約束條件下殼體柔性制造單元工藝能力平衡研究

□ 劉軍偉 □ 宋 文 □ 田東縉 □ 王 浩

中國航發西安動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

工業工程領域中的生產線平衡指對所有工序進行均衡化處理,調整作業負荷,以使各工序的作業時間盡可能相近[1]。生產線平衡效果可采用平衡率p和生產線平衡損失率d這兩個定量指標來評價:

(1)

d=1-p

(2)

T=ΣTi

(3)

式中:T為生產線生產周期;Ti為第i個工作站作業時間;N為工作站總數;Tmax為瓶頸工作站作業時間,即生產節拍。

p表征整條生產線的平衡及連續狀況,p越大,d越小,生產線平衡的效果就越好。根據d能夠得出生產線的平衡效果,柔性制造單元可以參照進行評價,生產線平衡評價結果見表1[2]。

表1 生產線平衡評價結果

柔性制造單元工藝能力平衡可以參照生產線平衡進行評價,在滿足工藝約束、工位裝夾約束、工位時間約束的條件下,單元工藝流程設計過程中要充分考慮各工位加工內容的均衡性。

2 柔性制造單元工藝能力平衡研究方法

通常,生產線平衡問題劃分為以下幾類[3-4]:① 給定生產節拍,使工作站數量最少;② 給定工作站數量,使生產節拍最小;③ 給定生產節拍及可用工作站數量,使各個工作站作業時間相近,減少生產線波動和等待。

殼體柔性制造單元由固定設備工位組成,從平衡角度而言,單元工作站數量的確定屬于第③類生產線平衡問題。由于殼體單元建設限定了加工設備,形成了預先約束條件,因此對殼體制造單元工藝能力平衡應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臥式四軸加工中心、一臺臥式五軸加工中心、一條自動物流傳輸線、一個135工位托板庫、兩個上下料工位、總控系統及其它輔助設施組成,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備基本信息見表2。

表2 柔性制造單元加工設備基本信息

加工設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。加工設備中僅有一臺五軸加工中心,形成瓶頸資源。對于殼體零件加工而言,各設備刀庫容量較小。

4 殼體零件制約條件

柔性制造單元承擔七類復雜殼體零件的生產,零件投入批量為每批50件,年計劃需求產量為200件左右。加工設備加工范圍為建立精基準到精加工的所有內容,即殼體精加工階段。其中,毛坯基準到精加工基準的轉換在線外完成。加工設備承擔生產的部分零件如圖3所示。

▲圖3 加工設備部分生產零件

七類殼體零件工藝要求對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可實現無人干預條件下的混線加工和單件流水生產;② 七類殼體零件在線加工使用夾具不超過126套;③ 對于七類殼體零件分配至加工設備上的工序,加工刀具不能超過刀庫容量。

5 柔性制造單元內加工內容平衡

首先識別七類殼體零件半精加工階段不適宜在加工中心上進行加工的殼體特征,如電加工內腔特征,車削特殊環槽、圓臺特征,以及加工中心無法保證加工的特殊結構特征等。通過編程仿真,節拍平衡,將這些內容調整至生產線外加工。特殊特征識別舉例如圖4所示。零件型腔標記面特征不適宜在加工中心上加工,因此將這部分加工內容調整至生產線外進行。

▲圖4 特殊特征識別舉例

6 加工中心加工能力平衡

根據數控編程模擬時間和初步工藝規劃列出工序、加工設備、加工時間、夾具分布、刀具數量分布。由于約束條件限制,五軸加工中心僅有一臺,五軸加工中心加工時間占比偏大,影響柔性生產線節拍。為平衡五軸加工中心與四軸加工中心的加工任務,將五軸加工中心的部分三軸加工任務轉移到四軸加工中心進行加工。通過設計彎板夾具,將三軸加工任務調整至四軸加工中心進行加工[7]。

柔性制造單元工藝規劃時,為避免設備故障干擾整個柔性制造單元運行,使設備和異常情況對制造單元的影響降到最小,按照同一零件加工內容集中在少量設備上加工的原則規劃。結合設備實際情況,四臺臥式加工中心選擇兩臺JT型刀柄臥式加工中心互為備份,兩臺HSK型刀柄臥式加工中心互為備份。經過加工時間平衡分析,將零件1、2、3、4集中在兩臺改造的四軸加工中心上加工，將零件5、6、7集中在兩臺新購的四軸加工中心上加工,五軸加工中心為共用設備。初步劃分后各設備工序分配見表3,具體工序安排依據后續工藝流程再進一步優化調整。

7 柔性制造單元工藝流程優化

7.1 工藝調整優化基本原則

基本原則包括換裝次數最少,換裝時間間隔最長,工序數量最少,同一特征集中在一臺設備上加工完成,有效減少刀具數量,同一個零件集中在少數設備上加工完成。由于設備故障率較高,四臺臥式加工中心兩兩互為備份,減小設備故障和異常情況發生時給生產線造成的影響[8]。

表3 初步劃分后設備工序分配

7.2 工藝設計方案

每一個工序表示同一裝夾定位方式在柔性制造單元內加工的所有內容,不同工序需要人工參與換裝。在滿足工藝要求和設備刀具容量限制的條件下,按照取消、合并、調整、簡化原則對工序內容進行優化，相同裝夾方式加工內容優先安排在同一工序加工，并通過加工參數優化，提高加工效率，縮短加工時間，使工序之間節拍平衡。

按照工藝優化基本原則對表3內容進行優化調整，優化后設備工序分配見表4。

表4 優化后設備工序分配

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

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

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

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

零件5優化后工藝流程: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合并優化)。

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

7.3 刀具資源均衡

為了進一步滿足各設備刀具庫容量的約束條件,需要對各設備承擔加工工序所涉及的刀具進一步進行優化和縮減。

第一步,對設備匯總刀具清單進行刀具系列化和標準化。按照殼體零件加工刀具特點,對同類刀具進行標準化,對相同刀具進行系列化,減少刀具種類和數量。如M8以下螺紋采用絲錐,M8以上螺紋使用螺紋銑刀,以及對T型銑刀規格進行系列化[9]。

第二步,同設備刀具縮減。按照設備工序安排,同一臺設備上不同零件所用的刀具進行合并同類項,接近規格刀具進行統一合并,確定每臺設備的刀具清單,同時滿足刀具庫容量約束條件,最終形成各設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價

將整個殼體零件柔性制造單元各工序加工時間數據匯總,繪制成工序作業時間分布圖,如圖5所示。根據計算殼體零件柔性制造單元工藝能力平衡率,生產線平衡效率為83.2%,生產不平衡損失率為16.8%。

▲圖5 工序作業時間分布圖

根據表1,生產線平衡評價結果為良。約束條件下制造單元工藝能力平衡是一個持續改進的過程,需要按照工作流程循序漸進,并不斷改善優化,提升制造單元生產平衡效率,降低制造單元平衡損失率,進而提高整體柔性制造單元的運行效率[10]。

9 結束語

筆者針對現有設備、零件約束條件下的柔性制造單元工藝能力平衡狀況,從制造單元內加工內容平衡、設備加工能力平衡、工藝流程優化、刀具資源均衡等方面進行了分析與優化。在研究中,充分考慮設備刀具庫限制、換裝次數、加工時間均衡等因素,滿足了零件柔性制造單元改造建設提出的七類零件在制造單元內無人干預下連續運轉,停機不停線與停線不停機等技術要求。