年用目标规划方法求解。在国内,对型装配线平衡问题的研究也未间断。童艺川和吴峰 用解决传统直线型装配线平

20、衡问题的启发式方法求解型装配线平衡问题,给出基于位置权重法的型装配线启发式平衡算法模型。宋华明和韩玉启【】设计一种基于遗传算法的平衡优化方法求解单一品种的型装配线平衡问题,以分配作业元素到工作站的先后顺序编码,按最大分配原那么解码,算法设计简洁高效。同年,宋华明和韩玉启【又采用基于.的混合型装配线平衡方法求解混合型装配线平衡问题,在给定装配线节拍的前提下,综合了作业元素的分配与产品的投产排序两个因素,以一个循环流程所有工作站负荷均衡为目标建立混合型装配线平衡的模型,并给出了基于遗传算法和模拟退火算法的全局优化方法,遗传算法搜索作业元素分配问题的解空间、模拟退火算法搜索排序问题的解空间。张健,周

21、支立和郭家乐【 对于混合模式下的型装配线平衡中多目标实现问题建立目标规划模型,提出两个目标:第一,要求工作站的数量不能超过给定的某个整数;第二,每个工作站上每个品种的任务时间总和不能超出该品种的周期时间。鲁建夏,陈忠良和李修琳【等建立优化多目标均衡零部件的消耗速率、负荷均衡化和最小化总切换时间的型混流装配线排序模型,采用.方法求解。查靓,徐学军和余建军【等提出了一种基于网可达分析和“托肯的移动来分配作业元素的启发式算法用于高效快速求解型装配线平衡问题,网的建模可视化作业分配过程,其分配原那么是按照最小化工作站空闲时间从前广东工业大学硕士学位论文向后和从后向前两个方向同时分配作业元素到工作站。文

22、献】对于作业元素特性的约束:作业元素分配到特定工作站、作业元素分开分配到不同工作站如左边装配、右边装配或者双边装配、并行作业元素的分配、作业元素需要不同的技能水平等等约束建立“作业元素一工作站类型约束矩阵研究问题及其求解算法。文献针对考虑多因素约束的型装配线优化设计问题,将现实中存在的多类约束条件包括生产环境、产品设计、工艺要求以及人因等多种因素的制约抽象为相容、相斥、相关以及工作站属性四类约束,并建立了型装配线平衡问题的整数规划模型。综上所述,对型装配线平衡问题的研究文献较多。从研究型装配线的平衡优化方法来看,研究重点集中于型装配线平衡的过程中的特点,使搜寻的方向从前向后、从后向前,或者前后

23、同时进行,极大地扩大搜寻的范围,并采用各种方法与算法提高搜寻的速度,以到达搜寻的结果将更接近于最优解的目的。理论研究装配线平衡的方法必不可少,而在结合企业装配线实际应用时,研究符合装配制造业生产线实际需要的平衡问题的对象更加重要,以及针对实际问题研究如何建立装配线平衡问题的模型也是更加具有实际意义。.时间随机分布的装配线平衡问题的研究现状对作业时间随机分布的装配线平衡问题,多数研究者用作业时间确定性的装配线平衡方法求解。和最早研究作业时间不确定的装配线平衡问题,假设正态分布来处理作业时间的不确定性。年/采用改良的方法模拟作业元素时间服从正态分布、指数分布、伽马分布、均匀分布、韦布尔分布的时间随

24、机分布的装配线平衡问题,并对装配线平衡的结果进行了详细的统计分.析。而对于作业时间随机分布的型装配线平衡问题,和】用递归算法求解最优解,并等效为最短路径网络图表示求解过程。等【】利用两阶段线性整数规划建立概率模型对作业元素数量不超过个的问题能得到最优解。文献【】给出?整数规划的模型,并用目标规划方法分析平衡结果的可靠性,文章最后指出对于作业元素数不超过个的问题用数学规划方法可以给出最优解,一旦多于个的问题用计算机求解非常费时。由于数学规划方法建模的局限性,受作业元素时间随机分布影响的工作站能否到达给定的完工率在数学模型中难于表达。等】提出混合第一章绪论启发式算法包括初始解模块与解优化模块来求解

25、中等规模的。在国内,学者们对 的提法是随机装配线平衡问题,其实质是作业时间随机分布的装配线平衡问题。贾大龙【】探讨如何利用仿真方法解决作业时间随机分布的装配线的平衡与优化问题,并建立一个计算机仿真模型,采用改良的启发式平衡搜寻方法求解。文献】采用概率理论方法研究了作业时间随机分布的装配线中作业元素时间、工作站时间、节拍时间之间的关系,并给出基于优先矩阵的作业元素分配的启发式方法平衡装配线。对于混合装配线上的作业时间随机性问题,文献在“?的作业时间随机分布的装配线平衡方法的根底上提出了一种新的基于预设超限概率值的装配线启发式平衡方法。文献【】用遗传算法求解随机型装配线负荷平衡问题。文献【】研究了

26、在装配线平衡中由于工人装配作业时间随机分布带来整条装配线的统计波动累积效应,并结合实例仿真验证结果得到人和机器等待物料的损失时间、物料没有正常到达造成机器等待物料的损失时间占仿真时间很大比例,导致装配线上延长了单件产品的生产周期,降低了装配线的生产效率。综上所述,对作业时间随机分布的直线型或型装配线平衡问题进行研究的文献不多。如果将装配的作业时间视为一个常量,进行装配线平衡设计,装配线平衡的结果得到的工作站数目和作业编排显然不完全符合装配线运作的实际情况。所以对作业元素时间随机分布的装配线平衡问题的研究非常实际并且亟待解决。总结现状研究,以上文献极少研究考虑工人行走时间的平衡问题,而在研究实际

27、型生产线布局与平衡问题时,考虑工人行走路径的时间不可忽略,而且考虑工人行走路径更加符合实际应用。由于操作工人在工作站内不同位置移动,型装配线上每一个工作站的实际完成作业时间比理论上不考虑工人行走的时间更多,本文研究如何对考虑工人行走路径的作业时间随机分布的型装配线平衡问题进行建模以及求解。.研究内容与章节安排本文的研究内容如下:第一章介绍了装配型制造业生产方式的两次变革:流水生产方式,精益生产方式。阐述研究的对象及其特点。然后介绍本文研究课题的研究现状:装配线平衡研究现状以及各个章节的安排。广东工业大学硕士学位论文第二章介绍装配线平衡理论。包括装配线定义,装配线分类,装配线平衡问题定义,装配线

28、平衡问题术语,装配线平衡问题的分类,以及型装配线平衡问题数学模型描述。第三章介绍型装配线的特点,以及现实中型线上的问题:装配作业时间随机性以及由随机性产生的装配线上的完工率;对作业元素时间随机分布的型装配线平衡问题建立数学规划模型,设计基于可行作业元素序列的遗传算法求解该问题。第四章介绍型装配线中工人“一人多任务装配模式?走动作业方式;描述考虑工人行走路径的作业时间随机分布的装配线平衡问题,并建立其数学规划模型。提出遗传算法与仿真分析相结合的仿真优化算法求解该问题。并阐述了型布局仿真模型建模的方法与过程。第五章介绍型装配线平衡仿真系统的设计原理与方法,以及型装配线平衡仿真系统的功能模块的构建过

29、程。最后通过算例验证该系统的可行性。本文的章节结构如图.所示。第一章绪论上第二章装配线平衡理论上第章作业时间随机分布的型装配线平衡山第四章考虑工人行走的作业时间随机分布的型装配线平衡上第五章型装配线平衡仿真系统上全文总结与展望? 第二章装配线平衡理论第二章装配线平衡理论.装配线定义与分类.装配线定义装配线是由一系列的装配操作组成的生产线,包括零部件装配线分装线与产品总装配线总装线。其中装配操作是将两个以上的独立零部件整合成一个新的装配件。按照装配操作的技术水平,装配线分为手工装配线、半自动化装配线、自动化装配线。装配线是制造行业中应用很广泛的一种生产方式。从制造流程上看,装配线是不同于加工生产

30、线,加工生产线是一系列机器上制造与加工零件,加工好的零部件最后进入装配线进行分装、总装。本文研究中装配线平衡就是生产线平衡。.装配线按布局分类.传统直线型布局传统直线型装配线是由一系列工位依次排成直线所组成的装配线,工人在各个工位完成自己的装配任务如图.所示。产品沿着装配线移动,逐步完成装配。产品在每个工位上完成整个装配工作的一局部。一般的操作是按一定的时间间隔进行的,比方主装配部件从装配线的入口处进入,然后主装配部件在装配线的工位之间移动,工人在工位上安装其他部件,逐渐形成最后的产品【。直线型装配线的优点是容易实现自动化物料传输,员工劳动强度低,设计简单。工位被装配的零部件主 翻 压配 配主

31、装配部件一成品装配件囝 囝囝囝囝剑百百旺凹 啦凹 釜囝皇囝呦地 釜国函地 釜旦呦弛 工位 工位,卜 ?广东工业大学硕士学位论丈.型布局型装配线是依逆时针方向把一系列工位依次排成“字型组成的装配线,某型装配线,型装配线有如下特点:工位上被装配的零部件主装配工位上被装配的零部件图? 型装配线 ? 型装配线的柔性高,能够按外部需求量的变化增减工人的数量来实现装配线节拍的调整,从而到达型装配线的重新平衡。当产量增加时,工人数量增加;当产量减少时,工人数量减少。例如,某装配线的布置每日产能范围为?台,工人配置为人,当订单增加时,装配线节拍加快,增加工人;当订单减少时,节拍减慢,减少工人。表.所示为型装配

32、线不同产量下的工人配置情况,图.为型装配线不同产量下工人操作工序的安排。表. 型装配线产量与工人配置?第二章装配线平衡理论曰团团 团 /团?/团固囡口/田团团田曰曰口/田团曰团需要量台需要量台团园/田盒 ?曰田口/田团团田图. 型装配线不同产量下工人操作工序的安排? 在型线中,入口第一道工序与出口最后一道工序由同一名工人来操作,便于控制装配线节奏,控制生产的标准数量。进料与出货都由一名工作作业,便于质量检验与控制。型装配线上的工人参与装配过程的更多环节,要求工人多技能,多岗位,能满足装配线重新平衡时将工人重新分配到新的岗位要求,并且在装配线故障或产品质量问题发生时,能够发挥团队精神去解决问题,

33、提高了劳动生产率和产品质量。型装配线上的工作站相距较近,工作站之间的联系简单,简化了物料的运输,方便了工序间零部件的传递,减少在制品库存,并且工人行走距离最短,每位。工人负责的多个工序成圆形或矩形。型装配线按照逆时针布置,遵守人因工程学原那么,以方便工人在装配线内移动部件时使用右手做各项活动。.装配线按产品种类性质分类据统计全球每家汽车生产商在同一条汽车装配线上生产两三种不同品牌系列的汽车,但他们的车身和设计样式几乎是一样的;然而同一公司的其他车间却可能正在生产重型卡车。对于产品种类之间的差异可以用“硬、“软描述。“硬的产品本质上有很大的区别。对于装配线来说,“硬的产品差异是指很少用到相同的零

34、部件,有时甚至完全没有相同的零部件。“软的产品差异,指的是产品之问只有很小的区别。对装配线来说,“软的差异意味着有相当一局部零部件广东工业大学硕士学位论丈是相同的。不同类型产品的差异往往是“硬的,而同一类产品的不同型号之间的差异一般是“软的。.根据装配线装配零件或产品种类多样化的能力将装配线分类为:单一品种装配线,混流品种装配线,多品种装配线,如图.所示。.?卜. 图.装配线按产品性质分类.单一品种装配线单一品种装配线上装配的零件或产品是相同的。这种装配线的产品或零件单一,产量大,装配效率非常高。对于单一品种装配线平衡问题,建立模型比拟简单,是研究其他类型装配线平衡问题的理论根底。多品种装配线

35、.多品种装配线上可以装配不同的“硬类型的零件或产品,不同种类的零件或产品在装配线上批量装配。由于装配线上是从一个批量转换到另一个批量,所以有的损失时间,零件或产品装配切换时间 或准备时间比方更换磨具、工具,准备和改编程序所需的时间。对于多品种装配线平衡问题,不仅考虑了平衡问题,还需要考虑投产排序问题,不同零件或产品在切换时的准备时间不同。混流品种装配线.混流装配线上可以装配不同的“软类型的零件或产品。不同类型的零件或产品在装配线上是连续被装配的。由于“软类型的零件或产品在连续装配时,零件的损失时间可以或产品装配切换时间和准备时间忽略不计。对于混流装配线平衡问题,不仅考虑平衡问题,还需要考虑投产

36、排序问题。第一,装配线上不同工作站由于分配的作业任务量不同,需要平衡各个工作站第二章装配线平衡理论间的平均负荷平衡。第二,混流装配线上由于零件或产品种类不同,在一个生产循环周期内,同一个工作站上被加工的零件或产品的时间是不同的,需要考虑工作站。内的瞬时负荷平衡.装配线平衡问题理论.装配线平衡问题定义装配线平衡问题就是将一系列有限的独立作业元素所组成的作业任务分配到一定数量的工作站,满足特定的优化目标和约束条件。约束条件一般有:每个工作站的作业时间总和不超过给定的节拍;分配到各个工作站的作业任务必须遵循作业元素间的优先顺序关系。装配线平衡的目的是最大化装配线效率,最小化装配线设计本钱。装配线平衡

37、问题变得比拟复杂在于:产品设计工艺和制造过程技术决定的各项作业元素的优先关系,这种优先关系优先顺序图决定了各项作业元素在装配中被完成的先后顺序,约束关系越多,装配线平衡问题越复杂。装配作业元素的独立性决定分配到不同工作站的总作业时间不可能完全均衡化。如果分配到不同工作站的作业量完全均衡,那么装配线的效率是最理想化的。然而装配线上的作业任务是由许多独立的不可再细分的不同作业元素所组成。不同的作业元素有不同的作业时间。如果将作业元素按照逻辑组合成为合理的作业集分配给工作站工人操作,那么不同工作站的作业任务时间就不可能全相等。所以一些工作站分配的作业任务多,一些工作站分配的作业任务少,使得装配线的平

38、衡难以均衡化。.装配线平衡问题术语如图.为某汽车的局部装配线简化示意图,图形可视化了装配线节拍、工作站、作业元素等等的概念,对装配线平衡问题中的术语作如下简述:广东工业大学硕士学位论丈制品流动方向? 流水装配线上连续两个产品下线的时间间隔值。节拍保证节拍流水装配线按照统一节奏连续地生产来满足生产方案规定的产能量,所以装配线的节拍决定了装配线的生产能力。给定生产方案量以及生产方案时间,可以计算出计划节拍理论节拍。操作工人在这个节拍时间内完成分配给自己的作业任务,并将完工产品零部件传递给下道工序,这样使得装配线按照一个固定节拍有序运行,提高生产率。用表示节拍。工作站 沿着产品部件装配加工的流动方向

39、组成装配线的作业单元所在地。一个工作站对应一个作业单元,包括了多个作业任务,这些任务可以由一个操作工人完成,也可以同时由多名操作工人完成。在研究的文献中,工作站也称为作业工位、作业工序、作业单元。用聊肌,.表示装配线上一系列的工作站的数目。作业元素 组成工作站作业内容的一系列细分的根本作业单元。作业元素是不可再分或最小的自然作业单元。例如:在一块金属薄板上钻一个孔;用螺钉和螺孔将两个机械零件连接在一起:这些都是作业元素。如果将作业元素再划分为更小的单元作业那么毫无意义。一般一个作业元素只会分配给一个操作工人完成。用卢,?.表示作业元素。,作业元素时间 操作工人完成一个作业元素所需要的标准作业时

40、间。在装配线平衡问题中,作业元素时间作了以下假设:作业元素时间是常数;操作工人完成两个或两个以上的作业元素的操作时间等于完成每一个独立第二章装配线平衡理论作业元素所用的作业元素时间加和。实际上,假设不完全正确。作业元素时间的叠加可变性,导致了操作工人完成多个作业元素的操作时间,两个或两个以上作业元素的组合经常会导致操作工人动作上的节省。用,表示作业元素的作业元素时间。作业元素的执行遵循一定的先后顺序作业优先关系 约束。例如,钻孔应该在攻螺纹之前完成,在钻孔和攻螺纹之前,这个螺孔是不能用来连接螺钉的。所以,一个作业元素.,在另一作业元素被操作完成后才被操作工人开始作业,那么作业元素是作业元素.,

41、的先行作业,作业元素,是作业元素的后续作业。当作业元素与作业元素.,相邻时,那么作业元素是作业元素,的直接先行作业元素 ,用,.,表示;作业元素.,是作业元素的直接后续作业元素 ,用,表示。作业优先关系可以由作业顺序图明确地表示其作业元素之间的内在逻辑关系,如图.所示作业顺序图。图. 作业顺序图图中个圆圈代表个作业元素,圆圈上方的数字代表对应作业元素的作业时问,圆圈之间的箭头连接线代表作业先后关系。尽管作业顺序图可以可视化作业元素之间的优先顺序关系。但是对于计算机来说,难以识别图形,如果将作业先后顺序关系转化为矩阵形式,那么计算机可以方便的处理作业元素之间的先后约束关系。如图.为对应图所示作业

42、顺序图的优先矩阵图。广东工业大学硕士学位论丈×的方阵。,其中盯,?.,聍;产,?.,疗表示作业元素与作业元素歹之间的顺序关系,当作业元素是作业元素,的先行作业,那么;当作业元素不是作业元素,的先行作业包括作业元素是作业元素,的先续作业和作业元素与作业元素,无作业先后关系两种情况,那么。工作站时间 操作工人完成分配给一个工作站的全部作业任务所需要的时间。明确来说,工作站时间一般不超过装配线节拍时间,在有并行工作站装配线上其工作站时间是可以超过装配线节拍的。用孔助表示第个工作站的总作业时间。通常来说,当分配给一个工作站的作业元素集合为双曲,那么该工作站时间表示为。,七平衡延迟时间 装配线

43、上分配到各个工作站上的作业任务总量不可能完全均衡,使得有些工作站上的操作工人会有空闲时间如图?所示,这个空闲时间就是平衡延迟时间。可知第工作站的平衡延迟时间:.研孔助,肛,.。装配线上的总平衡延迟时间就是各个工作站的总空闲时间加和,这是衡量装配线平衡效率的指标?平衡延迟率。其计算公式如下:肘 竹了 一了?.生×%?×%一×% 、 第二章装配线平衡理论.装配线平衡问题分类装配线平衡问题至少可以由以下三要素构成:作业顺序图。包括被分配的作业元素和资源指作业元素时间、作业元素优先关系,或者操作工人完成作业元素所占用的空间、本钱等等;工作站。作业元素被分配到一系列工作站,

44、工作站的布局方式构成整条装配线的形式;目标。装配线平衡问题优化很多目标。装配线平衡问题的分类可以由一个三参数的集合仅,给定【】:作业顺序图的特性。包括以下属性:按产品种类与性质分类:单一品种模式.、批量品种模式.、混流品种模式.;按作业元素时间性质分类:作业元素时间确定、作业元素时间随机分布。工作站与装配线布局特性。包括以下属性:按照装配线的布局分类:直线型装配线、型装配线;皮按照装配作业的方向分类:单边装配线、双边装配线;仍按同一工作站个数分类:单一工作站、并行工作站。】,平衡优化目标。包括以下属性:最小化工作站数目朋;抡最小化装配线节拍;.,最大化装配线效率。其中,三参数的属性根据实际研究

45、的需要还可以进行扩充分类。给定一个属性组合的三参数集合,那么对应一个装配线平衡问题。例如:单一品种模式作业时间随机分布 型装配线最小化工作站数代表了本文研究的问题。.型装配线平衡问题数学描述对单一品种型装配线平衡问题?,的定义及其数学描述如下【:型装配线上一系列作业元素,每个作业元素对应的作业时间为;是/的直接先行作业元素表示作业元素之间的直接先行关系的集合;广东工业大学硕士学位论文是给定的节拍;是优化目标?所需工作站数。单一品种型装配线平衡目标是在满足给定节拍的要求下找到作业元素集合的一组子集,.,最小化装配线上所需工作站数。每一个子集即为工作站上分配的作业元素集合,如果说明作业元素在工作站

46、上完成。可行的子集满足以下约束条件:.,七,.,朋;.女:.,瓯如,?.,聊;&.对于,。,贝;.对于,.,.足,那么。作站的所有被分配到该工作站的作业元素时间总和不能超过给定的装配线生产节拍;式子.和.表示在型装配线上,一个作业元素可以被从前向后分配、从后向前分配或前前方向同时进行分配。对单一品种型装配线平衡问题基于以下假设:型装配线上生产单一品种产品;作业元素是最小作业单位,其作业元素时间是确定的;作业元素可以被分配到任一个工作站,但不能被同时分配到两个工作站;作业元素分配没有工作站约束,其作业元素时间也不依赖于工作站;型装配线是单边装配,没有并行工作站;装配线上工人的技术水平不存

47、在差异,可以完成任意一项作业;装配线的节拍大于作业元素时间中的最大者,即,.,;不考虑资源空间、本钱等等约束,不考虑工人行走路径时间。.本章小结本章阐述了装配线平衡理论的根底,包括定义、分类、术语、问题类型。以及对型装配线平衡问题的数学描述与假设。第三章作业时间随机分布的型线平衡第三章作业时间随机分布的型线平衡从装配自动化水平来看,装配线可以分为手工装配线、半自动化装配线、全自动化装配线。手工装配线是由一系列工位组成的生产线,工人在各个工位完成自己的装配任务。每件产品都是由不同的零部件通过各种装配工艺组装在一起的。手工装配线在制造企业中非常普遍。适用于手工装配线生产的主要因素包括:产品需求量较

48、大或中等;装配线上生产的产品相同或相似;整个装配工作可以细分成小的工作要素;自动化装配操作在技术上难以实现或在经济上不可行。相比每个工人完成产品的全部装配任务的生产方式,手工装配流水线上的每个工人专门完成分配到自己工位上的作业任务,并且各个工位是有序的在同一节拍下完成装配任务,所以其生产效率非常高。.问题描述与数学模型.作业时间的随机性对于手工装配生产线上的工人来说,其劳动的特征决定了工人作业时间是变动性的。从工人自身来看,其劳动的速度和效率在每个时刻是不定的。造成工人劳动速率与效率的原因可能包括工位设计的合理舒适性、车间环境因素灯光、噪音、湿度等等、工人手工作业的复杂性比方需要双手配合、需要

49、手脚并用、需要弯腰转身动作等等以及工人的心理情绪等等影响因素。从工人之外来看,外界环境随机影响、打断、终止工人的劳动操作。比方机台随机停机,来料总会有不良品,辅助工具会损坏,生产准备延迟,生产指令下达不明确,车间组织不善等等情况的发生,都会或多或少影响工人的劳动作业时问。所以总的来说,手工装配线上的工人作业时间是随机变动的。对于随机变动的工人作业时间,可以用工人作业时间的均值和标准差盯来描述这种随机变动性。如图一所示改良的问题,装配线上一系列作业元素, 刀,其作业元素时间,服从概率分布,其均值为,标准差为毋,假设,服从正态分布。作业元素之间满足一定的优先约束关系,广东工业大学硕士学位论文用表示作业元素,.是作业元素的直接先行作业元素。作业时间,一,. ,.,.图.改良的问题优先关系图 .工人的完工率在固定节拍的装配线上,由于工人装配操作的作业元素时间的随机性,会造成工作站内的作业任务没能在节拍内完成时,这时就出现了未完工的情形。出现未完工的现象原因可以从以下两点分析:节拍限制。在外界条件正常的情况下,比方不缺少待装配部件,装配工具完好,上道工序正