面向智能制造的分段小組立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式

孫 悅，姜宏亮，姜 鵬，張立兵，趙成治

（大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

船舶建造是一項(xiàng)集加工和制造于一體的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，其中：鋼料處理階段基本上屬于加工性質(zhì)，多采用數(shù)控切割機(jī)等自動(dòng)化加工設(shè)備完成；分段制作和總組合攏搭載階段基本上屬于制造性質(zhì)，主要依靠工人，通過(guò)圖紙了解設(shè)計(jì)意圖，實(shí)現(xiàn)零部件之間的裝配和連接。在常規(guī)船舶建造中，主要依靠工人實(shí)現(xiàn)建造的全過(guò)程。隨著智能制造技術(shù)的不斷提升，尤其是視頻捕捉和設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)等方式在制造業(yè)中的不斷應(yīng)用，目前在分段小組立制作階段已初步具備自動(dòng)化作業(yè)的條件。在智能制造的大背景下，常規(guī)的分段小組立生產(chǎn)模式已不能適應(yīng)智能制造模式的需求，亟待引入精細(xì)化程度更高的管理方式輔助生產(chǎn)，精益生產(chǎn)便是其中最為關(guān)鍵的一環(huán)。

在精益生產(chǎn)模式中，有一種稱(chēng)為工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的流水線生產(chǎn)模式，該生產(chǎn)模式已在中國(guó)中車(chē)股份有限公司得到廣泛應(yīng)用，并已取得一系列應(yīng)用成果。船舶建造雖然與車(chē)輛建造和飛機(jī)制造同屬制造行業(yè)，但因制造對(duì)象、客戶需求和營(yíng)銷(xiāo)模式不同，極難移植和套用其他行業(yè)的成功模式，需深入研究船舶建造獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，形成適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展形勢(shì)的精益生產(chǎn)模式。

1 工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式

工位制節(jié)拍化生產(chǎn)是指以工位為作業(yè)組織單元，按節(jié)拍化均衡生產(chǎn)的方式，以流水式作業(yè)組織生產(chǎn)。工位制節(jié)拍化生產(chǎn)以拉動(dòng)式生產(chǎn)為指導(dǎo)，以保證生產(chǎn)節(jié)拍為目標(biāo)，通過(guò)運(yùn)用精益生產(chǎn)方面的工具和方法，達(dá)到提高效率、提升品質(zhì)、穩(wěn)定作業(yè)和有序生產(chǎn)的管理效果。

在船舶建造全流程中，分段小組立建造環(huán)節(jié)的工序相對(duì)明確，工位相對(duì)固定，具備開(kāi)展工位制節(jié)拍化生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件，在分段小組立階段實(shí)施工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的主要目標(biāo)為“建立高質(zhì)、高效、連續(xù)、有序的以工位為核心的節(jié)拍化生產(chǎn)模式”。分段小組立建造工時(shí)消耗量約占全船工時(shí)消耗量的10%，通過(guò)提高分段小組立生產(chǎn)效率，有效提高船舶建造企業(yè)的整體生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 分段小組立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式

2.1 分段小組立生產(chǎn)模式現(xiàn)狀

工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式是一個(gè)比較泛的概念，不僅僅固定指向“流水線作業(yè)”這種具有流動(dòng)特性的作業(yè)方式，還可應(yīng)用到其他類(lèi)型的生產(chǎn)模式中，但在應(yīng)用中需充分考慮作業(yè)產(chǎn)品的屬性。在國(guó)內(nèi)船舶建造企業(yè)中，僅有少數(shù)船廠開(kāi)始采用小組立流水線生產(chǎn)方式，多數(shù)船廠在分段小組立制作階段仍延續(xù)傳統(tǒng)的“地?cái)偸健鄙a(chǎn)方式。然而，即使是在流水線生產(chǎn)方式中，受船舶建造獨(dú)有特點(diǎn)的約束，也很難實(shí)施工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式，主要問(wèn)題集中在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理等3個(gè)方面。

1) 在設(shè)計(jì)方面：

(1) 受船舶類(lèi)型和分段劃分等因素影響，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝特點(diǎn)和尺寸特點(diǎn)等多個(gè)方面對(duì)分段小組立進(jìn)行分析，基本上沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)制作件的概念，只有在少量分段的部分結(jié)構(gòu)處存在相同結(jié)構(gòu)、相同尺寸的小組立構(gòu)件，分段小組立特性差異極大；

(2) 分段小組立及其他階段的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)欠缺，無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地測(cè)算施工物量的情況，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工普遍依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，難以精準(zhǔn)實(shí)施。

2) 在生產(chǎn)方面：

(1) 分段小組立雖然已是結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)構(gòu)件，但其包含大量差異性工藝信息，如各類(lèi)型的焊接姿態(tài)、焊接方式、焊腳尺寸和附屬舾裝件等；

(2) 分段小組立構(gòu)件的質(zhì)量一般在0.2～20.0t，吊裝基本上需依靠門(mén)式起重機(jī)，吊裝和轉(zhuǎn)運(yùn)的難度較大。

3) 在管理方面：

(1) 現(xiàn)行分段小組立生產(chǎn)計(jì)劃管理以分段為單位編制生產(chǎn)計(jì)劃，管理顆粒度尚未實(shí)現(xiàn)向組立級(jí)轉(zhuǎn)變；

(2) 管理人員和施工人員均存在較大程度的利用場(chǎng)地和人員的意識(shí)，缺少通過(guò)有序作業(yè)提高生產(chǎn)效率的意識(shí)；

(3) 物量統(tǒng)計(jì)和工時(shí)計(jì)算方式相對(duì)粗糙，無(wú)法支撐以組立級(jí)為單位進(jìn)行測(cè)算，缺少關(guān)鍵工序基本單位作業(yè)時(shí)長(zhǎng)方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文基于在分段小組立階段實(shí)施工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式存在的主要問(wèn)題，以流水線作業(yè)模式為研究基礎(chǔ)，按精益生產(chǎn)的思路開(kāi)展多個(gè)方面的研究工作。

2.2 研究與推進(jìn)舉措

2.2.1 組建多功能團(tuán)隊(duì)

由于實(shí)施精益生產(chǎn)涉及到設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)管理和計(jì)劃等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，同時(shí)需進(jìn)行多部門(mén)協(xié)調(diào)，因此在開(kāi)展該項(xiàng)研究初期成立跨部門(mén)的多功能團(tuán)隊(duì)，包括生產(chǎn)計(jì)劃、設(shè)備設(shè)施管理、工藝管理、自動(dòng)控制、產(chǎn)品測(cè)量、質(zhì)量、信息化和精益管理等方面的專(zhuān)業(yè)人員，負(fù)責(zé)工位制節(jié)拍化產(chǎn)線的數(shù)據(jù)搜集分析、方案設(shè)計(jì)、模擬運(yùn)行、設(shè)備設(shè)施搬遷、投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和持續(xù)改善等工作。

建立多功能團(tuán)隊(duì)既是研究工作的開(kāi)端，又能為整個(gè)研究工作提供組織保障。在建立多功能團(tuán)隊(duì)的同時(shí)，制定精益生產(chǎn)推進(jìn)管理制度，每周組織例會(huì)，對(duì)精益生產(chǎn)推進(jìn)工作中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論和協(xié)調(diào)，確保各項(xiàng)工作都能保質(zhì)、保量完成。

2.2.2 確定產(chǎn)品族

確定產(chǎn)品族是構(gòu)建工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式的核心環(huán)節(jié)，一般有以下2個(gè)主要限制條件：1) 產(chǎn)品族內(nèi)部與族間的工藝流程基本上相同；

2) 產(chǎn)品族間80%的工序相同，作業(yè)時(shí)間差值在20%以?xún)?nèi)。

鑒于小組立構(gòu)件基本上不存在完全相同的結(jié)構(gòu)形式和工藝特點(diǎn)，基于小組立構(gòu)件的工程分解，從其中找出相對(duì)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)特征作為確定產(chǎn)品族的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族間作業(yè)時(shí)間的統(tǒng)一和穩(wěn)定，以及各工位間作業(yè)時(shí)間的相對(duì)一致。

2.2.2.1 典型產(chǎn)品分段的工程分解

在小組立專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)研究中，曾對(duì)典型產(chǎn)品進(jìn)行了工程分解，主要目的是從宏觀層面對(duì)小組立進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)研究，但當(dāng)具化到在生產(chǎn)線上實(shí)際制作時(shí)，僅有小組立典型結(jié)構(gòu)形式和尺寸規(guī)格是無(wú)法支持開(kāi)展詳細(xì)研究的，因此需開(kāi)展更為詳細(xì)的工程分解工作。

通過(guò)分析可知，在對(duì)小組立的產(chǎn)品族進(jìn)行劃分時(shí)，主要需要尺寸和焊接等方面的數(shù)據(jù)?；诖?，對(duì)典型產(chǎn)品的小組立進(jìn)行詳細(xì)的工程分解。表1為典型分段工程分解數(shù)據(jù)（分段號(hào)為2209）。

表1 典型分段工程分解數(shù)據(jù)（分段號(hào)為2209）

根據(jù)表1對(duì)典型產(chǎn)品的分段進(jìn)行小組立工程分解，將所有小組立構(gòu)件轉(zhuǎn)化為系列數(shù)據(jù)。

2.2.2.2 工位托盤(pán)劃分

首先根據(jù)小組立工程分解數(shù)據(jù)和生產(chǎn)線資源對(duì)小組立構(gòu)件在各工位的布置情況進(jìn)行模擬測(cè)算。通過(guò)合理地將小組立構(gòu)件擺放到各工位上，按工位托盤(pán)的方式對(duì)需進(jìn)入各工藝流程的小組立構(gòu)件進(jìn)行重新編排，并對(duì)工位托盤(pán)的工作量進(jìn)行測(cè)定，以確保各工位托盤(pán)之間的工作量的差距在20%以?xún)?nèi)。

通過(guò)對(duì)典型分段進(jìn)行系列的工程分解工作，基本確定以下原則：

1) 舷側(cè)分段左右幅小組立組成一個(gè)工位托盤(pán)；

2) 中底分段單個(gè)分段小組立組成一個(gè)工位托盤(pán)；

3) 邊底分段左右幅小組立組成一個(gè)工位托盤(pán)；

4) 甲板分段左右幅小組立組成一個(gè)工位托盤(pán)；

5) 其余分段需單獨(dú)確定。

2.2.3 確定生產(chǎn)節(jié)拍

小組立生產(chǎn)線的節(jié)拍測(cè)算需按下道工序的需求測(cè)算，因此首先截取2條分段流水線1個(gè)月的分段小組立需求，按需求計(jì)劃測(cè)定小組立生產(chǎn)節(jié)拍。

通過(guò)截取2條分段流水線1個(gè)月的分段小組立需求，可獲知小組立生產(chǎn)線每個(gè)月需完成67個(gè)分段，涉及3種分段。按已確定的工位托盤(pán)將計(jì)劃需求分段轉(zhuǎn)化為工位托盤(pán)需求，并結(jié)合工作時(shí)間測(cè)算生產(chǎn)線節(jié)拍。67個(gè)分段可按產(chǎn)品族的劃分原則轉(zhuǎn)化為46個(gè)工位托盤(pán)，即小組立生產(chǎn)線每個(gè)月需按順序完成這46個(gè)工位托盤(pán)的小組立制作工作。表2為產(chǎn)品族工作量偏差測(cè)算。

表2 產(chǎn)品族工作量偏差測(cè)算

通過(guò)對(duì)各工位托盤(pán)的工作量進(jìn)行測(cè)算可看出，各工位托盤(pán)工作量之間存在一定的差異，但整體上與基準(zhǔn)的差距均未超出10%，即最大工位托盤(pán)的工作量與最小工位托盤(pán)的工作量之間的差距不足20%，具備形成節(jié)拍化生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。根據(jù)該測(cè)算結(jié)果，按每月工作26d，每天工作7h對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行測(cè)算，具體見(jiàn)表3。

表3 生產(chǎn)節(jié)拍測(cè)算

按下道工序需求計(jì)劃，小組立生產(chǎn)線需按4h的節(jié)拍組織生產(chǎn)，并在4h的節(jié)拍內(nèi)完成1個(gè)工位托盤(pán)在1個(gè)工位上的所有工事，以確保流水線能按4h的節(jié)拍流動(dòng)。

2.2.4 分析生產(chǎn)線現(xiàn)狀

首先對(duì)生產(chǎn)線的基本情況進(jìn)行分析，主要布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 生產(chǎn)線基本布置情況

該小組立生產(chǎn)線主要由HAVIS接板區(qū)、流水線區(qū)、板材/零件堆放區(qū)、先行小組立區(qū)、異形件制作及背燒區(qū)和下胎區(qū)等功能區(qū)域組成。

為能更清晰地體現(xiàn)小組立構(gòu)件在小組立生產(chǎn)線中的流動(dòng)路線，對(duì)不同類(lèi)型的小組立構(gòu)件建造工藝流程進(jìn)行詳細(xì)分析，小組立構(gòu)件在小組立生產(chǎn)線中主要存在4種工藝路線。

1) 工藝路線1：接板/不接板—備料—裝配—焊接—背燒。

2) 工藝路線2：異形件裝焊及修補(bǔ)—背燒。

3) 工藝路線3：先行小組立—備料—裝配—焊接—異形件裝焊和修補(bǔ)—背燒。

4) 工藝路線4：接板/不接板—備料—焊接—異性件裝焊和修補(bǔ)—背燒。

通過(guò)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行分析可知，在制作小組立過(guò)程中，應(yīng)將流水線作為生產(chǎn)主線，異形件制作及背燒區(qū)承擔(dān)配合及制作流水線無(wú)法完成的工作。基于此，首先確定小組立的產(chǎn)品族劃分原則，即將流水線的單個(gè)功能工位上擺放的小組立視為1個(gè)工位托盤(pán)，各工位托盤(pán)之間的工作量差值應(yīng)在20%以?xún)?nèi)，每個(gè)工位托盤(pán)經(jīng)過(guò)每個(gè)工位所需時(shí)間均保持一致，即按特定節(jié)拍制作和流轉(zhuǎn)。在確定產(chǎn)品族劃分原則的基礎(chǔ)上，對(duì)典型產(chǎn)品的分段進(jìn)行工程分解，通過(guò)工位托盤(pán)自然尺寸和工作量劃分產(chǎn)品族。

2.2.5 確定工位

基于確定的工藝路線，根據(jù)工藝流程和工作量將流水線劃分為多個(gè)固定工位，在固定工位下開(kāi)展對(duì)應(yīng)的作業(yè)，主要包括接板工位、備料工位、裝配工位、焊接工位和修補(bǔ)工位。

2.2.6 優(yōu)化工藝，平衡生產(chǎn)線

根據(jù)各產(chǎn)品族工程分解情況，將對(duì)應(yīng)的工作量和工作時(shí)間布置在對(duì)應(yīng)的工位上，將超出生產(chǎn)節(jié)拍的工作量向前一道工序或后一道工序轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)各工序間的作業(yè)時(shí)間均衡。圖2為典型產(chǎn)品工藝優(yōu)化。

2.2.7 建立標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程

在確定生產(chǎn)節(jié)拍之后，對(duì)現(xiàn)行的生產(chǎn)流程進(jìn)行梳理和分析，通過(guò)優(yōu)化和固化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)工位功能和人員固定。圖3為接板工位的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。

圖2 典型產(chǎn)品工藝優(yōu)化

圖3 接板工位的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程

基于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，對(duì)其中的基礎(chǔ)作業(yè)動(dòng)作的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)和記錄，形成標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間表（見(jiàn)表4）。

表4 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間表

2.2.8 試驗(yàn)?zāi)M運(yùn)行

基于以上研究?jī)?nèi)容，開(kāi)展數(shù)次分段小組立工位制節(jié)拍化試驗(yàn)工作，對(duì)產(chǎn)品族確定原則、工位劃分原則、節(jié)拍設(shè)定和外部支持等進(jìn)行研究，主要取得以下成果。

2.2.8.1 試驗(yàn)的直接成果和效果

1) 試驗(yàn)中分段小組立各工序間的作業(yè)時(shí)間相對(duì)平衡、有序，有效縮短了工人的怠工時(shí)間，提升了工人的生產(chǎn)效率；

2) 研究建立了分段小組立建造全流程的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)體系，為精準(zhǔn)測(cè)算小組立各工位作業(yè)時(shí)長(zhǎng)和工人數(shù)量提供了理論支持；

3) 優(yōu)化調(diào)整了小組立建造工位布局和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)內(nèi)容，同時(shí)明確了各工位的標(biāo)準(zhǔn)施工工藝；

4) 厘清了產(chǎn)品族劃分原則，確定了將管理顆粒度由分段向工位托盤(pán)轉(zhuǎn)變的推進(jìn)方向。

2.2.8.2 試驗(yàn)引申出的需解決的問(wèn)題

1) 亟待建立分段小組立專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)模式；

2) 根據(jù)分段小組立專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)線的作業(yè)對(duì)象，提升船體零件的配套管理精細(xì)度；

3) 提升物流管理的精細(xì)化水平，避免物流配送時(shí)間對(duì)生產(chǎn)節(jié)奏產(chǎn)生影響；

4) 在分段大組立階段，嚴(yán)格按生產(chǎn)計(jì)劃有序開(kāi)展分段建造，確保分段小組立按計(jì)劃流轉(zhuǎn)；

5) 研發(fā)具有專(zhuān)業(yè)化適應(yīng)性的工裝和夾具等，通過(guò)持續(xù)改善的方式提高各工位的生產(chǎn)效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字化、智能化技術(shù)和裝備的日益成熟為船舶建造企業(yè)建立高柔性生產(chǎn)模式提供了可能，這些技術(shù)和裝備能否順暢運(yùn)用并發(fā)揮其應(yīng)有的作用，很大程度上取決于為數(shù)字化和智能化提供重要支撐的管理模式，精益生產(chǎn)就是高柔性管理模式的代表。船舶建造屬于典型的離散型制造，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用比例極低，需在深入開(kāi)展工程分解的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)整理確定產(chǎn)品族的劃分原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)構(gòu)件特征差異性的規(guī)避，采用成組技術(shù)形成具有相對(duì)統(tǒng)一特征的產(chǎn)品族，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品族在流水線上按固定節(jié)拍流暢運(yùn)行。分段小組立工位制節(jié)拍化生產(chǎn)模式是從精益生產(chǎn)理論中發(fā)展起來(lái)的具有實(shí)踐性的方法和模式，是指導(dǎo)分段建造快速提升管理效率和適應(yīng)智能制造的重要途徑，有助于促進(jìn)分段智能化建造快速發(fā)展。