裝配流水線定制服務


一、什么是脈動裝配線


脈動裝配線(Pulse Assembly Line,簡稱“脈動線”),是一種按節拍移動、流水化作業的裝配線,采用了精益生產的思想,對裝配過程進行再設計、優化和平衡,將裝配作業均衡地分配到適當規模的工位上完成,實現柔性生產和大規模定制,從而減少作業員勞動強度,改善產品質量,提高裝配效率,縮短裝配周期。


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圖 中車長客地鐵車輛總裝配脈動線




二、脈動線為什么會失敗



脈動線在國內目前已經普遍應用到機車車輛、電力裝備、工程機械、航空航天、國防軍工等行業,但是許多的脈動線項目并不是很成功,甚至部分產線沒有真正運行過。


佰思杰參與過許多成功的脈動線項目,包括中車長客武漢工廠總裝配線、航天科工23所總裝脈動線、西開電氣高壓開關脈動線、寶雞電氣開關柜脈動線等,基于我們的經驗,我們梳理了其中的挑戰,通常包括以下


(1)工藝不夠優化和均衡、工藝結構化不足


工藝的優化不夠,無法實現流水化、均衡化生產,或者工藝數據的結構化不足以支撐自動化產線運行。


(2)無法實現混線生產下的脈動線快速切換


多品種、小批量混線模式下,產線的切換需要大量的人工,時間過長,容易出現各種錯誤,無法完成快速切換。


(3)混線生產模式下,無法實現物料精準供給


混線模式下,實現物料按工位的精準配送是一個難點,通常包括齊套性無法保證、零部件質量不穩定、配送準時性難保證。


(4)自動化設備集成不足,人機交互困難


缺少設備的集成,工藝參數難以自動下發,依靠人工輸入,容易出現各種錯誤,缺少防呆防錯的手段,設備和人經常相互等待,嚴重降低了效率。


(5)缺少數據采集、數據監控、分析與智能輔助決策


缺少數據采集,難以實時掌握脈動線的狀態,人工調度低效,難以充分發揮出脈動線的能力,造成了許多的浪費,更無法進行量化分析、知識化和持續改進。


雖然項目失敗的原因各有不同,但普遍存在“重硬輕軟”的情況,這里的“軟”主要是MES/MOM系統。脈動線項目雖然上線了一堆單元級的硬件和軟件子系統,但是如果無法使得這些軟硬件子系統高效協作,就無法支撐脈動線的運行。


本文將重點從脈動線的軟件系統支撐MES/MOM角度,重點針對脈動線的特色需求進行探討。MES/MOM在脈動線方面的應用主要包括生產排序、物料齊套、物料配送、作業引導、數據采集、生產監控、生產調度等,對人機料法環測等生產要素進行全面的管理和監控。




三、脈動產線和工藝建模



脈動產線精益生產和持續改進需要考慮如何設定節拍,科學合理地分配工位,產能平衡,縮小占地面積、實現作業標準化、提高作業效率,研發適合自己產品的裝配新工藝,研制專用的工裝,進行工藝的重組和優化,還需要考慮物料供給方式、路徑規劃等。


MES/MOM系統脈動線建模工具是實現精益生產和持續改進的必要條件,用于支持生產線的重構和柔性配置。建模的內容包括工位設置、資源配備、物流供應等,因為這些信息是脈動線可以正常運行的最重要的基礎支撐,如下圖。


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圖 脈動產線建模


脈動產線建模的主要內容包括:


(1)工位的設置以及工位的連接關系,要求支持拖拉式布局調整。


(2)工位配備的生產資源,設備、工具、工裝、人員要求、安全點檢、設備點檢等信息。


(3)物料供應相關配置,包括線邊倉、配送路線、配送方式、配送工具等。


(4)環境工藝參數等,例如環境信息、工藝參數等。


借助MES/MOM的生產線建模功能,基于圖形化可拖拽建模方式實現工位設置和連接方式、制造資源(例如人、設備、工具工裝等)的配置,形成能夠提供制造加工服務的可重構的制造功能體。


另外還需要將優化之后的工藝進行建模,脈動線工藝建模的主要內容包括:


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圖 脈動線工藝建模


(1)工序的設置以及工序的連接關系工序的基本信息,要求所有工序分配到工位,能夠滿足均衡生產的要求,可以方便調整工序與工位的分配。


(2)工序的生產要素信息工序的人員要求、設備要求、工具工裝要求、圖紙、工藝文件、工藝參數、物料需求、質量檢驗要求、質量預警判定規則、環境要求等信息。


(3)維護特殊工藝信息例如擰緊扭矩要求、油脂加注參數、焊接電壓電流等。


如下圖,佰思杰MOM系統支持結構化的工藝路線,不僅僅定義了工藝路線,還包括執行工序和工序工時,以及工序所需要的資源,包括人員、設備、物料、工具工裝、檢驗要素等,同時包括相關的工藝參數、圖紙工藝等附件資料。


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圖 結構化工藝


對于復雜的脈動線,還需要對每個工位之下的工序和工步進行細化管理,包括這些工步的并行和串行關系,所需要的工時和生產資源,例如設備、工具工裝、人員等生產資源的。例如地鐵車輛的單個工位的裝配又分為許多的工步,排程時不僅僅要排到工位節拍,還需要進一步排程到工步。


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圖 定義工藝執行順序




四、上線排序與齊套檢查



對于脈動生產線,生產計劃一般會排程到每一個節拍,編排好每一個產品上線的順序,這個順序非常重要,不僅決定了上線、交貨的順序,更重要的是要指導生產準備工作,例如物料要提前進行揀配。生產計劃排程子系統的模塊通常包括:


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圖 生產計劃排程子系統


對于存在總裝和部裝的情況,需要考慮總裝和部裝計劃的聯動,通常是總裝計劃拉動部裝計劃,計劃排程會更加復雜,如下圖所示:


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圖 總裝線與部裝線的聯動


另外還有一些情況需要考慮,例如部裝線下線緩沖區、總裝工位上線點、多產線之間平衡問題、對外供應插單問題等。


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圖 總裝線和部裝線的聯動排程


需要考慮部裝線和總裝線的緩沖區容量問題,既要保證連續供應,也不能超出緩沖區的容量。又如,多條總裝線同時生產時,部裝線必須混線生產,為多條總裝線交叉切換,保證多條總裝線的及時供應。有時候,部裝線還對外供貨,盡量利用為總裝線供應的空檔期插單進行排程,不影響總裝線的連續供應。


很多時候會因為物料不齊套造成停工待料,而人工進行物料齊套檢查是非常困難的,但是計算機卻很擅長。此時需要讀取物料的庫存數據,以及已配送的物料信息,如果可以獲取采購在途、采購到貨時間確認的信息,可以將外購物料的齊套檢查納入齊套檢查范圍。


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圖 物料齊套檢查


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圖 西開電氣齊套檢查


通常情況下,計劃與齊套檢查結果是相互影響的,例如計劃的順序會影響齊套的結果,比如前面生產的消耗物料,會造成后面的生產計劃缺料。因為缺料會調整計劃,也會影響齊套結果,通常需要重新計算齊套結果。


系統自動計算物料齊套情況,輸出欠料清單,以便及時對物料進行跟催,或及時對計劃進行順延,減少停工待料異常。這項工作通常不能自動進行,需要人工介入,因為涉及到外部供應商,確認的結果不同,計劃的調整可能是不同的。




五、拉動物料精準配送



國內建設的一些脈動線無法真正實現脈動生產,最重要的原因是無法保證物料的精準供給,物料供給系統的最終目的是根據生產計劃和物料拉動指令將合格的物料按需準確、按時間節點準時配送到相應的工位,形成拉動式物料配送。


物料供給系統通常包括自動化立體倉庫、物料揀選料架、叉車/物料小車、AGV、自動上料裝置等。許多企業雖然建設了自動化的物流設備,但是沒有與MES/MOM的生產計劃和執行相連接,以至于無法實現拉動式配送。


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圖 拉動式配送典型業務流程


拉動配送的流程一般如下:


(1) 生成物料配送需求計劃


物料配送需求需要根據生產計劃自動生成,當計劃有調整時,應該自動更新物料配送需求計劃。一般來說,配送需求計劃會包括配送的工位、時間、物料、數量等信息。


(2) 根據配送需求生成配送計劃



配送計劃根據配送需求計劃生成,一般需要考慮:


  • 配送的來源,例如不同來源的物料配送計劃要分開。

  • 配送的批量,一次配送一個節拍,還是多個節拍的物料。

  • 配送需求的時間、配送周期、容器。

  • 配送方式,叉車、AGV、小推車、物流小火車等。



(3) 生成揀配任務并執行揀配


系統根據配送計劃生成揀配任務,倉庫內執行揀配,并將物料分揀到容器中。揀配完成,轉配送緩沖區暫存等待配送,如果倉庫不是很靠近生產工位,可以周轉到線邊庫暫存。


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圖 按波次下架及按臺套需求二次分揀


(4) 工位拉動進一步配送到工位




工位根據生產進度自動拉動或人工叫料,物流人員或AGV將容器配送到工位上,同時將工位的空容器回收到倉庫。


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圖 AGV執行配送任務


有些時候在配送工位之前還需要進行一些預處理。例如有些零件需要進行清洗作業,例如高壓開關中的某些零件必須保持高度清潔,對于齒輪箱裝配還需要對軸承進行預熱處理。配送的過程會包含更多的采集和監控點。


為了減少物料搬運次數,還需要支持采購直供和自制直供配送模式。某些零部件由供應商直接配送到車間,稱為采購直供件;某些零件由其他車間直接供應,稱為自制直供件。一般在車間設置直供件接收點,根據生產計劃提前將直供件拉動配送到直供點,物流人員在直供點進行揀配并送到工位。


如果存在分裝線、總裝線,還需要考慮分裝線和總裝的聯動。對于混線的情況,分裝線按總裝產品的順序組織生產,分裝下線后進入一個暫存區排隊,等待總裝工位的拉動信號再配送到總裝線。


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圖 配送看板




六、裝配執行與防錯



在進行裝配作業時,產品按計劃的上線順序上線,在首工位打印粘貼產品序列號條碼,也可以采用RFID標簽。產品按順序依次經過各個工位,最終完成產品的裝配、調試、試驗等工作。


對于每個工位,作業員可以看到終端上顯示了當前產品的作業指導等相關信息,并按作業指導進行裝配作業。作業過程中,可以采集裝配的關鍵零部件、自制件等信息,并自動關聯作業人員、設備、工具工裝等信息。


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圖 支持可穿戴終端


佰思杰實施了中車集團戚墅堰研究所高鐵齒輪箱裝配線的MES項目,其裝配工位安裝了智能工作臺。


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圖 中車集團戚墅堰所裝配工位智能工作臺


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圖 工具的激光自動引導


MES/MOM系統控制裝配作業必須按照工步順序執行,每執行一個工步,可以在MES/MOM系統中反饋工步執行狀態,并采集工步相關的生產要素信息,一個工步完成后自動跳轉到下一個工步。


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圖 中車集團戚墅堰所裝配工位作業引導界面


該項目通過智能工作臺和工步引導,可以做到:


(1) 集成包括讀卡器、條碼槍、指紋識別、安燈、觸摸屏、智能工具箱等硬件

(2) 基于RFID自動檢查智能工具箱的工裝、工具

(3) 嚴格按工步的順序指導裝配作業

(4) 查看文字、圖片、動畫、pdf等格式的圖紙、作業指導文件

(5) 自動采集人員、設備、工具工裝

(6) 使用PDA采集關鍵零部件序列號

(7) 采集自檢的相關數據

(8) 集成智能力矩扳手,扭矩要求自動下發,實際值自動采集

(9) 基于激光和RFID的工具、套筒扳手引導和防錯報警

(10) 防錯安燈自動提醒、異常提報

(11) 質量問題例外處理申請和放行

(12) 過盈配合等特殊功能……


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圖 扭矩自動下發到智能扳手并采集實際扭矩


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圖 自動注油機集成


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圖 全自動機器人涂膠


對于有條件的情況,可以適度進行自動化。例如可以集成壓力機、智能力矩扳手、油脂加注機、自動涂膠機、組裝機器人、機器視覺檢測設備,以減少勞動強度、提高效率、提高質量穩定性。


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圖 自動在線檢測


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圖 無線量具實時傳輸質檢數據


下圖是佰思杰自動化設備比較典型的流程。其中包括了產品流入檢測、設備啟停、拉動物料配送、生產參數下發、啟動作業、作業完成自動轉出等,進入下一節拍,根據轉入產品自動切換工藝參數,繼續作業。


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圖 佰思杰MOM、FMS和IOT模塊




七、例外放行與線下補裝



裝配過程中存在的異常,一般情況下應該在轉序前解決,通常會報告異常、或者填報不合格處理單,觸發不合格品處理,如果存在不能及時解決的異常,為了避免脈動線堵塞,可以進行例外放行。


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圖 不符合項報告


一般例外放行需要進行例外轉序申請,得到許可后方可進行例外轉序。存在的問題一般會要求在某工位之前解決,也存在下線后解決的情況,最典型的就是缺件補裝。


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圖 質量放行檢查


裝配線缺件很多時候無法完全避免,如果所缺少的零部件不影響產品后續組裝和調試,可以允許線下補裝。當然需要進行一系列卡控,以防止忘記補裝的情況。




八、過程可視與數字孿生



研究并建立車間數字化智能看板,通過多維度、多種形式的可視化、健康參數感知、求解和綜合評價,實現對脈動線生產計劃、物料供給、生產執行、質量控制、異常處理、設備運維、人員績效等方面的全面監控和動態調度。


監控的內容通常包括:



  • 物料齊套情況

  • 配餐及時率

  • 直供件配送及時率

  • 物流配送及時率

  • 工位平衡率

  • 異常分布情況

  • 異常趨勢分析

  • 生產實時進展

  • 計劃按時執行率

  • 質量報檢處理及時率

  • 人員工時統計

  • 人員出勤統計

  • 產線OEE

  •  ……



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圖 產線推移看板


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圖 生產綜合看板


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圖 工位實時狀態看板


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圖 基于VR的現場實時還原




九、MES/MOM是脈動線的大腦



筆者認為,要確保脈動線的成功實施,要避免重“硬”“軟”。必須要同等重視“軟件”和“硬件”的建設,MES/MOM是脈動線高效運轉、動態調度和優化的大腦。


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圖 MES/MOM驅動制造,是制造系統的大腦


MES/MOM在脈動裝配線方面帶來的效益總結如下:


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圖 MES/MOM在脈動裝配線方面帶來的效益總結