□ 劉軍偉 □ 宋 文 □ 田東縉 □ 王 浩

中國航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司 西安 710077

1 柔性制造單元工藝能力平衡概念

工業(yè)工程領(lǐng)域中的生產(chǎn)線平衡指對(duì)所有工序進(jìn)行均衡化處理,調(diào)整作業(yè)負(fù)荷,以使各工序的作業(yè)時(shí)間盡可能相近[1]。生產(chǎn)線平衡效果可采用平衡率p和生產(chǎn)線平衡損失率d這兩個(gè)定量指標(biāo)來評(píng)價(jià):

(1)

d=1-p

(2)

T=ΣTi

(3)

式中:T為生產(chǎn)線生產(chǎn)周期;Ti為第i個(gè)工作站作業(yè)時(shí)間;N為工作站總數(shù);Tmax為瓶頸工作站作業(yè)時(shí)間,即生產(chǎn)節(jié)拍。

p表征整條生產(chǎn)線的平衡及連續(xù)狀況,p越大,d越小,生產(chǎn)線平衡的效果就越好。根據(jù)d能夠得出生產(chǎn)線的平衡效果,柔性制造單元可以參照進(jìn)行評(píng)價(jià),生產(chǎn)線平衡評(píng)價(jià)結(jié)果見表1[2]。

表1 生產(chǎn)線平衡評(píng)價(jià)結(jié)果

柔性制造單元工藝能力平衡可以參照生產(chǎn)線平衡進(jìn)行評(píng)價(jià),在滿足工藝約束、工位裝夾約束、工位時(shí)間約束的條件下,單元工藝流程設(shè)計(jì)過程中要充分考慮各工位加工內(nèi)容的均衡性。

2 柔性制造單元工藝能力平衡研究方法

通常,生產(chǎn)線平衡問題劃分為以下幾類[3-4]:① 給定生產(chǎn)節(jié)拍,使工作站數(shù)量最少;② 給定工作站數(shù)量,使生產(chǎn)節(jié)拍最小;③ 給定生產(chǎn)節(jié)拍及可用工作站數(shù)量,使各個(gè)工作站作業(yè)時(shí)間相近,減少生產(chǎn)線波動(dòng)和等待。

殼體柔性制造單元由固定設(shè)備工位組成,從平衡角度而言,單元工作站數(shù)量的確定屬于第③類生產(chǎn)線平衡問題。由于殼體單元建設(shè)限定了加工設(shè)備,形成了預(yù)先約束條件,因此對(duì)殼體制造單元工藝能力平衡應(yīng)從在滿足約束條件的前提下提高殼體制造單元工藝能力平衡效果入手[5]。約束條件下殼體制造單元工藝能力平衡流程如圖1所示。

▲圖1 約束條件下殼體制造單元工藝能力平衡流程

3 柔性制造單元硬件

柔性制造單元由四臺(tái)臥式四軸加工中心、一臺(tái)臥式五軸加工中心、一條自動(dòng)物流傳輸線、一個(gè)135工位托板庫、兩個(gè)上下料工位、總控系統(tǒng)及其它輔助設(shè)施組成,布局如圖2所示。

▲圖2 柔性制造單元布局

柔性制造單元加工設(shè)備基本信息見表2。

表2 柔性制造單元加工設(shè)備基本信息

加工設(shè)備存在兩種刀柄接口類型,分別為HSK63型刀柄接口和JT40型刀柄接口。加工設(shè)備中僅有一臺(tái)五軸加工中心,形成瓶頸資源。對(duì)于殼體零件加工而言,各設(shè)備刀庫容量較小。

4 殼體零件制約條件

柔性制造單元承擔(dān)七類復(fù)雜殼體零件的生產(chǎn),零件投入批量為每批50件,年計(jì)劃需求產(chǎn)量為200件左右。加工設(shè)備加工范圍為建立精基準(zhǔn)到精加工的所有內(nèi)容,即殼體精加工階段。其中,毛坯基準(zhǔn)到精加工基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換在線外完成。加工設(shè)備承擔(dān)生產(chǎn)的部分零件如圖3所示。

▲圖3 加工設(shè)備部分生產(chǎn)零件

七類殼體零件工藝要求對(duì)柔性制造單元工藝能力平衡約束主要有三方面[6]:① 七類殼體零件在柔性制造單元內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)條件下的混線加工和單件流水生產(chǎn);② 七類殼體零件在線加工使用夾具不超過126套;③ 對(duì)于七類殼體零件分配至加工設(shè)備上的工序,加工刀具不能超過刀庫容量。

5 柔性制造單元內(nèi)加工內(nèi)容平衡

首先識(shí)別七類殼體零件半精加工階段不適宜在加工中心上進(jìn)行加工的殼體特征,如電加工內(nèi)腔特征,車削特殊環(huán)槽、圓臺(tái)特征,以及加工中心無法保證加工的特殊結(jié)構(gòu)特征等。通過編程仿真,節(jié)拍平衡,將這些內(nèi)容調(diào)整至生產(chǎn)線外加工。特殊特征識(shí)別舉例如圖4所示。零件型腔標(biāo)記面特征不適宜在加工中心上加工,因此將這部分加工內(nèi)容調(diào)整至生產(chǎn)線外進(jìn)行。

▲圖4 特殊特征識(shí)別舉例

6 加工中心加工能力平衡

根據(jù)數(shù)控編程模擬時(shí)間和初步工藝規(guī)劃列出工序、加工設(shè)備、加工時(shí)間、夾具分布、刀具數(shù)量分布。由于約束條件限制,五軸加工中心僅有一臺(tái),五軸加工中心加工時(shí)間占比偏大,影響柔性生產(chǎn)線節(jié)拍。為平衡五軸加工中心與四軸加工中心的加工任務(wù),將五軸加工中心的部分三軸加工任務(wù)轉(zhuǎn)移到四軸加工中心進(jìn)行加工。通過設(shè)計(jì)彎板夾具,將三軸加工任務(wù)調(diào)整至四軸加工中心進(jìn)行加工[7]。

柔性制造單元工藝規(guī)劃時(shí),為避免設(shè)備故障干擾整個(gè)柔性制造單元運(yùn)行,使設(shè)備和異常情況對(duì)制造單元的影響降到最小,按照同一零件加工內(nèi)容集中在少量設(shè)備上加工的原則規(guī)劃。結(jié)合設(shè)備實(shí)際情況,四臺(tái)臥式加工中心選擇兩臺(tái)JT型刀柄臥式加工中心互為備份,兩臺(tái)HSK型刀柄臥式加工中心互為備份。經(jīng)過加工時(shí)間平衡分析,將零件1、2、3、4集中在兩臺(tái)改造的四軸加工中心上加工，將零件5、6、7集中在兩臺(tái)新購的四軸加工中心上加工,五軸加工中心為共用設(shè)備。初步劃分后各設(shè)備工序分配見表3,具體工序安排依據(jù)后續(xù)工藝流程再進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

7 柔性制造單元工藝流程優(yōu)化

7.1 工藝調(diào)整優(yōu)化基本原則

基本原則包括換裝次數(shù)最少,換裝時(shí)間間隔最長,工序數(shù)量最少,同一特征集中在一臺(tái)設(shè)備上加工完成,有效減少刀具數(shù)量,同一個(gè)零件集中在少數(shù)設(shè)備上加工完成。由于設(shè)備故障率較高,四臺(tái)臥式加工中心兩兩互為備份,減小設(shè)備故障和異常情況發(fā)生時(shí)給生產(chǎn)線造成的影響[8]。

表3 初步劃分后設(shè)備工序分配

7.2 工藝設(shè)計(jì)方案

每一個(gè)工序表示同一裝夾定位方式在柔性制造單元內(nèi)加工的所有內(nèi)容,不同工序需要人工參與換裝。在滿足工藝要求和設(shè)備刀具容量限制的條件下,按照取消、合并、調(diào)整、簡(jiǎn)化原則對(duì)工序內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，相同裝夾方式加工內(nèi)容優(yōu)先安排在同一工序加工，并通過加工參數(shù)優(yōu)化，提高加工效率，縮短加工時(shí)間，使工序之間節(jié)拍平衡。

按照工藝優(yōu)化基本原則對(duì)表3內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后設(shè)備工序分配見表4。

表4 優(yōu)化后設(shè)備工序分配

零件1優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中1-1)、人工換裝、工序20(表3中1-2、1-3合并優(yōu)化)、人工換裝、工序30(表3中1-4、1-5合并優(yōu)化)。

零件2優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中2-1、2-2合并優(yōu)化)、人工換裝、工序20(表3中2-3、2-4合并優(yōu)化)。

零件3優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中3-1、3-2合并優(yōu)化)、人工換裝、工序20(表3中3-3)。

零件4優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中4-1)、人工換裝、工序20(表3中4-2、4-3合并優(yōu)化)、人工換裝、工序30(表3中4-4、4-5合并優(yōu)化)。

零件5優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中5-1)、人工換裝、工序20(表3中5-2、5-3合并優(yōu)化)、人工換裝、工序30(表3中5-4)、人工換裝、工序40(表3中5-5)。

零件6優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中6-1)、人工換裝、工序20(表3中6-2)、人工換裝、工序30(表3中6-3、6-4、6-5、6-6、6-7合并優(yōu)化)。

零件7優(yōu)化后工藝流程:工序10(表3中7-1、7-2、7-3合并優(yōu)化)、人工換裝、工序20(表3中7-4)。

7.3 刀具資源均衡

為了進(jìn)一步滿足各設(shè)備刀具庫容量的約束條件,需要對(duì)各設(shè)備承擔(dān)加工工序所涉及的刀具進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化和縮減。

第一步,對(duì)設(shè)備匯總刀具清單進(jìn)行刀具系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。按照殼體零件加工刀具特點(diǎn),對(duì)同類刀具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)相同刀具進(jìn)行系列化,減少刀具種類和數(shù)量。如M8以下螺紋采用絲錐,M8以上螺紋使用螺紋銑刀,以及對(duì)T型銑刀規(guī)格進(jìn)行系列化[9]。

第二步,同設(shè)備刀具縮減。按照設(shè)備工序安排,同一臺(tái)設(shè)備上不同零件所用的刀具進(jìn)行合并同類項(xiàng),接近規(guī)格刀具進(jìn)行統(tǒng)一合并,確定每臺(tái)設(shè)備的刀具清單,同時(shí)滿足刀具庫容量約束條件,最終形成各設(shè)備刀具清單和單元刀具需求清單。

8 柔性制造單元工藝能力平衡評(píng)價(jià)

將整個(gè)殼體零件柔性制造單元各工序加工時(shí)間數(shù)據(jù)匯總,繪制成工序作業(yè)時(shí)間分布圖,如圖5所示。根據(jù)計(jì)算殼體零件柔性制造單元工藝能力平衡率,生產(chǎn)線平衡效率為83.2%,生產(chǎn)不平衡損失率為16.8%。

▲圖5 工序作業(yè)時(shí)間分布圖

根據(jù)表1,生產(chǎn)線平衡評(píng)價(jià)結(jié)果為良。約束條件下制造單元工藝能力平衡是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過程,需要按照工作流程循序漸進(jìn),并不斷改善優(yōu)化,提升制造單元生產(chǎn)平衡效率,降低制造單元平衡損失率,進(jìn)而提高整體柔性制造單元的運(yùn)行效率[10]。

9 結(jié)束語

筆者針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備、零件約束條件下的柔性制造單元工藝能力平衡狀況,從制造單元內(nèi)加工內(nèi)容平衡、設(shè)備加工能力平衡、工藝流程優(yōu)化、刀具資源均衡等方面進(jìn)行了分析與優(yōu)化。在研究中,充分考慮設(shè)備刀具庫限制、換裝次數(shù)、加工時(shí)間均衡等因素,滿足了零件柔性制造單元改造建設(shè)提出的七類零件在制造單元內(nèi)無人干預(yù)下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),停機(jī)不停線與停線不停機(jī)等技術(shù)要求。