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柔性化发动机总装线节拍优化方法
王旭 黄涛 薛生梅 李加彬401120） （重庆长安汽车股份有限公司，重庆
摘要：针对目前国内发动机多平台共线生产节拍设计参考性低的问题，对节拍设计方法进行了优化。该方法基于不同产品装配所需动作时间总和的方式设计节拍，改变了节拍的计算方法；根据生产故障和超载情况，优化区域内易超载工位前后布置形式降低生产节拍，对区域间易超载区域采用并联形式和区域节拍递进原则，减少非正常生产间隔。实际应用表明，利用该优化方法可达到多平台共线生产和提高生产能力的目的。关键词：发动机总装线 柔性化 节拍设计 缓冲设计TH165 B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20180253中图分类号： 文献标识码：
1 前言
随着人们对汽车多样化的需求，单一平台的生产线已经不能满足市场的快速响应，加之切换平台和生产线改造的成本越来越高，柔性化装配成为了发动机总装线（简称总装线）的发展方向[1]。目前，对于总装线生产方面，国内外生产物流调配和计划已经有大量研究成果，但是对于多平台装配的节拍设计方法和优化设计相关方面的文献还较少[2]。传统的节拍设计方法只能满足单一产品需求，对多平台联合装配的生产节拍设计却很少有涉猎，为此，本文针对柔性化总装线，兼顾多平台联合生产的实际情况，对生产节拍设计进行优化，以达到多平台共线生产和提高生产能力的目的。
2 生产节拍
目前总装线的装配方式都采用流水化生产， 生产节拍是指流水线上先后出产两件制品的时间间隔[3]。单一平台总装线的生产能力主要与设备配置、产能设计、节拍设计有关，总装线节拍与产
A1能需求有关，并略低于工位节拍。总装线节拍计算方法为：
60hnη1η2 1） A1 = （ N式中， n为年工作日； h为日有效工作时间； η1 为综合良品率； η2为设备开动率； N为设计产能。
3 柔性化节拍设计方法
同一平台产品参数和装配顺序差别不大，可以统一计算生产节拍。但是对于不同平台产品共线装配时，传统的生产节拍计算方式不能同时满足多平台联合生产的情况，易发生超载，影响生产线效率。
3.1 装配流程
根据市场现有发动机结构，无论是单平台装配还是多平台共线生产，总装线装配都可以分为主线和支线两种，主线包括内装线、外装线、冷试
线、热试线；支线包括缸盖线、活塞连杆线、小件部装线[4]。在生产过程中，支线节拍不能影响主线节拍，在支线与主线连接的部分适当预留一定空间暂存托盘，防止支线发生超载时影响主线装配，因此在设计时支线节拍要略低于主线节拍。具体装
1配流程如图 所示。
3.2 节拍设计
节拍设计与工艺路线设计密不可分，目前总装线比较常用的节拍设计方法是计算简单的产能法。以往的工艺路线大都根据产能法的经验来填补具体作业内容，准确率不高，与实际生产差异较大。而柔性化节拍设计是在产能法的基础上，运用先进的理论知识使节拍设计更加合理。柔性化节拍设计根据不同平台的产品结构，将产品安装所有过程细分到每一个单一动作，计算每一个动作的标准时间，此种计算方式可以在设计时不考虑产品，直接对安装工序时间进行计算，适用性强。如可将手工安装一个螺栓的操作细分为够取=伸手到螺栓放置处；抓握——拿起螺栓；递送——将螺栓移动到安装处；连接——预紧螺栓；松开——手松开并回到开始位置。根据距离和操作难度的不同将每个动作定义为ni，所对应的操作时间为ai，则本工位的设计节拍为： 1式中， T1为平均工位节拍； as为托盘进出站（进入工位和离开工位）时间； μ为宽放率； F为工位数量。根据此方法可以确定工位节拍的同时获得本工位的详细工艺路线，在确定平均工位节拍之后，每个工位的操作内容可以综合考虑发动机的装配顺序来确定，确定后的某一工位实际节拍为T2 = a + a + a + … ，其中T2≤T1，则对应的工位操作x y z 内容为nx、ny、nz……。线平衡率是制约总装线效率的主要因素，对于多平台联合装配的情况，线平衡率低易导致超载、误工的现象，线平衡率计算式为： Σ n T 3） i （ 100% K= × i F × Tmax式中， Ti为工位时间； Tmax为最长工位时间。3）根据式（ 可知，在工位数确定的条件下，降低最长工位时间可以增大线平衡率，也就是说在多平台共线装配时，不同平台产品在工位上装配时间应相同，出现超时和瓶颈时间会影响线平衡75%率，线平衡率参考数值为 以上。在确定节拍之后还要根据不同的工位类型设计不同的节拍，其中设备配置决定了工位类型，具体分为：所有操作均由设备完成的全自动工位；以设备操作为主、人工操作为辅的半自动工位；所有操作均由人工完成的人工工位。工位节拍时间设计原则如表 所列。
3.3 节拍设计应用实例
3.3.1 节拍设计过程39 s，某生产线的整线设计节拍为 工艺路线为前期初排，选取内装线部分工位为分析对象，工艺2路线如图 所示。其中设计时间为经验法节拍时间，标准时间为经过理论节拍设计得到的时间。
N- 006 N- 018通过节拍设计可以发现，工位 、 、N-019都存在节拍超时的情况，为了满足整线生产Jobs Per HOUR，JPH），过程的单小时产量（ 需要对这3个工位进行优化，因受篇幅限制，直接展示经理论节拍设计方法得到的工艺路线（优化后工艺路3线），如图 所示。 3.3.2 结果验证节拍设计属于理论设计，为保证准确性，在实际生产中需要验证，验证方式选用同机型同产能的其它生产线，此生产线节拍为经验法得出，并根据工N- 006 N- 018艺路线对其进行微改造，分别测定 、 、N- 019三个工位的优化后实际时间，并与经验时4间和理论时间进行对比，结果如图 所示。
4由图 可知，三个工位的实测值与理论节拍设6%，计法所得到的节拍时间误差小于 因此理论节拍设计方法的准确性良好，与经验法的设计节拍相比，理论节拍设计法更具有参考性。因此在前期设计阶段，运用本文的理论节拍设计方法可以有效得出工位标准节拍。
4 节拍缓冲设计
在实际生产过程中，由于装配设计、随机设备故障等原因，总装线经常会出现装配超载现象，延长总装线先后出产两件制品的间隔时间，影响整
JPH[线的实际 5]。为了减少间隔时间，总装线在设计时要考虑到易故障设备和易超载工位的节拍设计和缓冲区域设计。总装线布局一般分为多个区 域，区域之间应利用节拍递进回归原则，即在上一区段中设置合理的约束区段及缓冲来补偿下一区段总装线流量的变化。总装线的瓶颈区段尽可能3/4设计在总装线位置的 处。
4.1 区域内缓冲设计
总装线主线设计时，在易超载工位前、后预留储存区，在设计易超载工位时，采用低于总装线平均节拍设计，可以使工位前托盘空置，工位后托盘5饱和，如图 所示。
图5 缓冲工位设计
对于不设置缓冲区域的总装线，在某工位超载时，本工位前所有工位托盘无法流出，本工位后工位会产生无托盘操作的情况，影响产品下线间隔；对于设置缓冲区域的总装线，当某工位超载时不影响前一工位正常操作，后一工位可以利用缓冲区内的托盘进行正常操作，不影响产品下线间隔。
预留区域的托盘数量与故障类型fi所对应的故障时间ti有关，缓冲区域托盘数量N计算式为：
4.2 区域间缓冲设计
一般总装线上的大型测试设备节拍严重超载（如冷试设备和热试设备），为了满足生产效率的要求，对超载设备采用并联的形式以降低流出间
6 1隔，如图 所示。当第 台发动机在上工位完成安2装后进入“设备a”进行测试，第台发动机在上工位完成安装后进入“设备b”进行测试，此时“设备3 a”还在工作中，第 台发动机在上工位完成安装后进入等待区或直接进入通道流出（抽测）。
4.3 区域间节拍递进回归原则
由于总装线上每个区域中都存在自动化工位、半自动化工位及人工操作工位，所以实际生产JPH中该区域会出现正常的 波动。如果区域设计X JPH中未考虑节拍递进原则，则出现 区段末端 下Y JPH Y降， 区域起点 上升，导致区段运行堵塞。JPH 7 X为了弥补区域 的不稳定，如图 所示，应使Y X区段最长节拍高于 区段最短节拍，这样尽管 区Y段运行不畅，也能保证不造成区段正常工作，从而保证整条总装线流量畅通。
4.4 某生产线实施实例
随着总装线产能的不断提升，一些无法拆分工作项的工位已经成为瓶颈工位，瓶颈工位限制着产能的提升，为了最大化满足产能需求，减少工位间等待时间，国内某发动机生产线的部分布置情况如图
8所示。由图 可看出，在工位区域间布置缓冲区域，可以有效降低相邻工位的超载时间；区域内缓冲区可以有效改善瓶颈工位的操作时间，一个缓冲区就
1~2可以减少 个瓶颈工位的产生，降低该生产线瓶颈 30% 30%）工位的节拍 以上（其中固定输送节拍占比 。
5 结束语
为了提高柔性化生产线节拍设计的准确性和优化性，本文利用理论节拍设计方法，根据不同机型装配时所需的动作和时间来确定节拍和工艺路线，设置节拍缓冲区域和采用区域节拍递进原则，有效避免了生产过程中因某一工位超载而对整条
JPH生产线造成影响，满足了稳定 需求，对柔性化生产线的发展有重要指导意义。
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