基于單元生產(chǎn)的設(shè)備布局改善*

錢 駿 周炳海

（同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院 上海201904）

隨著科技的不斷發(fā)展，市場需求多樣化，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來越快，致使對企業(yè)多品種、小批量、產(chǎn)品交付期短的要求越來越嚴(yán)峻。在這種環(huán)境下，企業(yè)必須通過技術(shù)改進，優(yōu)化生產(chǎn)模式，提升生產(chǎn)效率，柔性化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，以及以最短的生產(chǎn)周期滿足客戶需求，才能夠在變幻莫測的市場環(huán)境中站穩(wěn)腳步，獲得市場競爭力。

精益生產(chǎn)（Lean Production）是一種以客戶需求為拉動，不斷降低生產(chǎn)成本，做到零廢品、零庫存和產(chǎn)品品種多樣化，它的特點是強調(diào)客戶對時間和價值的要求，以科學(xué)合理的制造體系為客戶帶來增值的生產(chǎn)活動，縮短生產(chǎn)周期，從而提高企業(yè)適應(yīng)市場巨變的能力[1]。

單元生產(chǎn)（Cell Production）是精益化生產(chǎn)中最重要的一個模塊，它是當(dāng)下最先進、最有效的生產(chǎn)線組合方式之一。這種在一條生產(chǎn)線或一個機器設(shè)備單元內(nèi)，由單元的操作工生產(chǎn)多種品種或零部件的組織方式，真正實現(xiàn)了多品種、小批量的柔性生產(chǎn)需求[2]。

T公司是一家專業(yè)從事空壓機核心零件研發(fā)與加工的民營企業(yè)。近年來隨著空壓機產(chǎn)品的技術(shù)不斷升級，市場需求不斷增加，致使空壓機規(guī)格由當(dāng)初的幾種，演變?yōu)楝F(xiàn)在幾十種。在產(chǎn)品品種越來越多，需求變化越來越快的情況下，仍采用傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式，難以滿足市場的需求。本文以T公司轉(zhuǎn)子零件的加工流程作為研究對象，應(yīng)用單元生產(chǎn)理論，流程分析技術(shù)等IE理念對該加工流程進行分析和改進，使加工過程中的各種資源得到充分利用，優(yōu)化設(shè)備布局，調(diào)整人員作業(yè)方式，提升生產(chǎn)效率，最終實現(xiàn)快速交付的目的。

1 轉(zhuǎn)子加工的現(xiàn)狀分析

1.1 轉(zhuǎn)子加工流程

根據(jù)轉(zhuǎn)子的工藝流程圖分析，轉(zhuǎn)子的加工過程主要分為半精車、銑齒形、精車、車中心孔、銑鍵槽、精磨外圓、磨削轉(zhuǎn)子齒形、去毛刺、動平衡試驗以及抽樣檢驗，共計10個步驟。該10個加工步驟分別由車削班組、滾削班組、磨削班組和臥加班組四個班組完成。產(chǎn)品毛坯圖及成品圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子產(chǎn)品加工示意圖

通過空壓機轉(zhuǎn)子的加工設(shè)備布局圖進行分析，如圖2所示。

從該布局圖可以看出轉(zhuǎn)子的大致加工工藝流程，為了更好的了解轉(zhuǎn)子加工過程，在布局圖上標(biāo)識了工序順序。采用秒表法對各工序的加工時間進行標(biāo)準(zhǔn)工時測定并匯總，結(jié)合加工設(shè)備，員工數(shù)量，班次等信息，編制加工工序表，如表1所示。

圖2 轉(zhuǎn)子加工設(shè)備布局圖及工藝路徑（改善前）

同時對單臺設(shè)備各工序的在制品數(shù)量持續(xù)跟蹤并進行記錄，如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)子加工工序表

表2 轉(zhuǎn)子在制品數(shù)量設(shè)計

1.2 問題分析

對目前加工設(shè)備的布局情況，整體生產(chǎn)計劃等進行全面分析，發(fā)現(xiàn)有以下浪費：

1）工序間在制品數(shù)量

單臺設(shè)備的平均在制品數(shù)量有50余件，整個轉(zhuǎn)子加工過程有在制品數(shù)量約2400件，加工周期達到了13000多分鐘（三班作業(yè)，約9天）。每個工序的單臺設(shè)備上都有30至60件在制品庫存，例如車中心孔工序，達到50多件在制品，等待時間達到2250分鐘，相當(dāng)于1.5天的庫存等待。精車，銑鍵槽，精磨外圓的庫存等待時間也達到1天左右，直接導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)子加工過程生產(chǎn)周期過長。過多的在制品數(shù)量，使得質(zhì)量問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，造成批量零件加工問題，最終無法有效控制加工過程以及成本浪費。

2） 過多或過早的加工零件

為了保證設(shè)備利用率最高，必須減少產(chǎn)品切換帶來的損失，所以加工過程采用大批量的生產(chǎn)方式，不按照訂單生產(chǎn)，產(chǎn)生了過早或過多的生產(chǎn)，應(yīng)考慮適當(dāng)縮小加工過程中的半成品數(shù)量。

3） 過長的周轉(zhuǎn)距離

為了便于管理，加工設(shè)備的布局方式采用設(shè)備功能性劃分，使得轉(zhuǎn)子零件從第一道工序至最后一道工序，需要在整個車間內(nèi)頻繁周轉(zhuǎn)。通過計算，一個零件從第一臺設(shè)備到最后一臺設(shè)備總的周轉(zhuǎn)距離達到300多米，極大地浪費人力，浪費時間?？梢钥紤]從設(shè)備布局改進的角度，減少零件的周轉(zhuǎn)距離。

4） 生產(chǎn)過程不平衡

通過計算整個加工過程的平衡率為 76.8%。每臺設(shè)備的加工時間不同，并且上下游之間聯(lián)系較少，通過大量半成品庫存的等待，加工過程的不平衡，造成加工設(shè)備孤島效應(yīng)，產(chǎn)生員工怠工，散漫等現(xiàn)象，直接影響員工工作的積極性[6]。

5） 人員利用率低

除了需要人員全程操作的車中心孔，去毛刺/動平衡試驗工位以外，其余設(shè)備人員的作業(yè)時間僅占總作業(yè)時間的20%左右，換而言之，除作業(yè)人員抓夾零件之外，基本處于等待狀態(tài)。例如精車工位，裝卸零件時間5分鐘，設(shè)備加工時間25分鐘，人員等待達20分鐘，利用率僅占20%。

造成上述浪費的主要原因有：

1） 采用按照設(shè)備功能性布局

工廠自1980年成立，從最初的寥寥幾臺設(shè)備到現(xiàn)在90多臺設(shè)備，在設(shè)備增加的過程中，為了便于管理，采用傳統(tǒng)的管理理念——按照設(shè)備功能性排布，形成了現(xiàn)有的磨削班組、滾削班組、車削班組以及臥加班組。而轉(zhuǎn)子加工所需的設(shè)備恰恰分布在車削班組，滾削班組，磨削班組和臥加班組4個班組。使得零件加工過程在這個四個班組之間來回周轉(zhuǎn)，造成了周轉(zhuǎn)距離過長。

2） 以設(shè)備利用率為第一優(yōu)先

對于公司來說，車間內(nèi)每臺設(shè)備都是花很多資金買來的，在正常情況下，需要設(shè)備盡可能地達到100%的運轉(zhuǎn)。在這種模式下，寧可物料等機器，訂單等機器，也不可出現(xiàn)機器等待的情況，導(dǎo)致每臺設(shè)備單個規(guī)格零件需要大批量加工，并且需要有充足的半成品，以實現(xiàn)設(shè)備不間斷的加工，這也直接導(dǎo)致了零件的過早或過多加工，半成品數(shù)量積壓和零件的生產(chǎn)周期過長的現(xiàn)象。

3） 轉(zhuǎn)子周轉(zhuǎn)框設(shè)計為30件/框

由于車間內(nèi)使用的周轉(zhuǎn)箱采用的是30件/框，為了最大限度的節(jié)約周轉(zhuǎn)次數(shù)，周轉(zhuǎn)人員都要等框子裝滿了再進行周轉(zhuǎn)。因此造成上下工序之間等待零件的時間過長，同時也使過程中半成品積壓，整個加工過程沒有辦法流暢起來。

4） 缺少多能工以及傳統(tǒng)的單人單臺操作模式

由于加工車間中每臺設(shè)備都具有較高的價值，并且車間內(nèi)多能工非常少，多能工培養(yǎng)制度不完善，為了防止出現(xiàn)人為的操作失誤，導(dǎo)致設(shè)備停機或損壞，安排單人單臺操作，導(dǎo)致人員閑置時間較多。

5） 上下工序信息傳遞不及時

工序與工序之間通過紙質(zhì)的卡片進行傳遞，當(dāng)本工序完工一框零件后，將卡片放置在周轉(zhuǎn)箱上，流轉(zhuǎn)至下一工序。各工序間設(shè)置了大量的半成品庫存，使得看起來信息傳遞并無太大問題，但是大量的半成品庫存是由于工序間信息無法及時傳遞，形成單個工序“孤島”效應(yīng)所致，并且大量的半成品庫存掩蓋了此種問題。

2 設(shè)計生產(chǎn)單元改善現(xiàn)狀

通過上述分析之后，結(jié)合單元生產(chǎn)模式的知識，設(shè)計實現(xiàn)減少半成品數(shù)量，提高員工利用率，加快零件周轉(zhuǎn)效率，縮短加工周期的改進方案：

1） 構(gòu)建轉(zhuǎn)子生產(chǎn)單元

結(jié)合轉(zhuǎn)子的加工工序，每道工序相對應(yīng)的設(shè)備與上下道工序相對應(yīng)的設(shè)備相連接，形成轉(zhuǎn)子加工設(shè)備流水線。根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)子工序的加工時間，合理安排設(shè)備數(shù)量。由于每個工序之間的時間無法達到完全相等的情況，所以構(gòu)建的生產(chǎn)單元為了盡可能的實現(xiàn)加工平衡，不造成斷料或停產(chǎn)的現(xiàn)象，將轉(zhuǎn)子加工生產(chǎn)單元分為兩部分，單元1包括半精車（數(shù)控車床1臺），銑齒（數(shù)控銑床2臺），精車（數(shù)控車床2臺）工序；單元2包括車中心孔（普車2臺），銑鍵槽（立式加工中心1臺），精磨外圓（數(shù)控外圓磨床2臺），磨削轉(zhuǎn)子齒形（KAPP磨床1臺）工序。單元1的節(jié)拍時間為17.5分鐘/件，單元2的節(jié)拍時間為25分鐘/件，單元1與單元2的節(jié)拍比為7：10，接近于3：4,根據(jù)實際的設(shè)備數(shù)量，構(gòu)建4個單元1，以及3個單元2，組成轉(zhuǎn)子生產(chǎn)單元。

2） 1人操作多臺設(shè)備

現(xiàn)有的單人單臺操作，人員利用率低，并且人員等待時間多。通過前期數(shù)據(jù)的分析，利用人機作業(yè)分析圖[4]的方法，對轉(zhuǎn)子生產(chǎn)單元中人員的作業(yè)方式進行調(diào)整，除了非全自動加工設(shè)備，在員工技能范圍內(nèi)，步行距離最小的前提下，其他設(shè)備采用1人操作多臺設(shè)備的方式，具體安排如下：半精車工序仍為1人1臺設(shè)備，銑齒形和精車工序分別為1人操作2臺設(shè)備，車中心孔為1人操作1臺設(shè)備，銑鍵槽/磨削轉(zhuǎn)子齒形合并為1人操作2臺設(shè)備，精磨外圓采用1人操作2臺設(shè)備。

3） 皮帶式周轉(zhuǎn)

在單元1和單元2內(nèi)部，采用皮帶式傳送，每個工序完工一件就放置在皮帶機上，通過皮帶機傳送到下一個工序。考慮到工序間并不是完全平衡的節(jié)拍，在每臺設(shè)備上設(shè)置2件在制品庫存作為緩沖。

4） 拉動式生產(chǎn)，單元間設(shè)置半成品超市

結(jié)合信息化系統(tǒng)，在單元的每個節(jié)點出設(shè)置電子看板，同時在單元1和單元2之間設(shè)置一個小型緩沖超市，該超市設(shè)定為30件（以5件/框為一個單位）。當(dāng)零件庫存減少時，向單元2下達生產(chǎn)信號，再由單元 2向超市下達需求信號，AGV小車將 1框5根轉(zhuǎn)子傳遞到單元2第一臺設(shè)備，同時將生產(chǎn)信號下達至單元1的電子看板上，即單元1需要再生產(chǎn)5根轉(zhuǎn)子以滿足超市中缺少的數(shù)量。單元1最后一道工序每完成1框5根轉(zhuǎn)子，呼叫AGV小車將周轉(zhuǎn)框輸送到超市暫放區(qū)。

5） 車間管理模式的改進

現(xiàn)有的生產(chǎn)管理模式以設(shè)備功能性為基礎(chǔ)劃分，每個班組僅考慮自身加工部分完成情況，形成各自為營的狀態(tài)，使得整個生產(chǎn)過程在制品積壓，加工不流暢，工段長消極工作的現(xiàn)象?，F(xiàn)按照產(chǎn)品的生產(chǎn)單元規(guī)劃管理范圍，即以完成的一個產(chǎn)品流程為管理內(nèi)容，類似于流水線，能夠充分發(fā)揮工段長的積極性，最終提升加工效率。

6） 制定多能工制度

通過制定多能工制度，定期開展多能工培訓(xùn)及儲備工作，能夠保障人員流失不影響生產(chǎn)，并且為1人多臺設(shè)備加工做好充足的準(zhǔn)備。

根據(jù)上述設(shè)計的改善方案進行調(diào)整，調(diào)整后從多角度進行評估方案。

首先利用人機作業(yè)圖，分析現(xiàn)有人員作業(yè)效率，如表3所示。

按照新的加工設(shè)備布局方案，繪制出調(diào)整后的設(shè)備布局圖，如圖3所示。

表3 人機作業(yè)圖（改善后）

圖3 轉(zhuǎn)子生產(chǎn)單元布局圖(改善后)

3 改善效果評價

通過改善，原加工設(shè)備需要的人員數(shù)量為117人，減少到改進后的75人，生產(chǎn)平衡率從76.8%提高到89.05%，零件加工需要周轉(zhuǎn)的距離由490米降低到60米，人員利用率由21.55%提高到35.05%，在制品數(shù)量由2400件降低到108件，零件加工周期由9天降低到9小時，最終列出如下轉(zhuǎn)子加工改善前后的對比表，如表4所示。

從表4中我們發(fā)現(xiàn)，通過改善，零件的在制品數(shù)量，加工周期得到了明顯的改善，整個加工過程基本實現(xiàn)了單件流，實現(xiàn)了加工更加流程，快速交付的目的。

表4 轉(zhuǎn)子加工改善前和改善后的比較

4 結(jié)語

通過對機加工車間設(shè)備布局的改善，我們可以發(fā)現(xiàn)單元生產(chǎn)模式在機加工車間的布局優(yōu)化，加工流程改善，提升零件加工效率等方面具有明顯的改善效果。本文使用的改善方法實用，不需要投入太多資金的前提下，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速交付，控制半成品數(shù)量，最終達到企業(yè)生產(chǎn)能力大大提高的目的。