運用約束理論進行汽車焊裝生產(chǎn)線瓶頸工序改善研究

趙帥，王樸，王欣

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 研究背景

2010年以來，汽車消費需求迅猛增加，市場需求擴大促使制造廠商不斷提升制造產(chǎn)能，產(chǎn)能提升需要不斷引進新的生產(chǎn)設(shè)備，但持續(xù)的設(shè)備引進會增加企業(yè)的運營成本，如何解決產(chǎn)能提升同成本降低的矛盾，通過最小的成本投入，實現(xiàn)最大的產(chǎn)能輸出對于提升企業(yè)的競爭能力至關(guān)重要。相對于增加新設(shè)備及廠房用于擴充產(chǎn)能，基于原有生產(chǎn)線技術(shù)改造是一種更為經(jīng)濟有效的手段。基于原有生產(chǎn)線改造可以通過較低的經(jīng)濟成本，較短的停產(chǎn)窗口期，在滿足當前產(chǎn)量需求的前提下實現(xiàn)產(chǎn)能提升。對原有生產(chǎn)線進行改造擴能需要運用精益生產(chǎn)的思想，結(jié)合約束理論的方法對工藝平衡、工藝邏輯進行深入探討研究，通過瓶頸分析，優(yōu)化均衡使其適應(yīng)產(chǎn)能最大化的要求。

奔馳MRA焊裝車間是北京奔馳汽車有限公司單一產(chǎn)能最大的車間，車間主要進行車身金屬鈑金零部件的拼接工藝，包括焊接、鉚接、涂膠及螺接等制造工藝，車間設(shè)備種類繁多、工藝邏輯復(fù)雜、自動化程度高。

本文擬以焊裝車間AS61車身總拼內(nèi)板生產(chǎn)線為例，從精益生產(chǎn)角度出發(fā)，基于Iportal系統(tǒng)(奔馳公司生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng))進行產(chǎn)能及節(jié)拍數(shù)據(jù)分析，運用約束理論部分內(nèi)容找出制約生產(chǎn)線節(jié)拍的關(guān)鍵因素。結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)及設(shè)備運行狀態(tài)，對現(xiàn)有瓶頸區(qū)域工藝制造邏輯進行優(yōu)化改善，提高車間產(chǎn)能、降低企業(yè)成本、提升車間整體經(jīng)濟效益。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 約束理論的概念

約束理論（TOC）又稱為制約理論或瓶頸理論，是由以色列物理學(xué)家高德拉特博士在1987年基于優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)（OPT）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的管理理論。TOC理論的目的是要找出各種條件下生產(chǎn)的內(nèi)在規(guī)律，提供科學(xué)有效的方法，最終解決在生產(chǎn)過程中遇到的問題。TOC 技術(shù)在項目管理領(lǐng)域，特別是項目進度的管理中發(fā)揮巨大作用。

2.2 約束理論基本原理

TOC理論源于局部的最優(yōu)并不是全局最優(yōu)以及優(yōu)化，是一個不斷改進的過程的思想。約束理論認為，每個項目都存在約束，有約束就意味著存在改進的空間，制約系統(tǒng)的因素不是系統(tǒng)中的全部資源，而只是其中某些“短板”資源?？梢酝ㄟ^改善約束（即瓶頸）改進新的約束環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的效率，增加產(chǎn)能。

2.3 約束理論的應(yīng)用步驟

TOC理論極力改善了企業(yè)生產(chǎn)管理的思路，將管理者關(guān)注的重點轉(zhuǎn)移到了有資源約束的部分，從整個系統(tǒng)角度出發(fā)，避免了過去毫無針對性的對所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐一優(yōu)化的過程。而在實際的項目中，約束不會只有1個，也不會固定出現(xiàn)在某一個環(huán)節(jié)，必須要確定重點，分清主次，著重解決瓶頸工作。約束理論的實現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖1 AS61焊裝車間總拼內(nèi)板生產(chǎn)線工藝布局圖

圖2 約束理論實現(xiàn)步驟

3 問題的提出與分析

3.1 問題提出

焊裝車間總拼內(nèi)板生產(chǎn)線為線體運行關(guān)鍵區(qū)域，區(qū)域主要工藝為車架側(cè)圍內(nèi)板同車架底板拼接合成。該區(qū)域主要包含前縱梁零部件拼合及電阻焊接，側(cè)圍內(nèi)板涂膠粘接，側(cè)圍內(nèi)板同底板機械搭扣拼合，側(cè)圍內(nèi)板同底板定位工裝拼合及電阻焊接等工藝工位，每個工位由多道作業(yè)工序組成，每個工位作業(yè)任務(wù)由多臺自動機器人完成，每個工位具體工藝如圖3所示。

圖3 焊裝車間總拼內(nèi)板生產(chǎn)線工藝

約束理論認為，對于整條生產(chǎn)線來說，生產(chǎn)線中最薄弱的環(huán)節(jié)即關(guān)鍵制約因素，也就是瓶頸工位。瓶頸工位的產(chǎn)出數(shù)量對于整條生產(chǎn)線的產(chǎn)出起到?jīng)Q定性作用。所以基于原有生產(chǎn)線改造擴能首先需挖掘出線體瓶頸。

計算生產(chǎn)線的理論加工周期：

通過Iportal制造執(zhí)行系統(tǒng)收集月內(nèi)生產(chǎn)線各工位實際加工周期的中位數(shù)，經(jīng)過生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的采集與分析，基于工位的有效輸出節(jié)拍進行分析計算，識別確定拼裝生產(chǎn)線的瓶頸工位，經(jīng)計算及統(tǒng)計各工位的實際及理論加工周期如表1所示。

表1 各工位的實際及理論加工周期統(tǒng)計表

表1 （續(xù)）各工位的實際及理論加工周期統(tǒng)計表

通過對拼裝生產(chǎn)線各工位實際及理論加工周期計算統(tǒng)計，繪制生產(chǎn)線工位平衡墻，對平衡墻進行對比分析，識別瓶頸工位，并根據(jù)理論公式計算該裝配線的平衡率現(xiàn)狀。

根據(jù)工位平衡墻分析，如圖4所示，影響AS61生產(chǎn)線整體輸出的瓶頸工位為ST050工位，目前瓶頸工位節(jié)拍中位數(shù)為56.1S，嚴重限制整線產(chǎn)能輸出。由此，基于原有生產(chǎn)線進行擴能改造，需要對瓶頸工位ST050整體工藝進行分析優(yōu)化及解決。

圖4 拼裝線AS61實際加工周期

該工位整體工藝流程為車身側(cè)圍內(nèi)板外部抓取、側(cè)圍內(nèi)板工裝臺定位涂膠及工件轉(zhuǎn)運至ST060與車身搭扣拼合，工位包含4臺抓放件機器人，4臺涂膠機器人及4臺外部銜接轉(zhuǎn)運的抓放件機器人，工藝邏輯復(fù)雜，項目外部調(diào)試需花費高額調(diào)試費用及時間成本。

3.2 抓手機器人026RB_100抓件啟動邏輯分析

抓手機器人026RB_100由A車型切換B車型時的抓件啟動邏輯為B車型到達ST030工位且ST040工位焊接工藝完成。當ST050或ST060無車空位狀態(tài)下，B車型將從ST030直接傳輸?shù)絊T050（B車型在ST040無焊接工藝，僅進行傳車工藝），從ST040到ST050傳車時間約6s，機器人026RB_100抓放件時間約43s，機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件時間約7s，機器人050RB_800在此過程中將產(chǎn)生約44s的節(jié)拍等待，造成ST050工位整體節(jié)拍變慢。

圖5 抓件啟動邏輯節(jié)拍損失分析

3.3 機器人050RB_700及800抓件啟動邏輯分析（以050RB_800為例）

抓手機器人050RB_800需等待涂膠機器人050RB_200及050RB_400涂膠檢測合格后啟動前往工裝胎040ABS222上執(zhí)行抓件動作，抓手機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件到工裝胎050GST112放件過程時間相對于抓手機器人050RB_600從工裝胎050GST112取件時間多出8s，該過程每次均會導(dǎo)致工裝胎050GST112等待抓手機器人050RB_800放件，造成節(jié)拍的8s等待損失。

圖6 抓件機器人050RB_800抓件邏輯節(jié)拍損失分析

4 問題解決

4.1 抓手機器人026RB_100抓件啟動邏輯優(yōu)化

優(yōu)化抓件機器人026RB_100抓件啟動邏輯，將B車型到達ST030工位同時ST040工位工藝完成后啟動026RB_100機器人抓放件程序邏輯優(yōu)化為當B車型到達ST030工位后開始啟動026RB_100抓放件時序，由此可在車型切換且后續(xù)工位缺件狀態(tài)下減少44s的上料等待。

4.2 機器人050RB_700及800抓件啟動邏輯優(yōu)化（以050RB_800為例）

基于后續(xù)工藝邏輯存在涂膠檢測判斷程序，取消當前工藝涂膠檢測判斷，增加提前啟動邏輯，當ST040同ST050車型一致條件下，在涂膠機器人050RB_200及050RB_400涂膠過程中提前啟動機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件，減少等待時間浪費，提升線體運行節(jié)拍約8s。

原抓件機器人050RB_800啟動邏輯條件為機器人050RB_700、工裝胎050GST111及抓手機器人050RB500或060RB100 3個設(shè)備最多同時存在2個工件（本文簡稱：“1+1”模式），通過對啟動邏輯條件優(yōu)化，將抓件啟動邏輯更改為抓件機器人050RB_800啟動邏輯條件為抓件機器人050RB_700、工裝胎050GST111及抓件機器人050RB500或060RB100 3個設(shè)備可以同時存在3個工件（簡稱：“1+1+1”模式），優(yōu)化邏輯結(jié)果如表2所示。

表2 抓手機器人抓件邏輯優(yōu)化

5 研究意義

本文以焊裝車間生產(chǎn)線為研究對象，從精益生產(chǎn)的角度出發(fā)，運用約束理論部分內(nèi)容及線平衡方法識別影響生產(chǎn)線節(jié)拍的關(guān)鍵因素。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際及設(shè)備運行狀態(tài)，主動識別線體瓶頸，針對瓶頸工位分析制定改善方案，通過要因確認、改善加工工藝，提升瓶頸工位的最大產(chǎn)能和生產(chǎn)效率，消除線體瓶頸，提升區(qū)域產(chǎn)能。

5.1 理論意義

（1）本文利用現(xiàn)有資源進行生產(chǎn)線改造，主動識別線體瓶頸，有效提升拼裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)產(chǎn)能、制造效率及設(shè)備利用率。對今后焊裝生產(chǎn)線改造擴能具有一定的借鑒意義和參考價值。（2）本文改造方法中將區(qū)域多車型抓放件原“1+1”提前啟動抓件模式邏輯優(yōu)化為“1+1+1”模式，在不增加硬件成本情況下通過邏輯優(yōu)化提升線體運行速度。（3）本文的研究思路、創(chuàng)新點和小投入大產(chǎn)出的效果對其他項目具有重要的參考及啟發(fā)意義，充分利用停線、停產(chǎn)等時間在小投入情況下進行設(shè)備改造及節(jié)拍優(yōu)化，時間效率大幅提高，為后續(xù)節(jié)拍優(yōu)化與產(chǎn)能提升積累了豐富的改造經(jīng)驗。

5.2 實踐意義

（1）通過本次瓶頸識別及線體改造，ST050瓶頸工位節(jié)拍降低2.3s，AS61區(qū)域線速整體提升1s，整線單日可多產(chǎn)出15輛車，單日可多增加產(chǎn)值約500萬元。（2）在生產(chǎn)期間充分利用部門內(nèi)部技術(shù)資源進行設(shè)備改造，在無外部資源支持下開展設(shè)備改造及調(diào)試，大幅度降低設(shè)備改造成本支出，可節(jié)省人員調(diào)試費用4萬元，每年可節(jié)省直產(chǎn)人員工時成本約6萬元，在低成本條件下進行產(chǎn)能提升，進而提升經(jīng)濟效益。（3）本次改造利用車型切換間隙在線進行邏輯程序編輯及測試，降低程序調(diào)試對停產(chǎn)時間的依賴，為日后的設(shè)備提產(chǎn)改造模式積累調(diào)試經(jīng)驗。