流水線模式在艙室單元制造上的應(yīng)用研究

李守娟，沈 成

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007)

0 引言

海工生活平臺(tái)、客滾船、大型郵輪等產(chǎn)品具有艙室單元數(shù)量多、安裝工藝復(fù)雜的特點(diǎn)。尤其是大型豪華郵輪，船上乘客及船員的居住艙室數(shù)量大、裝飾規(guī)格高，傳統(tǒng)的內(nèi)裝生產(chǎn)模式難以滿足交貨周期和品質(zhì)要求。針對(duì)這一問題，有工程師對(duì)艙室單元的模塊化預(yù)制進(jìn)行了研究，采用固定場地的模式進(jìn)行艙室單元預(yù)制化生產(chǎn)，一定程度滿足了生產(chǎn)需求，并已在多個(gè)船廠進(jìn)行了推廣[1-2]。

然而，在固定場地上裝配艙室單元，受到場地大小的限制，且不易執(zhí)行有序的生產(chǎn)過程管控和高效的物流配送規(guī)劃，往往生產(chǎn)效率和產(chǎn)能受到限制。郵輪工程量巨大，一艘大型郵輪需要的艙室單元一般會(huì)超過2 000個(gè)，且建造周期比較緊張，傳統(tǒng)的固定場地制造模式無法匹配大型郵輪大量艙室單元高節(jié)奏、即時(shí)生產(chǎn)需求。因此，為了縮短建造周期、提高效率，保證數(shù)量龐大的艙室單元按計(jì)劃、有節(jié)奏、高效率地完成裝配作業(yè)，有必要引入流水線生產(chǎn)模式進(jìn)行艙室單元的制造。該生產(chǎn)模式可以保證艙室單元在自動(dòng)流水線上按節(jié)拍移動(dòng)，同時(shí)完成板材、電氣、通風(fēng)、家具等裝配作業(yè)，實(shí)現(xiàn)組織管理、生產(chǎn)計(jì)劃、供圖計(jì)劃、物資供應(yīng)、工效管理和質(zhì)量控制諸多方面高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，信息流快速響應(yīng)及時(shí)互通。

目前，國內(nèi)流水線生產(chǎn)模式在艙室單元生產(chǎn)上的研究和實(shí)踐還比較少，本文在調(diào)研國外先進(jìn)制造商如何進(jìn)行艙室單元模塊化建造的基礎(chǔ)上，結(jié)合各行業(yè)生產(chǎn)流水線的工藝規(guī)劃理論和應(yīng)用案例，對(duì)艙室單元流水線制造模式進(jìn)行研究。

1 艙室單元生產(chǎn)工藝

艙室單元是船上的生活單元，主要由衛(wèi)生單元、壁板系統(tǒng)、天花板系統(tǒng)、防火門、家具系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等模塊組成，典型艙室單元制作工藝見圖1。在完成天花板安裝工序后，電氣件、噴淋件、通風(fēng)件安裝等工序可以并行施工，但實(shí)際操作中受到作業(yè)場地空間的限制，正常只能容納2～5人同時(shí)作業(yè)。

圖1 典型艙室單元工藝流程圖

某型艙室單元具體的制造工序和統(tǒng)計(jì)工時(shí)見表1。從表中可以看出，艙室單元的制造具有作業(yè)類型廣、并行施工多的特征。目前，國內(nèi)船廠大多在固定場地上進(jìn)行艙室單元的制造。該生產(chǎn)模式具有投入成本低、作業(yè)靈活的優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下不足：

表1 某型艙室單元生產(chǎn)工藝分析

(1)當(dāng)需要增加產(chǎn)能時(shí)，需要尋找新的固定場地，但實(shí)際中往往受限于車間總體布局和容量。

(2)所有工藝過程集中到一個(gè)固定位置，且還需要按照一定的順序。在多個(gè)艙室單元同時(shí)裝配的情況下，存在難以高效組織不同技術(shù)工種進(jìn)行連續(xù)施工的問題。

(3)制造場地分散在多處，增加了物料配送的路程和難度，也不利于實(shí)施高效的物流管理。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出穩(wěn)定性存在波動(dòng)性。在生產(chǎn)節(jié)奏緊湊的情況下，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)奏匹配的難度較大。

因此，受固定場地制造艙室單元模式生產(chǎn)局限性的制約，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率存在困難。而與固定場地制造模式相對(duì)應(yīng)的是流水線生產(chǎn)模式，即將裝配流程劃分成若干工序，并在流水線上按照工序設(shè)置固定工位，產(chǎn)品隨著流水線流轉(zhuǎn)直至完成所有裝配過程。流水線模式通過提升生產(chǎn)連續(xù)性、改善作業(yè)空間、提升配送效率等方面提高效率。

2 流水線制造模式的理論基礎(chǔ)

參考船舶分段流水線的理論基礎(chǔ)[3]，運(yùn)用成組技術(shù)原理構(gòu)建艙室單元流水線，即將不同類型的艙室單元按照裝配工藝的相似性組織流水線生產(chǎn)、按照預(yù)裝配件的結(jié)構(gòu)相似性組織批量化生產(chǎn)，從而將艙室單元的多品種固定工位生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為少品種流水線生產(chǎn)模式。

流水線生產(chǎn)方式是一種在制造業(yè)中廣泛使用的流水作業(yè)方式。在這種生產(chǎn)方式中，傳送帶旁的工人和設(shè)備在傳送帶傳輸過程中對(duì)傳送帶上運(yùn)輸?shù)拇破坊蚪M件進(jìn)行裝配、加工等操作[4]，其中流水線最終運(yùn)行效果的關(guān)鍵因素在于生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)平衡、生產(chǎn)支線、總體布局等。

2.1 生產(chǎn)節(jié)拍

生產(chǎn)節(jié)拍簡稱節(jié)拍，又稱線速，它是控制生產(chǎn)速度的指標(biāo)。明確生產(chǎn)節(jié)拍就可以指揮整個(gè)工廠的各個(gè)生產(chǎn)工序，保證各個(gè)工序按統(tǒng)一的速度生產(chǎn)加工出零件、半成品、成品，從而達(dá)到生產(chǎn)的同步化。生產(chǎn)節(jié)拍一般在規(guī)劃產(chǎn)能時(shí)確定，產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍一旦確定，企業(yè)就應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)節(jié)拍實(shí)施生產(chǎn)。

生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算公式為

(1)

式中：r為生產(chǎn)節(jié)拍；N為計(jì)劃制品數(shù)量；Fe為計(jì)劃期有效工作時(shí)間；F0為計(jì)劃期制度工作時(shí)間；η為工作時(shí)間有效利用系數(shù)。

2.2 生產(chǎn)線平衡

生產(chǎn)線平衡是對(duì)全部工序進(jìn)行平均化、均衡化，調(diào)整各工位的作業(yè)負(fù)荷，使各工位的作業(yè)時(shí)間盡可能與節(jié)拍相近或相等，最終消除各種等待浪費(fèi)現(xiàn)象，達(dá)到生產(chǎn)效率最大化。生產(chǎn)節(jié)拍確定后，可得理論意義上的最少工位數(shù)：

(2)

式中：S為最少工位數(shù)；T為完成產(chǎn)品所需的總作業(yè)時(shí)間；n為所需的工序數(shù)量；t為某一工序作業(yè)時(shí)間。

生產(chǎn)線平衡率是衡量生產(chǎn)線平衡水平的重要指標(biāo)之一, 生產(chǎn)平衡率越高,則生產(chǎn)線發(fā)揮的效能越大。其計(jì)算公式為

(3)

式中：B為生產(chǎn)線平衡率；R為生產(chǎn)線瓶頸工位節(jié)拍時(shí)間值。

在最少工位的基礎(chǔ)上，盡可能地平均分配各個(gè)工位作業(yè)負(fù)荷以使生產(chǎn)線達(dá)到平衡。同時(shí)，通過生產(chǎn)線平衡率計(jì)算公式可知，在滿足生產(chǎn)需求的前提下，減少生產(chǎn)線工位數(shù)量和改善瓶頸工位可以有效地提高生產(chǎn)線的平衡率。還需要注意的是，生產(chǎn)線的瓶頸具有移動(dòng)性，因此改善瓶頸工位的同時(shí)，還需要注意對(duì)其他節(jié)拍較慢的工位進(jìn)行改進(jìn)。

2.3 生產(chǎn)支線

在流水線生產(chǎn)過程中通常由流水線和若干條為該流水線提供部件的生產(chǎn)支線組成，因此流水線可看作是主生產(chǎn)線，生產(chǎn)支線可看作是從屬生產(chǎn)線。當(dāng)主生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍與從屬生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍不一致時(shí)，可設(shè)置緩沖區(qū)調(diào)節(jié)生產(chǎn)。

流水線總體布局型式見圖2。圖中，假定主生產(chǎn)線A節(jié)拍為rA,有nA個(gè)工位；生產(chǎn)支線B生產(chǎn)節(jié)拍為rB，有nB個(gè)工位；假定生產(chǎn)線A工位i上的每個(gè)產(chǎn)品都需要α個(gè)生產(chǎn)線B生產(chǎn)的產(chǎn)品，則若想要滿足生產(chǎn)連續(xù)性，要同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：

圖2 主支線生產(chǎn)關(guān)系圖

(1)為保證生產(chǎn)的連續(xù)性，在工位i第一次相遇時(shí)，至少要有α個(gè)B產(chǎn)品，即：

(4)

(2)保證每隔一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍rA，就有α個(gè)B產(chǎn)品進(jìn)入工位i，即：

rA≥αrB

(5)

進(jìn)行求解得：

(6)

(7)

為保障生產(chǎn)的連續(xù)性，支線B生產(chǎn)節(jié)拍需同時(shí)滿足上述條件，即rB=min(rB1,rB2)；另一方面從避免等工和降低緩存的角度出發(fā)，rB不宜選擇過小。通常做法是以滿足式(7)為主，兼顧考慮式(6)，并滿足支線始終保持一定的最低庫存α。

2.4 總體布局

一般流水線可按直線型、U型線、L型線布置，見圖3。在通常情況下，直線型布局物料拉動(dòng)和組織管理最便捷，但對(duì)場地要求較高；U型布局場地利用率高，物料拉動(dòng)和組織管理相對(duì)復(fù)雜。實(shí)際在選擇布局時(shí)還要對(duì)設(shè)備、工藝、廠房等要素綜合考慮。

圖3 流水線總體布局型式

3 艙室單元流水線的構(gòu)建

3.1 生產(chǎn)綱領(lǐng)

生產(chǎn)綱領(lǐng)是指在計(jì)劃期內(nèi)應(yīng)當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量和進(jìn)度計(jì)劃，在規(guī)劃艙室單元流水線產(chǎn)能時(shí)主要以未來經(jīng)營的生產(chǎn)綱領(lǐng)作為重要的考慮因素。表2統(tǒng)計(jì)了不同類型郵輪艙室單元的數(shù)量，其中：上線率指因受到規(guī)格、位置等因素的限制，部分單元無法在流水線上制作而取的折算系數(shù)。假設(shè)某企業(yè)規(guī)劃建造大型豪華郵輪，年需求艙室單元約1 800個(gè)，每年有效工作時(shí)間按300 d、8 h/d計(jì)算，則根據(jù)式(1)可得流水線的設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍為80 min/個(gè)艙室單元。

表2 不同類型郵輪艙室單元數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3.2 生產(chǎn)線平衡

在確定生產(chǎn)節(jié)拍的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以工藝約束為原則、生產(chǎn)平衡性為目標(biāo)規(guī)劃流水線工位。由生產(chǎn)線平衡率式(3)可知，提升生產(chǎn)線平衡的關(guān)鍵在于：在生產(chǎn)節(jié)拍一定的條件下，盡量平衡各工位間作業(yè)時(shí)間與生產(chǎn)節(jié)拍之間的差值。從這一角度出發(fā)，以表1的單元生產(chǎn)工藝統(tǒng)計(jì)結(jié)果為例，可采用以下3種措施進(jìn)行生產(chǎn)線平衡設(shè)計(jì)：

(1)采用流水線模式制作艙室單元。除部分特殊部位的安裝外，大部分工序能夠容許2～4人同時(shí)作業(yè)，因此通過在某道工序配置多人可以調(diào)節(jié)流水線工位標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間，即若在每道工序分配2人同時(shí)作業(yè)，可近似地認(rèn)為在流水線上完成該道工序的時(shí)間減半。

(2)通過調(diào)整工位人數(shù)的方式雖然能滿足生產(chǎn)節(jié)拍，但也容易出現(xiàn)工位生產(chǎn)不飽和的現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中可采用一人多崗生產(chǎn)管理方式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，即部分工位標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)超過目標(biāo)節(jié)拍，由標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)低于目標(biāo)節(jié)拍的工位人員在完成任務(wù)后進(jìn)行協(xié)助，以保證在目標(biāo)節(jié)拍內(nèi)完工。

(3)對(duì)于作業(yè)負(fù)荷較大的工位，還可以運(yùn)用生產(chǎn)支線的理論在流水線邊設(shè)置板材、電氣、通風(fēng)、管件、家具等的預(yù)處理支線，從而減輕主線的生產(chǎn)負(fù)荷。在上述基礎(chǔ)上設(shè)立支線后形成的工位設(shè)計(jì)。

為驗(yàn)證生產(chǎn)線平衡設(shè)計(jì)可行性，利用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件(Plant Simulation)對(duì)艙室單元流水線生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：在滿足產(chǎn)量(生產(chǎn)節(jié)拍)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)僅通過調(diào)整工位人數(shù)方式，人員工作飽和度約為80%；實(shí)行一人多崗或設(shè)置生產(chǎn)支線都能顯著提升人員工作飽和度到95%左右。但在實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)置生產(chǎn)支線的方式便于進(jìn)一步提升產(chǎn)能。

3.3 生產(chǎn)布局和設(shè)施

基于流水線生產(chǎn)節(jié)拍、工位規(guī)劃、產(chǎn)品特征等已知條件，結(jié)合場地資源、投資規(guī)模等因素，進(jìn)行生產(chǎn)布局和設(shè)備選型。如艙室單元物流設(shè)備可采用在汽車行業(yè)廣泛采用的鏈板流水線，方便人員和物料上下線，流水線上方還可以配置輔助工具(行車、定位儀等)方便作業(yè)。艙室單元因體積較大，可選用定制的叉車和貨架。

以直線型流水線布置方式為例，將住艙單元生產(chǎn)車間劃分為流水線制作區(qū)、預(yù)處理區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)3個(gè)主要區(qū)域，其中：流水線制作區(qū)作為車間的核心區(qū)域，以流水線制造模式組織生產(chǎn)，并拉動(dòng)其他兩個(gè)區(qū)域的作業(yè)任務(wù)；預(yù)處理區(qū)按照生產(chǎn)節(jié)奏提前準(zhǔn)備和緩存部分部件；材料存儲(chǔ)區(qū)負(fù)責(zé)原材料的分類存放，并按照生產(chǎn)節(jié)奏及時(shí)配送到指定地點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文對(duì)固定場地上制作艙室優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出采用流水線的模式制作艙室單元，以適應(yīng)大型郵輪對(duì)艙室單元制造的效率要求。在艙室單元生產(chǎn)工藝分析和流水線節(jié)拍理論的基礎(chǔ)上，對(duì)艙室單元流水線制造模式的生產(chǎn)節(jié)拍、平衡性、生產(chǎn)布局等方面進(jìn)行研究，形成了流水線制造模式的規(guī)劃思路，并通過案例展示流水線規(guī)劃方法。本文研究成果對(duì)于流水線制造工藝在船舶艙室單元制造上的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。