劉雪梅, 張 瑞, 曾氫菲, 李愛平
(同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804)
環(huán)形生產(chǎn)線通常是為了實現(xiàn)托盤在生產(chǎn)線中全線回流,多用于體積較大的復雜產(chǎn)品的加工或者裝配,利用托盤幫助定位與運輸.環(huán)形生產(chǎn)線中,M代表工位,B表示緩沖區(qū),待加工零件在第1個工位M1被加載在托盤上,然后隨托盤依次單向經(jīng)過各個緩沖區(qū)和工位,在最后一個工位MK,加工好的產(chǎn)品卸載離開托盤,托盤不離開生產(chǎn)線,繼續(xù)流向最后一個緩沖區(qū)BK(存放空托盤緩沖區(qū)),以待重新進入第1個工位加載零件.環(huán)形生產(chǎn)線與開放型生產(chǎn)線的區(qū)別在于,待加工零件于第1個工位是否進入生產(chǎn)線,不僅取決于上料是否充分,還取決最后一個緩沖區(qū)中有沒有空托盤可用.同樣,已加工好的產(chǎn)品,在最后一個工位能否被卸載,不僅取決于是否有庫存空間存放已加工的產(chǎn)品,還需考慮最后一個緩沖區(qū)是否有空間容納新的空托盤.這在一定程度上確保了整線中在制品數(shù)量的恒定,因此,需要控制在制品數(shù)量的生產(chǎn)系統(tǒng)也可以視作是環(huán)形生產(chǎn)系統(tǒng)[1].
生產(chǎn)線性能評估對生產(chǎn)線的設計、控制和管理至關重要,尤其是生產(chǎn)率指標,往往被作為緩沖區(qū)配置、設備選擇、布局規(guī)劃等的重要約束條件或者目標函數(shù).近50年來,研究者們已經(jīng)對其做了大量分析并取得了諸多成果.但是,環(huán)形生產(chǎn)線的研究相對較少,與開放型生產(chǎn)線相比,生產(chǎn)線中缺料堵料機制不僅由工位節(jié)拍差異、機器故障和緩沖區(qū)容量決定,還與系統(tǒng)中的托盤總量息息相關,因此求解更為復雜.Frein等[2]于1992年提出了一種求解工位時間近似相同的環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率的分解方法.Biller等[3]認為環(huán)形生產(chǎn)線和與之對應的開放型生產(chǎn)線相比,托盤數(shù)量I和最后一個緩沖區(qū)BK的容量NK選擇不合理,會大大降低整線生產(chǎn)率,因此提出一種符合精益生產(chǎn)原則的I、NK選擇方法,使得環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率達到與之對應的開放型生產(chǎn)線的標準.Paik等[4]提出3種方法來估算環(huán)形生產(chǎn)線的生產(chǎn)率,并且提出簡單估算生產(chǎn)率上限的方法,但是計算精度有限;Maggio等[5]利用分解法研究了機器故障呈幾何分布的環(huán)形生產(chǎn)系統(tǒng),引入虛擬故障狀態(tài)來等效由于上下游機器故障引起的缺料或堵料效應,利用恒定的托盤數(shù)量來劃分缺料和堵料的范圍.然而,由于計算效率較低,這種方法僅適用于三工位系統(tǒng).Gershwin等[6]在此基礎上,拓展出一種近似方法來評估多工位環(huán)形生產(chǎn)線的性能.Shi等[7]又針對文獻[6]方法計算結果連續(xù)性較差的問題,做出兩處改進來修正其算法,使其計算結果呈連續(xù)一致性.該方法精度較高,但僅適用于工位時間相同的環(huán)形生產(chǎn)線.
實際生產(chǎn)過程中,由于工藝、工位等約束,生產(chǎn)線往往無法實現(xiàn)完全平衡.在各工位時間不同的情況下,如果僅僅利用瓶頸工位的節(jié)拍作為整線節(jié)拍,即忽略了節(jié)拍差異以及其可能造成的待堵料現(xiàn)象,其生產(chǎn)率計算結果將有較大誤差.因此,亟待一種可以求解非平衡環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率的方法來解決實際問題.Levantesi等[8]認為,除非利用均一化等間接轉(zhuǎn)化方法,還沒有直接求解離散型不平衡生產(chǎn)線生產(chǎn)率的計算方法,但是利用連續(xù)型生產(chǎn)線生產(chǎn)率計算方法來估算離散型不平衡生產(chǎn)線,不會造成太大誤差,因此文獻[8]利用連續(xù)型生產(chǎn)線生產(chǎn)率計算方法估算工位時間不同的兩工位單緩沖區(qū)生產(chǎn)單元的狀態(tài)概率,利用改進的DDX[9]分解方法求解離散型開放生產(chǎn)線的整線生產(chǎn)率,并取得較優(yōu)的結果.
基于上述思路,利用改進的DDX分解方法將環(huán)形生產(chǎn)線分解為多個兩工位單緩沖區(qū)的生產(chǎn)單元,利用恒定的托盤數(shù)量來劃分故障傳遞范圍,確定各生產(chǎn)單元的故障狀態(tài),然后利用連續(xù)型生產(chǎn)線生產(chǎn)率計算方法[10-11]來估算兩工位單緩沖區(qū)生產(chǎn)單元的生產(chǎn)率,最后利用流失效方程和流修復方程[12]使整線迭代收斂,得到整線穩(wěn)態(tài)下的生產(chǎn)率.
如圖1所示,環(huán)形生產(chǎn)線由K個工位Mi(i=1,…,K))和K個容量分別為Ni(i=1,…,K)的緩沖區(qū)Bi(i=1,…,K)組成.設在線托盤總數(shù)為I.以Gershwin-Werner模型[6]為基礎進行改進,先作如下假設和定義:
(1)零件隨著托盤依次經(jīng)過M1,M2,…,MK,然后零件卸載,托盤回流至BK.
(2)每個工位Mi的作業(yè)時間Ti確定,定義每個工位的獨立作業(yè)率μi=1/Ti(i=1,2,…,K),每臺機器一次只能加工一個工件,不考慮報廢和返修.
(4)所有故障都是基于操作的故障(ODF),即在待料或者堵料時,故障不會發(fā)生.
(5)假設第1個工位上料充分,最后1個工位有庫存空間卸料.因此,零件上下線與否完全由托盤決定,并且零件在線中流動與托盤完全同步,因此忽略零件,只考慮托盤的流動.
(6)不考慮托盤經(jīng)過緩沖區(qū)的時間,緩沖區(qū)不發(fā)生故障.
綜上,環(huán)形生產(chǎn)線的狀態(tài)由K、I、Ni(i=1,…,K)、Ti(i=1,…,K)、Fi,j、pi,j和ri,j(i=1,…,K;j=1,…,γi)決定.
圖1 環(huán)形生產(chǎn)線
最簡單的兩工位單緩沖區(qū)系統(tǒng)如圖2所示,由上游工位Mu、中間緩沖區(qū)B和下游工位Md組成,其中上游工位有fu種故障狀態(tài),分別為(α1,…,αfu),緩沖區(qū)容量為N,下游工位有fd種故障狀態(tài),分別為(β1,…,βfd).
圖2兩工位單緩沖區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)
Fig.2Two-machines-one-buffersystem
兩工位單緩沖區(qū)系統(tǒng)的狀態(tài)可用(n,α,β)表示,其中n為緩沖區(qū)中在制品數(shù)量,滿足0≤n≤N,有
因此該系統(tǒng)共有(N+1)×(fu+1)×(fd+1)種離散狀態(tài),為計算兩工位時間不同的情況,將其作為連續(xù)型系統(tǒng)處理,僅分為緩沖區(qū)空、緩沖區(qū)滿和中間狀態(tài)(緩沖區(qū)非空非滿),f(X,α,β)為對應狀態(tài)概率密度函數(shù),其中X為當前時刻緩沖區(qū)在制品數(shù)量.當緩沖區(qū)非空非滿時,t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)概率密度函數(shù)滿足式(1),即t時刻系統(tǒng)狀態(tài)為s(t)=(X≤x,α=i,β=j)的穩(wěn)態(tài)概率Prob對x求偏導.
(1)
(2)
(3)
f(x,i,j)、p(0,i,j)和p(N,i,j)的求解參考Tan等[10]所提的方法,根據(jù)緩沖區(qū)填充量分別求解.
利用馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣精確求解兩工位單緩沖區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率密度函數(shù),可求解得到生產(chǎn)率,但是該方法如果擴展到3個及以上的工位,會導致狀態(tài)數(shù)量呈指數(shù)激增,求解困難.因此,在求解大型生產(chǎn)線時,只能利用估算的方法來求解.本文運用Tolio-Matta[13]的分解方法,將生產(chǎn)線分解為多個兩工位單緩沖區(qū)的系統(tǒng)單元,進行迭代估算.
如圖3所示,由K個工位和K-1個緩沖區(qū)組成的生產(chǎn)線,每個工位Mi(i=1,…,K)各自含有γi(i=1,…,K)種故障.將其以緩沖區(qū)為中心分解為K-1個兩工位單緩沖區(qū)的虛擬單元,每個單元中的緩沖區(qū)B(i)對應整線中的真實緩沖區(qū)Bi;單元中的上游機器Mu(i)的狀態(tài)代表整線中Bi上游所有工位和緩沖區(qū)對Bi中托盤流入的影響,單元中的下游機器Md(i)的狀態(tài)代表整線中Bi下游所有工位和緩沖區(qū)對Bi托盤流出的影響.
在任一虛擬單元Mu(i)-B(i)-Md(i)中,B(i)的狀態(tài)與Bi完全相同.對于Bi而言,零件流入中斷可能由2種情況導致:一是Bi的上游鄰近工位Mi故障;二是Bi上游除Mi以外的工位Mk(1≤k
這2類零件流入中斷情況對應到虛擬單元Mu(i)-B(i)-Md(i)中,由于沒有再上游工位,無
圖3 開放型生產(chǎn)線分解方法
零件流入B(i)的狀態(tài),無論是由于Mi故障造成或是再上游工位Mk(1≤k
根據(jù)Tolio-Matta分解方法[13]中流修復方程,
圖4 Tolio分解方法故障傳遞狀態(tài)示意
遠程故障修復的概率與故障本身修復的概率一致,即
rt,j(i)=rt,j(i=1,…,K;
t=1,…,K;j=1,…,γt)
(4)
根據(jù)流失效方程,遠程故障發(fā)生的概率為
t=1,…,i-1;j=1,…,γt)
(5)
t=i+2,…,K;j=1,…,γt)
(6)
在開放型生產(chǎn)線中,一個工位的長時間故障可能導致其上游所有工位堵料、下游所有工位待料,所以在劃分兩工位單緩沖區(qū)虛擬單元的時候,該單元上游所有工位的故障都會對當前單元產(chǎn)生影響,下游亦然.與之不同的是,環(huán)形生產(chǎn)線的最后一個工位MK與第1個工位M1之間由一個緩沖區(qū)BK聯(lián)系起來,形成如圖1所示環(huán)狀,那么一個工位的長時間故障能否導致其他工位待料與堵料,就不是簡單的由工位間的相對位置關系決定,而是與兩工位間的緩沖區(qū)容量與整線中固定的托盤數(shù)量有關.
如圖5的環(huán)形生產(chǎn)線,設各個緩沖區(qū)的容量為10,托盤數(shù)量為35.當M1故障時,托盤開始往B6堆積,當B6堆積滿后,M6無法再釋放托盤,因此堵塞,托盤繼續(xù)堆積在B5,B5堆滿后,M5被堵料,依次類推,B4也被堆積滿,B3中剩余5個托盤,而B1、B2為空.也就是說M1故障時間足夠長可以導致M6、M5、M4堵料,而導致M2、M3待料.其他工位類推.
圖5 六工位環(huán)形生產(chǎn)線
總結上述推理,能使M1待料的工位有{M5,M6},能使其堵料的工位有{M2,M3,M4},能使M2待料的工位有{M6,M1},能使其堵料的工位有{M3,M4,M5}.那么,在劃分單元Mu(1)-B(1)-Md(1)時,需要考慮的前序工位就是能使M2待料的工位{M6,M1},后續(xù)工位是能使M1堵料的工位{M2,M3,M4}.因此,在Mu(1)-B(1)-Md(1)單元中,上游工位Mu(1)的虛擬故障為F6,j(1)(j=1,…,γ6),真實故障為F1,j(j=1,…,γ1),下游工位Md(1)的虛擬故障為F3,j(2)(j=1,…,γ3)、F4,j(2)(j=1,…,γ4),真實故障為F2,j(j=1,…,γ2).其他單元同理類推.接下來,同樣利用式(5)、式(6)來迭代虛擬故障的故障率,求解環(huán)形生產(chǎn)線整線生產(chǎn)率.
因此,環(huán)形生產(chǎn)線在劃分兩工位單緩沖區(qū)單元時,即考慮能對該單元托盤流入流出產(chǎn)生影響的工位范圍時,是以能夠?qū)Ξ斍熬彌_區(qū)造成空或滿為標準判定,而非簡單根據(jù)相對位置決定.
2.3.1待料和堵料的范圍劃分
在分解環(huán)形生產(chǎn)線時,需要為每個虛擬單元劃分待料和堵料范圍.若工位Mj在工位Mi的待料范圍內(nèi),那么在Mj故障時間足夠長后,Mi會因兩工位間所有的緩沖區(qū)為空而停止生產(chǎn).若工位Mj在工位Mi的堵料范圍內(nèi),那么Mj故障時間足夠長后,Mi會因兩工位間所有的緩沖區(qū)滿而停止生產(chǎn).設{Ms(i),Ms(i)+1,…,Mi-1}為一系列能導致Mi待料的工位,其中Ms(i)為距離Mi最遠的工位.{Mi+1,Mi+2,…,Mb(i)}為一系列能導致Mi堵料的工位,其中Mb(i)為距離最遠的工位.s(i)與b(i)的計算為
(7)
(8)
式中:Ψ(i,j)為Mi、Mj間所有緩沖區(qū)容量之和.
2.3.2閾值的消除
環(huán)形生產(chǎn)線與開放型生產(chǎn)線還有一點不同,一個工位的故障能否導致其他工位待料或者堵料,與它鄰近緩沖區(qū)中的在制品數(shù)量有關.
如圖6,3個工位,3個容量均為5的緩沖區(qū),托盤數(shù)量為7個.假設M2故障,托盤會堆積在B1中,直到M1堵料.但若此時B3中有2個以上的托盤,那么M1就不會因為B1滿而堵料,因為總共只有7個托盤.相反,若B3中的托盤數(shù)少于2個,那么B2中的托盤數(shù)量必然大于零,那么M3就不會因為M2的故障而待料.因此,B3緩沖區(qū)就有一個閾值為2.
圖6 帶閾值的環(huán)形生產(chǎn)線
通常,定義lj(i)為Bi的一個閾值,lj(i)需要滿足能使Mi+1至Mj之間的所有緩沖區(qū)同時為滿,并且lj(i)最大.
lj(i)=I-Ψ(i+1,j)
(9)
對于任意2個工位Mi與Mj,都能計算得到一個lj(i),不過通常只考慮1 圖7 消除閾值后的環(huán)形生產(chǎn)線示意 以三工位、三緩沖區(qū)的環(huán)形生產(chǎn)線為例,驗證上述方法的有效性.其中,獨立作業(yè)率用μ表示,每個工位只含1種真實故障狀態(tài),其故障率用p表示,修復率用r表示.設生產(chǎn)線基本信息如表1、表2. 表1 三工位環(huán)形生產(chǎn)線工位參數(shù) 表2 三工位環(huán)形生產(chǎn)線緩沖區(qū)容量和托盤數(shù) (1)根據(jù)環(huán)形生產(chǎn)線計算方法,先對生產(chǎn)線做基本處理,即消除B1、B2、B3的閾值.計算各緩沖區(qū)閾值,分別為5、5、5;插入理想機器M*(u=100,p=10-8,r=1)后,得6個工位、6個緩沖區(qū)的生產(chǎn)線,重新編號為M1、M2、M3、M4、M5、M6,其中M1、M3、M5對應原工位M、M2、M3,M2、M4、M6為理想機器M*.轉(zhuǎn)化后的工位參數(shù)如表3,緩沖區(qū)容量如表4. 表3 轉(zhuǎn)化后的工位參數(shù) 表4 轉(zhuǎn)化后的緩沖區(qū)容量和托盤數(shù)量 (2)劃分工位待料和堵料范圍.根據(jù)式(7)與(8)計算工位的待料與堵料范圍為:st(1)=4;st(2)=5;st(3)=6;st(4)=1;st(5)=2;st(6)=3;bl(1)=4;bl(2)=5;bl(3)=6;bl(4)=1;bl(5)=2;bl(6)=3. (3)劃分兩工位單緩沖區(qū)基本單元,確定故障狀態(tài).將整線劃分為6個基本生產(chǎn)單元Mu(i)-B(i)-Md(i)(i=1,2,3,4,5,6),并根據(jù)待堵料范圍確定各單元的虛擬故障狀態(tài).如Mu(1)-B(1)-Md(1)單元中,Mu(1)的故障狀態(tài)包括能使M2待料的F5,1(1)、F6,1(1)、F1,1;Md(1)的故障狀態(tài)包括能使M1堵料的F4,1(2)、F3,1(2)、F2,1;其他單元以此類推. 為驗證生產(chǎn)率計算方法,利用Tecnomatix Plant Simulation軟件按照表1、表2參數(shù)建立三工位環(huán)形生產(chǎn)線仿真模型,并進行仿真模擬,仿真結果與數(shù)值計算結果比較如表5,生產(chǎn)率估算誤差為0.37%,且計算效率遠高于仿真方法.其中,誤差為生產(chǎn)率數(shù)值計算值相對生產(chǎn)率仿真值的相對誤差. 表5 數(shù)值計算方法與仿真方法性能對比 接下來討論獨立作業(yè)率不同的情況. (1)以第1個工位獨立作業(yè)率μ1為變量,驗證本文方法的精度.考慮到生產(chǎn)線不平衡率一般控制在20%范圍內(nèi),因此只取μ1的變化范圍在1.0~0.8.部分計算結果如圖8所示,隨著μ1的升高,整線生產(chǎn)率隨之升高,仿真結果與數(shù)值計算結果的相對誤差始終控制在2%范圍內(nèi). 圖8 生產(chǎn)率與μ1的關系 (2)考慮3個工位獨立作業(yè)率都不相同的情況.工位參數(shù)如表6,緩沖區(qū)配置及托盤數(shù)如表2所示.保持各個參數(shù)不變,μ1=0.85,μ2在1.0~0.8范圍內(nèi)變化.計算結果如圖9所示,3個工位獨立作業(yè)率都不相同的情況下,第2個工位獨立作業(yè)率變化不超過20%的范圍,生產(chǎn)率估算誤差不超過1%,說明該方法對于三工位環(huán)形系統(tǒng)計算具有有效性. 表6 作業(yè)率不同的三工位環(huán)形生產(chǎn)線工位參數(shù) 圖9 獨立作業(yè)率各不相同的三工位環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率 (3)將上述算法與Gershwin-Werner的算法[6]作比較,假設第1個工位的獨立作業(yè)率為0.95,而第2個工位的獨立作業(yè)率在0.7~1.0范圍內(nèi)波動,工位參數(shù)如表7所示,緩沖區(qū)配置及托盤數(shù)如表2所示,2種方法的計算結果如圖10所示.Gershwin-Werner的方法能將誤差控制在8%范圍內(nèi),本文方法能將誤差控制在2%范圍內(nèi).Gershwin-Werner方法[6]無法精確計算各工位作業(yè)時間不同的情況,只能按照瓶頸節(jié)拍作為整線節(jié)拍來粗略計算,這將造成較大誤差. 表7 獨立作業(yè)率變化的三工位環(huán)形生產(chǎn)線設備參數(shù) (4)考慮更多工位的情況.如五工位的生產(chǎn)線,其工位參數(shù)如表8、緩沖區(qū)配置及托盤數(shù)如表9,將第1個工位的獨立作業(yè)率由0.1開始以0.1為增幅逐漸提高至2.5,檢驗該方法的精確性.計算結果如圖11,與仿真結果相比,計算精度在8%范圍內(nèi). 圖10 不同方法比較 工位μprM1μ0.010 00.110 0M210.010 00.120 0M310.010 00.130 0M410.010 00.140 0M510.010 00.150 0 表9 五工位環(huán)形生產(chǎn)線緩沖區(qū)容量及托盤數(shù) 如圖9、圖10、圖11,隨著工位的獨立作業(yè)率上升,仿真和數(shù)值計算的整線生產(chǎn)率都先上升而后平穩(wěn)波動,這是比較符合生產(chǎn)實際的.根據(jù)瓶頸工位決定整線生產(chǎn)率原則,當一個工位的獨立作業(yè)率遠低于其他工位時,該工位將成為影響整線生產(chǎn)率的最大因素,這個工位通常被叫做瓶頸工位.此時,整線生產(chǎn)率隨著該工位的獨立作業(yè)率升高而升高.但當該工位的獨立作業(yè)率上升到與其他工位相當后,該工位不再是瓶頸工位,此后,無論該工位作業(yè)率如何上升,整線的生產(chǎn)率都只能保持很小范圍的波動. 圖11 一個工位獨立作業(yè)率變化的五工位生產(chǎn)線生產(chǎn)率 某變速箱主箱體分裝線共有5個工位,其工藝文件如表10所示,每2個工位間各有1個緩沖區(qū),緩沖區(qū)容量均為4. 首先將表10所示生產(chǎn)實例抽象為計算模型:ui=1/Ti,pi=1/(MTBF×60) ,ri=1/(MTTR×60),i=1,2,…,5,其中,MTBF、MTTR分別表示平均故障間隔時間和平均故障修復時間. 表10 某變速箱主箱體分裝線工藝參數(shù) 表10實例轉(zhuǎn)換后的模型參數(shù)如表11. 該分裝線各工位間緩沖區(qū)容量均為4,以托盤數(shù)為變量,根據(jù)本文提出的閉環(huán)生產(chǎn)線生產(chǎn)率計算方法以及仿真方法,分別計算托盤數(shù)從1增加至20時變速箱主箱體分裝線的生產(chǎn)率,計算結果如圖12. 當托盤數(shù)小于最小緩沖區(qū)容量4時,該算法會將托盤數(shù)等同于最小緩沖區(qū)容量進行計算,從而引起計算誤差,這是該算法的固有弊端.但是,在實際生產(chǎn)中,托盤數(shù)量少于最小緩沖區(qū)容量的情況不利于正常生產(chǎn),是極其特殊的情況,通常不會發(fā)生,并不影響該算法的實用性. 表11 某變速箱主箱體分裝線工位參數(shù) 圖12 某變速線主箱體分裝線生產(chǎn)率計算 當托盤數(shù)量從5繼續(xù)增長至20的過程中,該分裝線的生產(chǎn)率在0.023 6至0.024 2范圍內(nèi)變化,相較于仿真所得生產(chǎn)率,誤差在0.15%至2.40%之間,說明本文針對閉環(huán)生產(chǎn)線提出的生產(chǎn)率估算方法精確度較高.當托盤數(shù)量為20時,緩沖區(qū)全滿,生產(chǎn)線被卡死,無法正常運作,生產(chǎn)率突降為零. 運用本文方法計算生產(chǎn)率時,每組數(shù)據(jù)能在3 s內(nèi)得出收斂值,而仿真方法需要設置大于5 min的物理運行時間來確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.因此,在一定精度范圍內(nèi),本文的計算方法相對仿真而言效率更高.計算效率的提高,將有利于生產(chǎn)線性能評估,縮短生產(chǎn)線設計開發(fā)周期. 提出一種環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率計算方法,利用連續(xù)型生產(chǎn)線的方法計算離散非平衡兩工位生產(chǎn)率,根據(jù)托盤數(shù)量劃分故障傳遞范圍,利用分解方法迭代求解整線生產(chǎn)率.經(jīng)過算例分析和實例驗證,并且與仿真結果做對比,證實該方法能夠通用性地求解各工位作業(yè)時間相同或者不同的多故障環(huán)形生產(chǎn)線生產(chǎn)率,計算結果精度較高,且效率遠高于仿真,具有實用性.3 實例驗證
3.1 算例分析
3.2 實例驗證
4 結論