基于MTM的汽車焊裝生產(chǎn)線人員優(yōu)化

陳志毅 呂長亮 郭玉芹 王佳新 范增奇

摘要：采用傳統(tǒng)的人員節(jié)拍計算方法通常只能粗略計算工時，與實際結(jié)果相差較大。闡述了方法時間測量（MTM）計算方法原理，通過MTM方法分析，準確計算焊裝線體工人的工作負荷，同時闡述汽車焊裝線體不同料口上件形式并分析優(yōu)缺點。根據(jù)MTM計算結(jié)果，提出對焊裝生產(chǎn)線工人數(shù)量及上件形式的優(yōu)化方案，保證線體工人數(shù)量合理性，提高工廠效率。

關(guān)鍵詞：汽車焊裝線 MTM 上件料口形式 人員優(yōu)化

中圖分類號：U466? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220373

Abstract： Using the traditional personnel beat calculation method usually can only calculate the approximate time， which is quite different from the actual result. This paper elaborated the principle of Methods-Time Measurement （MTM） calculation method， through the MTM analysis， accurate calculation of worders load of the welding line， at the same time introduced different kinds of feeding ports of the automobile welding line and analyzed its advantages and disadvantages. According to the calculation results of MTM， this paper proposed the optimization scheme of the worker number on the welding line and the form of feeding port to ensure the rationality of the workers number and improve the efficiency of the factory.

Key words： Automobile welding line， MTM， Feeding port form， Personnel optimization

1 前言

隨著汽車焊裝生產(chǎn)線的逐步發(fā)展，各大主機廠對成本的控制愈發(fā)嚴格。并且在工業(yè)4.0智慧工廠和無人化工廠概念的推動下，減少線體工作人員，提高人員工作效率成為了各個主機廠的工作要點。相比于傳統(tǒng)的規(guī)劃方式計算，采用更科學(xué)、準確的工時方法計算線體工作人員負荷，并根據(jù)計算結(jié)果制定線體人員數(shù)量和優(yōu)化方案更是大勢所趨。

方法時間測量（Methods-Time Measurement，MTM）是一種在國外企業(yè)廣泛應(yīng)用的工時計算方法，本文將先介紹MTM的基本概念及計算方法，然后分類闡述焊裝線各類料口的上件形式，并以MTM計算法為載體，闡述在汽車焊裝生產(chǎn)線中的人員優(yōu)化方案。

2 MTM基本概念

MTM是指完成某一確定工作所需要的時間取決于所應(yīng)用的方法，即時間是方法的函數(shù)[1]。MTM是一種基本方法，通過把整個動作過程劃分成許多個基本動作，每個基本動作賦予一個時間評價值，時間值受各種影響因素的限制，并將最后得出的時間值稱為標準作業(yè)時間（Standard time）。

MTM廣泛運用于各類制造業(yè)，在發(fā)展的過程中出現(xiàn)了各類過程模塊。應(yīng)用于生產(chǎn)型企業(yè)的MTM過程模塊主要有基礎(chǔ)系統(tǒng)（MTM-1）、通用分析系統(tǒng)（MTM-UAS）、標準數(shù)據(jù)（MTM-SD）、小批量生產(chǎn)測量系統(tǒng)（MTM-MEK）。而針對汽車行業(yè)的特性而言，廣泛使用的是通用分析系統(tǒng)（MTM-UAS）[2]。

MTM-UAS代碼由3部分構(gòu)成（圖1），第1個字母表示代表動作的基本工序，在MTM-UAS中，將此部分標準化，并分為7類，分別是拿起與放置（A）、放置（P）、輔助工具的使用（H）、操作（B）、動作循環(huán)（Z）、身體動作（K）、目控（V），下面將對這7類進行分別詳細的闡述。

拿起與放置（A）定義為用手或手指移向一個或幾個物體，拿住它（們），并接著把它（們）送到一個帶有一定精度的地方。該動作分為2個路程，一個路程為將零件拿起，另一個路程為放置到另外的地點，圖2為詳細圖解。

放置（P）定義為在規(guī)定的精度范圍內(nèi)，把一個或幾個已被手指控制住的物體，放置到下一個確定的地點去，或者是把已被手或手指控制住的輔助工具放到一個額外的使用位置上去。放置只包含一個路程，可以視為拿起與放置（A）的一部分，也適用于其相應(yīng)的標準和圖解。

輔助工具的使用（H）定義為用手或手指拿起一個或幾個輔助工具，把它（們）放到使用位置上，用完之后放下。輔助工具的使用（H）這個模塊包含了對輔助工具的拿起、移動到相應(yīng)位置、放下3個路程（圖3），但不包含使用工具進行具體工作的時間。

操作（B）定義為用手或腳達到對調(diào)節(jié)部件的控制，并完成單一的或符合規(guī)定的調(diào)節(jié)過程。操作（B）模塊只包含一個路程，該模塊也只包含一個單一或復(fù)合的啟動動作，如使用啟動操作桿，曲柄，腳踏板，拍復(fù)位按鈕（圖4）。如果涉及到與接下來的動作相連，就需要考慮使用動作循環(huán)（Z）模塊。

動作循環(huán)（Z）定義為用手、手指或者腳進行的周期性重復(fù)的動作流程。在此動作模塊中，是否使用工具是無關(guān)緊要的，例如在焊裝線體的人工工位，在使用擰緊工具擰緊多顆螺釘（圖5），可以使用動作循環(huán)模塊。

身體動作（K）定義為當身體軸線轉(zhuǎn)動，移動或傾斜對確定的時間有影響時，就應(yīng)考慮的身體動作。在焊裝線料口中，從料箱到上料口往復(fù)的運動就是最基本的轉(zhuǎn)身身體動作（圖6）。

目控（V）定義為用眼睛來進行的檢查過程，以便于作出某一判斷。只有在明文規(guī)定把目控作為一項獨立工作進行時才使用此模塊，如圖7所示。在焊裝線中，人工檢查工位是最典型的目控動作模塊，例如在地板線的MAG焊返修檢查工位、主焊線的激光焊檢查工位。

MTM-UAS第2個字母表示各類影響因素，即動作達成的難易程度，這些影響因素主要包括物體質(zhì)量，難以搬動程度，夠取情況，放置情況和距離范圍。這個字母根據(jù)這5個維度劃分為不同的等級。不同動作模塊所受到的影響因素也不同，在表1有限制條件的對應(yīng)時間關(guān)系。

第3個數(shù)字表示移動的距離，根據(jù)移動的距離不同，分為3類，如表1所示。

在7種標準動作模塊中有5種動作需要額外考慮動作范圍，分別為：拿起和放置（A），放置（P），輔助工具的使用（H），操作（B），動作循環(huán)（Z）。例如：將一個料斗（≤1 kg）拿到20 cm的擋板處，就可以用AA1表示，需要增加第3位的距離范圍。

具體的編碼計算匯總?cè)绫?所示，將MTM-UAS代碼中的3種符號按照不同操作，不同情況所用的工時分別列出。

3 使用MTM-UAS計算法的優(yōu)點

3.1 MTM將人員工時標準化

MTM的符號縮寫定義和判定標準在世界范圍內(nèi)是通用的，有利于各地區(qū)的使用及對標，減少對工作效率評價的主觀判斷過程，使工時標準處于同一水平，保證判定的通用化、標準化。MTM標準時值單位為TMU，1 TMU=0.036 s。根據(jù)模塊化的MTM-UAS代碼，使得前期規(guī)劃可以更快速計算人員工時。

3.2 MTM評價標準有助于線體工藝優(yōu)化

在進行MTM-UAS工時計算之前需要明確工作方法，如行走的距離、搬運的距離等。因此，在應(yīng)用MTM計算法時，工程師在前期必須充分思考和分析，不斷改進和優(yōu)化工作方法，進而優(yōu)化整個線體工藝流程。

3.3 MTM有助于規(guī)范操作者統(tǒng)一性

MTM-UAS工時計算標準及結(jié)果可以被作為操作者的標準工序作業(yè)指導(dǎo)，經(jīng)過統(tǒng)一培訓(xùn)后可使所有的操作者按照標準化流程作業(yè)，有利于生產(chǎn)線培訓(xùn)工作。

4 汽車焊裝線上件料口形式

在汽車焊裝生產(chǎn)線中，線體人員工作負荷主要來源于上件料口，根據(jù)不同上件形式，上件可以分為強制節(jié)拍上件與非強制節(jié)拍上件。強制節(jié)拍上件的含義是指在每個節(jié)拍循環(huán)中，都需要工人在這個料口上件；非強制節(jié)拍上件則與之相反，可以在上件處建立存儲，工人每隔一段時間來上件即可滿足需求。下面分析下各種不同形式的上件優(yōu)缺點。

4.1 人工上件臺

人工上件臺是焊裝線最普遍的上件形式，廣泛應(yīng)用于各種汽車焊裝線（圖8）。

優(yōu)點：適用于所有零件，易于滿足機器人抓取的工藝需求。

缺點：人工上件時需要占用每個工藝節(jié)拍循環(huán)，屬于強制節(jié)拍上件。對于尺寸較大零件，上件臺一次只能上一個零件，對人員負荷很大，一般情況下，每個強制節(jié)拍上件口都需要安排一個工人，便于及時上件。

4.2 轉(zhuǎn)臺形式上件臺

與常規(guī)上件臺的區(qū)別是將上件臺放置到旋轉(zhuǎn)單元上，分為AB面夾具（圖9）。

優(yōu)點：和上件臺一樣，易于滿足機器人抓取的工藝需求，同時由于夾具A面、B面兩側(cè)是完全相同的，機器人在里側(cè)工作時，人工可以在外側(cè)上件，不會影響生產(chǎn)節(jié)拍。

缺點：由于A面、B面兩側(cè)夾具完全相同，夾具的一致性要求相對苛刻，夾具調(diào)試具有一定難度。

4.3 上件抽屜/精定位料車

上件抽屜（圖10），常用于小型零件，或是中型零件，這種上件工藝普遍采用雙料口形式，為非強制節(jié)拍上件。精定位料車（圖11）與上件抽屜類似，同樣普遍采用雙料口形式，區(qū)別在于抽屜在抽出后工裝不脫離定位機構(gòu)，而精定位料車和料口的配合可以隨時將料車從料口中推出來，車型切換時較為方便。

優(yōu)點：不占用生產(chǎn)線節(jié)拍，一般采用疊層的形式，一般每個料口可以放置較多零件，該工位的工人可以兼顧工作。

缺點：由于為疊層形式，當工人放置最底層零件時彎腰幅度會比較大，同時抽屜對零件尺寸要求比較高，尺寸過大的零件不適合使用該種形式。此外，雖然該形式屬于非強制節(jié)拍上件，但依舊存在需要操作者將零件從物流器具轉(zhuǎn)移到抽屜的過程。

4.4 輸送鏈（Buffer）

上件輸送鏈（Buffer）常用于汽車焊裝線體，在上件工位主要有3種形式：水平Buffer（圖12），傾斜Buffer（圖13），立式回轉(zhuǎn)Buffer（圖14），屬于非強制節(jié)拍上件。

優(yōu)點：根據(jù)不同的布局可以采用不同類型Buffer，并設(shè)計對應(yīng)不同上件姿態(tài)的工裝托盤夾具，基本適用于所有形式的白車身零件。

缺點：相較于其它方案，Buffer托盤的回轉(zhuǎn)面積占用地面面積較大。同時buffer為電機驅(qū)動，相對于其它方案成本要高出很多。

4.5 重力滑移機構(gòu)

重力滑移機構(gòu)（圖15）是近兩年在豐田公司低成本自動化中有所應(yīng)用的上件形式，比較適用于白車身中的各種梁件和對稱件。零件通過重力從斜坡上一個接一個地滑落，每一個零件都和后一個零件貼合，并在最后機器人抓件位設(shè)置有定位和夾緊，屬于非強制節(jié)拍上件的一種，圖16是重力滑移機構(gòu)的現(xiàn)場應(yīng)用。

優(yōu)點：存儲的零件數(shù)量非常大，能存儲大約2倍于上件抽屜的零件數(shù)量，同時工人上件不需要彎腰，對操作者非常友好。與Buffer類似，但由于是通過純物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，因此成本較低。

缺點：結(jié)構(gòu)和力學(xué)計算相對復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)試難度極大，需要的調(diào)試周期較長。

4.6 基于3D機械視覺的物流器具直接抓取

基于這些年機械視覺在汽車生產(chǎn)線上的廣泛應(yīng)用，通過機械視覺的輔助，可以實現(xiàn)零件角度為±5°、長度為±70 mm的精度。越來越多直接從物流器具中抓取的情況出現(xiàn)了，通過這種形式，線體旁邊不再需要上件的工人，極大的節(jié)省了線體人員數(shù)量，這也是各類焊裝生產(chǎn)線主要研究的方向。

4.6.1 物流器具料庫

圖17為某合資車企叉車上件料庫，叉車直接將料車放置到料口，并通過兩側(cè)雙滾筒結(jié)構(gòu)推入料口內(nèi)部，在料口內(nèi)側(cè)到位位置設(shè)有定位銷，通過和物流器具配合后，采用舉升機構(gòu)將器具舉起，里側(cè)機器人通過機器人視覺找正精度，實現(xiàn)精確抓取。圖18為該料庫現(xiàn)場應(yīng)用。

優(yōu)點：由于是用物流器具直接在線體料口上件，不需要額外導(dǎo)件工作，因此該種形式不需要線體工作人員，由物流轉(zhuǎn)運人員完成即可。

缺點：物流器具精度較低，采用該種形式的上件方式需要配備視覺系統(tǒng)輔助抓件，對線體工藝節(jié)拍有一定要求。此外，該料口適用于中型以上零件，太小零件不適合該種方式。

4.6.2 無序抓取

無序抓取是在傳統(tǒng)3D視覺基礎(chǔ)上，更進一步的視覺抓取技術(shù)。傳統(tǒng)料箱中，零件是按照既定順序擺放，即有序擺放。而在無序凌亂的料箱中，需要通過機器人視覺技術(shù)，計算料箱中可以抓取的零件位置以及抓取順序進而準確抓取。該工藝近些年在焊裝線上逐漸應(yīng)用，對零件類型要求種類非常苛刻，并非所有的零件都適合無序抓取。圖19為某合資車企側(cè)圍內(nèi)板零件的無序抓取抓手設(shè)計，機器人通過磁力吸盤和3D視覺計算將零件從料箱中取出，視覺系統(tǒng)攝像頭采用龍門架形式放置在料箱上固定端，每次抓取前對零件進行拍照（圖20）。

優(yōu)點：可以最大程度減少線體工作人員。

缺點：對零件外型及在器具中的放置形式要求極高，并非所有零件都能實現(xiàn)無序抓取，需要根據(jù)不同情況具體分析。零件外型規(guī)整，尺寸相對較小的零件，比較容易實現(xiàn)。

5 MTM-UAS在汽車焊裝線體上的應(yīng)用

汽車焊裝生產(chǎn)線中，MTM-UAS可用來計算線體料口上件人員的工時，并根據(jù)節(jié)拍計算出該人員的實際勞動負荷。根據(jù)勞動負荷及工藝布局，制定工藝優(yōu)化方案及線體減人方案，下面將圍繞幾種基于MTM計算結(jié)果的方案及案例進行詳細闡述。

5.1 強制節(jié)拍上件口改造成非強制節(jié)拍上件

將強制節(jié)拍上件口改為非強制節(jié)拍上件是生產(chǎn)線人員優(yōu)化最常見的手段，通過一次性上多個零件，實現(xiàn)由“一人一口”改為“一人多口”。

以某合資車企節(jié)拍為55 JPH前地板自動線為例，原線體方案中，圖21中3個上件料口由2個工人完成：第1個工人負責完成1號料口的手動涂膠上件工作；第2個工人負責完成2號料口和3號料口的純上件工作。由于3個料口都是強制節(jié)拍上件的上件臺，限制了線體工人數(shù)量。圖22、圖23為這2個工人的勞動負荷MTM計算。

經(jīng)過對這2個工人的MTM計算分析（圖22、圖23）可以看出，由于3個料口都采用強制節(jié)拍上件，第2個工人的工作負荷高，第1個工人的負荷雖有余量，但由于該工位形成了一個孤島，也無法法分擔其它工位負荷，工藝設(shè)置并不合理。

最佳的的解決方案就是將現(xiàn)有的3個料口均改成非強制節(jié)拍料口，同時根據(jù)MTM計算結(jié)果分析，第1個工人的工作量中，手動涂膠的工作量占用了14 s，約占工作量的40%，那么改進方案就隨之而出：

a.通過將3個上件口改為立式回轉(zhuǎn)Buffer上件，由強制節(jié)拍上件改為非強制節(jié)拍上件。

b.通過將手動涂膠改為自動涂膠，降低工人負荷。

從工人來講，通過改造后可以實現(xiàn)將2名工人合并成1名工人。改造后的方案和MTM計算如圖24和圖25所示，經(jīng)計算，工人工作負荷為84%，經(jīng)過現(xiàn)場模擬，可以滿足一個線體工人工作的實際要求，為線體節(jié)省了1名工人。

從物流方案上來講，由于料口的位置未發(fā)生變化，對物流輸送沒有過多的影響。

從設(shè)備及人工成本上來講，優(yōu)化后增加了3套立式回轉(zhuǎn)Buffer設(shè)備，一套自動涂膠設(shè)備。車間上件人員工時費用為85.26 元/h，以目前熱銷車型每天10 h+10 h的生產(chǎn)工時，每年生產(chǎn)250天，生產(chǎn)6年（單車型生產(chǎn)周期）計算，工時費用為255.7 8萬元，表3為優(yōu)化前后成本對比?？梢钥吹?，增加一名車間操作工人的成本遠遠大于線體增加的設(shè)備成本。

此處線體通過合理增加設(shè)備，減少了一名線體工人，同時降低了成本，提高了人員利用率。

5.2 通過將人工料口改造成物流器具料口

減少生產(chǎn)線人員的第2種思路是通過將部分人工上件料口改為物流器具的料庫。通過物流人員直接將物流器具送入料口，線體機器人輔以視覺系統(tǒng)抓件，省去了線體人員從物流器具將零件轉(zhuǎn)移到上件臺的過程，直接實現(xiàn)線體人員數(shù)量的優(yōu)化。

以某合資車企節(jié)拍為55 JPH后地板面板自動線為例，原線體方案中，圖26中2個上件工位均為強制節(jié)拍上件，每個料口各需要一個工人。雖然都是單純的上件工藝，由于后地板面板的零件質(zhì)量較大，上件數(shù)量較多，因此需要的上件時間較長。這導(dǎo)致2個料口的工作沒辦法合并成一個工人完成，而單獨設(shè)置操作人員的勞動負荷又很低，工藝設(shè)置不合理，圖27、圖28是2名工人的MTM計算結(jié)果。

通過對零件的分析，后地板鍋蓋的零件非常適合通過物流器具直接輸送，然后通過增加視覺系統(tǒng)輔助，由物流人員直接上到料庫。由此，通過將2號料口改成物流器具料庫，可以直接減少一名線體工人。同時，由于物流器具料庫需要的調(diào)試周期相對較長，該線體依舊保留原來的2號臨時上件口，可用于調(diào)試期間內(nèi)的臨時生產(chǎn)，如圖29。

從線體人員上來講，通過改造后可以將原線體2名操作工人的工作量優(yōu)化成一名操作工人的工作量，為線體減少了一個常駐上件人員。

從物流方案上來講，此處物流輸送和改造前產(chǎn)生了一些變化。改造前物流人員只需要將器具通過叉車輸送到線邊即可；但改造后需要將后地板鍋蓋的物流器具直接送入物流器具料口，如下圖30。

從成本上來講，改造增加了一套物流器具料庫，20套物流器具，卻直接減少了一個線體上件工人，成本對比如表4，對線體工藝方案是極大的優(yōu)化。

6 結(jié)束語

隨著以及機械視覺，各種自動化傳輸?shù)闹鸩桨l(fā)展，汽車焊裝線的人員數(shù)量優(yōu)化逐漸成為各大主機廠的核心工作。通過MTM計算，可以清晰地看出人員實際勞動負荷，為規(guī)劃工作提供了準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)計算結(jié)果，可以分析出工藝方案優(yōu)化的瓶頸點，使企業(yè)生產(chǎn)線規(guī)劃處于正確的方向。

參考文獻：

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