精益方法的桁架流水線產(chǎn)能提升方法研究

馬志斌,李　黎,顧巧祥

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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精益方法的桁架流水線產(chǎn)能提升方法研究

馬志斌,李黎,顧巧祥

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

【摘要】針對(duì)換型對(duì)按某一種型號(hào)設(shè)計(jì)的單件流桁架流水線造成嚴(yán)重產(chǎn)能損失的問(wèn)題，提出基于FIFO的流水線動(dòng)態(tài)平衡改善方案.分兩種換型情況計(jì)算了流水線的工時(shí)損失率以及采用FIFO機(jī)制后產(chǎn)能損失率的改善.在此基礎(chǔ)上，采取了動(dòng)態(tài)調(diào)度、設(shè)置線長(zhǎng)、快速換模、線內(nèi)轉(zhuǎn)線外等輔助改善措施.經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，流水線工時(shí)浪費(fèi)率平均減少了22.72%，人均小時(shí)產(chǎn)能提高了143.48%.

【關(guān)鍵詞】流水線產(chǎn)能;換型;先進(jìn)先出;生產(chǎn)效率;桁架

流水線生產(chǎn)是工業(yè)上常用的一種生產(chǎn)方式，可以在流水線上布置多種工位，它結(jié)合了對(duì)象專(zhuān)業(yè)化的空間組織及平行移動(dòng)方式的時(shí)間組織的優(yōu)點(diǎn)[1,2].流水線平衡問(wèn)題有許多解決方法，如：從單元配置、人員配置、產(chǎn)品排序三方面來(lái)解決單元配置及排序問(wèn)題[3]；基于約束理論，深入研究了流水線的調(diào)度規(guī)劃，提高流水線瓶頸工序的生產(chǎn)能力，從而提高流水線的整體產(chǎn)能[4]；利用遺傳算法來(lái)優(yōu)化柔性的流水線車(chē)間調(diào)度[5-6]等.

在多品種小批量以及按訂單生產(chǎn)的市場(chǎng)環(huán)境下，很多流水線要以混流方式生產(chǎn)[7].混合流水線需要頻繁切換產(chǎn)品型號(hào)，各工序的循環(huán)時(shí)間不固定，流水線的負(fù)荷不均衡，造成產(chǎn)能損失.目前混合流水線的研究主要集中在流水線的平衡和產(chǎn)品排序問(wèn)題.其中流水線的平衡研究主要有調(diào)度算法研究、工序標(biāo)準(zhǔn)的制定和模塊化生產(chǎn)方式[8].流水線排序主要研究如何安排生產(chǎn)順序使得混流流水線生產(chǎn)均衡、在制品庫(kù)存最小以及產(chǎn)能損失最少[9].

扶梯桁架生產(chǎn)流水線按訂單生產(chǎn)，不同型號(hào)的切換造成工序周期時(shí)間的大幅度波動(dòng)，造成流水線的不平衡，產(chǎn)能損失很大.而桁架所具有的體積重量龐大、產(chǎn)量少、周期時(shí)間長(zhǎng)以及流水線缺乏柔性的特點(diǎn)，致使現(xiàn)有的混流流水線的平衡和產(chǎn)品排序方法尚不能實(shí)際解決型號(hào)切換造成的桁架流水線不平衡問(wèn)題[10].本文從工業(yè)工程角度，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)改善時(shí)成本、場(chǎng)地、投資回報(bào)率等條件的約束下，提出了若干優(yōu)化方案，旨在提高混流桁架流水線的平衡率，提高產(chǎn)能.

1扶梯桁架流水線現(xiàn)狀

電動(dòng)扶梯桁架是一種開(kāi)口式的空間鋼架結(jié)構(gòu)，采用角鋼和槽鋼焊接而成的大型產(chǎn)品.A電梯公司生產(chǎn)的桁架主要的生產(chǎn)工藝為焊接，包括5道工序，依次是左單片、右單片、合攏、底板、固定件，前三道工序都是在固定的大型工裝上進(jìn)行加工，后兩道工序在地面加工，各工序間的半成品體積和重量很大，需使用行車(chē)起吊來(lái)移動(dòng).A公司只有一套桁架生產(chǎn)工裝，桁架以單件流的流水線形式進(jìn)行加工.見(jiàn)圖1.

圖1　正吊出工裝的桁架在制品Figure 1　Hanging out WIP truss fromtoolings

桁架按訂單生產(chǎn)，有很多的規(guī)格型號(hào)和定制化需求，最主要的是桁架提升角度和提升高度的區(qū)別.桁架提升角度分為30°和35°，提升高度主要分為3 m、4.5 m或6 m.從生產(chǎn)管理角度，將產(chǎn)量最多的梯型(提升高度為4.5m，提升角度為35°)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)梯，其他梯型為非標(biāo)梯.在左單片工序，在不同的梯型間進(jìn)行切換(換型)時(shí)，需根據(jù)提升角度和(或)提升高度對(duì)工裝進(jìn)行調(diào)整，需要換模時(shí)間，而其他工序不需要換模.

桁架生產(chǎn)流水線人員固定，有13名焊工.每天工作時(shí)間為7.5 h，其中有效工作時(shí)間為7 h.節(jié)拍設(shè)計(jì)為1 h，理論生產(chǎn)能力為7臺(tái).在生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)梯的條件下，流水線平衡率比較高，基本上每道工序的周期時(shí)間是1 h.

目前，車(chē)間為減少換型次數(shù)和換型時(shí)間，應(yīng)用了以下規(guī)則進(jìn)行產(chǎn)品排序：在滿足交期基礎(chǔ)上，

1)將同一規(guī)格型號(hào)訂單相鄰排產(chǎn)，以減少換型次數(shù).

2)將同一提升角度訂單相鄰排產(chǎn)，以減少左單片工序提升角度的換模次數(shù).

3)將提升高度由高至低或由低至高順序排產(chǎn)，以縮短左單片工序換模的工裝長(zhǎng)度調(diào)整距離，減少調(diào)整時(shí)間.

但由于桁架生產(chǎn)數(shù)量少、工序周期時(shí)間長(zhǎng)，換型造成的流水線不平衡的損失巨大.在每天有多種梯型訂單的情況下，產(chǎn)品排序方面給流水線帶來(lái)的收益是有限的.

目前存在的問(wèn)題：桁架是大型產(chǎn)品，周期時(shí)間和各工序循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，在生產(chǎn)切換型號(hào)時(shí)，不同梯型的周期時(shí)間差異大(10～30 min)，造成流水線的嚴(yán)重不平衡，由此引起大量的時(shí)間等待和工時(shí)浪費(fèi).而流水線受到工裝條件限制，工序的數(shù)量及其各工序的負(fù)荷不能動(dòng)態(tài)調(diào)整，不具備柔性，流水線不平衡狀態(tài)遲遲得不到改善.不平衡造成的產(chǎn)能損失非常大，經(jīng)常造成交期延誤[11-12].左單片工序的較長(zhǎng)的換模時(shí)間使情況更加惡化.

2切換時(shí)間分析

Y型號(hào)桁架和X型號(hào)桁架各工序生產(chǎn)周期時(shí)間如表1(Y型號(hào)桁架較X型號(hào)桁架的周期時(shí)間長(zhǎng)，即tyi>txi).

表1　流水線生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1長(zhǎng)周期時(shí)間桁架切換為短周期時(shí)間桁架的情況

流水線由Y型號(hào)桁架切換為X型號(hào)桁架，狀況如圖2.

圖2　Y型號(hào)換X型號(hào)時(shí)各工序工作時(shí)間狀況圖Figure 2　Working timediagram of each procedure when Y model is replaced by X model

由圖2可得

=2[(ty2-tx1)+(ty3-tx2)+(ty4-tx3)+

(ty5-tx4)]+3[(ty3-tx2)+(ty4-tx3)+

(ty5-tx4)]+2[(ty4-tx3)+(ty5-tx4)]+

4(ty5-tx4).

2.2短周期時(shí)間桁架切換為長(zhǎng)周期時(shí)間桁架的情況

流水線由X型號(hào)標(biāo)桁架切換為Y型號(hào)桁架，狀況如圖3.

圖3　X型號(hào)換Y型號(hào)時(shí)各工序工作時(shí)間狀況圖Figure 3　Working timediagram of each procedure when X model is replaced by Y model

由圖3可得

=3(ty1-tx2)+2[(ty1+ty2)-(tx2+tx3)]+

4[(ty1+ty2+ty3)-(tx2+tx3+tx4)]+

2[(ty1+ty2+ty3+ty4)-(tx2+tx3+

tx4+tx5)].

2.3損失分析

設(shè)X桁架與Y桁架的每道工序周期時(shí)間如表2.

表2　流水線各工序周期時(shí)間

則總工作時(shí)間=2×(ty1+tx1)+3×(ty2+tx2)+2×(ty3+tx3)+4×(ty4+tx4)+2×(ty5+tx5)=1626.5(min).

所以兩種情況的工時(shí)浪費(fèi)都很?chē)?yán)重.

3流水線產(chǎn)能提升方法

面對(duì)換型引起的流水線不平衡和大量的產(chǎn)能損失，在流水線缺乏柔性以及產(chǎn)品排序不能有效改善的情況下，從工業(yè)工程角度，應(yīng)用以下基于精益方法的措施來(lái)降低換型造成的產(chǎn)能損失.包括：1)工序間設(shè)置FIFO(先入先出)，以保持生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性；2)及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)度，根據(jù)實(shí)際情況在工序間調(diào)整人員配置；3)設(shè)置流水線線長(zhǎng)崗位，換型時(shí)對(duì)流水線予以必要的支持；4)快速換模，改進(jìn)左單片工裝，提高換模的速度，減少換模的時(shí)間；5)線內(nèi)轉(zhuǎn)線外，將左單片一部分組件移到線外焊接，以降低左單片換模時(shí)間對(duì)流水線平衡的影響.以上措施已經(jīng)在A公司桁架生產(chǎn)車(chē)間實(shí)施，并取得了較好的效果.

3.1實(shí)施FIFO生產(chǎn)生產(chǎn)方式

圖4　FIFO通道(陰影部分)設(shè)置圖Figure 4　FIFO channel (shaded part) set diagram

各工序緩沖區(qū)如圖4中虛線框區(qū)域.若第i道工序的任務(wù)已完成，而第i+1道工序的任務(wù)還未完成，則把第i道工序完成的工件暫存至緩沖區(qū)，第i道工序接著開(kāi)始下一臺(tái)桁架的生產(chǎn).由此，避免或減少第i道工序的等待時(shí)間.考慮到桁架的大小、車(chē)間場(chǎng)地的限制，選擇FIFO通道量為1臺(tái).

基于FIFO生產(chǎn)后各工序工作時(shí)間如圖5.

圖5　使用FIFO后各工序工作時(shí)間狀況圖　Figure 5　Working timediagram of each procedure after using FIFO

3.2生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)度

充分利用工人的能動(dòng)性，在換型時(shí)調(diào)整工序上的人員，平衡前后工序任務(wù)的完成時(shí)間，減少工人等待時(shí)間[13].工序間動(dòng)態(tài)調(diào)度的方案如圖6，圖中箭頭的方向即為工序間支援的方向.

圖6　動(dòng)態(tài)調(diào)度示意圖Figure 6　Schematic diagram of dynamic scheduling

當(dāng)流水線換型后，工序上出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間等待現(xiàn)象，當(dāng)工序的完成時(shí)間明顯短于工序i+1的完成時(shí)間時(shí)，調(diào)度負(fù)荷輕的工序i的工人支援相鄰的負(fù)荷重的工序i+1，從而降低換型后工時(shí)差異對(duì)生產(chǎn)線的影響，使各工序盡量達(dá)到平均生產(chǎn)速率水平，保持流水線生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡.調(diào)度時(shí)安排工序中生產(chǎn)速率高的工人對(duì)另一工序進(jìn)行支援,以節(jié)約多技能培訓(xùn)成本和提高生產(chǎn)速度[14].

為使相鄰工序間支援更靈活、更省時(shí)，此動(dòng)態(tài)調(diào)度方案需要工序1到4都有雙技能工人，但由于加工工藝都為焊接，故此方案實(shí)施難度不大.

3.3線長(zhǎng)制

在流水線上增加一個(gè)線長(zhǎng)崗位，線長(zhǎng)掌握5個(gè)工序需要的技能.在生產(chǎn)線出現(xiàn)瓶頸時(shí)進(jìn)行支持，降低瓶頸工序加工時(shí)間.不管是基于FIFO生產(chǎn)方案還是生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)度方案，線長(zhǎng)對(duì)于優(yōu)化生產(chǎn)都是很重要的[15].在動(dòng)態(tài)調(diào)度方案中，工人的任務(wù)分配的合理性取決于線長(zhǎng)的調(diào)度能力.

3.4快速換模

桁架流水線換型時(shí)，左單片工序要改變上、下頭部工裝的拐角來(lái)調(diào)整桁架提升角度，移動(dòng)上頭部工裝以調(diào)整桁架提升高度.原有工裝采用滑槽方式，阻力大，要借助行車(chē)來(lái)拖動(dòng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力.偶爾滑槽被異物卡住，會(huì)耽誤很長(zhǎng)時(shí)間而造成流水線大量產(chǎn)能損失.經(jīng)過(guò)改進(jìn)工裝設(shè)計(jì)，將模具改成滾動(dòng)方式，使換模簡(jiǎn)單輕松，大大節(jié)省了人力，并有效地縮短了換模時(shí)間.模具改善前后如圖7、圖8.

圖7　原有滑動(dòng)換模的工裝圖Figure 7　Tooling drawing of the original sliding-exchange die

圖8　改進(jìn)為滾動(dòng)換模的工裝圖Figure 8　Tooling drawing of the improvedrolling-exchange die

工裝改進(jìn)后，平均換模時(shí)間由之前的平均18 min，縮短為5 min，大幅降低了換模時(shí)間.

3.5線內(nèi)轉(zhuǎn)線外

雖然模具的改進(jìn)減少了左單片換模時(shí)間，但換模時(shí)間對(duì)流水線的產(chǎn)能還是有一定影響.為進(jìn)一步彌補(bǔ)左單片工序換模時(shí)間，對(duì)于提升高度大的梯形，將左單片工序中的豎桿與驅(qū)動(dòng)固定板等物料間的焊接操作轉(zhuǎn)移至線外，加工成部件.此措施明顯降低了左單片工序的換模對(duì)產(chǎn)線平衡的影響.

3.6實(shí)際驗(yàn)證

桁架車(chē)間在采取上述措施后，人均小時(shí)產(chǎn)能、平均周期時(shí)間變化如圖9和圖10，流水線工時(shí)浪費(fèi)率平均減少了22.72%，人均小時(shí)產(chǎn)能提高了143.48%，平均周期時(shí)間減少了72 min，改善效果很顯著.

圖9　人均小時(shí)產(chǎn)能柱形圖Figure 9　Column chart of per capita capacity

圖10　平均周期時(shí)間柱形圖Figure 10　Column chart of mean cycle time variation

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)桁架流水線切換時(shí)間及換型損失進(jìn)行了詳細(xì)的分析，采取了基于精益方法的改善措施，來(lái)降低換型對(duì)生產(chǎn)線造成的產(chǎn)能損失，并實(shí)施驗(yàn)證，取得了良好的改善效果.方案雖然是針對(duì)電梯桁架，但對(duì)于其他類(lèi)似產(chǎn)品的生產(chǎn)線，可以作為參考.

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【文章編號(hào)】1004-1540(2016)02-0177-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.010

【收稿日期】2016-01-22《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項(xiàng)目】浙江省公益技術(shù)研究工業(yè)項(xiàng)目(No.2014C31083)，浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.Y14E050099).

【作者簡(jiǎn)介】馬志斌(1972-),男,黑龍江省雞西人，博士,主要研究方向?yàn)榫嫔a(chǎn)、工業(yè)工程、企業(yè)信息化.E-mail：mzb@cjlu.edu.cn

【中圖分類(lèi)號(hào)】F287.2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

Research on productivity improvement of escalator truss assembly lines with lean methods

MA Zhibin, LI Li, GU Qiaoxiang

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Aiming at the capacity losses caused by the model changing of escalator truss assembly lines, we designed a dynamic balance improvement measure based on FIFO. The losses of the working hours were calculated in two cases of model changing. Improvements such as dynamic scheduling, appointing leader of the line, quick die change systems and manufacturing some parts outside the assembly line were suggested.Through practical verification, the time wasting rate of the assembly line was reduced by 22.72% on average; and the per capita hourly production capacity was increased by 143.48%.

Key words:assembly line capacity; model changing; FIFO; production efficiency; escalator truss