面向生产线平衡的断路器装配工艺设计系统

0 引言

断路器是输配电系统中广泛使用的重要电器，在国民经济发展中具有重要作用。国内断路器制造行业已经建立起多条断路器装配生产线，具有大批量生产装配的能力。实际生产过程中，由于具有较高的改造成本，生产线的结构布局和生产能力往往是相对固定的，而市场对断路器产品的需求呈现多样化和个性化的趋势。在这样的需求环境下，国内的断路器制造行业，其装配工艺设计方法和装配工艺规划只考虑产品功能上的多样性和个性化，却少有对生产线平衡的考虑。

对于以往成熟的产品，其装配工艺已经过生产实践的多次修正，能够较好地满足生产线的平衡需求。然而，在当前市场的需求环境下，越来越多的断路器产品都是改型产品，或者是全新投产的产品，装配工艺设计与规划阶段缺少对生产线的平衡的考虑，将造成生产线的布置一定程度上的脱节。在实际的生产过程中，很可能会在装配生产线上某一个或几个工位上出现生产工作的不协调和不流畅，从而导致生产线的失衡，使生产效率和产品质量都受到影响。

根据并行工程思想，本文提出一种面向生产线平衡的断路器装配工艺设计系统。通过在断路器产品装配工艺设计阶段就充分考虑现有装配生产线的实际结构布局和加工能力，通过合理的装配工艺设计和仿真，使断路器装配工艺能够满足现有生产线平衡需要，从而提高生产效率和产品质量。本文章来源于2015年国家工信部智能制造专项项目，项目名称为中低压输配电装备智能化工厂标准化试验验证，项目编号为2015ZXB0702。

1 面向生产平衡的装配工艺设计

面向生产线平衡的断路器装配工艺设计是并行工程思想在断路器装配工艺设计方面的体现。并行工程（CE，Concurrent Engineering）是世界市场竞争日益激烈的产物，是近年在CIMS的基础上发展起来的先进制造技术之一[1]。在并行工程思想的指导下，面向制造设计（DFM）[2]，面向装配设计（DFA）[3]，面向质量设计（DFQ）[4]，面向成本设计（DFC）[5]等一系列先进设计思想。然而，这些新的设计思想主要从设计和制造角度关注产品本身，较少地从生产管理角度关注任务的分派和生产线情况。另一方面，随着计算机辅助设计技术的提高，DFM以及零件可加工性分析系统（MAS）[6～8]等的实现投入较多研究，然而，目前仍缺少面向生产平衡装配工艺设计的解决方案。

随着信息技术的发展和计算机辅助设计手段的日益成熟，在断路器装配工艺设计阶段，利用企业数字信息化平台，通过相关软件工具等对产品进行三维装配工艺的设计，拟定断路器的装配步骤，确定每个装配工步所占用的工位，形成装配文件，导入至生产效率分析工具进行生产线平衡仿真分析，根据仿真结果调整装配工艺设计，直到满足断路器装配工艺满足生产线平衡的需要，最后输出工艺设计文件指导生产，以避免因装配工艺与生产线的失衡导致生产效率与产品质量的下降。本文一句并行工程思想，提出面向生产平衡装配工艺设计思想的概念，并根据国内断路器制造行业的现实需求，提出一套面向断路器装配工艺设计的解决方案。

2 面向生产线平衡分析的断路器产品装配工艺设计系统

生产平衡指的是在工艺条件约束下,按流水生产线节拍将所有生产工序进行组合、合理调整,使每个工作节点分配的生产负荷量尽量充足和均衡。根据并行工程的思想，可以给出定义：面向生产线平衡的装配工艺设计（DFPB）是指按照并行工程的思想，在断路器装配工艺设计阶段充分考虑断路器的生产线实际情况，通过避免断路器装配工艺设计与生产线实际情况的不适合导致生产线失衡，从而提高生产效率和产品质量的设计思想[9]。

2.1 系统功能需求

如图1所示，面向生产平衡的断路器装配工艺设计系统（DFPBS）是能够实现在充分考虑断路器生产企业装配生产线生产平衡的装配工艺设计系统，是面向生产平衡装配工艺设计思想在断路器制造领域的实现。其基本功能需求包括：1）面向制造企业生产线的实际情况以及产品装配的结构特性，确定装配生产工艺路线；2）根据装配工艺的实际情况构建PBOM；3）能够对装配工艺路线进行仿真和评价，以满足产品装配需求和符合生产线实际情况；4）支持三维模型输入，支持多种格式的设计结果文件输出；5）支持上游与PDM系统集成，下游与PDM、MES系统集成。

2.2 系统总体规划

通过从PDM系统中导入的三维断路器设计模型作为系统输入，对模型进行轻量化处理后对模型进行拆分，同时交互式地构建断路器生产PBOM。根据对模型的拆分结果规划装配步骤及顺序，定义每一步装配活动和检测活动，编排形成装配工序，完成初步的断路器装配工序设计[10]。在根据初步形成的装配工艺设计路线结果，系统交互式地进行三维装配仿真、干涉检查以及装配精度检查，以保证装配工艺路线的正确。当装配工艺路线存在无法装配或发生干涉、不满足精度要求等设计问题时系统反馈存在的问题时返回上一步，重新规划装配路线和进行工艺路线编排。完成装配仿真检查后，系统根据生产线实际情况以及工序之间的前后约束关系，自动分配装配任务，生成初步的拟装配工艺设计方案。系统结合生成线实际情况自动地对装配工艺设计方案进行生产平衡仿真分析。根据仿真结果是否符合预期条件判断装配工艺路线是进行发布还是进行重新编排，直到多次迭代后得到符合生产平和的装配工艺设计方案。最后，系统根据用户实际需求，按照指定的文件格式发布装配工艺设计结果。系统架构如图2所示。

图1 系统设计流程

图2 系统架构

2.3 系统主要模块

1）装配模型管理模块。主要功能是导入三维装配模型，对模型进行调整并根据模型构建PBOM。支持对装配模型的轻量化处理，支持显示模型装配结构树。

2）装配活动定义模块。主要功能是定义最基本的装配或检测工步，为每一工步指定物料及工具，并确定所有装配和检测工步的前后顺序关系。

3）装配检查仿真模块。主要功能是对装配活动是否存干涉，装配精度是否满足设计要求[12]以及对整个装配过程进行仿真。支持对仿真过程进行录像。

4）工步指派与生产平衡分析模块。主要功能是根据装配工艺需要确定工位，并在满足装配工步先后顺序的约束条件下面向生产线平衡自动确定每个装配工步对应的工位。

5）装配工艺文件发布模块。主要功能是装配工艺设计结果的输出和管理。支持以文本、三维模型、仿真录像等形式输出发布装配工艺设计结果，支持多种方式浏览工艺文件。

6）工具设备管理模块。主要功能是对装配及检测工具库进行管理。支持在装配过程中引入装配工具和检测工具，支持对工具的定位和仿真录制中显示，支持建立工具库并对工具库进行管理和维护。

图3 系统功能模块

2.4 关键技术

要实现面向生产平衡的装配工艺设计系统，主要的技术难点是装配模型的干涉检查，装配过程的仿真和面向生产平和工艺路线设计[11]。模型的干涉检查可以根据模型的最小包围盒分层式分解递归的方法对分别对模型的静态干涉、动态干涉、运动干涉进行检查[12]。装配过程仿真的实现可以根据“可拆卸即可装”的理论[13]，通过人机交互的形式，将对于装配体的装配工艺路线的仿真就可以转换为通过对工具位置和装配零件空间位置的连续操作使装配零件分离的过程。再通过对这一过程的反向演示，实现对装配工艺路线的仿真。而面向生产平衡的工艺设计的核心要点是工序工位的安排。在满足工序前后关系约束的条件下，自动产生最适合当前生产线平衡状况的工序工位分配。

工位的分配是指是基于已确定的所有装配工步和装配的先后顺序，根据一定条件将若干装配工步集中在装配线同一地点进行，是装配工序的形成过程，是装配工艺设计的重要部分[14]。在生产活动中，让装配生产流水线上每个工位的负荷均衡是保持生产平衡的基本思想。当断路器初步装配路线拟定后和仿真后，装配工步、每道装配工步对于的工时以及工步之间的先后顺序关系都已得到定义。本文提出一种基于生产平衡的工位分配方法[15]，以满足工序之间的前后关系条件下分配每道工序到工位上，使得每个工位的工作时间尽可能地均衡。

对于断路器企业的装配生产线而言，其工位往往是确定的。假设某种型号的断路器共有S个工步，每个工步对应的工时为Ti，其中0＜i＜S。当前生产线上共有M个工位，工位j的工作时间为WTj，其中0＜j＜M。

根据生产平衡原理，希望找到最合适的工位排列分布，在满足约束条件的情况下，使得：

取到最小值。

断路器的装配过程中，有一些装配工步必须是在前面特定的若干装配工步完成后才能进行。这样的装配工步就是有前后关系约束的工步。这种能够前后关系可以用工步的前置关系集来表示。假设某道工步Si必须在Si-3，Si-2，Si-1三道工步完成之后进行，则工步Si的前置关系集为：

对于没有前置工步的工步，Befo(Si)=Φ。在进行装配工步分配的时候必须保证有前后约束关系的工步的前后顺序不变，即只有当某道工步的前置工步全部都分配到之前或当前的工位之后才能对该工步进行分配。

根据以上分析，对于有i个装配工步j个生产线工位的工步分配问题，可以建立如下数学模型：

1）建立每个工步的前序工步集Befo(Ai)；

2）建立i×j阶矩阵A，其中i为工步数，j为工位数。Ai表示工步Si，Aj表示工位Mj。元素Aij=1时表示工步Si被分配到工位Mj上，元素Aij=0时表示工步Si没有被分配到工位Mj上。由于断路器装配过程中的每个工步在整个装配过程中只会出现一次，所以不难推断出：

3）建立i维工时向量TT=(t1，t2，…，ti)，其中每个元素ti表示工步Si所对应的工时。不难推断出向量AT的每个元素即为每个工位上的工作总时长；

4）混合整数优化问题描述如下：

其中矩阵元素Aij为0或1。

本文通过集成交互式的线性和通用优化求解器Lingo对数学模型进行求解，得到满足约束条件的矩阵A，对A中元素进行解析，从而得到满足生产线平衡的工步最优分配。

某装配工序共50道装配工步，10个装配工位，已知每道装配工位前后约束关系，则在Lingo建立模型，数据部分如图4所示。

通过Lingo计算部分结果如图5所示。

图4 某装配工位确定模型数据部分

图5 计算结果(截图片段)

3 系统实现

基于以上原理，本文实现了面向生产平衡的三维装配工艺设计系统KM3DAST。系统主要功能包括导入三维装配设计模型并进行轻量化；交互地方式定义装配工步，装配顺序，拟定PBOM，初步生成装配工艺路线；对装配路线进行仿真，检查装配干涉和装配尺寸精度；面向生产平衡的工步工位分派；多种形式的装配设计工艺文件发布。

系统操作界面如图6所示，分为菜单栏、工作区、属性面板和三维模型视图区。菜单栏主要包括对文件管理与发布、装配工艺设计、标注说明添加、仿真验证等功能菜单与工具。工作区主要用于定义、管理和操作装配模型结构、装配工艺过程和装配工具资源。三维模型视图区用于显示装配模型及装配过程。

图6 KM3DAST界面

工作区的装配结构页面中的“装配结构”根节点上右键菜单可引入三维装配模型。模型引入后装配结构页面生成产品的装配结构树，可利用结构树对模型进行调整与增删。如图7所示，在工艺过程右键菜单中可以通过添加装配步骤来定义新的装配活动。也可以在一个步骤上添加子装配步骤。

图7 定义装配步骤

装配过程定义的一般流程是：生成装配步骤→添加装配对象→定义安装/拆卸活动。在定义安装/拆卸活动活动时可以引入工具装备，插入技术图解集。每一步装配活动都能通过模型进行仿真并在视图区展示装配过程。定义装配活动的过程的同时也是进行装配过程仿真的过程。对于已经定义建立的装配步骤，可以通过在工艺过程一栏中右键菜单进行编排管理，形成初步生成装配工艺路线。同时，系统将记录对应的每一步装配仿真的过程。

完成初步装配工艺路线编排之后，系统可以通过仿真播放功能进行装配和拆卸的仿真播放。仿真播放过程中，还可以录像，录像生成录像片段后，通过播放工具进行播放。

图8 录制/播放装配视频

在装配或拆卸过程中，用户可以在配置中指定需要进行干涉检查的对象，以及指定需要和干涉检查对象进行干涉检查运算的零部件，实现检查被装配的零部件和其他零部件之间是否有干涉，并出具干涉检查报告。

如图所示，点击工具菜单栏上的＜装配尺寸链计算＞按钮，交互地填写尺寸链中的组成环尺寸，包括增环尺寸、减环尺寸，点击＜计算＞按钮，系统按用户选定的封闭环表达方式，在封闭环编辑框中显示计算的结果。

图9 尺寸链解算对话框

点击工具菜单栏上的＜装配线工位自动指派＞按钮，可以实现面向生产平衡的工步工位分配。系统需要用户指定工位数量，并默认工位之间存在先后顺序。点击＜指派＞按钮，系统根据初步生成装配工艺路线自动指派每一步装配活动的工位，使整个装配过程满足生产平衡要求。系统将生成工位指派结果并计算最小生产节拍。

图10 生产平衡分析

系统支持Excel、AVI、pdf等多种文件格式的结果发布。装配工艺文件主要以Excel格式发布，用户可以通过编辑文件模板来指定工艺文件发布样式。装配仿真过程录制的装配视频可以生成AVI格式文件输出，用于指导装配生产。装配过程文件可以按装配活动保存为一页PDF，输出成装配文档。

4 实例验证

以断路器某一型号产品为实例，利用KM3DAST系统演示完成面向生产平衡的装配工艺设计，并具体分析利用生产线平衡分析前后的工艺的差别。

1）导入装配模型，并由EBOM创建PBOM。后续装配设计根据PBOM展开。

图11 导入模型

图12 创建PBOM

2）定义装配活动，编排初步装配工艺路线。

图13 编排装配工艺路线

3）进行装配仿真，检查装配过程干涉。

4）面向生产平衡工位指派。

5）断路器装配工艺文件。

图14 输出装配工艺文件

利用生产线平衡分析前的工艺如表1所示。

表1 某断路器装配工艺

续（表1）

传统装配工艺设计模式下，不考虑生产平衡因素进行的装配工艺路线设计，经过生产线平衡分析以后可以得到生产线平衡信息，转为图表显示如图15所示。

图15 未利用生产线平衡分析前工艺

由图中可以看到生产节拍为48min，生产线的平衡率为：

平衡率=247/48×10=51.46%。此时的工艺的平衡率较低，工序1上为瓶颈工序，工序8、工序5与工序2的利用率较低空闲时间较长，在工序规划方面有优化的空间。利用本系统进行装配工艺设计之后的生产线平衡分析图如图16所示。

图16 利用生产线平衡分析后工艺

由图中可以看到生产节拍下降为25min，此时生产线的平衡率为：

平衡率=247/25×10=98.88%，生产效率得到显著提高。

5 结束语

本文根据并行工程的思想，并针对断路器产品生产的实际问题，提出了面向生产线平衡的装配工艺设计。面向生产线平衡的装配工艺设计是在装配工艺设计阶段就充分考虑装配生产线的平衡状况，以实现产品的装配工艺满足实际装配生产线平衡的需要，从而加快生产节拍，提高生产效率。

基于面向生产线平衡的装配工艺设计的想法，本文实现了一种面向生产平衡的断路器产品三维装配工艺设计系统，并通过某种断路器产品实例进行了验证。目前该系统已经在实际的断路器生产项目中运用。随着更多的项目的开展，可以积累更多的数据和经验，逐渐对本文提出的方法和系统进行修正和改进，以推广到其他制造领域。

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