面向生產(chǎn)線平衡的斷路器裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)

0 引言

斷路器是輸配電系統(tǒng)中廣泛使用的重要電器，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。國內(nèi)斷路器制造行業(yè)已經(jīng)建立起多條斷路器裝配生產(chǎn)線，具有大批量生產(chǎn)裝配的能力。實際生產(chǎn)過程中，由于具有較高的改造成本，生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)布局和生產(chǎn)能力往往是相對固定的，而市場對斷路器產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣化和個性化的趨勢。在這樣的需求環(huán)境下，國內(nèi)的斷路器制造行業(yè)，其裝配工藝設(shè)計方法和裝配工藝規(guī)劃只考慮產(chǎn)品功能上的多樣性和個性化，卻少有對生產(chǎn)線平衡的考慮。

對于以往成熟的產(chǎn)品，其裝配工藝已經(jīng)過生產(chǎn)實踐的多次修正，能夠較好地滿足生產(chǎn)線的平衡需求。然而，在當(dāng)前市場的需求環(huán)境下，越來越多的斷路器產(chǎn)品都是改型產(chǎn)品，或者是全新投產(chǎn)的產(chǎn)品，裝配工藝設(shè)計與規(guī)劃階段缺少對生產(chǎn)線的平衡的考慮，將造成生產(chǎn)線的布置一定程度上的脫節(jié)。在實際的生產(chǎn)過程中，很可能會在裝配生產(chǎn)線上某一個或幾個工位上出現(xiàn)生產(chǎn)工作的不協(xié)調(diào)和不流暢，從而導(dǎo)致生產(chǎn)線的失衡，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都受到影響。

根據(jù)并行工程思想，本文提出一種面向生產(chǎn)線平衡的斷路器裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)。通過在斷路器產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計階段就充分考慮現(xiàn)有裝配生產(chǎn)線的實際結(jié)構(gòu)布局和加工能力，通過合理的裝配工藝設(shè)計和仿真，使斷路器裝配工藝能夠滿足現(xiàn)有生產(chǎn)線平衡需要，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文章來源于2015年國家工信部智能制造專項項目，項目名稱為中低壓輸配電裝備智能化工廠標(biāo)準(zhǔn)化試驗驗證，項目編號為2015ZXB0702。

1 面向生產(chǎn)平衡的裝配工藝設(shè)計

面向生產(chǎn)線平衡的斷路器裝配工藝設(shè)計是并行工程思想在斷路器裝配工藝設(shè)計方面的體現(xiàn)。并行工程（CE，Concurrent Engineering）是世界市場競爭日益激烈的產(chǎn)物，是近年在CIMS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)之一[1]。在并行工程思想的指導(dǎo)下，面向制造設(shè)計（DFM）[2]，面向裝配設(shè)計（DFA）[3]，面向質(zhì)量設(shè)計（DFQ）[4]，面向成本設(shè)計（DFC）[5]等一系列先進(jìn)設(shè)計思想。然而，這些新的設(shè)計思想主要從設(shè)計和制造角度關(guān)注產(chǎn)品本身，較少地從生產(chǎn)管理角度關(guān)注任務(wù)的分派和生產(chǎn)線情況。另一方面，隨著計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)的提高，DFM以及零件可加工性分析系統(tǒng)（MAS）[6～8]等的實現(xiàn)投入較多研究，然而，目前仍缺少面向生產(chǎn)平衡裝配工藝設(shè)計的解決方案。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)輔助設(shè)計手段的日益成熟，在斷路器裝配工藝設(shè)計階段，利用企業(yè)數(shù)字信息化平臺，通過相關(guān)軟件工具等對產(chǎn)品進(jìn)行三維裝配工藝的設(shè)計，擬定斷路器的裝配步驟，確定每個裝配工步所占用的工位，形成裝配文件，導(dǎo)入至生產(chǎn)效率分析工具進(jìn)行生產(chǎn)線平衡仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整裝配工藝設(shè)計，直到滿足斷路器裝配工藝滿足生產(chǎn)線平衡的需要，最后輸出工藝設(shè)計文件指導(dǎo)生產(chǎn)，以避免因裝配工藝與生產(chǎn)線的失衡導(dǎo)致生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的下降。本文一句并行工程思想，提出面向生產(chǎn)平衡裝配工藝設(shè)計思想的概念，并根據(jù)國內(nèi)斷路器制造行業(yè)的現(xiàn)實需求，提出一套面向斷路器裝配工藝設(shè)計的解決方案。

2 面向生產(chǎn)線平衡分析的斷路器產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)

生產(chǎn)平衡指的是在工藝條件約束下,按流水生產(chǎn)線節(jié)拍將所有生產(chǎn)工序進(jìn)行組合、合理調(diào)整,使每個工作節(jié)點分配的生產(chǎn)負(fù)荷量盡量充足和均衡。根據(jù)并行工程的思想，可以給出定義：面向生產(chǎn)線平衡的裝配工藝設(shè)計（DFPB）是指按照并行工程的思想，在斷路器裝配工藝設(shè)計階段充分考慮斷路器的生產(chǎn)線實際情況，通過避免斷路器裝配工藝設(shè)計與生產(chǎn)線實際情況的不適合導(dǎo)致生產(chǎn)線失衡，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)計思想[9]。

2.1 系統(tǒng)功能需求

如圖1所示，面向生產(chǎn)平衡的斷路器裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)（DFPBS）是能夠?qū)崿F(xiàn)在充分考慮斷路器生產(chǎn)企業(yè)裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)平衡的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，是面向生產(chǎn)平衡裝配工藝設(shè)計思想在斷路器制造領(lǐng)域的實現(xiàn)。其基本功能需求包括：1）面向制造企業(yè)生產(chǎn)線的實際情況以及產(chǎn)品裝配的結(jié)構(gòu)特性，確定裝配生產(chǎn)工藝路線；2）根據(jù)裝配工藝的實際情況構(gòu)建PBOM；3）能夠?qū)ρb配工藝路線進(jìn)行仿真和評價，以滿足產(chǎn)品裝配需求和符合生產(chǎn)線實際情況；4）支持三維模型輸入，支持多種格式的設(shè)計結(jié)果文件輸出；5）支持上游與PDM系統(tǒng)集成，下游與PDM、MES系統(tǒng)集成。

2.2 系統(tǒng)總體規(guī)劃

通過從PDM系統(tǒng)中導(dǎo)入的三維斷路器設(shè)計模型作為系統(tǒng)輸入，對模型進(jìn)行輕量化處理后對模型進(jìn)行拆分，同時交互式地構(gòu)建斷路器生產(chǎn)PBOM。根據(jù)對模型的拆分結(jié)果規(guī)劃裝配步驟及順序，定義每一步裝配活動和檢測活動，編排形成裝配工序，完成初步的斷路器裝配工序設(shè)計[10]。在根據(jù)初步形成的裝配工藝設(shè)計路線結(jié)果，系統(tǒng)交互式地進(jìn)行三維裝配仿真、干涉檢查以及裝配精度檢查，以保證裝配工藝路線的正確。當(dāng)裝配工藝路線存在無法裝配或發(fā)生干涉、不滿足精度要求等設(shè)計問題時系統(tǒng)反饋存在的問題時返回上一步，重新規(guī)劃裝配路線和進(jìn)行工藝路線編排。完成裝配仿真檢查后，系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)線實際情況以及工序之間的前后約束關(guān)系，自動分配裝配任務(wù)，生成初步的擬裝配工藝設(shè)計方案。系統(tǒng)結(jié)合生成線實際情況自動地對裝配工藝設(shè)計方案進(jìn)行生產(chǎn)平衡仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果是否符合預(yù)期條件判斷裝配工藝路線是進(jìn)行發(fā)布還是進(jìn)行重新編排，直到多次迭代后得到符合生產(chǎn)平和的裝配工藝設(shè)計方案。最后，系統(tǒng)根據(jù)用戶實際需求，按照指定的文件格式發(fā)布裝配工藝設(shè)計結(jié)果。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計流程

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 系統(tǒng)主要模塊

1）裝配模型管理模塊。主要功能是導(dǎo)入三維裝配模型，對模型進(jìn)行調(diào)整并根據(jù)模型構(gòu)建PBOM。支持對裝配模型的輕量化處理，支持顯示模型裝配結(jié)構(gòu)樹。

2）裝配活動定義模塊。主要功能是定義最基本的裝配或檢測工步，為每一工步指定物料及工具，并確定所有裝配和檢測工步的前后順序關(guān)系。

3）裝配檢查仿真模塊。主要功能是對裝配活動是否存干涉，裝配精度是否滿足設(shè)計要求[12]以及對整個裝配過程進(jìn)行仿真。支持對仿真過程進(jìn)行錄像。

4）工步指派與生產(chǎn)平衡分析模塊。主要功能是根據(jù)裝配工藝需要確定工位，并在滿足裝配工步先后順序的約束條件下面向生產(chǎn)線平衡自動確定每個裝配工步對應(yīng)的工位。

5）裝配工藝文件發(fā)布模塊。主要功能是裝配工藝設(shè)計結(jié)果的輸出和管理。支持以文本、三維模型、仿真錄像等形式輸出發(fā)布裝配工藝設(shè)計結(jié)果，支持多種方式瀏覽工藝文件。

6）工具設(shè)備管理模塊。主要功能是對裝配及檢測工具庫進(jìn)行管理。支持在裝配過程中引入裝配工具和檢測工具，支持對工具的定位和仿真錄制中顯示，支持建立工具庫并對工具庫進(jìn)行管理和維護(hù)。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

要實現(xiàn)面向生產(chǎn)平衡的裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，主要的技術(shù)難點是裝配模型的干涉檢查，裝配過程的仿真和面向生產(chǎn)平和工藝路線設(shè)計[11]。模型的干涉檢查可以根據(jù)模型的最小包圍盒分層式分解遞歸的方法對分別對模型的靜態(tài)干涉、動態(tài)干涉、運(yùn)動干涉進(jìn)行檢查[12]。裝配過程仿真的實現(xiàn)可以根據(jù)“可拆卸即可裝”的理論[13]，通過人機(jī)交互的形式，將對于裝配體的裝配工藝路線的仿真就可以轉(zhuǎn)換為通過對工具位置和裝配零件空間位置的連續(xù)操作使裝配零件分離的過程。再通過對這一過程的反向演示，實現(xiàn)對裝配工藝路線的仿真。而面向生產(chǎn)平衡的工藝設(shè)計的核心要點是工序工位的安排。在滿足工序前后關(guān)系約束的條件下，自動產(chǎn)生最適合當(dāng)前生產(chǎn)線平衡狀況的工序工位分配。

工位的分配是指是基于已確定的所有裝配工步和裝配的先后順序，根據(jù)一定條件將若干裝配工步集中在裝配線同一地點進(jìn)行，是裝配工序的形成過程，是裝配工藝設(shè)計的重要部分[14]。在生產(chǎn)活動中，讓裝配生產(chǎn)流水線上每個工位的負(fù)荷均衡是保持生產(chǎn)平衡的基本思想。當(dāng)斷路器初步裝配路線擬定后和仿真后，裝配工步、每道裝配工步對于的工時以及工步之間的先后順序關(guān)系都已得到定義。本文提出一種基于生產(chǎn)平衡的工位分配方法[15]，以滿足工序之間的前后關(guān)系條件下分配每道工序到工位上，使得每個工位的工作時間盡可能地均衡。

對于斷路器企業(yè)的裝配生產(chǎn)線而言，其工位往往是確定的。假設(shè)某種型號的斷路器共有S個工步，每個工步對應(yīng)的工時為Ti，其中0＜i＜S。當(dāng)前生產(chǎn)線上共有M個工位，工位j的工作時間為WTj，其中0＜j＜M。

根據(jù)生產(chǎn)平衡原理，希望找到最合適的工位排列分布，在滿足約束條件的情況下，使得：

取到最小值。

斷路器的裝配過程中，有一些裝配工步必須是在前面特定的若干裝配工步完成后才能進(jìn)行。這樣的裝配工步就是有前后關(guān)系約束的工步。這種能夠前后關(guān)系可以用工步的前置關(guān)系集來表示。假設(shè)某道工步Si必須在Si-3，Si-2，Si-1三道工步完成之后進(jìn)行，則工步Si的前置關(guān)系集為：

對于沒有前置工步的工步，Befo(Si)=Φ。在進(jìn)行裝配工步分配的時候必須保證有前后約束關(guān)系的工步的前后順序不變，即只有當(dāng)某道工步的前置工步全部都分配到之前或當(dāng)前的工位之后才能對該工步進(jìn)行分配。

根據(jù)以上分析，對于有i個裝配工步j(luò)個生產(chǎn)線工位的工步分配問題，可以建立如下數(shù)學(xué)模型：

1）建立每個工步的前序工步集Befo(Ai)；

2）建立i×j階矩陣A，其中i為工步數(shù)，j為工位數(shù)。Ai表示工步Si，Aj表示工位Mj。元素Aij=1時表示工步Si被分配到工位Mj上，元素Aij=0時表示工步Si沒有被分配到工位Mj上。由于斷路器裝配過程中的每個工步在整個裝配過程中只會出現(xiàn)一次，所以不難推斷出：

3）建立i維工時向量TT=(t1，t2，…，ti)，其中每個元素ti表示工步Si所對應(yīng)的工時。不難推斷出向量AT的每個元素即為每個工位上的工作總時長；

4）混合整數(shù)優(yōu)化問題描述如下：

其中矩陣元素Aij為0或1。

本文通過集成交互式的線性和通用優(yōu)化求解器Lingo對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到滿足約束條件的矩陣A，對A中元素進(jìn)行解析，從而得到滿足生產(chǎn)線平衡的工步最優(yōu)分配。

某裝配工序共50道裝配工步，10個裝配工位，已知每道裝配工位前后約束關(guān)系，則在Lingo建立模型，數(shù)據(jù)部分如圖4所示。

通過Lingo計算部分結(jié)果如圖5所示。

圖4 某裝配工位確定模型數(shù)據(jù)部分

圖5 計算結(jié)果(截圖片段)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于以上原理，本文實現(xiàn)了面向生產(chǎn)平衡的三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)KM3DAST。系統(tǒng)主要功能包括導(dǎo)入三維裝配設(shè)計模型并進(jìn)行輕量化；交互地方式定義裝配工步，裝配順序，擬定PBOM，初步生成裝配工藝路線；對裝配路線進(jìn)行仿真，檢查裝配干涉和裝配尺寸精度；面向生產(chǎn)平衡的工步工位分派；多種形式的裝配設(shè)計工藝文件發(fā)布。

系統(tǒng)操作界面如圖6所示，分為菜單欄、工作區(qū)、屬性面板和三維模型視圖區(qū)。菜單欄主要包括對文件管理與發(fā)布、裝配工藝設(shè)計、標(biāo)注說明添加、仿真驗證等功能菜單與工具。工作區(qū)主要用于定義、管理和操作裝配模型結(jié)構(gòu)、裝配工藝過程和裝配工具資源。三維模型視圖區(qū)用于顯示裝配模型及裝配過程。

圖6 KM3DAST界面

工作區(qū)的裝配結(jié)構(gòu)頁面中的“裝配結(jié)構(gòu)”根節(jié)點上右鍵菜單可引入三維裝配模型。模型引入后裝配結(jié)構(gòu)頁面生成產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)樹，可利用結(jié)構(gòu)樹對模型進(jìn)行調(diào)整與增刪。如圖7所示，在工藝過程右鍵菜單中可以通過添加裝配步驟來定義新的裝配活動。也可以在一個步驟上添加子裝配步驟。

圖7 定義裝配步驟

裝配過程定義的一般流程是：生成裝配步驟→添加裝配對象→定義安裝/拆卸活動。在定義安裝/拆卸活動活動時可以引入工具裝備，插入技術(shù)圖解集。每一步裝配活動都能通過模型進(jìn)行仿真并在視圖區(qū)展示裝配過程。定義裝配活動的過程的同時也是進(jìn)行裝配過程仿真的過程。對于已經(jīng)定義建立的裝配步驟，可以通過在工藝過程一欄中右鍵菜單進(jìn)行編排管理，形成初步生成裝配工藝路線。同時，系統(tǒng)將記錄對應(yīng)的每一步裝配仿真的過程。

完成初步裝配工藝路線編排之后，系統(tǒng)可以通過仿真播放功能進(jìn)行裝配和拆卸的仿真播放。仿真播放過程中，還可以錄像，錄像生成錄像片段后，通過播放工具進(jìn)行播放。

圖8 錄制/播放裝配視頻

在裝配或拆卸過程中，用戶可以在配置中指定需要進(jìn)行干涉檢查的對象，以及指定需要和干涉檢查對象進(jìn)行干涉檢查運(yùn)算的零部件，實現(xiàn)檢查被裝配的零部件和其他零部件之間是否有干涉，并出具干涉檢查報告。

如圖所示，點擊工具菜單欄上的＜裝配尺寸鏈計算＞按鈕，交互地填寫尺寸鏈中的組成環(huán)尺寸，包括增環(huán)尺寸、減環(huán)尺寸，點擊＜計算＞按鈕，系統(tǒng)按用戶選定的封閉環(huán)表達(dá)方式，在封閉環(huán)編輯框中顯示計算的結(jié)果。

圖9 尺寸鏈解算對話框

點擊工具菜單欄上的＜裝配線工位自動指派＞按鈕，可以實現(xiàn)面向生產(chǎn)平衡的工步工位分配。系統(tǒng)需要用戶指定工位數(shù)量，并默認(rèn)工位之間存在先后順序。點擊＜指派＞按鈕，系統(tǒng)根據(jù)初步生成裝配工藝路線自動指派每一步裝配活動的工位，使整個裝配過程滿足生產(chǎn)平衡要求。系統(tǒng)將生成工位指派結(jié)果并計算最小生產(chǎn)節(jié)拍。

圖10 生產(chǎn)平衡分析

系統(tǒng)支持Excel、AVI、pdf等多種文件格式的結(jié)果發(fā)布。裝配工藝文件主要以Excel格式發(fā)布，用戶可以通過編輯文件模板來指定工藝文件發(fā)布樣式。裝配仿真過程錄制的裝配視頻可以生成AVI格式文件輸出，用于指導(dǎo)裝配生產(chǎn)。裝配過程文件可以按裝配活動保存為一頁P(yáng)DF，輸出成裝配文檔。

4 實例驗證

以斷路器某一型號產(chǎn)品為實例，利用KM3DAST系統(tǒng)演示完成面向生產(chǎn)平衡的裝配工藝設(shè)計，并具體分析利用生產(chǎn)線平衡分析前后的工藝的差別。

1）導(dǎo)入裝配模型，并由EBOM創(chuàng)建PBOM。后續(xù)裝配設(shè)計根據(jù)PBOM展開。

圖11 導(dǎo)入模型

圖12 創(chuàng)建PBOM

2）定義裝配活動，編排初步裝配工藝路線。

圖13 編排裝配工藝路線

3）進(jìn)行裝配仿真，檢查裝配過程干涉。

4）面向生產(chǎn)平衡工位指派。

5）斷路器裝配工藝文件。

圖14 輸出裝配工藝文件

利用生產(chǎn)線平衡分析前的工藝如表1所示。

表1 某斷路器裝配工藝

續(xù)（表1）

傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計模式下，不考慮生產(chǎn)平衡因素進(jìn)行的裝配工藝路線設(shè)計，經(jīng)過生產(chǎn)線平衡分析以后可以得到生產(chǎn)線平衡信息，轉(zhuǎn)為圖表顯示如圖15所示。

圖15 未利用生產(chǎn)線平衡分析前工藝

由圖中可以看到生產(chǎn)節(jié)拍為48min，生產(chǎn)線的平衡率為：

平衡率=247/48×10=51.46%。此時的工藝的平衡率較低，工序1上為瓶頸工序，工序8、工序5與工序2的利用率較低空閑時間較長，在工序規(guī)劃方面有優(yōu)化的空間。利用本系統(tǒng)進(jìn)行裝配工藝設(shè)計之后的生產(chǎn)線平衡分析圖如圖16所示。

圖16 利用生產(chǎn)線平衡分析后工藝

由圖中可以看到生產(chǎn)節(jié)拍下降為25min，此時生產(chǎn)線的平衡率為：

平衡率=247/25×10=98.88%，生產(chǎn)效率得到顯著提高。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)并行工程的思想，并針對斷路器產(chǎn)品生產(chǎn)的實際問題，提出了面向生產(chǎn)線平衡的裝配工藝設(shè)計。面向生產(chǎn)線平衡的裝配工藝設(shè)計是在裝配工藝設(shè)計階段就充分考慮裝配生產(chǎn)線的平衡狀況，以實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配工藝滿足實際裝配生產(chǎn)線平衡的需要，從而加快生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

基于面向生產(chǎn)線平衡的裝配工藝設(shè)計的想法，本文實現(xiàn)了一種面向生產(chǎn)平衡的斷路器產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)，并通過某種斷路器產(chǎn)品實例進(jìn)行了驗證。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在實際的斷路器生產(chǎn)項目中運(yùn)用。隨著更多的項目的開展，可以積累更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，逐漸對本文提出的方法和系統(tǒng)進(jìn)行修正和改進(jìn)，以推廣到其他制造領(lǐng)域。

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