針對自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率提升的探討

張畢生，黃曉瑋

（博世汽車部件有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著生產(chǎn)制造工業(yè)化程度的提高和國家2025 戰(zhàn)略計劃的實施，企業(yè)的生產(chǎn)線越來越多地趨向于自動化、智能化，更多的自動化設(shè)備和自動化解決方案被應(yīng)用到實際生產(chǎn)運營中。一方面產(chǎn)線的現(xiàn)場運營人頭減少，自動化和智能化水平提高，生產(chǎn)力和質(zhì)量得到了提高和保障；另一方面，設(shè)備自動化水平和生產(chǎn)線的復(fù)雜程度增大，給現(xiàn)場運營、設(shè)備維護、后期升級等生產(chǎn)管理方面帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的更側(cè)重于人工時間研究和動作優(yōu)化來提高人員工效等級的方法來優(yōu)化和提升運營效率顯然不能夠完全解決生產(chǎn)中遇到的問題，因此需要更為系統(tǒng)的分析和研究方法，同時結(jié)合數(shù)字化的仿真驗證手段來進行全方位的優(yōu)化改善。

整體而言，從生產(chǎn)線的需求分析、前期規(guī)劃，到中期的設(shè)計、組裝、調(diào)試、驗收、交付，再到后期的現(xiàn)場實際使用，每一個環(huán)節(jié)和步驟都對生產(chǎn)線在實際運行中的表現(xiàn)有著重要的影響，精益方法與理念也貫穿整個過程。本文將著重介紹自動化生產(chǎn)線在后期生產(chǎn)運營中生產(chǎn)效率的改善，針對一條全自動化的生產(chǎn)線的效率提升，從實際的生產(chǎn)改善應(yīng)用場景出發(fā)，運用多種工業(yè)工程手法，輔助以過程數(shù)字化仿真，探討以一套完整的改善系統(tǒng)方法和較少的成本來提高生產(chǎn)效率，達到完美質(zhì)量，最終滿足對客戶的交付。

1 問題描述

本文中探討的案例是由75 個自動化工站和1 個人工目檢工站組成的一條直線型自動化微電機生產(chǎn)線，其中人工目檢在該生產(chǎn)線的最后一個工站。工站之間的連接主要有皮帶線和工業(yè)機器人兩種方式。除此之外，該自動化生產(chǎn)線總共配備有3名線外人員：1名技術(shù)員，負責(zé)實時解決生產(chǎn)線出現(xiàn)的各種問題；1 名喂料員，負責(zé)所有工站的物料補給，即從物料區(qū)將物料逐一添加到自動喂料機構(gòu)中；1 名線長，負責(zé)質(zhì)量抽檢和協(xié)調(diào)所有人員的工作。

首先來說明本文中的幾個概念：生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍是指在正常連續(xù)生產(chǎn)狀況下，每兩個成品之間的間隔時間，記為CT，單位為s，該條自動化生產(chǎn)線的節(jié)拍為5 s；生產(chǎn)效率[1]是指固定投入量下，制程的實際產(chǎn)出與理論最大產(chǎn)出兩者間的比值，記作P，單位為%；假設(shè)在生產(chǎn)過程中，單位時間（1 h）生產(chǎn)線生產(chǎn)的實際合格品數(shù)量為X，則：

本項目中所研究生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)效率平均每個班次約為67%，單位時間所生產(chǎn)的合格品數(shù)量X和理論最大產(chǎn)出存在比較大的差異，導(dǎo)致每天的產(chǎn)量不達標(biāo)，直接影響對客戶的及時交付。

2 問題分析

統(tǒng)計了最近8 周生產(chǎn)線的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每周的平均生產(chǎn)效率P的表現(xiàn)如圖1 所示，圖中水平線表示目標(biāo)效率，條形柱表示實際狀況。從圖中可以看到實際的效率與目標(biāo)效率之間的差異最大值已大于15%，遠達不到目標(biāo)設(shè)定值，同時每周的生產(chǎn)效率存在較大的波動。

圖1 平均生產(chǎn)效率

為了研究該自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率P的具體情況，引入下列5個效率損失[2]因子來對生產(chǎn)線的效率進行橫向分析。

（1）質(zhì)量損失：質(zhì)量問題對生產(chǎn)效率的影響，也就是因為質(zhì)量缺陷，造成單位時間內(nèi)合格品數(shù)量下降，影響運行生產(chǎn)效率。

（2）技術(shù)損失：生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備的故障停機及生產(chǎn)線運行不流暢，造成生產(chǎn)實際時間下降，從而影響單位時間產(chǎn)出數(shù)量，影響生產(chǎn)效率。

（3）換型損失：生產(chǎn)過程中，由于不同型號間切換，造成的實際生產(chǎn)時間的浪費，造成實際生產(chǎn)時間下降，影響生產(chǎn)效率。

（4）組織損失：由于物料的不能及時補充及設(shè)備故障后不能及時修復(fù)等一系列人為原因造成的浪費，影響生產(chǎn)效率。

（5）性能損失：生產(chǎn)線的實際節(jié)拍大于理論節(jié)拍，也就是說生產(chǎn)線在實際運行中，發(fā)現(xiàn)一些工站，其實沒有達到設(shè)計時所要求的節(jié)拍，影響生產(chǎn)效率。

對最近8 周影響生產(chǎn)效率的損失因子數(shù)據(jù)進行歸類分析并做出統(tǒng)計，各種損失對生產(chǎn)效率的影響如圖2 所示?？梢娫谠摋l自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)系統(tǒng)中技術(shù)損失最大，占比達到了20.91%，也就是設(shè)備故障和設(shè)備間的配合問題對產(chǎn)線效率造成的影響最大。其次是組織損失，占比為4.75%，即人員組織調(diào)派、物料供應(yīng)補給及信息透明也對生產(chǎn)線的效率有著較大的影響。

圖2 各種損失對生產(chǎn)效率的影響

針對5 大效率損失的整體現(xiàn)狀，進一步調(diào)查統(tǒng)計各種損失的具體原因和對生產(chǎn)效率的影響權(quán)重。對于多個單一描述產(chǎn)生同一影響的因素，結(jié)果不做重復(fù)統(tǒng)計。如表1所示。

表1 各種損失對生產(chǎn)效率影響權(quán)重

結(jié)合5 大損失的具體問題點，制定解決方案如表2所示。

表2 各種損失的解決方案

另一方面，對效率損失中占比較大的技術(shù)損失及組織損失從縱向進行5M1E（人機料法環(huán)測）[3]的分析，如圖3所示。

圖3 損失原因魚骨圖

在該分析中，人、料、法、環(huán)、測幾個部分的改善和5大效率損失的優(yōu)化方案類似，不再贅述。著重來對機（machine）進行設(shè)備的節(jié)拍分析[4]。該自動化生產(chǎn)線的各工站節(jié)拍平衡表如圖4所示。由圖可知，在該條自動化生產(chǎn)線，存在多個瓶頸工序[5]，如圖中圓圈內(nèi)所示工站。對這些瓶頸工序的自動化工站，用視頻動作法進行分析。即通過視頻拍攝并做設(shè)備動作的分解推演分析。每個工序的視頻需要在產(chǎn)線設(shè)備正常運行的狀態(tài)下，拍攝5個循環(huán)以上。

圖4 產(chǎn)線節(jié)拍平衡表

以該條生產(chǎn)線其中一個工站為例，對設(shè)備的動作進行分解，并準確拆分出設(shè)備每一個動作的時間。分析如圖5 所示。通過推演圖可知，在不影響工藝的前提下，設(shè)備的一些動作可以并行，如圖中圓圈所示。通過修改設(shè)備PLC 程序，優(yōu)化設(shè)備節(jié)拍約0.8 s。用該方法對所有的瓶頸工序進行分析并優(yōu)化，最終打破瓶頸，使每個工站的節(jié)拍都能夠滿足整線的節(jié)拍要求。

圖5 設(shè)備動作分解

通過對產(chǎn)線進行橫向的5 大效率損失因子的分析和縱向的5M1E 分析，已初步針對產(chǎn)線的低效率提出了整改方案，為了進一步驗證這些解決方案的有效性，建模仿真[6]更接近實際生產(chǎn)運行系統(tǒng)[7]的效果尤為必要。

針對生產(chǎn)線改善前后的運行情況，應(yīng)用Tecnomatix軟件進行仿真模擬，從生產(chǎn)線整體設(shè)計和點陣改善[8]的角度進行驗證和系統(tǒng)性優(yōu)化。在仿真軟件中建立該自動化生產(chǎn)線的整體模型，該模型中包含產(chǎn)線的三維模型，生產(chǎn)線的人員配置，各工站的節(jié)拍時間和歷史設(shè)備利用率，皮帶線和機器人的速度等，如圖6所示。

通過仿真模擬軟件，輸入各項參數(shù)來模擬出了當(dāng)前條件下生產(chǎn)線整體的運行狀況，如圖7 所示。其中不同的柱狀表示在同一時間下，當(dāng)工位的運行情況：淺綠色表示運行正常；深綠色表示在該工站，出現(xiàn)了等待；黃色表示托盤擁堵；紅色表示該工站故障停機。

圖7 生產(chǎn)線整體的運行狀況

在仿真軟件中，對上述分析得出的優(yōu)化方案進行輸入，同時對產(chǎn)線進行產(chǎn)線概念[9]進行如下改善：

（1）工站間或單元線[10]間傳遞方式的優(yōu)化，如將機器人傳遞改為皮帶傳遞，部分皮帶傳遞改為轉(zhuǎn)盤和機器人的配合傳遞；

（2）優(yōu)化產(chǎn)線的布局，由原來的一字型優(yōu)化為T字型；

（3）合理優(yōu)化工站與工站之間的距離，其中考慮緩存位，產(chǎn)品流線速度等；

（4）計算不同單元線之間的產(chǎn)品合理的緩存數(shù)量；

（5）系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)拍時間，使整個產(chǎn)線間的銜接和節(jié)奏更平衡；

（6）依據(jù)皮帶速度，工序間距離，工序的加工時間，計算不同皮帶段上合理的托盤數(shù)量。

再次模擬生產(chǎn)線整體的運行狀況，如圖8 所示。整個產(chǎn)線的浪費和等待的時間減少了約20%，整體的效率調(diào)高約15%。

圖8 改善后生產(chǎn)線整體運行狀況

同時通過仿真模擬，可以得出當(dāng)自動化生產(chǎn)線需要達到不同目標(biāo)效率時，各工站應(yīng)達到的利用率水平，如圖9 所示。這就進一步給出了在整線的效率優(yōu)化[11]上應(yīng)持續(xù)改善的方向和關(guān)注點。

圖9 各工站應(yīng)達到的利用率水平

3 結(jié)束語

在自動化生產(chǎn)線爬坡運行至穩(wěn)定過程的效率提升及改善中，因產(chǎn)線的自動化程度和復(fù)雜程度[12]的提高及人員的減少，需要從多方面做出系統(tǒng)性的分析和改善：一方面基于生產(chǎn)過程橫向的五大損失的分析統(tǒng)計和針對性改善，另一方面基于縱向5MIE 的原因研究和重點改進，此外還需要接近實際運行狀態(tài)的客觀系統(tǒng)仿真的輔助分析和驗證。綜合這套系統(tǒng)方法進行研究改善，提高了產(chǎn)線的有效運行時間和運行水平，消除不必要的浪費，在保證質(zhì)量的前提下增加產(chǎn)出提升效率，最終滿足了對客戶的交付。