基于均衡化的SMT設(shè)備快速換產(chǎn)研究

徐文杰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于均衡化的SMT設(shè)備快速換產(chǎn)研究

徐文杰

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

要滿足通用設(shè)備表面貼裝(Surface Mounting Technology, SMT)所面臨的以多品種、小批量為特征的均衡化生產(chǎn)要求，電子企業(yè)就必須縮短SMT設(shè)備的換產(chǎn)時間，增加單位時間內(nèi)可生產(chǎn)產(chǎn)品的種類。文中提出了一種基于關(guān)鍵路徑和時間樹的快速換產(chǎn)方法。該方法首先使用關(guān)鍵路徑法對換產(chǎn)流程進行圖形化描述，并根據(jù)繪制的網(wǎng)絡(luò)圖尋找到關(guān)鍵路徑。然后對關(guān)鍵路徑上的內(nèi)、外換產(chǎn)作業(yè)進行改善，并利用時間樹將改善前后的作業(yè)時間及作業(yè)人員進行標(biāo)注，區(qū)分內(nèi)外換產(chǎn)，從而縮短換產(chǎn)時間。以某電子企業(yè)表面貼裝機的換產(chǎn)改善為例，實現(xiàn)了換產(chǎn)時間縮短58%的效果，緩解了該企業(yè)均衡化生產(chǎn)對關(guān)鍵設(shè)備資源的競爭。

均衡化；快速換產(chǎn)；表面貼裝；網(wǎng)絡(luò)圖

引 言

多品種、小批量的生產(chǎn)特征是眾多企業(yè)共同的特點，特別是對于電子產(chǎn)品制造企業(yè)，產(chǎn)品的生命周期短，更新迭代快，導(dǎo)致品種繁多，且單一品種的需求量不多。多品種、小批量生產(chǎn)類型企業(yè)的特點決定其生產(chǎn)管理復(fù)雜，多個品種之間的計劃協(xié)調(diào)困難，對資源的競爭情況復(fù)雜，加工過程能力需求的不確定，生產(chǎn)過程干擾因素多[1]。均衡化生產(chǎn)能夠通過生產(chǎn)數(shù)量和產(chǎn)品種類的均衡化，有效解決這些問題。要實現(xiàn)均衡化，就要盡量縮小批量，而縮小批量就要縮短換產(chǎn)時間，達到快速換產(chǎn)。快速換產(chǎn)將換產(chǎn)作業(yè)分為內(nèi)換產(chǎn)和外換產(chǎn)。內(nèi)換產(chǎn)是只有當(dāng)機器停下來后才能進行的操作，外換產(chǎn)是可以在機器運行情況下進行的操作。要實現(xiàn)快速換產(chǎn)，就要盡可能地變內(nèi)換產(chǎn)為外換產(chǎn)[2]。關(guān)于快速換產(chǎn)的改善問題，已經(jīng)有了一些研究成果[2-3]，但還缺乏系統(tǒng)性的改善技術(shù)。在換產(chǎn)改善中，經(jīng)常面臨不知如何從眾多換產(chǎn)作業(yè)中找到需要改善的作業(yè)、沒有好的方法將作業(yè)改善和換產(chǎn)改善結(jié)合起來等問題。本文通過將關(guān)鍵路徑和時間樹結(jié)合起來，提供了一種較為系統(tǒng)的快速換產(chǎn)方法。

1 現(xiàn)狀與問題分析

1.1 現(xiàn)狀分析

電子制造系統(tǒng)的核心生產(chǎn)過程是將電子元器件組裝在印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)上，實現(xiàn)電子元器件的互聯(lián)，而組裝過程主要涉及表面貼裝技術(shù)(Surface Mounting Technology，SMT)[3]。目前SMT設(shè)備的換產(chǎn)時間通常需要1 h左右，為了減少因換產(chǎn)損失的設(shè)備效率，傳統(tǒng)做法是采用大批量加工模式。以常見的P產(chǎn)品為例，SMT設(shè)備2周加工1次，一次生產(chǎn)2周所需量。圖1為其現(xiàn)場的物與信息流動圖。從圖1可知，表面貼裝完成后的在制品較多，延長了過程周期時間。

圖1 物與信息流動現(xiàn)狀圖

1.2 問題分析

SMT設(shè)備的大批量加工模式導(dǎo)致了以下幾個問題：

1)傳統(tǒng)的大批量加工模式導(dǎo)致對SMT設(shè)備資源的競爭加劇。SMT設(shè)備作為電子裝聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，是多種產(chǎn)品共同需要的通用設(shè)備。目前因大批量加工，每周只能生產(chǎn)有限的品種。

2)生產(chǎn)周期長。SMT設(shè)備一次表貼2周用量，后工序又不能及時消耗，工序之間存在大量的在制品，使生產(chǎn)周期長，資金占用量增加，而且還影響制造柔性，生產(chǎn)線不能迅速切換到別的產(chǎn)品。

3)存在批量不合格的質(zhì)量風(fēng)險。由于周期長，批量大，一旦發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品，往往就是一大批，且不能及時補救。

要解決以上問題，就需要縮減SMT設(shè)備生產(chǎn)批量，根據(jù)后工序需求進行生產(chǎn)，而需要解決的核心問題則是縮短換產(chǎn)時間。為此本文提出了一種基于關(guān)鍵路徑和時間樹的快速換產(chǎn)方法。

2 基于關(guān)鍵路徑和時間樹的快速換產(chǎn)方法

2.1 關(guān)鍵路徑法

關(guān)鍵路徑法(Critical Path Method，CPM)是一種基于數(shù)學(xué)計算的項目計劃管理方法，是網(wǎng)絡(luò)圖計劃方法的一種[4]。關(guān)鍵路徑法將項目分解成多個獨立的活動并確定每個活動的工期，然后用邏輯關(guān)系(開始-結(jié)束)將動作連接，從而能夠計算項目的工期、各個動作的時間特點(最早最晚時間、時差)等。關(guān)鍵路徑法采用網(wǎng)絡(luò)圖描述整個項目的進展，用節(jié)點表示活動，活動之間用箭線連接，如圖2所示，其中的字母a、b、c、d、e、f、g、h代表了項目中需要進行的活動(工序或事件)，箭線則表示活動排序或任務(wù)之間的關(guān)系。例如，活動d必須在活動f之前完成，活動a、d、g都必須在活動h之前完成等。在箭線下方方框內(nèi)注明活動及其時間，如b = 2，表示活動b需要的時間為2 min。箭線上方的4個參數(shù)ES、EF、LS和LF分別表示最早開始時間(Early Start，ES)、最早結(jié)束時間(Early Finish，EF)、最遲開始時間(Late Start，LS)和最遲結(jié)束時間(Late Finish，LF)。計算各個路徑的時間[5]，得知圖2中的關(guān)鍵路徑是c-d-f-h(共8 min)，其他路徑是b-e-g-h(共6 min)和a-h(共7 min)。

圖2 關(guān)鍵路徑法的網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 時間樹

時間樹按照先后順序?qū)㈥P(guān)鍵路徑上的活動標(biāo)注在時間軸上。進行換產(chǎn)改善時，對內(nèi)、外換產(chǎn)進行區(qū)分標(biāo)注，外換產(chǎn)標(biāo)注在內(nèi)換產(chǎn)作業(yè)的兩端，各活動所需時間和作業(yè)人員同時標(biāo)注在時間樹上，如圖3所示。Tes表示內(nèi)換產(chǎn)開始前的起始外換產(chǎn)作業(yè)，Tef表示內(nèi)換產(chǎn)完成后的結(jié)束外換產(chǎn)作業(yè)，需要停機的內(nèi)換產(chǎn)作業(yè)時間Ti=Ti,1+Ti, 2+…+Ti, n(Ti, 1，Ti, 2，…Ti, n分別表示內(nèi)換產(chǎn)作業(yè)1，2，…n的作業(yè)時間)。

圖3 換產(chǎn)作業(yè)的時間樹

2.3 快速換產(chǎn)改善流程

基于關(guān)鍵路徑和時間樹的快速換產(chǎn)方法的改善流程如下：

1)繪制涉及換產(chǎn)作業(yè)所有活動的網(wǎng)絡(luò)圖。

2)計算網(wǎng)絡(luò)圖時間參數(shù)。從網(wǎng)絡(luò)圖的左面開始，計算每個活動的最早結(jié)束時間EF，該時間等于可能的最早開始時間ES加上該活動的持續(xù)時間；從網(wǎng)絡(luò)圖右邊開始，根據(jù)所有工件加工的持續(xù)時間決定每項作業(yè)的最遲結(jié)束時間LF，最遲結(jié)束時間減去活動的持續(xù)時間得到最遲開始時間LS。

3)根據(jù)時差確定關(guān)鍵路徑。每道工序的最遲結(jié)束時間與最早結(jié)束時間或者最遲開始時間與最早開始時間的差額就是加工工序的時差。如果某道工序的時差為0，那么該道工序就在關(guān)鍵路線上。

4)根據(jù)關(guān)鍵路徑上的換產(chǎn)活動繪制帶活動持續(xù)時間、作業(yè)人員的時間樹。

5)根據(jù)換產(chǎn)活動改善的“四步法”進行換產(chǎn)時間縮減[2]，如圖4所示。第一步，梳理換產(chǎn)作業(yè)內(nèi)容，包含準(zhǔn)備工作、停機換產(chǎn)和收尾工作；第二步，盡量將內(nèi)換產(chǎn)轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)，先對持續(xù)時間較長的內(nèi)換產(chǎn)活動進行改善；第三步，依據(jù)ECRS(取消、合并、重排、簡化)原則進行內(nèi)換產(chǎn)作業(yè)改善；第四步，進行外換產(chǎn)作業(yè)改善，改善后繪制新的時間樹，換產(chǎn)操作時按照時間樹上的作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)時間及作業(yè)人員進行標(biāo)準(zhǔn)化。

圖4 換產(chǎn)活動改善步驟

6)分析改善后的原關(guān)鍵路徑與原非關(guān)鍵路徑時間。如果原非關(guān)鍵路徑時間大于原關(guān)鍵路徑改善后的內(nèi)換產(chǎn)時間，則需要對非關(guān)鍵路徑進行作業(yè)改善，直至原關(guān)鍵路徑改善后依然是關(guān)鍵路徑。

7)原關(guān)鍵路徑改善后的內(nèi)換產(chǎn)時間即為換產(chǎn)時間。

3 實例分析

某電子企業(yè)SMT設(shè)備為多產(chǎn)品公用的通用關(guān)鍵設(shè)備，由于換產(chǎn)時間長，之前的表貼批量較大，因而生產(chǎn)過程周期長，在制品多，存在批量不合格等問題。為滿足多品種、小批量的均衡化生產(chǎn)，對SMT設(shè)備進行了快速換產(chǎn)改善，改善前的換產(chǎn)作業(yè)內(nèi)容見表1。

表1 改善前的換產(chǎn)作業(yè)

繪制涉及換產(chǎn)作業(yè)所有活動的網(wǎng)絡(luò)圖，如圖5所示，計算ES、EF、LS和LF，并確定關(guān)鍵路徑?？梢婈P(guān)鍵路徑為e-f-g-h-i-j-k-l-m(共62 min)，其他非關(guān)鍵路徑為b-c-d-i-j-k-l-m(共28 min)和a-k-l-m(共22 min)。

圖5 換產(chǎn)作業(yè)的網(wǎng)絡(luò)圖

首先對持續(xù)時間較長的e、h活動進行改善，通過增加料盒的方式，將裝料和卸料的活動轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)。原來的活動e分解為下料盒e1和卸料e2兩個部分，其中卸料e2轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)。活動h分解為裝料h1和上料盒h2兩個部分，其中裝料h1轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)，改善后的作業(yè)見表2。

繪制改善后所有活動的網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示，分別計算ES、EF、LS和LF。改善后，原非關(guān)鍵路徑為b-c-d-i-j-k-l-m的時間由共28 min減少到21 min，a-k-l-m依然是22 min，新增路徑e2-h1為22 min，皆小于原關(guān)鍵路徑改善后的內(nèi)換產(chǎn)時間26 min(路徑e-f-g-h2-i-j-k-l-m)，此時改善后的換產(chǎn)時間為26 min。

表2 改善后的換產(chǎn)作業(yè)

圖6 改善后換產(chǎn)作業(yè)網(wǎng)絡(luò)圖

改善后的作業(yè)調(diào)整了部分活動的作業(yè)人員配置，以達到縮短內(nèi)換產(chǎn)時間的目的。以活動j為例，改善前存在以下幾個問題：1)換料距離長，換料需要提示，等待時間長；2)A、B和D存在空手等待；3)缺少料盒小車，料盒平放在工作臺上，不方便取用；4)缺少備份料盒，工作強度稍大如圖7(a)所示。改善后，表貼過程減少1人(B)，用于換產(chǎn)準(zhǔn)備作業(yè)，即負責(zé)外換產(chǎn)，如圖7(b)所示。在正常生產(chǎn)階段，由之前的5人作業(yè)改善為4人作業(yè)，同時減少了設(shè)備等待，經(jīng)測算SMT可動率提升了25%。

圖7 表貼內(nèi)換產(chǎn)作業(yè)改善

將關(guān)鍵路徑上的活動標(biāo)注在時間樹上，如圖8(a)所示，并將每個活動的作業(yè)人員標(biāo)注在左側(cè)。然后對不能轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)的內(nèi)換產(chǎn)活動依據(jù)ECRS原則進行作業(yè)改善。最后繪制改善后的時間樹，新的時間樹為換產(chǎn)作業(yè)提供作業(yè)時間標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)人員配置等信息，如圖8(b)所示。

換產(chǎn)時間的縮減為均衡化小批量生產(chǎn)提供了保障。該電子企業(yè)將之前的2周一次表貼改善為一周2次，物料供應(yīng)和交付頻率都得到了改善，減少了現(xiàn)場物料、在制品及成品的堆積。改善后的物與信息流動圖如圖9所示。生產(chǎn)周期由起初的27天之多降低為穩(wěn)定的11.5天。改善后加工周期為3天，增值比[6]為26.09%(3/11.5)，與改善前的增值比18.52%(5/27)相比，得到了較大提高。

圖9 改善后的物與信息流動圖

4 結(jié)束語

本文針對以SMT多品種、小批量為特征的均衡化生產(chǎn)要求，提出了一種基于關(guān)鍵路徑和時間樹的快速換產(chǎn)方法。應(yīng)用關(guān)鍵路徑法準(zhǔn)確定位換產(chǎn)作業(yè)中的關(guān)鍵路徑及相應(yīng)的關(guān)鍵活動，將關(guān)鍵活動作為改善對象。然后輔助以時間樹可視化地對關(guān)鍵活動進行改善，將內(nèi)換產(chǎn)轉(zhuǎn)換為外換產(chǎn)，并同時改善內(nèi)換產(chǎn)活動及各活動作業(yè)人員的配置，最終達到縮減換產(chǎn)時間的目的。

本文以某電子企業(yè)表面貼裝機的換產(chǎn)改善為例進行了應(yīng)用研究，達到了將換產(chǎn)時間縮短58%的效果，緩解了該企業(yè)均衡化生產(chǎn)對關(guān)鍵設(shè)備資源的競爭。同時，換產(chǎn)時間的縮減為企業(yè)均衡化小批量生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。該企業(yè)在快速換產(chǎn)基礎(chǔ)上進行流程優(yōu)化，縮短了生產(chǎn)周期，提升了企業(yè)生產(chǎn)柔性?？焖贀Q產(chǎn)是實現(xiàn)均衡化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其改善是無止境的，換產(chǎn)作業(yè)的關(guān)鍵路徑會隨著改善不斷地變化，關(guān)鍵路徑改善后，其他非關(guān)鍵路徑有可能成為關(guān)鍵路徑，需要根據(jù)企業(yè)均衡化要求，進行持續(xù)性的改善。

[1] 李創(chuàng). 多品種小批量環(huán)境下基于均衡生產(chǎn)的控制方法研究與應(yīng)用[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2011.

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徐文杰(1985-)，男，博士，高級工程師，主要從事生產(chǎn)運作、精益生產(chǎn)方面的研究工作。

不依賴半導(dǎo)體的微電子器件

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的一個研究團隊開發(fā)出一款基于納米結(jié)構(gòu)的、不依賴半導(dǎo)體傳導(dǎo)的光控微電子器件,在低電壓和低功率激光激發(fā)的條件下可將電導(dǎo)率比現(xiàn)有半導(dǎo)體器件提高近10倍。這一成果發(fā)表在2016年11月4日的《自然·通訊》雜志上。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件受到材料本身的限制,在頻率、功耗等方面存在極限,而利用自由電子替代半導(dǎo)體材料通常需要高電壓、大功率激光或高溫激發(fā)。該團隊在硅片上用金加工出一種類似蘑菇形狀的納米結(jié)構(gòu)(稱為“超材料”結(jié)構(gòu)),在10伏以下的直流電壓和低功率紅外激光激發(fā)下,即可釋放自由電子,從而極大地提高器件的電導(dǎo)率。

這一器件不可能完全替代半導(dǎo)體器件,但可能在特殊需求下得到最佳應(yīng)用,如超高頻器件或大功率器件。未來不同的超材料表面結(jié)構(gòu)可能適用于不同類型的微電子器件,應(yīng)用于光化學(xué)、光催化、光伏轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。

(薛 慧 編譯)

Research on Quick Changeover of SMT Equipment Based on Heijunka

XU Wen-jie

(The 38th Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

To meet the Heijunka manufacturing requirement of multi-varieties and small batch, electronic enterprises have to cut down the changeover time of key universal equipment such as the surface mounting technology (SMT) equipment. The shorter changeover time benefits production of multi-varieties within certain period. One quick changeover method based on critical path method and time tree method is proposed to improve the changeover process. The critical path method is applied to describe the changeover process and find out the critical path. After that, changeover activities on the critical path are improved by time tree method. The time tree method is utilized to label the time and staff of each activity and distinguish inner and external changeover activities to shorten the inner changeover time. Finally, the SMT equipment of an electronic enterprise is studied. The changeover time is shortened by 58%, which benefits the achievement of Heijunka.

Heijunka; quick changeover; surface mounting technology (SMT); network diagram

2016-12-17

TH16

A

1008-5300(2017)03-0053-05