劉曉敏 ，曲 敏 ，2，陳 亮

（1.福州大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，福建福州350116；2.福州大學(xué)晉江科教園，福建晉江362251）

在手機制造過程中，布線規(guī)劃往往能直接決定產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)布線方式大多采用人工操作，其布線工藝操作易受工人工作狀態(tài)影響，導(dǎo)致布線不精準(zhǔn)及工作效率低［1］。布線機器人的應(yīng)用大大提升了手機生產(chǎn)自動化程度。目前，產(chǎn)品自動化生產(chǎn)工藝布局規(guī)劃已成為降低生產(chǎn)成本及提高生產(chǎn)效率的重要途徑［2］。

系統(tǒng)布局規(guī)劃（Systematic Layout Planning，SLP）是一種物流分析與作業(yè)單位關(guān)系緊密結(jié)合且應(yīng)用較為廣泛的分析方法［3］。它通過大量圖表分析，引入量化的關(guān)系等級概念，建立各作業(yè)單位間的相互關(guān)系圖表，從而構(gòu)成布局規(guī)劃模型。Tak等［4］將SLP 方法應(yīng)用在鋼鐵公司生產(chǎn)車間布局中，直接證實了該方法對車間布局設(shè)計具有重要實用價值。

計算機化關(guān)系布置規(guī)劃（Computerized Relationship Layout Planning，CORELAP）算法思想是［5］：設(shè)定一個物流節(jié)點是由n個物流作業(yè)單位組成，各作業(yè)單位所占作業(yè)面積、關(guān)系等級、布置原則已知，并確定出其關(guān)聯(lián)程度、布置順序及相對位置，最后計算出布局方案質(zhì)量指標(biāo)。Rajesh 等［6］應(yīng)用該算法對某大型烤箱制造廠現(xiàn)有布局進行重新規(guī)劃，提高了空間利用率，降低了物料搬運成本。

然而，在布置作業(yè)單位時多采用人工試錯法，效率低且難以獲取最優(yōu)解。為此，提出一種基于SLP-CORELAP 的布局規(guī)劃方法，彌補了SLP 方法的不足，同時還能有效改善各作業(yè)單位密切度不夠高、工藝規(guī)劃不合理、空間利用率低等問題。

1 基于SLP-CORELAP 的布局規(guī)劃模型

利用SLP 方法，獲得各作業(yè)單位間的關(guān)系及關(guān)系等級；利用CORELAP 算法，將該關(guān)系進行詳細(xì)規(guī)劃。兩種方法結(jié)合，得到基于SLP-CORELAP 的布局規(guī)劃模型，如圖1所示。

圖1 基于SLP-CORELAP的布局規(guī)劃模型Fig.1 Model of layout planning based on SLP-CORELAP

主要實現(xiàn)步驟如下：

步驟1SLP 系統(tǒng)化分析。首先，通過工藝分析，重新確定工作單位數(shù)量及功能；然后，分析各工作單位間的物流及非物流相互關(guān)系，制定物流及非物流相關(guān)圖；最后，綜合兩者關(guān)系，得到綜合相關(guān)圖。

步驟2CORELAP 詳細(xì)規(guī)劃。首先，根據(jù)綜合相關(guān)圖，計算各作業(yè)單位間的關(guān)系等級分值，得到各作業(yè)單位所有關(guān)系等級分值的總和（Total Closeness Rating，TCR）計算表；然后，根據(jù)計算的TCR值，確定各作業(yè)單位布置順序；同時，還需要確定各作業(yè)單位的作業(yè)面積。依照布置及面積調(diào)整原則，在繪圖環(huán)境中布置各作業(yè)單位，得到多種布局方案；最后，以實現(xiàn)各作業(yè)單位間的最大密切度為目標(biāo)，確定密切度函數(shù)并計算、比較各備選方案，得到若干可行的布局規(guī)劃方案。

步驟3應(yīng)用發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）分析布局系統(tǒng)。檢查布局系統(tǒng)是否存在沖突，若有沖突，則應(yīng)用TRIZ進行解決；若無沖突，則直接進行下一步。

步驟4工作站布局仿真。應(yīng)用Robot Studio軟件對可行布局方案進行虛擬仿真，檢查其工藝布局干涉及排序合理性問題。

2 工程實例分析

SLP-CORELAP 方法重新規(guī)劃該布線工作站布局。

2.1 SLP系統(tǒng)化分析

（1）原始工藝及布局現(xiàn)狀分析。某手機自動化布線機器人工作站工藝流程如圖2 所示。

針對某手機自動化布線工藝特點，應(yīng)用

圖2 原始自動化布線工藝流程Fig.2 Flow of original automatic wiring process

該自動化布線工作站工藝包含導(dǎo)線供應(yīng)（原料→加工→上料）、待布線手機上料、機器人布線（機器人抓取導(dǎo)線→工作臺固定待布線手機→機器人布線）和成品傳送（已布線手機下料→成品倉庫或下一工藝）4 個模塊。結(jié)合各模塊特點及該工作站所缺失的輔助功能，確定出8 個作業(yè)單位，如表1所示。

表1 作業(yè)單位統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of operating units

根據(jù)圖2 及表1，并結(jié)合該工作站實際情況，得到其原始規(guī)劃布局示意圖，如圖3 所示。圖中，1-2-4 為導(dǎo)線供應(yīng)過程，3-4 為待布線手機上料過程，在4 機器人布線區(qū)完成布線過程，4-5-7 為布線合格手機的傳輸過程，5-6-3 為未合格手機但可回收利用的過程，5-6-8 為檢驗廢品的過程。

圖3 原始規(guī)劃布局示意Fig.3 Original planning layout

上述分析發(fā)現(xiàn)，該工作站沒有充分考慮各作業(yè)單位間的關(guān)聯(lián)，造成了物料傳輸繁瑣、空間利用率低，因此提高了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。

（2）各作業(yè)單位間的相互關(guān)系分析及相關(guān)圖制定。結(jié)合手機布線機器人工作站工藝流程、物流傳輸量等信息，得到8 個作業(yè)單位間的物流量圖，如圖4 所示，確定出物流強度。將各物流強度劃分為6 個關(guān)系等級，由高到低依次是A、E、I、O、U 和X。

依據(jù)圖4，制定出8 個作業(yè)單位的物流相關(guān)圖，如圖5所示，其中1～8為作業(yè)單位序號，任意兩作業(yè)單位的斜向通道相交，均對應(yīng)一個菱形格，其中，字母代表兩作業(yè)單位的關(guān)系等級。例如，作業(yè)單位3和6的關(guān)系等級為E。各作業(yè)單位間的物流關(guān)系不是綜合等級劃分的唯一依據(jù)，還應(yīng)對非物流相關(guān)關(guān)系進行分析［7］。

根據(jù)一般非物流關(guān)系評定理，結(jié)合手機布線機器人工作站實際情況，制定出8 個作業(yè)單位的非物流相關(guān)圖，如圖6 所示，其菱形格中數(shù)字為接近理由編號，字母及左列數(shù)字1～8 含義同圖5。例如，左上方菱形格A/1 表示依據(jù)理由1，作業(yè)單位1 和2的非物流關(guān)系等級定為A。

圖4 作業(yè)單位物流量圖Fig.4 Flow chart of operation units

圖5 物流相關(guān)圖Fig.5 Logistic correlation diagram

圖6 非物流相關(guān)圖Fig.6 Non-logistics correlation diagram

將圖5、圖6 合并處理，求出8 個作業(yè)單位間的綜合相關(guān)度，制定綜合相關(guān)圖。首先，將各作業(yè)單位物流與非物流關(guān)系中的等級量化，通過數(shù)值及權(quán)重計算得到各作業(yè)單位間關(guān)系等級值的總和；然后，將該總和值等級化處理，如表3 所示；最后，得到各作業(yè)單位綜合相關(guān)圖，如圖7 所示。表2 中加權(quán)計算方式為：等級分值×權(quán)重。A、E、I、O、U、X 等級分值分別設(shè)定為4、3、2、1、0、-1；物流與非物流關(guān)系權(quán)重比例為2∶1。

圖7 綜合相關(guān)圖Fig.7 Comprehensive correlation diagram

2.2 CORELAP詳細(xì)規(guī)劃

（1）計算TCR 值，確定各作業(yè)單位布置順序。TCR值指各作業(yè)單位所有關(guān)系等級分值總和，關(guān)系等級需參考圖7。TCR值計算公式為

式中：i，j=1，2，…，n；rij為作業(yè)單位i、j間的關(guān)系等級分值。

TCR計算值如表3所示。表中，A、E、I、O、U、X對應(yīng)的各元素均表示關(guān)系等級個數(shù)。例如，作業(yè)單位1有1個A級關(guān)系，等級分值記4。

由表3 知，作業(yè)單位 4 的 TCR 值最大，故選其作為首要布置對象，作業(yè)單位2、3 分別與作業(yè)單位4存在A 級關(guān)系，且作業(yè)單位2、3的TCR 值相等，但作業(yè)單位3 面積較大，故需依次布置作業(yè)單位3、2。剩余待布置作業(yè)單位布置順序是由其與已布置作業(yè)單位的關(guān)系值總和（Closeness Rating，CR）確定。

在剩余作業(yè)單位 1、5、6、7、8 中，作業(yè)單位 1 與已布置作業(yè)單位4、3、2的關(guān)系等級分別為U、U、A，對 應(yīng) 關(guān)系值為 0、0、4，故 CR1-4；3；2=4。同理可得CR5-4；3；2=3，CR6-4；3；2=3，CR7-4；3；2=0，CR8-4；3；2=-1。其中，CR1-4；3；2、CR5-4；3；2、CR6-4；3；2、CR7-4；3；2、CR8-4；3；2為作業(yè)單位1、5、6、7、8分別與4、3、2的關(guān)系值總和。由此可見，CR1-4；3；2值最大，故選擇作業(yè)單位 1為第 4布置對象。同理，依次計算得到剩余作業(yè)單位布置順序為5→6→7→8。

表2 綜合相關(guān)度數(shù)值計算表Tab.2 Calculation of comprehensive correlation grade

表3 TCR計算表Tab.3 Calculation of TCR

綜上，各作業(yè)單位最終布置順序確定為：機器人布線區(qū)→待布線手機上料區(qū)→導(dǎo)線上料區(qū)→導(dǎo)線原料加工區(qū)→質(zhì)檢區(qū)→返工處理區(qū)→成品傳輸區(qū)→廢料區(qū)（即4→3→2→1→5→6→7→8）。

（2）確定各作業(yè)單位所需面積。已知可用工作站總面積為54.18 m2，依據(jù)該手機布線機器人工作站各作業(yè)單位的功能特點，確定8 個作業(yè)單位所需面積分別為2.06、1.2、1.5、3.237、4.62、3.87、2.76、2.16 m2。

（3）布置各作業(yè)單位，得到布局方案。采用無面積拼圖方式，確定該工作站功能區(qū)域示意圖。假設(shè)8 個作業(yè)單位功能區(qū)域均為無面積等大正方形，并按照其布置順序（即4→3→2→1→5→6→7→8）進行拼圖。各模塊拼圖原則為：一個模塊放置的位置應(yīng)使其與已布置的相鄰模塊等級關(guān)系值總和最大。

將工作站功能區(qū)域用正方形拼圖表示，可衍生出多種可行方案，圖8 為其中一種工作站功能區(qū)域方案示意圖。最后，依據(jù)各作業(yè)單位面積信息，進一步篩選和調(diào)整各拼圖方案，并借助CAD制圖工具，衍生出3 個備選工作站布局方案，如圖9 所示。

圖8 一種工作站功能區(qū)域示意圖Fig.8 A functional area diagram of the workstation

方案 2 和方案 3 中：1-2-4 為導(dǎo)線供應(yīng)過程；3-4為待布線手機上料過程；布線過程在4 機器人布線區(qū)完成；4-5-7為布線合格手機的傳輸過程；5-6-3為未合格手機回收利用的過程；5-6-8為檢驗廢品的過程。方案1與其不同在于檢驗廢品的過程為5-8，返工處理區(qū)6產(chǎn)生的廢料無法得到處理。

圖9 備選布局方案Fig.9 Alternative layout plans

（4）備選布局方案評價。方案評價的函數(shù)值記為Z(i)，其計算公式為

式中：rij為作業(yè)單位i、j間的關(guān)系等級分值；dij為作業(yè)單位i、j間的最短距離，一般采用各作業(yè)單位間的折線距離表示。

將3 個可行方案的dij值組成矩陣，分別記作D1、D2、D3：

將各dij、rij值代入式（2）中，得到3 個方案的Z值 ，分 別 記Z1、Z2、Z3，其 中 ，Z1=39 913.7，Z2=334 856.8，Z3=42 219.7。比較3 個可行布局方案Z值為Z2＜Z1＜Z3。因此，方案2 的密切度最高。依據(jù)所得到的原始規(guī)劃布局（如圖3），計算出Z值，記為Z0，Z0=50 621.3＞Z0。且由式（3）可得，布局方案2中各作業(yè)單位的總關(guān)系密切度較原始規(guī)劃布局方案提高了31.14%，

另外，在CAD 環(huán)境中測量3 個方案的橫、縱向最大長度，并計算乘積，記為各方案的最大占有面積。方案1、2、3分別為27.22、27.13、36.58 m2，可見方案2的最大占有面積最小。

綜上，方案2為最佳可行布局方案。

2.3 沖突問題分析與解決

在實際布置時常發(fā)生空間、時間等層面的沖突，故應(yīng)用TRIZ 法對方案2 進行沖突問題分析及解決［8］。

首先，將該系統(tǒng)中存在的沖突進行定義。從布局方案2 可知，物料（可回收的手機底板及廢料）經(jīng)作業(yè)單位6 的傳輸去向主要為作業(yè)單位8、3。在布局面積不改變的條件下，通過作業(yè)單位6將廢料傳輸至作業(yè)單位8，再將可回收的手機底板傳輸至作業(yè)單位3。將此問題轉(zhuǎn)化為TRIZ 中的沖突問題，即兩種物料不應(yīng)該出現(xiàn)在同一傳輸帶，以避免物料混淆；或者兩種物料應(yīng)該出現(xiàn)于同一傳輸帶，以完成兩種物料的傳輸，并減少占地面積及傳輸時間。

其次，確定出具體沖突形式。利用沖突理論，得出這是一對物理沖突，宜采用分離原理來解決。

最后，獲得沖突問題的具體解決方案。查詢TRIZ40 條發(fā)明原理表，得到各發(fā)明原理啟示。經(jīng)分析，該沖突問題解確定為發(fā)明原理1（分割）、17（維數(shù)變化）。應(yīng)用分割原理，將作業(yè)單位6 的輸出端輸送帶設(shè)計為雙排形式；應(yīng)用維數(shù)變化原理，將該輸送帶設(shè)計為雙層形式。

2.4 工作站虛擬仿真

在Robot Studio 軟件中建立手機布線機器人工作站模型，進行仿真設(shè)置。

（1）建立工作站模型。首先，將方案2 的布局圖導(dǎo)入Robot Studio，建立布局模版；其次，將8 個作業(yè)單位所涉及的數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入該軟件，按照布局模板放置各模型，并分別設(shè)置輸送帶形式為雙層和雙排；最后，得到工作站布局仿真的效果，如圖10所示。

圖10 手機布線機器人工作站虛擬仿真圖Fig.10 Simulation of wiring robot workstation

（2）機器人布線工序設(shè)計及仿真。在該布線機器人工作站中，基本的布線過程見表4。

表4 布線工序的任務(wù)描述Tab.4 Description of the wiring procedure

根據(jù)表4 中的工序及任務(wù)，設(shè)計動態(tài)組件，編寫機器人布線軌跡程序，進行該布線工作站仿真，如圖11 所示。整個仿真過程中無干涉問題產(chǎn)生。

圖11 仿真界面Fig.11 Interface of simulation time

3 結(jié)論

（1）將SLP-CORELAP 布局規(guī)劃方法應(yīng)用于手機布線機器人工作站，得到理想布局方案，且該方案各作業(yè)單位總關(guān)系密切度較原始方案提高了31.14%；

（2）運用Robot Studio 仿真軟件，建立手機布線機器人工作站，檢驗工藝布局有無干涉等問題，實現(xiàn)了理想方案的可視化布局效果。

該研究對其他類似裝備工藝布局規(guī)劃設(shè)計具有一定的參考作用。