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        SPS模式在汽車生產(chǎn)物流中的應(yīng)用

        2019-01-03 07:26:24
        物流技術(shù) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:流水線節(jié)省配料

        (上汽大眾汽車有限公司,上海 201805)

        1 引言

        隨著制造業(yè)的發(fā)展以及客戶定制化需求不斷增強,汽車制造工藝復(fù)雜度不斷提升,加之汽車零件種類眾多,復(fù)雜的工藝對生產(chǎn)物流配送提出了更大挑戰(zhàn)。SPS(Set Parts Supply)是一種配料上線的廠內(nèi)物流模式,對復(fù)雜工藝的適應(yīng)力較強,并具有較高的柔性,已在汽車生產(chǎn)物流中有了較為廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而,對于該模式的應(yīng)用前提以及其相比于傳統(tǒng)模式的經(jīng)濟(jì)性和必要性的判定,尚無可靠的依據(jù)。本文通過分析物流流程中各環(huán)節(jié)面積、人員的需求,結(jié)合工廠產(chǎn)能布局前提及零件復(fù)雜度,比較分析SPS模式與傳統(tǒng)直接上線模式的資源需求,并提出選用SPS模式的前提和判斷方法。

        2 上線模式比較

        一般地,物流流程要求盡可能簡單精益,在物流操作過程中應(yīng)盡可能減少復(fù)雜的增值操作。傳統(tǒng)模式下的汽車廠內(nèi)生產(chǎn)物流,首選通常是來料直接送貨至流水線,只有當(dāng)車型、工藝復(fù)雜度不斷提高的情況下,因流水線邊物流面積不足,才會選擇部分零件采用排序揀貨或配料上線的模式。

        相比與傳統(tǒng)模式,SPS方式則采用來料零件先在固定物流區(qū)域進(jìn)行臺套式分揀后,按每臺車配料揀貨后上線,配料小車跟隨流水線隨行[4],裝配工人只需在該配料小車中拿取零件裝配,可實現(xiàn)裝配端更高的效率。兩種模式比較如圖1所示。

        3 理論分析

        基于圖1的流程,假設(shè)工廠產(chǎn)能、零件種類、工藝復(fù)雜度等條件不變的情況下,對傳統(tǒng)模式與SPS模式對面積和各環(huán)節(jié)人員需求進(jìn)行比較分析。假設(shè)傳統(tǒng)模式下,需要被排序的零件號種類數(shù)量為m,排序零件大類數(shù)量為n,不做任何揀貨操作而直接上線的零件號種類數(shù)量為k;假設(shè)SPS模式下,單配料小車裝箱數(shù)為Z。此外,為便于計算,假設(shè)在兩種模式下小包裝占用面積情況一致,且假設(shè)以上兩種模式可以相互間切換。

        圖1 流程對比

        3.1 面積分析

        傳統(tǒng)排序揀貨的布局模式通常為排序區(qū)域兩側(cè)為物流換料通道,排序區(qū)域中間為人工揀貨通道,排序區(qū)域兩側(cè)為來料存放區(qū)域,故傳統(tǒng)排序占用面積為:

        同理,SPS揀貨區(qū)占用面積為:

        采用SPS模式后,流水線面積節(jié)省為:

        式中,Ll為傳統(tǒng)模式下流水線的總長,ΔLl為采用SPS模式后流水線可縮短的尺寸,Wl為流水線總寬,ΔWl為可節(jié)省的寬度。式中,前部分為流水線縮短節(jié)省,后部分為物流區(qū)域節(jié)省。

        如SPS模式要有面積節(jié)省,傳統(tǒng)模式與SPS揀貨模式面積占用差值大于0,令包裝長邊平均值Lk=則由式(1)、(2)、(3)可得:

        從流水線的結(jié)構(gòu)看,寬度上具有可節(jié)省潛力的只能是物流區(qū)域,可令 ΔWl=τW,其中0<τ<2,同時令Wl=KlW,其中Kl為流水線總寬相對于揀貨區(qū)物料擺放區(qū)寬度的比例系數(shù),通常情況下,各汽車制造商工廠中的Wl與W均為工廠規(guī)劃時的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值,因此,上式可變?yōu)椋?/p>

        上式可以看出,如采用SPS模式后,流水線無空間節(jié)省,即τ=0,ΔLl=0,那么,除非傳統(tǒng)模式下,所有零件都是采用排序操作的,兩種模式的面積需求可持平,否則SPS占用場地更多。

        而如果使用SPS模式上線后,無法實現(xiàn)流水線邊物流空間的節(jié)省,即τ=0,但可以通過裝配工時節(jié)省而縮短工位或流水線的情況,則上式變?yōu)椋?/p>

        規(guī)劃工作中,可以通過將已有數(shù)據(jù)代入上式來判斷是否可以獲得面積節(jié)省。

        由于傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)物流過程中,如果流水線邊如無足夠空間,通常已較多地采用了排序上線的方式;基于這種情況下,采用SPS上線方式,一般不會因空間節(jié)省而導(dǎo)致的流水線縮短,則式(5)可變?yōu)椋?/p>

        該式可以看出,只有當(dāng)τ>0時,SPS才可能獲得面積的節(jié)省,這種情況下,要求SPS模式中,隨行料車應(yīng)只占用裝配區(qū)域或只是占用更小的物流區(qū)域。

        同時,從式(5)、(6)、(7)可以看出,任何一種情況下,只有k值較小時,SPS才更有可能獲得面積節(jié)省,也即,從面積節(jié)省角度看,只有當(dāng)車型復(fù)雜度高、流水線邊空間嚴(yán)重不足、大量零件采用排序模式、只有極少數(shù)零件無需排序操作時,SPS模式才有面積節(jié)省的可能。

        3.2 基于人員投入的理論分析

        3.2.1 搬運模塊。搬運崗位需求計算公式為:

        假設(shè)需要被排序的來料零件流量為Qm,排序上線零件流量為Qn,直接上線零件流量為Qk,來料零件總流量為Qt,即Qt=Qm+Qk,又令排序零件體積膨脹系數(shù)α=Qn/Qm。

        因此,可得傳統(tǒng)上線模式下,揀貨區(qū)配料、排序零件上線、直接上線人員崗位需求分別為:

        式中,ll、lt分別為上線搬運路程和揀貨區(qū)配料搬運路程。

        可求得揀貨區(qū)與原排序區(qū)位置不變下SPS模式的配料和上線人員崗位需求分別為:

        同理,可求得SPS揀貨區(qū)位置在流水線邊情況下的配料和上線人員崗位需求分別為:

        由式(12)、(13)之和與式(14)、(15)之和相減可得:

        考慮SPS經(jīng)揀貨后體積必然膨脹,且當(dāng)上式Qm與Qk之和的值大于JPH時,單SPS包裝通常無法擺放超過來料包裝裝箱數(shù)量的零件,因此,Diff顯然大于0。即SPS離流水線越遠(yuǎn),所需耗費的搬運人力更多。因此,在規(guī)劃時,SPS揀貨區(qū)應(yīng)盡可能在流水線邊。

        對于SPS揀貨區(qū)與傳統(tǒng)模式下排序揀貨區(qū)一致且不在流水線邊的情況,如要求SPS在搬運過程中有人員優(yōu)化,由式(9)、(10)、(11)、(12)、(13)可知,應(yīng)滿足下式:

        與式(16)分析同理,在SPS模式可以兼容Qn流量的排序零件類的條件下,當(dāng)出現(xiàn)Qn大于JPH情況時,考慮零件的差異性,SPS配料車通常無法實現(xiàn)對所有排序件的裝載,因此上式不成立。即,當(dāng)SPS模式仍沿用傳統(tǒng)模式揀貨區(qū),且該揀貨區(qū)遠(yuǎn)離流水線邊時,SPS無法實現(xiàn)搬運流程的人員節(jié)省。

        對于SPS布局在流水線邊的情形,將傳統(tǒng)模式下人員崗位需求減去SPS模式下的人員崗位需求,即由式(9)、(10)、(11)、(14)、(15)可知,傳統(tǒng)模式與SPS模式崗位需求差值滿足大于0才能在搬運上節(jié)省人員需求,即滿足下式:

        注意,使用上式時,Qn應(yīng)只限于被定義為同一SPS配料車單包裝(料車)包含零件中所涉及的排序件的流量。

        上式可以看出,如前期排序件就在流水線邊,即ll=0時,SPS在搬運過程是無法實現(xiàn)人員節(jié)省的。式中,vT為常量,可以根據(jù)MTM方法獲得實值,從而得出如圖2曲線,圖中只有當(dāng)JPH/Qn值小于對于曲線縱坐標(biāo)值時,SPS相對于傳統(tǒng)部分零件排序的方案才有搬運上的節(jié)省。從式(18)及圖3也可以看出,ll值作用較為關(guān)鍵,如傳統(tǒng)模式排序零件是在距離流水線較遠(yuǎn)的排序區(qū),而SPS可實現(xiàn)在流水線邊揀貨并上線,那么,SPS模式將可取得搬運人員的節(jié)省。此外,由于SPS相比于傳統(tǒng)模式上線點及路線簡化[5],AGV[6]搬運方案相對簡單,因此部分工廠規(guī)劃中通過使用AGV搬運來降低成本,獲得經(jīng)濟(jì)性。

        3.2.2 揀貨操作模塊。傳統(tǒng)上線模式排序操作人員崗位需求計算為:

        式中,lwi為揀取單類排序零件所需行走總距離,Ni為單排序大類裝箱數(shù),vw為揀貨工行走速度,tp為揀取單件的工時,為便于計算,可視為標(biāo)準(zhǔn)化操作單位,T0為單料車揀貨前后掃描檢查等動作單元,也可視為標(biāo)準(zhǔn)化操作單位。

        同理可得SPS揀貨操作人員崗位需求如下:

        式中,lws為SPS單料車排序完成所須走動的距離。

        圖2 JPH/Qn可取最大值與膨脹系數(shù)關(guān)系

        為簡化計算,可近似將排序零件布局區(qū)域行走長度與SPS揀貨區(qū)域行走長度通過零件數(shù)量比例化,即),則其差值大于0時,才能有人員節(jié)省,即:

        同式(17)分析,實際排序流量必然少于SPS流量,上式左側(cè)值小于0,而同理,Z必然大于n,右側(cè)值必然大于0,所以該式不成立。即,從揀貨操作看,SPS人員需求大于傳統(tǒng)模式。

        由于SPS中,除了原排序零件類外,原不排序的零件類k存在同零件類多個零件號的可能,則Z-n<k,因此,為了簡化后續(xù)計算,如式(22)成立,則式(21)同樣成立。

        3.2.3 裝配工操作。傳統(tǒng)模式下裝配過程中為揀取零件走動所需裝配工崗位為:

        式中,dti為傳統(tǒng)模式獲取單個零件的走動距離。

        同理,采取SPS模式后需求為:

        式中,dsi為SPS模式下獲取單個零件的走動距離。

        上式可以看出,ds越小,則裝配工節(jié)省人員工時越大,當(dāng)該值為0,也即配料車隨行位置可以實現(xiàn)裝配工人伸手即可拿去時,工人無須走動,可以完全省去裝配工人行走工時,最大程度提升裝配效率。因此,SPS配料小車應(yīng)盡可能在流水線裝配工位位置,該結(jié)論與式(7)分析結(jié)果一致。

        結(jié)合式(22)和式(25)后可知,如要實現(xiàn)揀貨、裝配工取料整體過程人員節(jié)省,必須使下式成立:

        對于上式,如裝配工揀貨端無法實現(xiàn)行走的節(jié)約,那么同式(25)分析結(jié)果,SPS無法實現(xiàn)揀貨的人員節(jié)省;如可實現(xiàn)完全取消裝配工的行走,又假設(shè),則上式變?yōu)椋?/p>

        上式左側(cè)存在一種極限狀態(tài),即當(dāng)m=0時,傳統(tǒng)模式無排序件時,那么Qn=0,則上式左側(cè)恒小于0,上式不成立。從而可得出結(jié)論:在傳統(tǒng)模式無排序件的情況下使用SPS上線,揀貨方面無法實現(xiàn)人員節(jié)省。

        從上式也可以看出,只有當(dāng)k值越小,才有可能有揀貨工作流程中的人員節(jié)省,這個結(jié)論與從面積考慮出發(fā)一致。因此,分析表明,只有當(dāng)流水線邊空間緊張,不得不增加較多排序操作時,SPS才應(yīng)該被考慮。

        式(27)中,m·lws/(m+k)即為排序零件揀貨時的行走距離,考慮布局為兩邊擺放,中間揀貨通道的形式,可令為傳統(tǒng)模式下排序類來料零件包裝的長邊平均值。而同式(17)、(22)分析,式(27)中(Qn/JPH-1)≥-1,如該值取最小值時成立,則式(27)仍成立,則式(27)變?yōu)椋?/p>

        上式可作為判斷揀貨流程中SPS模式與傳統(tǒng)模式下的人員崗位需求情況評估的前提。其中,vw、tp、T0均為可通過MTM方法求得的實值,并將、m、k等值代入上式即可判斷選用SPS模式后是否可以獲得揀貨方面的人員節(jié)省。

        4 實例驗證

        本文以某汽車廠門線SPS方案規(guī)劃為例,比較傳統(tǒng)模式與SPS模式的資源需求見表1。

        該案例中,為節(jié)省空間,SPS揀貨區(qū)被布局在流水線邊,來料零件的搬運崗位不變,因此在比較中,傳統(tǒng)搬運崗位的人員設(shè)為0,而相比較情況下,SPS須新增2個崗位做上下線操作。面積資源方面,由于SPS揀貨區(qū)布局在流水線邊,其通道可與其他車輛共用,故僅有揀貨區(qū)對的面積需求新增,無物流通道新增,即表中的500m2僅為新增揀貨區(qū)面積(注:其中較大部分零件號為小件,使用自滑式料架,占用面積較?。?。

        表1 某汽車廠門線傳統(tǒng)方案與SPS方案資源對比

        本案例數(shù)據(jù)結(jié)合理論分析結(jié)論可知,面積方面,本案例中流水線邊并無節(jié)省,即τ=0,ΔLl=0,故SPS模式無法節(jié)省面積;搬運崗位方面,由于ll=0,因此,SPS模式也無法獲得人員節(jié)??;揀貨崗位方面,將m=72及相關(guān)實值代入式(27),可得式中右側(cè)計算值約為1 110,遠(yuǎn)大于左邊的m值,因此,SPS也無法獲得人員節(jié)省,比較結(jié)果表明,本案例中傳統(tǒng)模式下非排序零件種類較多,故無法實現(xiàn)揀貨人員與裝配人員工時的平衡。本案例可以看出,SPS模式在面積、人員上無法實現(xiàn)節(jié)省,結(jié)合理論分析中的式(5)、(18)、(27),可知SPS模式中如無法縮短流水線或節(jié)省流水線邊空間或存在較多零件在傳統(tǒng)模式下是直接上線,且傳統(tǒng)模式下排序區(qū)域在流水線邊的情況下,該三式均不成立,即無法實現(xiàn)節(jié)省,實際案例可驗證理論分析結(jié)果。

        5 結(jié)論

        本文結(jié)合物流流程和布局,從面積及人員需求角度,比較分析了傳統(tǒng)上線模式與SPS模式的區(qū)別,并通過實例驗證。

        從面積需求看,只有SPS模式能省去流水線邊空間或縮短流水線的情況下,且傳統(tǒng)模式下非排序零件比例較小時,才能比傳統(tǒng)模式更節(jié)省空間;從搬運人員需求看,SPS模式應(yīng)盡可能將揀貨區(qū)域貼近流水線才能更優(yōu);從揀貨人員需求看,SPS模式可較大程度節(jié)省裝配人員工時,但增加揀貨人員需求,總體上看,同樣要求在非排序零件比例較小時,SPS才可能有節(jié)省。分析結(jié)果表明,傳統(tǒng)模式下非排序零件類占比成為評判優(yōu)劣的關(guān)鍵(即文中的k值),只有在生產(chǎn)工藝復(fù)雜度較高、流水線邊空間緊缺、排序零件比例較大的情況下SPS模式才更有優(yōu)勢。

        從理論分析的總體上看,SPS模式只有滿足非排序件比例極小及布局在流水線邊等嚴(yán)格要求的情況下,才能有面積或人員的節(jié)省。實際情況下,這些條件通常較難全部滿足,因此簡單采用SPS模式較難實現(xiàn)資源的節(jié)省。然而,考慮到SPS模式有較強柔性的優(yōu)勢且更易于適應(yīng)工藝的調(diào)整,該模式仍然是汽車制造中適應(yīng)柔性生產(chǎn)的一種較好的手段。同時,該模式可使上線的自動化搬運更加簡潔,因此,實際應(yīng)用中可以采取一些如AGV上線搬運的自動化手段,從而實現(xiàn)SPS模式下的精益生產(chǎn)和成本優(yōu)化。

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