離散制造企業面向訂單裝配（ATO）模式下柔性裝配生產計劃的研究

陳 程，孫潔香，尹作重

（1.新興際華集團有限公司技術中心，北京 100020；2.北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

對于離散型制造企業來說，其生產特點是通過對原材料物理形狀的改變，經過一系列并不連續的工序最終組裝成為產品，使其增值。典型的機械制造業就屬于離散制造企業。其業務流程簡單由以下幾部分組成：生產物料采購、物料儲存、零部件加工、裝配、產品銷售等。

離散制造企業有兩種典型的生產模式：一、面向庫存大批量生產模式（簡稱MTS），客戶對最終產品規格的確定沒有什么建議或要求，一般按照標準化、通用化產品模式進行生產。其產品的標準化程度高、加工及裝配工藝簡單、單件產品成本價值相對較低，適合于大規模量產。二、面向訂單裝配的生產模式（簡稱ATO），客戶對零部件或產品的某配置給出要求，生產廠商根據客戶的要求提供定制的產品。其產品的標準化程度較低，裝配工藝復雜，單件產品成本較高，生產周期相對較長，一般適合于小批量或單件生產。

在面向訂單裝配的生產模式下，產品制造一旦到了關鍵的裝配環節，企業往往面臨各種難以避免的問題，比如：客戶需求時間變化、客戶的多樣性需求（對產品設計的變化）、裝配計劃的可執行性較弱（以經驗和調度組織生產）、物料的配送模式粗放（缺少物料的配送計劃）。基于以上的問題，企業怎樣縮短裝配的周期，使得訂單裝配在一個有計劃的、可控的范圍內良性的運轉呢？以多家離散制造企業面向訂單進行裝配的所取得的經驗，結合信息化管理系統工具所實現的算法，在這里我們給出了“柔性裝配”（Flexible assembly）的概念。

圖1 柔性裝配模擬示意圖

1 柔性裝配的概念與車間現場模擬

組織柔性裝配的目的是將多個具備獨立加工能力的生產單元（設備和人員）聯合起來，在訂單產品裝配階段，實現單件產品在各個生產單元的按節奏有序流轉。它可以依靠ERP或MES軟件進行輔助管理，根據實際生產能力靈活調整裝配任務的生產計劃，從而能夠有效發揮裝配的產能，降低生產的成本、縮短裝配的周期、更快捷地適應市場的變化。

圖1為柔性裝配現場模擬示意圖，在裝配車間，最終產品A出廠之前需要由部件B、C和采購件D經過A10、A20、A30三個裝配工位進行組裝，每個工位的加工時間按照固定的時間節拍（如2天）。以此類推，部件B和C也有自己的裝配工藝，在其相應的裝配工位上都按照節拍進行裝配。這樣，在整個裝配車間，如果每級部件的裝配都可以在各工位上按照特定的節拍進行的話，A產品的產出就可以保持一定的節拍。

如果訂單的最終交貨日期確定，并給予終驗、調試、裝箱、發運等環節一定的時間，即可推算出最終產品A在其最終的裝配工位A30的產出時間，假設各裝配工位可保持固定的節拍，那么從A30工位開始逐個工位向前推算，直到G10、H10工位，即可編制出各級子部件在每個工位上的裝配計劃（即計劃開完工時間），并且各裝配工位所需的采購、外協物資的需求時間即配送時間也得以明確。裝配車間上游的加工車間所生產的零件以及不能以這種特定節拍進行裝配的部件，可以以預投產的方式，保持一定規模的庫存數量，以備這種節拍方式的裝配需求。從上圖可以看出，每個訂單產品在裝配過程中以“一個流”[1]的生產模式在各工位上以固定的節拍順序流轉。

所以說柔性裝配的實現首先是以裝配車間的不同裝配工位按照一定的生產節拍進行前后工序間流轉來實現的。它類似于面向庫存大批量生產的流水線生產模式，它的各裝配工位也好比流水線上的每個加工單元。

其次它又有別于面向庫存大批量生產，不同之處在于裝配環節每個工位生產能力的“有限”與“可變”。

2 柔性裝配工位的生產能力

由于在實際過程中每個工位的裝配能力是有限的，如果同時有多個訂單的產品先后需要裝配出廠的話，可能在某些工位就會出現“負荷”大于“能力”的現象，其生產計劃就不能按照“理想狀態”的無限能力執行，勢必會導致計劃的可執行性差。所以，柔性裝配的生產計劃是按照每個單件產品編制每個工位的有限能力計劃。

“有限能力”體現在工位上設備和人員的數量，換個角度來說，即此工位同時可裝配任務的數量。下圖所示工位01的能力不能同時滿足訂單1與訂單2在8月2日到3日兩天的時間段內的生產負荷，所以，在編制生產計劃時，將訂單2在部裝工位01的生產計劃向前推移2天，移至該工位的空閑時間段。

圖2 裝配工位計劃有限能力編制示意圖

圖3 生產能力增大后裝配工位計劃編制示意圖

總結上圖所示的計劃編制過程，在實際的生產過程中，會出現多個產品訂單先后在同一工位進行裝配的情況，而裝配生產線的“柔性”體現在每個訂單的生產計劃考慮了工位的實際生產能力，而不是“無限大”的生產能力。

此時我們如果將部裝工位01的生產能力“增大”，使得本工位可以同時在8月2日到8月3日完成部件L和C的裝配，生產計劃隨著工位能力的變化而進行了調整，編制示意如圖3所示。

而工位的生產能力怎樣進行調整呢？通常來講，對于離散制造行業的裝配環節，一般可以通過增加或減少工位上設備或人員的數量來調整其生產能力（通過加減班次的方式其實同樣是調整單位時間內人員的數量）。以上圖為例，裝配（部裝）工位01原只有一臺焊接機器人和一位焊接工人，在8月2日到3日，只能完成C部件（訂單1）的焊接工作。而此時通過調度，在本段時間內工位01增加了一臺焊接機器人和工人后，同時可以完成L部件（訂單2）的焊接工作。所以說，生產計劃的優化與調整可以通過裝配工位能力的調整得以實現，是柔性裝配的重要體現。

3 柔性裝配計劃的編制與調整

柔性裝配計劃編制的范圍應涉及到所有可進行生產能力調整的裝配工位，對于一個單件產品，根據它在最終總裝配工位的產出時間進行倒推，考慮每個工位的生產能力（在相應的時間段內是否能力充足，若不充足則繼續向前查詢能力充足的時間段），按照裝配工藝的流轉順序逆向編制生產計劃。

而在實際生產過程中，客戶需求的變化或調整是屢見不鮮的，涉及到產品交期的變更，產品整體設計的變更，產品工藝路線的變更，產品工裝設計的變更等等，這些變更都將造成訂單產品最終產出時間的變更，而產出時間的變更導致了在各個工位的生產（裝配）計劃都需要做出相應調整。如圖4所示，產品產出工位的生產計劃進行調整之后，拉動上游各工位的生產計劃隨之進行調整，整個訂單的生產計劃進行了重新的編排。

圖4 工位計劃“拉動式”調整

在生產過程中，如果某個工位出現了“異常”，如：物料供應不及時、機器故障、人為拖期等，導致該工位不能按照預先的計劃完成任務，此時該工位的生產計劃就需要進行調整。由于各裝配工位大多數是“串聯”的生產流程，這樣，前序工位的計劃調整勢必影響到下游工位的計劃，整個單件產品在下游各個工位的生產計劃也會相應的進行推動式調整。如圖5所示。

圖5 工位計劃“推動式”調整

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4 柔性裝配下的物料配送模式

柔性裝配計劃的編制使得各裝配工位的計劃開完工時間更加精確，其計劃結果具有生產的指導性和約束性。而在具體的生產過程中，物料必須具有配送的及時性和準確性才能保證各工位嚴格遵照計劃組織生產。

工位物料的配送計劃是根據工位計劃開工時間和車間的計劃領料單編制生成的，它不同于傳統的領料單只包含物料的品種、數量和日期。考慮到配送到各裝配工位的精確性，它在計劃領料單的基礎上增加領料的具體工位信息、配送地點、接收班次、配送時間、配送人員等信息。所以說工位物料配送的模式是對傳統車間領料模式的升級，由專人按照需求時間直接將物料配送到對應工位，不但簡化了車間對工位物料二次分配的環節，更使得車間的物流更加精準，物料在車間的積壓現象大大減少。

我們按照物料歸屬單位的不同，可將配送方式簡單分為以下三種：

1）部件在工位裝配完工后，直接送往裝配工位。

2）物料由庫房送往裝配工位。

3）物料由供應商或其他車間直接送交裝配工位。

這三種模式下都需要物料（包括裝配部件）的主責部門根據物料需求工位的配送計劃進行配送。

5 柔性裝配的特點及優勢

綜上所述，柔性裝配生產計劃的模式體現了以下方面的特點和優勢，對于面向訂單裝配的生產模式更具適應性和靈活性。

1）車間資源在裝配計劃的指導下發揮了最大的利用價值，實現了資源的有限能力排產。

2）在計劃層面將裝配任務與機加工零件的生產任務區別對待，實現了單獨排產。

3）按照單機編制柔性裝配計劃，各工位計劃按照訂單產品的最終完工日期進行“拉動”式排產，嚴格按照裝配節拍，考慮各工位的實際生產能力，使得計劃的執行更加準確。實現“一個流”在部裝線上以固定的節拍進行裝配。

4）物料按照產品加工的工藝順序在特定的需求時間配送到車間的指定工位，減少了車間傳統生產模式下大量的在制品積壓問題。

5）庫房、上游車間、供應商的物料配送機制更加完善，配送時間、地點更加精確。

6）減少了物料的閑置與停工待料的現象。

裝配計劃、裝配節拍、裝配資源能力能夠靈活調整，使生產更具“柔性”。

[1]石為人,余兵,張星.高級計劃排產系統與ERP的集成設計及實現[J].重慶大學學報(自然科學版),2003,26(11).