基于價值流圖及仿真技術(shù)的駕駛室焊裝生產(chǎn)線改善

郭洪飛，陳敏詩，張 瑜，屈 挺+，李鍵坷，張 皓

(1.暨南大學 物聯(lián)網(wǎng)與物流工程研究院，廣東 珠海 519070； 2.暨南大學 智能科學與工程學院，廣東 珠海 519070； 3.廣州創(chuàng)顯科教股份有限公司，廣東 廣州 510000； 4.北京理工大學珠海學院 工業(yè)自動化學院，廣東 珠海 519088)

0 引言

《中國制造2025》指明，從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)制造業(yè)強國的目標。精益生產(chǎn)對中國制造業(yè)競爭力的增強具有積極的作用。價值流圖(Value Stream Mapping, VSM)是精益生產(chǎn)中的重要技術(shù)，其應用于識別浪費問題、提高生產(chǎn)效率等方面卓有成效，以精益思想分析生產(chǎn)過程中的物流和信息流，并用于改善方案的制定和實施，從而指導制造業(yè)進行全面的生產(chǎn)改進[1]。Flexsim是面向?qū)ο蟮姆抡孳浖?，可高效地建立離散事件的流程，為制造業(yè)的物料處理和工作流，配以高度仿真的三維虛擬現(xiàn)實環(huán)境，即能夠?qū)ιa(chǎn)線虛擬仿真和動態(tài)布局，避免傳統(tǒng)設(shè)備布局的局限性。

本研究從生產(chǎn)線改善的角度出發(fā)，將價值流圖分析與仿真技術(shù)相結(jié)合，應用VSM識別了該廠生產(chǎn)過程存在的問題，再利用山積圖分析和標準作業(yè)進行改善，利用Flexsim仿真軟件快速準確地建立駕駛室焊裝生產(chǎn)線設(shè)備布局的三維模型，在不同參數(shù)下對現(xiàn)實焊裝生產(chǎn)線進行模擬，從而對其生產(chǎn)線布局進行檢驗，降低真實焊裝生產(chǎn)線的運行成本和運行周期。本文重點從前圍總成試點工位著手，對試點工位改善方案組織實施，并將取得的經(jīng)驗拓展到焊裝車間全部工位，從而優(yōu)化駕駛室焊裝生產(chǎn)線，提升現(xiàn)場管理水平及作業(yè)安全性，減少原材料浪費，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，從而節(jié)約增效。

1 研究方法

1.1 價值流圖

通過查閱大量文獻可知，目前對于價值流圖的應用研究，以傳統(tǒng)單一的價值流圖分析為主，較少學者將VSM與仿真技術(shù)相結(jié)合，并在企業(yè)實踐中應用。相關(guān)價值流圖研究總結(jié)如表1。

表1 價值流圖研究總結(jié)

續(xù)表1

研究者已將VSM應用于不同場境[6-9]，但大多是從時間增值比的單一角度出發(fā)。而有學者提出了改進的EVSM方法[10]，但呈現(xiàn)的仍是時間段上的靜態(tài)信息，所分析的未來EVSM(environmental valuestream mapping)缺少客觀評價。因此，可在Flexsim對駕駛室焊裝生產(chǎn)線動態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合VSM分析技術(shù)，從而驗證改善方案的可行性，增加未來VSM的客觀性。

1.2 仿真技術(shù)

目前研究中，國內(nèi)學者更多關(guān)注的是價值流分析的應用，但是在VSM與仿真技術(shù)相結(jié)合方面的應用研究較少，尤其是對于駕駛室焊裝生產(chǎn)線中的應用。而一些國外研究學者，將價值流圖與仿真相結(jié)合應用于精益生產(chǎn)，如Gurumurthy[11]利用價值流分析生產(chǎn)過程存在的問題，結(jié)合仿真軟件動態(tài)模擬工廠生產(chǎn)狀況；Jeong[12]將價值流與仿真技術(shù)結(jié)合解決廠內(nèi)設(shè)施規(guī)劃問題；M Zarrin[13]和AB Rane[14]利用仿真技術(shù)預測改善實施效果。

為實現(xiàn)駕駛室焊裝生產(chǎn)線的精益生產(chǎn)，本文利用標準作業(yè)和山積圖等改善工具，將Flexsim仿真與VSM有機結(jié)合，其結(jié)合的原理模型如圖1所示，對價值流現(xiàn)狀圖進行分析，提出改善方案，進而用Flexsim仿真軟件對改善方案進行仿真，進一步增加改善方案的可靠性，并逐步改善，從而優(yōu)化駕駛室焊裝生產(chǎn)線。

2 駕駛室焊裝生產(chǎn)線改善過程

針對駕駛室焊裝生產(chǎn)線存在的問題，繪制價值流現(xiàn)狀圖，對產(chǎn)品的生產(chǎn)過程進行認真梳理，通過價值流圖分析，找出問題根源，制定改善措施，優(yōu)化和重組生產(chǎn)流程，繪制出價值流未來狀態(tài)圖，以消除浪費，持續(xù)改善，改善過程如圖2所示。

2.1 選擇試點

通過價值流分析，制訂價值流改善計劃，根據(jù)拉動式生產(chǎn)要求及現(xiàn)場實際，確定合適的在制品存數(shù)量，對不合理的生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備重新布局規(guī)劃，從而解決工序間距離較遠，生產(chǎn)周期長等問題。因此，選定組焊前圍生產(chǎn)線作為試點予以精益改善。從技術(shù)、質(zhì)量、生產(chǎn)、管理、安全、設(shè)備等多方面加以改善。

2.2 繪制價值流現(xiàn)狀圖

對試點工位進行現(xiàn)場觀測時，從而制作組焊車間前圍工位價值流現(xiàn)狀圖(如圖3)。

由VSM計算前圍工位的增值比[10]：

由VSM分析，前圍的增值比非常低。根據(jù)VSM的數(shù)據(jù)以及車間系統(tǒng)的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)車間生產(chǎn)布置存在著諸多問題。

2.3 關(guān)鍵問題分析及改進方案

依據(jù)該車間生產(chǎn)的特點，從價值流的現(xiàn)狀圖可以看出，生產(chǎn)過程部分非增值時間過長，生產(chǎn)計劃完全按照推動式，時間利用率低。本文通過分析生產(chǎn)設(shè)備布局、工裝格局和物資存儲量所產(chǎn)生的價值，識別出浪費問題，再利用Flexsim仿真軟件對改善方案進行仿真，便于未來價值流圖的繪制?，F(xiàn)對各個問題進行分析并利用ECRS原則(取消(Eliminate)、合并(Combine)、調(diào)整順序(Rearrange)、簡化(Simplify))提出改進方法：

問題1各試點均存在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施布局不合理，工序間距離較遠，職工作業(yè)附加動作多，效率低的問題。

改進方法如下：

針對組焊車間生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施布局不合理，工序間距離較遠，生產(chǎn)周期長，利用ECRS中的R和S原則，對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施布局重新規(guī)劃，規(guī)劃焊裝車間各試點班組定置，將工作位置較遠的小件工位搬到班組主線處，縮減了工序間距離，減小轉(zhuǎn)運周期。同時，對工具進行改善，在工具上增加磁力塊吸附螺絲，減少職工工作時的附加動作多等問題，降低操作者勞動強度，縮短工作時間60 min/d，提高生產(chǎn)效率。

問題2現(xiàn)有工裝格局不合理，工裝未充分利用。

改進方法如下：

采用ECRS中的E、R、S原則，縮短各動能管線，拆除長期不用的設(shè)備及工裝，采取安全措施，設(shè)立不合格品專用工裝，將不合格品做到日清日結(jié)，對于不合格品產(chǎn)生的原因進行跟蹤處理，從根本上解決問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

問題3線邊物資存儲量大，零部件配送數(shù)量隨意，外協(xié)廠家在上料時不能按照定置圖正確擺放。

改進方法如下：

針對目前組焊車間中間在制品存量較大，工裝多、雜亂等問題，根據(jù)ECRS中的E、R、S原則，提高物流配送準確性，優(yōu)化配送路線，減少在制，削減工位器具。從而減少工裝浪費、在制品積壓，達到多頻次、少批量、高準確的配送目的，預計工序間的在制品減少45%左右，工裝及工位器具量減少40%左右。

問題4職工無固定學習、休息區(qū)，各類物品基本無定置，擺放隨意性大。

改進方法如下：

根據(jù)ECRS中的R和S原則，重新定置工位器具，增加工裝限位，使得叉車司機在定置區(qū)操作更簡便快捷，效率更高并具有防錯功能。同時改善零件箱，將在制品庫存量壓縮一半，采用三層貨架進行擺放，減少零件盒、工裝使用，占用場地小使得現(xiàn)場更整潔。再對班組園地等加以定置，增加固定學習、休息區(qū)，提高現(xiàn)場整潔度與操作安全系數(shù)。

問題5各類操作規(guī)程、危險致害因素防范措施以及班組日常管理圖表，未形成目視化。

改進方法如下：

根據(jù)ECRS中的S原則，規(guī)范工藝作業(yè)標準，推行標準作業(yè)，使操作者明確作業(yè)步驟及要領(lǐng)，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)，降低操作者勞動強度。增加班組目視化看板，提升班組日常管理水平。并查找操作者的作業(yè)瓶頸或改善點，加以改善，使部件生產(chǎn)節(jié)拍吻合主線生產(chǎn)節(jié)拍，保證各工位作業(yè)平衡、節(jié)拍基本一致。

2.4 提出改善方案

2.4.1 標準作業(yè)

以價值流分析為切入點，采用標準作業(yè)“一表兩票”進行作業(yè)改善研究[15]。編制標準作業(yè)指導書，通過規(guī)范工藝作業(yè)標準，使操作者明確作業(yè)步驟及要領(lǐng)，明白如何才能生產(chǎn)出符合工藝要求的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量。利用時間觀測表以及工序能力表(如表2和表3)，對作業(yè)時間和工序能力進行測算，并采用標準作業(yè)票和標準作業(yè)組合票(如表4和表5)，詳細明確作業(yè)過程，規(guī)范作業(yè)標準，為進一步改善焊裝生產(chǎn)線打好基礎(chǔ)。

表2 時間觀測表

表3 工序能力表

2.4.2 山積圖分析

通過作業(yè)測時分析以及山積圖分析，如圖4所示。查找操作者實際操作中的作業(yè)瓶頸或改善點，將每條生產(chǎn)線小件搬遷到主線區(qū)，對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施布局進行重新規(guī)劃，縮減了工序間距離，減少了職工工作時的附加動作多等問題，使部件生產(chǎn)節(jié)拍吻合主線生產(chǎn)節(jié)拍，從而提高了工作效率。

根據(jù)價值流現(xiàn)狀圖和山積圖計算可知前圍工位的生產(chǎn)線平衡率

表4 標準作業(yè)票

表5 標準作業(yè)組合票

2.4.3 分析物流路徑和存量

由于線邊物資存儲量較大，零部件配送數(shù)量隨意，造成組焊車間中間在制品存量較大，工裝多、雜亂等問題，從而導致前圍總成工位的生產(chǎn)效率降低。因此，通過統(tǒng)計試點工位原材料的使用、定置、配送情況，分析不合理項進行壓縮的辦法，同時以降低生產(chǎn)線側(cè)零部件的在制量為切入點，形成初期標準化物流配送和體系，制作車門零件明細、存儲量及配送周期表(如表6)，能夠?qū)崿F(xiàn)減少工位器具的數(shù)量、在制品積壓，對器具內(nèi)產(chǎn)品的名稱和數(shù)量標準化、目視化，達到多頻次、少批量、高準確的配送目的。最終有利于提高前圍總成的生產(chǎn)效益，從而逐步實現(xiàn)精益生產(chǎn)。

表6 NG80車門零件明細、庫存量及配送周期表

續(xù)表6

2.5 仿真改善方案

2.5.1 仿真模型布局設(shè)置

依據(jù)改善方案，以從線邊庫到合攏的生產(chǎn)過程為仿真對象分別建立現(xiàn)狀和改善方案的Flexsim仿真模型，設(shè)置時間單位為d。

在模型中添加所需的模塊，用發(fā)生器定義線邊庫原材料的產(chǎn)生,用合成器定義前圍總成的工位進行合成，用多個處理器定義關(guān)鍵加工工位，同時以緩存區(qū)放置成品,最后設(shè)置一個吸收器吸收實體作為合攏，建立起的仿真模型如圖5和圖6所示。

2.5.2 運行仿真模型及效果分析

模型建立后，按標準作業(yè)時間和山積圖設(shè)置好各工序的時間參數(shù)和制造周期，再對模型進行編譯，最后運行模型。依據(jù)仿真模型，得到各關(guān)鍵工序的設(shè)備利用率圓餅圖，如圖7所示。并仿真得到最終產(chǎn)品生產(chǎn)時間與數(shù)量的關(guān)系，如圖8所示。由圖7可以看出改善方案中各關(guān)鍵工序的設(shè)備利用率明顯提升，關(guān)鍵工序前圍外板加工和前圍總成的設(shè)備利用率分別從35.91%和40.54%提升到51.71%和74.79%；工序內(nèi)板加工和頂蓋前橫梁合并后設(shè)備利用率30.80%和13.63%提升到54.04%；改善方案整個生產(chǎn)線的最大等待率為54.06%，較現(xiàn)行方案的最大等待率86.37%，下降了32.31%，整體工序的堵塞情況基本得到解決，整個生產(chǎn)線的作業(yè)基本平衡，相鄰兩件產(chǎn)品完成的間隔時間更平穩(wěn)。由圖8可以看出，改善后該駕駛室焊裝生產(chǎn)線不但生產(chǎn)能力得到了提高，而且生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性與連續(xù)性也得到了改善，整個生產(chǎn)線系統(tǒng)暢通平衡，從而說明改善方案可行。

2.6 繪制未來價值流圖

以價值流為切入點，標準化作業(yè)為基礎(chǔ)，持續(xù)改善增值比，充分分析物流路徑和存量，繪制出改善圖及未來圖，如圖9所示。

對上述前圍工段價值流圖進行分析，根據(jù)價值流未來圖和改善后的山積圖計算可知前圍工位的生產(chǎn)線平衡率為：

計算得生產(chǎn)線平衡率為75%，可知改善后前圍工位的生產(chǎn)線平衡率有所提高。

結(jié)合改善前后的數(shù)據(jù)，本文總結(jié)得出駕駛室焊裝生產(chǎn)線改善前后綜合效果的對比(如表7)。由仿真結(jié)果可直觀看到，改善后生產(chǎn)線的設(shè)備利用率和各關(guān)鍵工序利用率遠大于改善前，且方案實際實施后，生產(chǎn)線的增值率和平衡率均大幅度提升，說明仿真技術(shù)對于改善方案的實際應用具有指導性。

表7 改善前后綜合效果對比

2.7 持續(xù)改進

利用仿真技術(shù)驗證改善方案的可行性并實際實施后，上述的駕駛室焊裝生產(chǎn)線的各個關(guān)鍵問題均得到了改善。通過改善轉(zhuǎn)運距離，優(yōu)化了設(shè)施布局與物流配送的不合理問題；通過減少在制品數(shù)量，改善了線邊物資存儲量；通過工具工裝的設(shè)計優(yōu)化，改善了生產(chǎn)效率；通過現(xiàn)場定置改善和零件箱定制改善，提高了現(xiàn)場物流效率和；通過標準作業(yè)制定，提高了作業(yè)效率和減少了員工動作浪費，最終持續(xù)改善了現(xiàn)場作業(yè)效率和促進企業(yè)經(jīng)濟綜合效能改善，具體持續(xù)改善方面包括：

(1)轉(zhuǎn)運距離改善

在保證安全的前提下將各個工序間距離進行了壓縮，調(diào)整了設(shè)備布局進行，改善了設(shè)施布局不合理的問題，優(yōu)化了作業(yè)空間，從而充分利用工作場地；職工工作距離減少到10 m，降低了勞動強度，將工作時間縮短至114.5 min/d，提高了工作效率。

(2)工具改善

由于裝配螺絲時易脫落，改善時在工具上增加磁力塊吸附螺絲，提高工作效率的同時，降低了職工的勞動強度，改進了職工效率低的問題。

(3)現(xiàn)場定置改善

由于定置區(qū)叉車司機操作困難，重新了定置工位器具，增加了工裝限位，使得操作簡單快捷，提高了效率，并具有防錯功能，改善了現(xiàn)場設(shè)備狀況。

(4)工裝改善

減少移動工裝、固定工裝數(shù)量51個，自主改善工位器具8套，減少工裝及工位器具量41%。車門區(qū)設(shè)立不合格專用工裝，將不合格品做到日清，對不合格品產(chǎn)生原因進行追蹤處理，從根本上解決了問題，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，改進了工裝格局。

(5)零件箱改善

由于車門鉸鏈裝配區(qū)，零件箱占用場地大，現(xiàn)場混亂，將在制品庫存量壓縮一半，采用三層貨架進行擺放，減少了零件盒、工裝的使用，也減小了占用場地，提高了現(xiàn)場整潔度及現(xiàn)場的安全系數(shù)，改善了零件配送，從而減少了線邊物資存儲量。

(6)標準作業(yè)改善

推行標準作業(yè)，減少動作的浪費，對生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施布局進行重新規(guī)劃。壓縮工序間距離，減少職工工作時的附加動作多等問題，提高了工作效率。通過作業(yè)測時及“一表三票”分析，查找操作者實際操作中的作業(yè)瓶頸或改善點，使部件生產(chǎn)節(jié)拍吻合主線生產(chǎn)節(jié)拍，標準化作業(yè)，從而提高了生產(chǎn)效率。

(7)經(jīng)濟改善

減少在制品40臺、工裝51套、物料盒60個，將工作時間縮短至114.5 min/d，節(jié)約動能632 KW/d，總計節(jié)約各種費用359 862元/年。

3 結(jié)束語

本文應用VSM分析，發(fā)現(xiàn)駕駛室焊裝生產(chǎn)線的問題，但是價值流的應用只從時間角度上反映生產(chǎn)線現(xiàn)狀，而利用仿真技術(shù)從空間上對改善方案進行仿真，能夠彌補該單一角度的缺陷。仿真結(jié)果作為實施改善方案的評價依據(jù)，能持續(xù)改善、優(yōu)化焊裝生產(chǎn)線，充分利用工作場地，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)，降低操作者勞動強度，使各工位作業(yè)平衡、節(jié)拍一致。通過對駕駛室焊裝生產(chǎn)線進行具體管理及生產(chǎn)過程實施的精益改善，在制品降低48.8%，生產(chǎn)線平衡率提高了33.3%，生產(chǎn)周期縮短了63.3%，時間增值率從0.13%提高為0.31%。通過實踐說明，價值流分析結(jié)合仿真技術(shù)對駕駛室焊裝生產(chǎn)線改善具有實用性。價值流圖為企業(yè)定下改善問題的方向，可以結(jié)合不同的工具針對問題提出改善方案，文中雖結(jié)合ECRS和仿真技術(shù)對此進行了改善，但仍可以拓展其他智能優(yōu)化算法，需在后續(xù)研究中加以深化。