基于工業(yè)工程的皮夾生產(chǎn)線仿真與優(yōu)化

趙曉露， 羅云， 沈津竹， 羅玉蘭， 蘇軍強(qiáng)*

(1.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.安徽金寨職業(yè)學(xué)校 服裝系，安徽 六安 237300；3.上海秒優(yōu)供應(yīng)鏈管理有限公司，上海 200082)

皮夾生產(chǎn)線一般采用捆扎同步式流水生產(chǎn)，這是捆扎式和流水同步式相結(jié)合的一種作業(yè)方式，每個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)地配備一個(gè)工序的單臺(tái)加工設(shè)備，各類工序的設(shè)備按照加工流程排列，這種作業(yè)方式要求制品在每個(gè)作業(yè)單元的停留時(shí)間基本均衡[1]。然而在實(shí)際加工過(guò)程中，流水線不平衡導(dǎo)致在制品積壓、員工空閑等待等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。目前，皮具流水線的生產(chǎn)效率低下，生產(chǎn)成本卻日益增加。

皮夾加工流水線與服裝加工流水線同為縫制流水線，其加工形式基本一致。服裝生產(chǎn)流水線一直以來(lái)都是研究熱點(diǎn)，其研究相對(duì)成熟，但目前學(xué)者對(duì)皮具流水線的研究甚少。許棟梁[2]結(jié)合ECRS法則，從取消、合并、重排、簡(jiǎn)化4個(gè)角度進(jìn)行流水線工序優(yōu)化。孫影慧等[3]在分析人員因素和生產(chǎn)線編制因素對(duì)服裝單件流水線影響的基礎(chǔ)上，依據(jù)Flexsim仿真過(guò)程和服裝單件流水線生產(chǎn)特點(diǎn)，建立服裝單件流水線的Flexsim仿真模型。劉瑤[4]重點(diǎn)對(duì)混合產(chǎn)品的流水線進(jìn)行研究，在合理編排與平衡優(yōu)化的基礎(chǔ)上，通過(guò)Promodel仿真軟件建立了3款T恤衫的混合流水線模型。張夢(mèng)雨等[5]根據(jù)0-1規(guī)劃編排理論平衡生產(chǎn)線，運(yùn)用Matlab輔助模型的仿真實(shí)驗(yàn)獲得工序組合方案。還有學(xué)者針對(duì)單件流作業(yè)進(jìn)行探究[6-7]，由于單件流對(duì)編制平衡率有更高的要求，因此建立仿真模型是模擬真實(shí)生產(chǎn)流水線的重要工具。

文中采用工業(yè)工程(industrial engineering)技術(shù)，在不更新生產(chǎn)設(shè)備和不增加額外成本的前提下，通過(guò)持續(xù)改進(jìn)的原理，對(duì)皮夾生產(chǎn)線進(jìn)行作業(yè)分析；利用Flexsim仿真軟件模擬改善后的方案，通過(guò)分析仿真軟件的運(yùn)行報(bào)告，對(duì)流水線的生產(chǎn)指標(biāo)作出預(yù)判，以便及時(shí)調(diào)整方案，減少實(shí)際生產(chǎn)中的調(diào)試時(shí)間，也為后期皮具流水線的仿真優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 皮夾生產(chǎn)線現(xiàn)狀分析

文中將江蘇省常熟市A皮具公司某典型皮夾款式的生產(chǎn)線作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析，就工藝流程和幾個(gè)重要生產(chǎn)指標(biāo)對(duì)皮夾生產(chǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析。圖1為A皮具公司生產(chǎn)的典型皮夾。該皮夾是含有插袋、拉鏈袋以及活頁(yè)的兩折錢夾。

圖1 A皮具公司生產(chǎn)的典型皮夾Fig.1 Typical wallet produced by Leather Company A

1.1 流水線生產(chǎn)指標(biāo)分析

該款皮夾的流水線中，線內(nèi)員工有22人，線外質(zhì)檢和清潔員工各1人，小組長(zhǎng)和萬(wàn)能工各1人。每天有效工作時(shí)間是9 h，實(shí)際日產(chǎn)量為(340±3)個(gè)。流水線編制效率的計(jì)算公式為

(1)

式中：E為編制效率；ti為每道工序作業(yè)時(shí)間；tmax為最長(zhǎng)的工序作業(yè)時(shí)間；N為工序數(shù)量。經(jīng)計(jì)算，該皮夾流水線的編制效率為60.2%。

流水線節(jié)拍的計(jì)算公式為

(2)

式中：PT為生產(chǎn)節(jié)拍；tS為單件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工時(shí);n為流水線上的工位數(shù)或作業(yè)人數(shù)。計(jì)算得到目前該流水線的節(jié)拍為79 s。

與服裝流水線相比，皮具流水線的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，編制效率低，這是因?yàn)槠ぞ呒庸ぷ鳂I(yè)中的部分作業(yè)加工周期長(zhǎng)，如刷膠作業(yè)、油邊作業(yè)需要等待膠黏劑起作用，員工完成操作后無(wú)法立即向下一個(gè)作業(yè)單元傳遞在制品。在這種情形下，在制品堆積的工位易被隱藏，瓶頸工序很難被發(fā)現(xiàn)。雖然皮夾的款式差異小，員工的熟練度高，但由于皮夾作業(yè)中多為手工作業(yè)，未形成統(tǒng)一的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，返修率較高。

1.2 工藝流程分析

皮夾流水線是按照工藝流程和作業(yè)要求，把設(shè)備依次配置后運(yùn)行的生產(chǎn)方式。圖2為A皮具公司兩折皮夾的工藝流程。由圖2可知，該流程總共有62道工序，其中清潔、整理工序和檢驗(yàn)工序的時(shí)間不固定。工序分配內(nèi)容見表1。

表1 工序分配

圖2 皮夾工藝流程Fig.2 Technological process of wallet

2 作業(yè)分析與改善

2.1 雙手作業(yè)分析

機(jī)器折邊即雙腳踩壓踏板，踏板帶動(dòng)重力裝置對(duì)準(zhǔn)待折邊部位施力，使裁片受力折疊的過(guò)程，具體如圖3所示。圖3(a)為員工利用折邊機(jī)器完成④折邊工序的操作示意，操作對(duì)象(裁片)尺寸為9 cm×5 cm；圖3(b)為對(duì)應(yīng)作業(yè)單元的工位布置。觀察發(fā)現(xiàn)，操作折邊工序的員工習(xí)慣性采用單手操作。文中以④折邊工序?yàn)槔捎肕TM法(methods-time measurement，方法時(shí)間衡量法)對(duì)該工序進(jìn)行雙手動(dòng)作分析，結(jié)合動(dòng)作經(jīng)濟(jì)原則中的雙手對(duì)稱、反向同時(shí)操作這一細(xì)則，改善原有作業(yè)方法，改善結(jié)果見表2。同理，對(duì)⑨，折邊工序進(jìn)行分析，改善前的加工時(shí)間分別為6.5 s和7.7 s，改善后時(shí)間為4.2 s和5.6 s。

圖3 機(jī)器折邊工序Fig.3 Hemming operation by machine

表2 折邊工序的動(dòng)素分析

2.2 人機(jī)作業(yè)分析

由表3可知，人工的等待時(shí)間達(dá)到8.7 s，作業(yè)時(shí)間為8 s;機(jī)器1空閑時(shí)間為5.9 s,作業(yè)時(shí)間為8.7 s；完成單位數(shù)量加工任務(wù)的時(shí)間為16.7 s；改善前人工、機(jī)器1利用率分別為48%和52%。為了達(dá)到“人不待機(jī)，機(jī)不待人”的目標(biāo)，需要進(jìn)行人-機(jī)作業(yè)閑余能力分析，確定操作者可同時(shí)操作的機(jī)器數(shù)量，計(jì)算公式為

表3 壓印工序人-機(jī)作業(yè)分析

P=(tM+tW)/tW。

(3)

式中：P為操作者可以操作的機(jī)器數(shù)量；tM為機(jī)器完成該項(xiàng)作業(yè)的有效時(shí)間；tW為作業(yè)者操作一臺(tái)機(jī)器的時(shí)間。

由式(3)以及表3中人工和機(jī)器1的作業(yè)時(shí)間可知，壓印工序中一個(gè)操作員可操作的機(jī)器數(shù)量為P=(8.7+8)/8=2.08>2。對(duì)壓印工序進(jìn)行人-機(jī)作業(yè)重組，一人可完成兩臺(tái)設(shè)備的操作，經(jīng)測(cè)量，操作工在機(jī)器1與機(jī)器2之間的移動(dòng)時(shí)間為3 s，則完成兩個(gè)裁片的壓印時(shí)間為13.1 s(人機(jī)同步作業(yè)時(shí)間不計(jì)入)，單個(gè)裁片壓印工序的作業(yè)時(shí)間比改善前縮短了3.6 s。具體優(yōu)化后的作業(yè)時(shí)間見表4。

表4 優(yōu)化后的作業(yè)時(shí)間

2.3 瓶頸工序識(shí)別與改善

記錄該生產(chǎn)線某天9:00～10:00,14:00～15:00，16:00～17:00的時(shí)段產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)零部件組裝的工位6產(chǎn)生了瓶頸。分析工位6的作業(yè)內(nèi)容及工序時(shí)間，將工作內(nèi)容細(xì)分，并制作山積圖。改善前后的山積圖如圖4所示。

圖4 工位6改善前后山積圖Fig.4 Hill plot before and after improvement of 6 station

3 Flexsim仿真建模

3.1 Flexsim仿真設(shè)置

借助Flexsim7.5仿真軟件對(duì)皮夾生產(chǎn)流水線進(jìn)行仿真模擬，主要包括7個(gè)步驟[8]：①收集數(shù)據(jù)，建立概念模型；②參照工廠布局圖，根據(jù)工位編排及生產(chǎn)流水線現(xiàn)場(chǎng)布局，建立計(jì)算機(jī)仿真模型；③模型邏輯制定：設(shè)定在制品的傳遞路徑；④參數(shù)設(shè)置；⑤模型校核與驗(yàn)證：考察模型是否按照預(yù)先設(shè)想的情況運(yùn)行；⑥實(shí)驗(yàn)運(yùn)行與結(jié)果分析；⑦再優(yōu)化設(shè)計(jì)。在Flexsim仿真模型中分別設(shè)置1個(gè)分發(fā)器、22個(gè)處理器 (即22 個(gè)加工工位)、1個(gè)吸收器(即質(zhì)檢工位)、23個(gè)暫存區(qū)(即所有工位的暫存區(qū))和23位操作員(22名線上員工，1名質(zhì)檢員)。由于質(zhì)檢時(shí)間不確定，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入質(zhì)檢工位后，系統(tǒng)記錄產(chǎn)品完成數(shù)量。清潔工序和所建立的生產(chǎn)流水線結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 皮夾流水線仿真模型Fig.5 Simulation model of wallet assembly line

建立仿真流水線的關(guān)鍵步驟是收集數(shù)據(jù)，在該仿真系統(tǒng)中需要確定的固定參數(shù)為：①各工位的實(shí)際加工時(shí)間(假設(shè)實(shí)際加工時(shí)間包含傳遞時(shí)間)；②在制品數(shù)量(即每捆裁片的數(shù)量)；③返修率。除返修率外，其他參數(shù)均為常數(shù)，根據(jù)流水線的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定即可。為確定皮夾流水線的返修率，收集了相似款式皮夾的6條生產(chǎn)線返修率數(shù)據(jù)共102個(gè)，計(jì)算得到102個(gè)返修率均值為5%。假設(shè)所有的返修是在質(zhì)檢不合格后隨機(jī)返回工站，返修時(shí)間為不合格工序的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。

各工位的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間為t0，根據(jù)對(duì)A皮具公司兩折皮夾生產(chǎn)線5個(gè)隨機(jī)工位實(shí)際作業(yè)時(shí)間的抽樣記錄，分別假設(shè)該流水線的生產(chǎn)率為65%，70%，75%，則其他各工位的作業(yè)時(shí)間t分別為t0/0.65，t0/0.7和t0/0.75。利用Flexsim進(jìn)行3次仿真，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為9 h，得到的日產(chǎn)量結(jié)果見表5。

表5 3次仿真的日產(chǎn)量

傳統(tǒng)捆扎式流水線中，加工時(shí)間受到操作者技能水平和各種偶然因素的影響，因此可設(shè)置加工時(shí)間呈三角分布[9](triangular distribution)，設(shè)定各工位作業(yè)時(shí)間為t,t∈(a0,c0)，則t的概率密度函數(shù)為

(4)

式中：a0=t0/0.75；b0=t0/0.7；c0=t0/0.65。

3.2 優(yōu)化效果分析與評(píng)價(jià)

3.2.1產(chǎn)能 對(duì)A皮具公司兩折皮夾流水線進(jìn)行作業(yè)分析及瓶頸工序改善后，流水線節(jié)拍為73 s，編制效率與之前相比提高了19.9%，達(dá)到79.3%。

為評(píng)價(jià)改善方案的效果，將之前的Flexsim仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，流水線的作業(yè)時(shí)間及工序分配見表6。按照表6的模擬實(shí)際工時(shí)設(shè)定各工位作業(yè)時(shí)間。在仿真實(shí)驗(yàn)管理器中設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間為48 h，將質(zhì)檢工位每運(yùn)行9 h輸出的產(chǎn)品數(shù)量作為模擬生產(chǎn)線的日產(chǎn)能。記錄儀表板(dashboard)中統(tǒng)計(jì)的加工產(chǎn)品數(shù)量，分別為346，347，350，348，344，352個(gè)，最終計(jì)算其均值約為348個(gè)，比改善前的產(chǎn)量增加了5～11個(gè)。

表6 優(yōu)化方案的工序分配

3.2.2資源利用率 在Flexsim軟件的Perfor-mance Measure的模塊下勾選“加工”指標(biāo)，可以獲得相關(guān)工位機(jī)器以及操作者的忙閑狀態(tài)。模型仿真輸出數(shù)據(jù)見表7。

表7 模型仿真輸出數(shù)據(jù)

人員或者設(shè)備處于繁忙狀態(tài)的時(shí)間占生產(chǎn)總時(shí)間的比例稱為資源利用率[10]。利用率過(guò)高表示流水線產(chǎn)能飽和，但是也可能造成產(chǎn)品堆積；利用率過(guò)低則意味著流水線資源利用不充分，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。由表7可以看出，工位5和工位20的空閑率分別為2.1%和3.26%，可能較為頻繁地出現(xiàn)半成品堆積情況;工位8的空閑率達(dá)到18.24%，說(shuō)明該工位出現(xiàn)了資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，可以合理安排該工序的人員去輔助其他工位作業(yè)。

各工位的忙閑狀態(tài)與作業(yè)時(shí)間是相符合的，由此表明該優(yōu)化模型的設(shè)置符合實(shí)際生產(chǎn)狀況，具有良好的仿真效果。

4 結(jié)語(yǔ)

文中調(diào)研了皮夾流水線生產(chǎn)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，并利用工業(yè)工程技術(shù)對(duì)流水線進(jìn)行作業(yè)分析，改善流水線的編排方案。流水線的布局和工藝流程分析為Flexsim仿真模型的建立提供相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)仿真流水線展示優(yōu)化方案。優(yōu)化后的皮夾流水線編制效率提高了19.9%，日產(chǎn)量平均增加8件。對(duì)比各工位的資源利用率和作業(yè)時(shí)間，可知兩者的變化趨勢(shì)相符。優(yōu)化模型的仿真效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為后期皮夾流水線的仿真優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。