基于物料供應緊張下的SMT波峰工藝柔性生產(chǎn)體制構筑

吳紹明，李 伊

（松下萬寶美健生活電器（廣州）有限公司，廣州 511495）

0 引言

隨著電商日益深入到人們生活的方方面面，中國家電企業(yè)要想發(fā)展，越來越離不開對電商的規(guī)劃。而電商渠道產(chǎn)生的需求和傳統(tǒng)銷售途徑有著非常大的差別，尤其在一些電商商戰(zhàn)期會產(chǎn)生井噴式的非預測性需求增長，隨后又回歸到正常的理性消費。

目前某司SMT 波峰工藝在面對波動需求時缺乏有效的應對手段，導致短缺頻發(fā)，極大影響了公司的正常生產(chǎn)。另一方面，在賣方市場的環(huán)境下，電子物料的供應愈發(fā)緊張，電子物料優(yōu)先供給3C產(chǎn)品、智能裝備等需求量大的行業(yè)，對于小家電行業(yè)的供應則置于靠后的位置。這種情況更加劇SMT波峰工藝存在的問題。

因此，如何在物料供應緊張的情況下解決SMT 波峰工藝的生產(chǎn)，確保整個工程的連貫順暢成了亟需解決的問題。對于生產(chǎn)系統(tǒng)的改造方法，像線平衡研究有各種算法，比如Jackson算法、分枝定界算法、啟發(fā)式算法、遺傳算法、隨機算法等[1]。例如精益生產(chǎn)方式[2-3]，也有相當多的研究成果。

本文將基于需求的不確定和物料供應緊張的環(huán)境下，結合IE及精益思想等相關理論，探討SMT波峰工藝的生產(chǎn)應對策略，以期解決目前狀況下生產(chǎn)短缺問題。

1 物料供應被動對生產(chǎn)線的影響

物料供應被動時，物料不能按計劃日期到達，在物料恢復正常供應后會出現(xiàn)數(shù)量和種類的激增，如圖1所示。

圖1 物料延遲到貨對生產(chǎn)的影響

數(shù)量和種類的激增考驗的是生產(chǎn)線的兩種滿足度：一是數(shù)量的滿足度—瞬發(fā)力；二是種類的滿足度—柔性。

所謂數(shù)量滿足度，就是生產(chǎn)線的小時產(chǎn)能能力能夠滿足后工程需求的程度，考驗的是物料恢復正常供應后產(chǎn)能的攀升速度，即瞬發(fā)力。而種類滿足度，就是生產(chǎn)線在單元時段內(nèi)滿足后工程對不同型號需求的滿足度，即柔性。

本文將從瞬發(fā)力和柔性兩方面的強化探討如何構建能夠在物料供應緊張情況下滿足后工程需求的生產(chǎn)體制。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

本章節(jié)及后續(xù)章節(jié)中的數(shù)據(jù)由于涉及相關的信息安全規(guī)定，對部分數(shù)據(jù)進行了處理，但不會影響研究的過程和結論。

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

（1）工藝簡介

本文所研究的SMT 波峰工藝，其工藝流程為：自動插件—點膠—元件貼裝—硬化—波峰工藝—半成品—ICT—FCT。波峰工藝的對象工程分為3段，分別為手工插件段、波峰爐段以及修正段。

手工插件段的作用是通過手工作業(yè)，將部品插入到規(guī)定的位置，改善前采用的是流水線接力作業(yè)；波峰爐段是將手工插件段產(chǎn)生半成品進行上錫，固定部品的位置和實現(xiàn)電子部品間的電路連接；修正段是對經(jīng)過波峰爐焊接后的有瑕疵半成品（例如短路、開路等）進行人工修正以達到品質要求。

（2）現(xiàn)狀及改善目標

該工程現(xiàn)狀采用雙班制生產(chǎn)，共計21人，制造L/T約為2天，因部品到貨和自身工程問題等原因造成的停產(chǎn)問題最多可達4次/月。

改善目標：制造L/T 壓縮至公司整體運行標準的2 h 內(nèi)；強化工程能力，快速應對部品供應問題，實現(xiàn)“0”停產(chǎn)；優(yōu)化人員配備，減少對人員依賴。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)1-瞬發(fā)力強化

2.2.1 線平衡優(yōu)化

瞬發(fā)力增強的關鍵在于強化生產(chǎn)線的產(chǎn)能，以達到數(shù)量上的滿足后工程需求，因此首先進行線平衡改善。

對現(xiàn)狀情況進行作業(yè)測定后，抽取工時耗用大型號并計算平衡率?，F(xiàn)狀平衡率僅有77%，平衡損失高達23%，屬于線平衡差[4]的情況，各工位間的工時差異較大，各崗位間的等待明顯，浪費損失大，改善空間較大。

（1）改善方策1

對于單一的型號，通過線平衡改善和IE手段的運用，可以將線平衡提高至90%，較大地削減工程間的浪費。為了能滿足需求小范圍的波動而不影響生產(chǎn)線的產(chǎn)出，設置平衡方案時預留了約10%的波動對應能力，但和產(chǎn)品的實際需求波動情況相比還是相差甚遠。

為了能適應各型號需求的大幅度變化，每型號按照以往的需求偏差設置至少3套的平衡對應方案（高、中、低），對于一條生產(chǎn)線來說，型號的切換可能會帶來人員數(shù)量和工作內(nèi)容的較大變動。結合當前一條生產(chǎn)線對應28 種型號的生產(chǎn)，上述的人員調(diào)動和工作內(nèi)容變動對生產(chǎn)線實績操作而言是非常難管理的。

對于本工程，其基本動作都是將部品插入到相應的基板孔上，部分部品會有極性的區(qū)分，最多部品型號需插入13個部品，屬于相對簡單的作業(yè)，因此考慮實施單元作業(yè)。

（2）改善方策2

對于需求不穩(wěn)定而工序相對簡單的工序，單元生產(chǎn)的快速對應能力會比流水線式生產(chǎn)更為合適。主要是在同等條件下，變量減少，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，波動的對應能力增強。兩者的差別如表1所示。

表1 流水線作業(yè)和單元作業(yè)對應波動的比較

2.2.2 單元化改造

（1）標準容器確定

標準容器對于工作臺的設計以及后續(xù)的物料補充配送都至關重要，因此首先進行標準容器的確定。

根據(jù)現(xiàn)有的物料包裝形態(tài)、現(xiàn)場現(xiàn)有的容器以及小時產(chǎn)量等信息，選定3種標準物料盒，如表2所示，并確定每種物料的標準容量。

表2 標準料盒信息

對現(xiàn)有物料按照尺寸劃分大、中、小和其他4 類，分別使用3種標準料盒和專用包裝進行存放和確定標準放置數(shù)量。

（2）作業(yè)臺的設計與布局

工作臺在設計時結合下記的影響因素如下。

①本設計方案的單元格作業(yè)指一人完工式的作業(yè)，因此在設計工作臺時既要符合單一產(chǎn)品的生產(chǎn)動作需求，同時又要兼容所有型號的物料擺放要求。因此在設計工作臺時應充分地參考人因工程學中的人體作業(yè)范圍[5]以及各型號的物料擺放要求。

②由于工藝上的特點，所有完成品均需進入波峰爐進行焊接，為了減少在庫和加快物料的周轉速度，需要設置傳動帶將各單元格的完成品傳送至波峰爐設備，所以在設計時需要考慮工作臺和傳送帶的配合。

③方便后期的配送要求（便于配送和回收）。

基于上述的3點考慮，設置了3層的物料放置層并設計成可調(diào)節(jié)距離的樣式，確保在型號切換后不會因為部品數(shù)量的變化而導致增加不必要的動作浪費。另外也設置了物料的補充和退料機構，方便外部的配送，圖紙如圖2所示。

圖2 單元工作臺

（3）建立定時不定量的后補充式配送體制

進行單元作業(yè)后，各單元格內(nèi)對物料的需求相較流水線生產(chǎn)會更為復雜和頻繁。為了避免錯誤的使用物料和提升有效作業(yè)的比例，需要建立一種后補充的配送體制。

對于后補充式的物料配送，有定時不定量和定量不定時兩種主流方式。

定時不定量即確定好配送的間隔周期，到達規(guī)定的配送周期后，按照生產(chǎn)線的實際需求進行配送，配送的量為配送周期內(nèi)生產(chǎn)線的消耗量。配送的時間間隔是一定的，但是配送的量是不確定的[6]。

定量不定時則是規(guī)定每次配送量的大小，當生產(chǎn)線的消耗量達到規(guī)定的量時，觸發(fā)配送的信號，配送人員將規(guī)定的配送量送達生產(chǎn)線。配送的量是確定的，但配送的時間是不確定的。

因考慮到各單元格之間的作業(yè)速度差異和配送區(qū)間內(nèi)各工程節(jié)拍間的差異，觸發(fā)配送的時點會差異較大，如果使用定量不定時的配送方式，會造成配送人員多次走動、工作量不均衡等問題，因此選擇定時不定量的方式進行配送。

根據(jù)距離物流倉庫的來回路程需耗時約15 min，備齊所需物料耗時25～40 min，將物料分派到指定崗位和接收需求耗時約15 min，預留15 min 的緩沖時間，因此將配送的間隔時間設定為2 h/次。配送示意如圖3 所示，物和信息保持同步傳遞。

圖3 配送示意圖

（4）單元改造效果

通過上述改善步驟的實施，與原始狀態(tài)對比，在等待削減等方面都得到了很大的改善，小時產(chǎn)能提升了13%。

2.2.3 設備能力改善

在目前的生產(chǎn)能力下，為了滿足后工程的需求，該工程需要增加單元格進行對應，但受限于車間長度，因此在主線旁邊增設了一條副線用于彌補整體產(chǎn)能的差異。

但副線增加后，經(jīng)常出現(xiàn)設備堵塞導致線體停頓的問題。要確保生產(chǎn)的順暢，設備必須滿足以下條件：設備的搬運速度大于半成品增加的速度，因為涉及到傳送帶速度和作業(yè)速度兩個不能直觀比較的量，因此采用eM-Plant[7-8]按照現(xiàn)有的條件對生產(chǎn)過程進行仿真，生產(chǎn)模型及仿真結果如圖4所示。

從仿真結果看，目前的設備搬運速度小于半成品的增加速度，導致在設備的入口產(chǎn)生堆積，單元格作業(yè)人員無法及時將完成品通過流水線轉移，導致生產(chǎn)暫停。

針對設備能力不足提出了幾個解決思路并進行了驗證，如表3所示。從可行性和回收期兩方面比較，選定增加設備來提高設備能力以滿足商品增長的需求。

圖4 生產(chǎn)模型及仿真結果

表3 方案可行性分析

設備導入后，手插線從雙班制改為單班制，并削減4 名輔助的作業(yè)人員。取消夜班后的人員流失率相較改善前下降了70%，生產(chǎn)的穩(wěn)定性也得到了一定的提高。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)2-柔性改善

通過瞬發(fā)力強化的各項對策的實施，產(chǎn)量的滿足度-瞬發(fā)力得到了解決。下面將討論種類的滿足度——柔性的改善。

對于柔性的滿足，主要是要增加階段時間內(nèi)的型號種類，可以從以下兩個方面進行考慮。

（1）方向A：增加切換的次數(shù)——以較高頻率切換以增加型號的種類。

（2）方向B：多型號同時生產(chǎn)——以較低單——型號小時產(chǎn)出以增加型號種類。

從以下3方面進行比較。

（1）部品依賴：因為同時生產(chǎn)可以減少共用部品（即多個型號都會用到的部品）的消耗，避免因批量要求而將部品耗用導致下一型號無法生產(chǎn)，因此該項目上方向A更優(yōu)。

（2）后工程滿足：后工程采用的是多型號同時獨立生產(chǎn)的方式，單型號生產(chǎn)批量小，方向B 的小批量多型號以及產(chǎn)出更符合后工程的要求，因此方向B相對更好。

（3）實施難度：因為增加切換頻率（快速切換，SMED）已有較多的成熟改善經(jīng)驗，實施的難度應該相對較低。但對于本工程，因為已經(jīng)進行了單元化改造，各作業(yè)員間相互獨立，另外基于本工程在不同型號只在手插段具有差異化，在波峰爐段和修正段是一致的，因此方向B 在實施難度的整體改善難度會有所下降。

綜上，對多型號同時生產(chǎn)以增加柔性進行論述。

不同產(chǎn)品的工藝和對員工的技能要求并無太大區(qū)別，其主要區(qū)別在于產(chǎn)品的尺寸。大尺寸型號，由于規(guī)格較大，部品較多，為避免因為重力和熱力的影響而產(chǎn)生基板下彎變形，需要使用過爐治具搭載基板提供足夠的支撐力，避免基板的變形。而對于尺寸小的型號，則直接通過導軌經(jīng)過波峰爐設備，兩種分類的過爐方式如圖5所示。

圖5 不同規(guī)格型號過爐圖示

不同尺寸的基板進行過爐時會要求不同的導軌寬度，而基板的外形尺寸是根據(jù)產(chǎn)品的功能和外形結構設計的，很難做到統(tǒng)一，這也是不同產(chǎn)品間不能同時產(chǎn)生的主要原因。

要實現(xiàn)多型號同時生產(chǎn)，導軌的寬度就必須一致，基板的尺寸或者治具的尺寸也要一致。而基板的尺寸是很難進行統(tǒng)一的，因此把重點放在過爐治具規(guī)格的統(tǒng)一上。

對過爐治具的要求在于能保證支撐力，使得基板不產(chǎn)生彎曲，同時不能妨礙部品的焊接效果，而對治具的規(guī)格沒有限定。因缺乏制作標準，故現(xiàn)狀治具規(guī)格種類多，導致無法同時生產(chǎn)，為此需要首先制定治具規(guī)格的標準。

圖6 改善前后的切換流程對比

參照現(xiàn)狀的治具和基板的規(guī)格，確定兩個標準尺寸（寬度）：大規(guī)格250 mm，普通規(guī)格170 mm，然后對治具進行改造。

對治具規(guī)格實施統(tǒng)一后，規(guī)格數(shù)從改善前的17個下降為2個。治具規(guī)格的一致，可使用相同的導軌寬度，型號間可實施混載生產(chǎn)。

另外，切換的過程也發(fā)生了變化，切換的總時間減少，人員和設備的稼動情況也得到了改善，如圖6所示。

不同型號的爐溫曲線存在差異，通過工藝技術手段進行優(yōu)化，爐溫曲線要求得到了統(tǒng)一。

通過上述對策的實施，作業(yè)人員間以及作業(yè)人員和設備間相互獨立，生產(chǎn)切換可根據(jù)生產(chǎn)實際情況進行快速調(diào)配，對于不同產(chǎn)量型號的生產(chǎn)調(diào)配更加靈活，如圖7所示。

圖7 混載后生產(chǎn)的靈活對應

通過瞬發(fā)力和柔性增強措施的施行，人均時產(chǎn)能提升了17%，月切換總時間減少了85%，制造L/T從4 h下降為0.5 h。

3 省人工化推進

3.1 現(xiàn)狀與改善方向

經(jīng)過改造，原有的工程在多方面都得到了較大的改善，但存在一個明顯的問題，對人的依賴性較高。目前整個行業(yè)內(nèi)都存在招工難和人工成本不斷上升的問題，如何替換人力需求是一道必須解決的課題。

目前的整個工藝中，對人力需求和依賴最大的是部品加工（通過使用治具將部品尺寸或形狀加工至圖紙規(guī)定的要求，以便于后續(xù)工程的使用）和部品插入（均屬于手插段工序）。

針對這兩個工序的自動化，目前行業(yè)較成熟的方案是異型插件機，其作用是代替人工完成部分部品的前期尺寸和形狀加工，隨后進行部品插入。對于異型插件機替代人工的方式對比如表4所示。

表4 設備替代人工方式對比

從對比分析可以確認，人機協(xié)調(diào)方案在部品供應緊張的情況下，其可實施性和兼容性會更好，下面將以A 型號為例針對如何進行人機協(xié)調(diào)進行論述。

圖8 A型號部品示意圖

表5 按照部品進行初步作業(yè)分配

3.2 人機協(xié)調(diào)作業(yè)

Step1：按照設備的部品兼容性進行初步作業(yè)分配

Step2：人機作業(yè)分析

式中：n 為作業(yè)員可操作的設備數(shù)量；L 為人機共同作業(yè)時間；M為設備單獨作業(yè)時間；W為人工單獨作業(yè)時間。

因設備為全自動設備，在正常操作過程中無人機共同作業(yè)，因此L=0。

從計算結果可知，作業(yè)員可同時對應兩臺設備的生產(chǎn)。此時的作業(yè)分配如表6所示。

表6 人機作業(yè)分析后的作業(yè)分配表

Step3：作業(yè)順序調(diào)整

因作業(yè)場地的限制，設備必須連續(xù)布置，因此并行設備作業(yè)并不合適，需進行設備間的串行作業(yè)分配，同時考慮部品的干涉問題。

表7 串行作業(yè)分配

Step4：人機作業(yè)內(nèi)容再分配

經(jīng)過步驟3 調(diào)整后的作業(yè)，人機之間存在人等待機器作業(yè)的情況，影響作業(yè)效率，人機間的平衡率約為74%。故需對作業(yè)內(nèi)容再進行分配調(diào)整以削減等待時間。

表8 再分配后的人機作業(yè)內(nèi)容

上述單人雙機主要是針對部品相對較多的型號，對于部品較少的型號，使用單人單機配合。

人機配合主要使用在生產(chǎn)產(chǎn)量高、作業(yè)難度大的型號。而保留的單元格，用于生產(chǎn)批量少、種類多的品種，如圖9所示。

圖9 人機配合+單元生產(chǎn)

通過上述的改善，減少了6 名人員的投入，效率上提升了66%，錯漏插率降低了80%，年節(jié)省金額百萬余元。

通過一系列的改善，對象工程在QCD等方面都得到了較大的提高，具體的改善匯總及效果如圖10所示。

圖10 改善匯總表

4 結束語

對于生產(chǎn)線的改造，介紹了如何以環(huán)形上升的方式，結合瓶頸改善—線平衡改善—單元制造—混合生產(chǎn)—自動化等方法進行改造，重點強化生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力和柔性對應兩方面的能力，最終建立一個相對完善的整體生產(chǎn)系統(tǒng)。

本文以構筑一套相對完善的生產(chǎn)系統(tǒng)進行著眼而非單點的改造，涵蓋了生產(chǎn)改善的多方面內(nèi)容，對于制造系統(tǒng)的改造具有一定的參考價值。