技术助力提升线束制造效率

2020年10月26日 评论 365 4921字

为了优化生产线,线束制造商有时会在相同的“合并”工装上制造彼此不同但却非常相似的线束,这种方法可以有效利用工厂空间和生产线资源。本文首先解释了这种生产线优化方法存在的挑战,然后介绍了 Mentor Graphics Capital 工具套件如何支持工程团队克服这些挑战,从而在制造层面更快地实现盈利。

线束行业竞争非常激烈。制造过程仍然是高度依赖人工的劳动密集型,不断增加的复杂性正导致该过程的盈利能力下降。鉴于电动汽车和自动驾驶等大趋势的发展及其对配电系统的相关影响,几乎可以肯定这种情况会持续到可预见的未来。此外,即使在产品已投入生产的情况下,线束制造商仍需要管理和实施大量设计变更,这会对生产线产生进一步影响。操作员、设备乃至工厂空间等都是非常宝贵的资源,必须精心管理。

生产线的初始设置本身就是一项需要丰富制造工程经验的繁杂工作。必须设计准备区域,必须在工装上安装线束,必须钻好用于支撑夹具的孔位,必须在工装上安装支撑夹具,必须定义工作站并为这些工作站分配内容。此外,还必须设计和准备测试设备。整个生产线必须根据给定的节拍时间和预测的取料率进行平衡调整。必须根据预测的产量确定所需的生产线数量和工厂空间。所有这一切都越快越好,以便保证生产产品的利润。

每次设计变更后都必须重新评估这些决策。工装可能需要更新,已平衡的生产线可能需要重新平衡,或者操作员可能需要重新培训。在针对波动的取料率或产量进行变更后,生产率可能会在短时间内降低。线束取料率的显著变化会极大地影响生产线的产能利用率。甚至,在项目生命周期内通常会出现的产量和取料率变化也可能迫使线束制造商采取措施并重新设计生产线。例如,在斜坡上升或斜坡下降阶段,产量通常较低,因而需要不同的制造策略。

生产线的设计方式

在诸如汽车行业等高产量行业中,通常使用旋转输送线进行线束制造。图 1 和图 2 显示了这种旋转输送线及其移动方式。对于这些生产线,旋转传送带上固定着多个木制或铝制的安装板。

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1:线束制造旋转生产线。

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2:旋转生产线的旋转方向。

整个旋转生产线分为不同的工作站,如图 3 所示。线束设计通常记录在二维的无标度产品设计图纸上。制造工程师使用此产品设计图(图 4)创建全尺寸制造图纸,又称为“工装图纸”(图 5)。

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3:线束生产线的编号工作站

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4:产品设计图纸。

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5:工装图纸。

1 所示的每个安装板都显示有相同的工装图纸。这些工装图纸是线束设计数据的一比一全尺寸表示,并且附有额外的制造信息。除线束对象之外,所有与制造相关的对象,如线束叉、连接器支架、夹持器或胶带位置指示器都以图形方式显示在这些工装图纸上,为操作员提供直观的辅助。这些工装图纸可以是单线束或复合线束。在复合工装上,可以生产相同线束的不同衍生版本。

基于线束设计复杂性、预测产量、取料率和其他工厂特定因素(如可用设备和工厂空间),制造工程师要根据生产线的设计制定决策,包括要考虑到工作站的数量。所有这些活动的目标始终是设计出平衡的生产线,使他们能够以预测的取料率生产预测数量的线束,并尽快进入盈利状态。当然,进入盈利状态总是需要一段时间,特别是对于需要大量人工的复杂产品。操作员都要经过一些时间才能适应他们必须执行的任务,并达到最佳效率。

什么是合并工装?

使用合并工装,制造工程师可以设计生产线,让他们能够在同一生产线上生产不同(但非常相似)的线束。也就是说,一条合并的生产线可以取代多条生产线,从而腾出可用的工厂空间及其他资源。在某些情况下,通过使用合并工装还可以提高单个生产线的产能和效率。本文稍后将给出示例。

由于在合并工装图纸上显示有两个或多个线束,因此通常会使用颜色来突出显示哪个元素属于哪个线束。请注意下方图 6 右侧的三种颜色:

黑色:用于表示所有线束通用的内容
蓝色:此内容只属于其中一个线束。为此线束指定了蓝色
橙色:此内容只属于其中一个线束。为此线束指定了橙色

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6:合并工装及其源设计。

车间操作员清楚需要生产哪些线束。凭借这些知识和颜色编码,他就可以识别出工装上的相关部分。

线束之间的共性是决定是否采用合并流程时的关键因素,此流程可能在某种程度上有所涉及。根据经验法则,常需要 70% 80% 的共性。如果共性很少,则合并工装将非常复杂,难以阅读和理解。由于操作员无法从复杂的工装图纸中快速获得所需信息,这将导致生产效率低下。

示例:合并工装如何能够对生产线的效率和生产率产生积极影响?

让我们假设目前正在生产柴油机和汽油机的乘用车前端线束。两个线束之间的共性约为 80%。两者的取料率非常相似,预计柴油机为 52%,汽油机为 48%。产量非常高。根据这些信息和其他一些参数,我们决定分别在单独的生产线上生产线束,一个用于柴油机,另一个用于汽油机。

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7:两条线束生产线的初始设置;一个用于柴油机,一个用于汽油机。

我们平衡生产线,并完成所有必要的准备工作。最终的设置为我们提供了闲置产能,让我们能够应对一定程度的产量增加。我们开始生产。经验丰富的操作员能够迅速适应新的设计流程,并很快进入盈利状态。

几个月后,我们发现取料率出现显著变化。柴油机取料率在下降,而汽油机取料率则在上升。原因可能是围绕据称的“绿色”柴油机的缺点进行了非常公开而富有争议的讨论,从而影响到消费者的情绪。只要柴油机的未来仍不明朗,汽油机的需求就会激增,这在德国市场是众所周知的情况。不管原因为何,这一趋势是很明显的,我们必须决定如何应对。

就这里的示例而言,其直接影响是我们的柴油机生产线不再高效。同样的工厂空间和设备正被用于生产更少的线束。更加令人担忧的是,汽油机生产线上的闲置产能可能不足以应对该线束取料率的增加。

以下是我们拥有的选择:

我们可以为汽油机前端线束再建立一条生产线,以满足提高的取料率。然而,这将需要更多的工厂
空间、更多的设备和更多的操作员,因此可能不是最佳选择。

更好的方法(图 8)可能是重新设计柴油机生产线,使得可以在同一生产线上生产柴油机和汽油机线
束。换言之,我们可以使用合并工装建立合并的生产线。

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8:调整后的设置,包括合并的柴油机和汽油机生产线以及单条汽油机生产线。

建立高效且成本优化的合并生产线需要将现有的工装设计合二为一,并确保可以重复使用大多数夹具和工具位置。也就是说,工程师只需要调整线束的非公用部分,而不必再次钻孔并放置各种夹具。

请注意,在图 8 中,我们很可能会决定让汽油机前端线束的生产线保持不变。凭借经过调整后的设置,现在我们无需在车间进行进一步更改(例如建立额外的生产线),即可应对取料率的变化并生产所需数量的前端线束。事实上,建立第三条生产线会导致效率和生产率低下,因为柴油机生产线和第二条汽油机生产线将出现严重的产能利用不足。因此,我们最好在原有的两条生产线上完成更改。

尽管上面的例子说明了潜在的好处,但由于 a) 合并复杂工装会带来初期挑战,并且 b) 此后的变更管理存在一定复杂性,即使考虑合并生产线也经常会遇到阻力。鉴于目前的方法和能力,公司必须非常谨慎地考虑为合并生产线的可行性、实施和维护投入时间和精力以实现这些好处是否合理。有时他们会尝试并遭遇失败,但通常情况是,他们面对失败的风险甚至根本不会选择尝试。

当然,示例中绘制的是解决方案的简化图。对于实际情况,在决策过程中需要考虑许多参数。但主旨是相同的:合并工装可以提高线束生产线的效率和生产率,通常效果显著。

合并工装目前是如何设计的?

一直以来,这种合并工装是使用绘图工具以高度手动的流程创建的,绘图工具未必是针对重用和共享数据而设计的。即使是第一步,即判断两条线束是否适合在合并生产线上生产,也是一项庞大而繁重的任务。需要手动比较图纸,并注意一系列参数,例如尺寸、布局、元件及其位置、所需的线束夹具以及元件夹具。

合并过程本身是另一项繁重的工作,主要使用绘图工具完成。事实上,鉴于大多数绘图工具的局限性,在此步骤通常根本不考虑线束数据。因此可能需要数天,或者对于大型线束,甚至需要数周时间才能完成初始的合并工装设计。

设计好初始的合并工装之后,就必须对其进行维护。对原始线束设计所做的所有更改都必须执行,即更新合并工装。但同样,由于合并工装可能是使用未连接某个数据源的绘图工具设计的,这会成为又一项耗时且容易出错的手动任务。

许多制造工程师都会拒绝通过合并工装进行生产线优化,这一点毫不令人意外。对于起步阶段的公司而言,通常很难为合并工装找到合适的候选板。即使两条生产线之间存在显著的共性,合并工装的创建和维护仍然是一项过于繁重的任务。如果工程师同意合并,由于目前绘图工具存在的许多不足(图 9),这项工作也是有改进空间的。

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9:使用绘图工具的合并工装方法的劣势。

CAPITAL:如何设计合并工装

值得高兴的是,在绘图工具之外还有其他选择。 Mentor, a Siemens Business Capital 套件采用以数据为中心的技术,为整个设计和制造流程提供支持。下表(图 10)概述了 Capital 的一些主要优势。

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10:使用 Capital 实施合并工装方法的优势。

Capital套件中,线束设计首先是一个数据集,也可以用图表表示。每个图表都可以独立设计,以便工程师为每个用例创建合适的图形表示。变更管理更加容易而且可靠,因为数据一旦输入,几乎可以无限期地重复使用,并且数据和相应的图表可以在整个流程中保持彼此关联。

Capital 为创建和维护合并工装和生产线提供了完美的环境。制造工程师可以选择现有的工装并进行比较,以找到合适的候选板。凭借数据的连续性, Capital Formboard Manager 可以为比较合并候选板提供一系列支持。只需单击按钮即可计算出实际的共性。自动合并功能可以接管许多较低级别的“默认”任务。

该工具支持工程团队的自然工作流程。在整个合并过程中,可以随时应用数据中存储的线束相关知识。该工具可以在现场为工程师提供信息,这与缺乏数据连续性,检索信息需要大量时间的传统流程形成鲜明对比。

Capital 还大大缩短了创建合并工装所需的时间。例如,该工具可以在合并过程中轻松保留实际工装上的现有夹具位置。实际上,由于在整个合并工装流程中始终与候选板(源设计)保持关联,变更管理通常非常快捷而方便。如上所述,下一页的图 11 描述了使用 Capital Formboard Manager 创建合并工装的若干优势。

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11Capital Formboard Manager 的优势。

组合工装与合并工装

组合工装为在线束工厂中尽可能高效使用资源提供了另一种方法。不同之处在于,在组合工装中,不同的线束位于不同的位置。也就是说,使用现有工装上的备用空间来生产差异明显的线束。该方法通常用于小型线束以及取料率较低的线束。利用组合工装,可以使用相同的设备和工厂空间生产许多上述线束。Capital Formboard Manager 也可用于创建和维护这些类型的工装。下面的图 12 所示即为这样的组合工装。

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12:组合工装;在同一个工装上有一个合并的线束以及另外两个线束

结语

利用 Capital Formboard Manager,可在基于连续数据流的环境中创建和维护合并工装。该工具使制造工程部门可以轻松实现生产线效率的最大化。从完全依赖于绘图工具的纯手工方法过渡到以围绕关联数据的方法,这样大大减少了合并和组合电路板以及生产线所需的工作量。 Capital 让制造工程师专注于他们最擅长的事情,例如快速完成各种生产线优化方案,而不是操作繁琐的绘图软件。对于线束制造商而言,这意味着能更好地制定车间决策,仅执行不可避免的更改,最终以明显更快的速度达到盈利状态。

作者简介:
Frank Hemmersbach (frank_hemmersbach@mentor.com) Mentor, a Siemens business 的线束设计和制造工具的产品架构师。他在线束行业拥有 21 年的丰富经验,曾在一家大型线束制造商的设计、开发、制造和 IT 部门供职多年。他目前在科隆工作。

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