基于VSM和TOC的汽車涂裝生產系統(tǒng)改善

葛安華，劉昕蔚

（東北林業(yè)大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于VSM和TOC的汽車涂裝生產系統(tǒng)改善

葛安華，劉昕蔚

（東北林業(yè)大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

在生產系統(tǒng)改善中，精益思想（Lean Thinking）和約束理論（TOC）作為有效的管理改善方法被越來越多的企業(yè)所接受。而價值流圖分析技術（VSM）是精益思想中的有效工具。通過分析VSM和TOC各自的優(yōu)勢和在應用中單方面的局限性提出了兩者相結合的改善方法，并以S汽車生產廠涂裝車間為例，通過方案實施，達到了使系統(tǒng)增值率提升2%，生產周期減少1 693s，人員減少，質量提升的效果，以證明其應用的可行性。

精益思想；價值流；約束理論；汽車涂裝

1 引言

隨著社會經濟和人民生活水平的不斷提升，人們對汽車的認知和要求也不斷提高。在日趨成熟且競爭十分激烈的汽車市場中，產品的價格由客戶（市場）決定，企業(yè)若想擴大利潤只能通過聚集成本優(yōu)勢來實現。生產系統(tǒng)是企業(yè)創(chuàng)造價值的最根本來源，從生產系統(tǒng)入手，通過先進的生產系統(tǒng)改善方法來降低成本、保證質量、縮短交貨期，這對于企業(yè)的生存起著至關重要的作用。其中精益思想從降低成本的角度出發(fā)，認為客戶定義產品的價值，一切客戶愿意付費的過程才是增值的，其余非增值的活動都是浪費，而一切浪費都會導致成本的上升。因此精益思想的核心就是識別并消除浪費。在這一過程中，發(fā)展出了許多先進的精益方法和工具，價值流圖析（VSM）就是其中一種。它將生產系統(tǒng)中價值流動的全過程透明化在一張圖紙上，幫助管理者清楚地識別浪費的所在。精益思想主張凡是浪費就要事無巨細的予以消除，然而在改善的過程中，這種追求局部最優(yōu)的方式往往可能忽視企業(yè)最根本的目標，就是盈利。相比之下，以色列物理學家高德拉特提出的約束理論則是以企業(yè)實現盈利目標為出發(fā)點，從全局的角度找出制約這一目標的約束條件從而定義改善活動的主次。然而約束理論常以定性分析為主，缺少定量分析和技術工具支持。因此，本文提出結合價值流圖析技術和約束理論優(yōu)勢的生產系統(tǒng)改善方法。以S汽車廠涂裝生產系統(tǒng)為研究對象，論述了其有效性和實用性。

2 價值流現狀分析

價值流是產品通過基本生產過程從原材料轉化為成品所發(fā)生的一系列活動，從精益思想的角度，這一系

列活動包含了增值活動和非增值活動。價值流涵蓋了該過程中物料和信息的流動，起點為供應商，終點為客戶。價值流圖析（VSM）技術是通過一些特定的圖形符號將產品生產過程中的物料流和信息流描述在圖紙上，形成價值流圖，從而了解當前價值流（VSA）的狀態(tài)，識別系統(tǒng)中增值和非增值的部分并通過精益的方法消除浪費，提高系統(tǒng)增值率，降低成本，并繪制預期的價值流未來圖（VSD），體現改善活動的目標[1]。

2.1 生產現狀

S汽車廠是一家生產高檔轎車和SUV的大型合資企業(yè)，其汽車生產主要有四大工藝車間：沖壓、車身焊裝、涂裝和總裝，由于國內外對價值流方面的研究較多針對于離散型裝配制造生產過程，而汽車涂裝則比較特殊，是一種相對來說高度自動化的流程型生產系統(tǒng)，對這方面的研究還比較少，因此選擇涂裝生產系統(tǒng)為例進行分析研究。

按照當前價值流圖析（VSA）的應用步驟，首先選定產品族[2]。S汽車廠主要生產三種車型，SC、SD轎車和SX運動型多功能車，對于涂裝車間的生產，三種車型生產工藝流程相近，各車型近三年的銷量統(tǒng)計如圖1所示。因此選擇銷量維持較高水平的SD轎車為分析對象。

圖1 S汽車各車型銷量統(tǒng)計圖

S汽車涂裝生產流程共包含7道主要工序，分別為前處理及電泳、PVC密封膠、電泳打磨、面漆噴涂、面漆打磨、注蠟、發(fā)泡。其中，白車身表面處理及電泳可以很好地提高車身表面附著力及防腐性能；PVC密封膠對車身焊縫進行密封以及空腔注蠟都能對車身起到良好的防腐密封作用；發(fā)泡工藝除防腐效能外還能起到一定的隔音降噪作用，而最增值的面漆噴涂則為客戶提供各種顏色的車型選擇。除此之外，對汽車表面質量進行檢查并對缺陷進行打磨拋光等處理雖然為非增值環(huán)節(jié)，但為保證成品質量和客戶滿意度是不能取消的必要環(huán)節(jié)[3]。

2.2 價值流現狀圖

繪制價值流程圖的首要環(huán)節(jié)是準確地定義價值。精益思想將所有的價值流活動分為三類：增值活動、非增值活動和必要非增值活動，為方便起見，之后將這三類活動分別用VA,NVA和NNVA來表示[4]。根據上一節(jié)的表述，對于S汽車涂裝生產系統(tǒng)，除電泳打磨和面漆打磨工序外，其他工序都為增值環(huán)節(jié)，增加系統(tǒng)中工序間的緩存環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)中所有價值流活動進行分類見表1。

表1 價值流活動分類及工藝順序表

定義了涂裝生產系統(tǒng)的價值后，通過現場調研，收集各工序的作業(yè)人數（HC）、工作節(jié)拍（CT）、總通過時間（TPT）、設備綜合效率（OEE）、設備運轉率（EA）、生產班次、工作時間、百臺車缺陷率（DPU）等數據，繪制價值流現狀圖，如圖2所示。

根據繪制出的價值流現狀圖計算出系統(tǒng)的增值時間、非增值時間、增值比等，結果如下。

增值時間

其中，Ti是第i個增值工序的加工時間。

非增值時間

其中，TI'是第i個非增值過程的通過時間，包括工序間的運輸時間和非增值工序的加工時間。

通過價值流現狀圖并結合生產現狀，用精益生產方式對S汽車涂裝生產系統(tǒng)價值流現狀進行分析，發(fā)現主要有如下影響系統(tǒng)增值率的潛在浪費問題：

（1）面漆打磨工序時間長,增加了非增值時間；

（2）PVC工段節(jié)拍時間長，工位間作業(yè)負荷不均勻，

線平衡率低；

（3）注蠟段瀝蠟工藝過程浪費，工序時間長且質量較差；

（4）中間緩存區(qū)庫存較大。

圖2 S汽車涂裝車間價值流程現狀圖（VSA）

3 約束理論下價值流改善方案

3.1 基于目標的改善活動排序

價值流圖析（VSA）可以使研究人員清楚地識別出系統(tǒng)中的非增值環(huán)節(jié)，對于這些環(huán)節(jié)，精益思想主張必須予以消除或改善。然而，在開展并實施改善活動的過程中，企業(yè)需要投入各種資源，包括人員、時間、資金、物料等。如果對所有非增值環(huán)節(jié)冒進地不分主次地進行改善，而不考慮改善活動對整個生產系統(tǒng)和企業(yè)整體利益的影響便很可能造成事倍功半的效果。

約束理論（TOC）將制造系統(tǒng)的資源分為關鍵資源和非關鍵資源，指出只有基于對提高關鍵資源利用率的改善活動才是有利的，否則是不必要甚至會帶來負面效果的[5]。其認為企業(yè)的終極目標就是在當前和將來獲取更多利潤，簡而言之就是盈利。通過有效產出、庫存和運營費用三個指標來評估企業(yè)所有活動是否圍繞著這一目標而運營。有效產出不是一般的產出率，其強調的是產銷率，即單位時間內生產并銷售出去的產品量，體現出通過銷售活動獲取金錢的速率。庫存是指為了滿足未來需要而暫時閑置的資源，包括原材料、產成品、在制品、備件等。運營費用是企業(yè)在將庫存轉化為產銷量過程中的一切直接和間接費用的總和。企業(yè)若想盈利，必須不斷提高產銷率、降低庫存和減少運營費用。概括來講，TOC就是從整個系統(tǒng)出發(fā)，以三個指標為導向，幫助企業(yè)識別并消除妨礙其目標實現的主要制約因素，也就是“約束”。TOC對約束進行改善的五大核心步驟為[6]：

（1）找出系統(tǒng)中存在哪些約束；

（2）深挖約束，尋找突破這些約束的辦法；

有時候這會涉及到漫長的適應和調整過程，經常長達數月之久。身份的確定，家庭成員外出的膳食，必要的交通安排，與家庭成員的談話和使他們理解現實的狀況，以便贏得他們的合作。這種研究顯示，有時候只能從事一些簡單的工作，有時候則完全一事無成。慢性病必須經歷一個漫長而乏味的治療過程，為了實現讓病人為他的治療而定期復診的目標，這可能涉及到需要從地理位置與經濟的角度總體上重組病人的家庭。這常常包括教育病人，提醒患者雖然他的癥狀有所改善，但是他仍未完全痊愈的過程。

（3）遷就約束，使企業(yè)所有非約束活動服從于第二步提出的各種措施；

（4）突破約束，具體實施第二步中提出的措施；

（5）約束轉移，在新的循環(huán)中尋找新的約束，防止惰性的產生。

因此，將表1中識別出的所有非增值價值流活動以及通過分析發(fā)現的影響系統(tǒng)增值率的問題，按照與約束理論三大指標的相關程度進行細分，找出制約目標系統(tǒng)的“約束”。應用的工具為價值流約束關聯(lián)值表，由最熟悉生產系統(tǒng)運作的管理者組成專家團隊，分析每一項非增值活動與三大指標的關系，并對每一個關聯(lián)項進行打分，分值Kij表示第i項活動對第j個指標的影響程度，其中價值流活動序號i=1,2…,n；指標序號j=1,2,3(1為有效產出，2為庫存，3為運營費用)。某項活動i對某個指標j的影響程度越大，賦予的分值越高，Kij=0,1,2,3(0表示沒有影響，1為有影響，2為有較大影響，3為有很大影響)。通過分析得出的結果見表2。

表2 價值流約束關聯(lián)值表

根據價值流約束關聯(lián)值表可以得知各項潛在的浪費環(huán)節(jié)對該生產系統(tǒng)的目標制約程度，按總關聯(lián)值從高至低依次為浪費活動排序，最終得出改善活動應該進行的主次順序依次為：面漆打磨作業(yè)時間優(yōu)化、PVC密封膠線平衡優(yōu)化、瀝蠟工藝優(yōu)化、中間庫存優(yōu)化。

3.2 改善方案制定

為了對VSA和TOC結合分析得出的價值流活動進行改善，需要對各項活動潛在的問題進行分析并確定改善方案，具體如下：

（1）面漆打磨作業(yè)時間優(yōu)化。由VSA可以發(fā)現面漆打磨工序作業(yè)通過時間長達1 320s，共有6個工位12名操作工，其中1-3工位為檢查打磨工位，4-6工位為缺陷拋光工位，各工位操作節(jié)拍為CT=80s。根據現場隨機抽樣觀測及質量控制站數據統(tǒng)計，平均每臺整車缺陷打磨點數量為11.5個。按照標準作業(yè)指導，并通過IE的秒表時間研究MTM方法[7]得出面漆打磨工序標準作業(yè)內容及時間見表3。

表3 面漆打磨標準作業(yè)內容時間表

對此，成立問題解決小組，通過增強面漆噴涂設備維護保養(yǎng)和清洗效果、優(yōu)化機器人仿形等行動措施改善面漆質量，并持續(xù)對質量進行監(jiān)控，實現了質量穩(wěn)定性控制在7個缺陷點的優(yōu)化效果。如此，可以將面漆打磨工序工位數減少至4個，總通過時間減少448s，人員優(yōu)化至8人次，減少4人次。該優(yōu)化達到了增加有效產出，減少運營費用的效果。

（2）PVC密封膠線平衡優(yōu)化。PVC密封膠工序包含增值工藝和非增值工藝，生產節(jié)拍長，工位多，造成生產系統(tǒng)總通過時間長，不利于有效產出的提升。通過秒表時間研究對PVC線各工位操作時間進行分析，得出結果如圖3所示。

圖3 改善前PVC各工位作業(yè)時間對比圖

在11個工位中，后蓋修膠、車門修膠和檢查修膠為非增值工藝過程。由圖3所示，3個修膠工位操作時間長，影響整個工段的生產節(jié)拍，為改善這種現狀，需要對機器人進行仿形優(yōu)化以及人工涂膠工具優(yōu)化，提高涂膠質量，減少修膠點，并通過人員技能及標準作業(yè)培訓，避免修膠過程造成的浪費。改善后修膠點減少情況為：后蓋修膠工位由6點降至3點，車門修膠由4點降至2點，檢查工位基本沒有需要修膠的潛在漏水點。對改善后的各工位重新進行秒表時間研究，并通過ECRS原則，將各工位作業(yè)內容進行重新排布，得到改善后各工位作

業(yè)時間對比圖如圖4所示。工位數減少了2個，節(jié)拍時間減少5s，人員數減少了4人。

圖4 改善后PVC各工位作業(yè)時間對比圖

圖5 S汽車涂裝車間未來價值流程圖（VSD）

（3）瀝蠟工藝優(yōu)化。車輛經過注蠟后，需要經過瀝蠟工序使空腔內的蠟均勻地覆蓋空腔內表面。將車輛置于T型瀝蠟臺上，通過傾斜和平置車輛使空腔內的蠟均勻流淌?，F有工藝下瀝蠟時間為68s，車輛傾斜時間為前傾和后傾分別24s，中間平置時間20s，通過測量分析，平置過程對于瀝蠟效果增強作用不明顯，則通過工藝調整，取消設備平置時間，同時調整傾斜速度，使瀝蠟工序減少20s節(jié)拍時間，經多次抽樣檢測，改良后的工藝可以達到質量要求。

（4）中間庫存優(yōu)化。S汽車涂裝車間中間緩存環(huán)節(jié)共有3個，分別為電泳高架庫90u、選色區(qū)庫存45u和面漆高架庫95u。雖然庫存在精益生產中被定義為浪費，但是根據約束理論，考慮生產系統(tǒng)的整體，這3個緩存區(qū)都有其必須存在的原因。其中電泳高架庫和面漆高架庫庫存都是為了緩沖上下序產能不一致而存在的，由于電泳漆烘干爐和面漆烘干爐產能較低，根據現有的客戶需求，考慮節(jié)能因素不建議增加新設備。因此，兩個緩沖區(qū)的庫存是必要的，并通過系統(tǒng)仿真的方法已調整至最小庫存。而選色區(qū)庫存是為了在車輛被下達顏色信息后，經過緩存環(huán)節(jié)重新設定顏色批次并排產，以減少面漆噴涂時設備換型換色的調整準備時間，同時有利于質量的穩(wěn)定性。基于以上因素，考慮庫存雖然造成成本增加，然而卻有利于整個涂裝系統(tǒng)的有效產出，在目前的產能和客戶需求匹配下不進行取消或降低。

3.3 繪制未來價值流圖

基于上一節(jié)提出的各項活動的改善方案，為了明確

改善目標和終點，并為下一個循環(huán)做鋪墊，繪制出未來價值流圖VSD如圖5所示。

4 改善效益分析

對各項改善方案進行評估，改善效果主要有以下幾點：

（1）減少系統(tǒng)總通過時間TPT。通過面漆質量提升，面漆打磨工序減少TPT 448s。通過PVC線平衡優(yōu)化減少了2個工位，節(jié)拍時間降低5s，使非增值時間從1 327s降低至147s，減少了1 180s，整個工序減少1 225s。通過瀝蠟工藝改善，節(jié)省TPT 20s。則整個涂裝系統(tǒng)降低TPT 1 693s，提升了系統(tǒng)的有效產出。

（2）提高系統(tǒng)增值率。通過各項改善活動，未來價值流程增值比由原來的45%提高了2個百分點。

（3）降低運營成本。面漆打磨取消2個工位，PVC密封膠取消2個工位，共減少8人次的操作人員。

（4）提高產品質量。面漆打磨和PVC線的改善究其根本是工藝的改善、質量的改善。只有高質量的產品才能滿足客戶嚴苛的需求，有利于提高系統(tǒng)的產銷率，增加企業(yè)的利潤。

5 結論

本文以S汽車涂裝生產系統(tǒng)為例，應用價值流圖分析技術結合精益思想相關理論方法對其生產現狀進行分析，識別系統(tǒng)中的浪費，提出改善的潛在點，并通過約束理論，從實現企業(yè)盈利目標的角度對潛在改善活動進行分析和排序，提出改善方案，達到了使系統(tǒng)增值率提升至47%，生產周期減少1 693s，人員減少，質量提升的效果，因而提升系統(tǒng)的有效產出，降低運營成本和庫存，對涂裝系統(tǒng)這類非離散型生產系統(tǒng)的優(yōu)化提供一定的建議性。

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[7]易樹平,郭伏.基礎工業(yè)工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

Improvement of Automobile Paint Line Based on VSM and TOC

Ge Anhua,Liu Xinwei
(School of Engineering Technology,Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In the efforts at improving production systems,the lean thinking and theory of constraint are becoming increasingly more popular among the enterprise management for their high effectiveness and value stream mapping is an effective tool in the lean thinking.In this paper,we developed a method to combine the strength and supplement the inadequacy of the VSM and TOC and in the case of the automobile paint line of a company S,demonstrated the validity of the method.

lean thinking;value stream;theory of constraint;automobile paint

F273.1;F407.471

A

1005-152X(2016)10-0138-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.032

2016-08-28

葛安華，男，教授，研究方向：工業(yè)工程；劉昕蔚，女，碩士研究生，研究方向：工業(yè)工程。