程曉蒙 程潔云

(①鴻富晉精密工業(yè)(太原)有限公司，山西 太原 030032;②蘇州工業(yè)園區(qū)思達(dá)德機(jī)械自控有限公司，江蘇蘇州 215126)

1 IE有效提升企業(yè)競爭力

隨著市場競爭的不斷加劇，企業(yè)在資金、產(chǎn)能、質(zhì)量、交期、成本及人力等方面，面臨著巨大的壓力。實(shí)際生產(chǎn)過程中存在的諸多問題，導(dǎo)致產(chǎn)能低下，質(zhì)量不穩(wěn)定，人力成本較高，人員流失嚴(yán)重等影響企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的狀況時(shí)有發(fā)生，使得企業(yè)難以滿足更高的市場競爭要求。企業(yè)不能單靠增加設(shè)備、人力，更不能單純靠加班來滿足客戶要求，而應(yīng)當(dāng)靠科學(xué)的管理方法來挖掘其潛力，IE所提供的就是科學(xué)的管理方法。

通過利用IE的工作研究等分析方法，深入企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)中，提出、分析并協(xié)調(diào)解決生產(chǎn)活動(dòng)中存在的，阻礙企業(yè)市場競爭力提高的一系列問題，以提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平，適應(yīng)市場發(fā)展需求。本文對CNC機(jī)床的生產(chǎn)加工過程進(jìn)行了大量的IE調(diào)研分析，提出并實(shí)施了自動(dòng)化解決方案，最終取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

2 CNC機(jī)床生產(chǎn)加工中的影響因素

CNC機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中，無需人工干預(yù)，從而提高了人機(jī)配比率，降低加工成本和人力需求，提高生產(chǎn)適應(yīng)性及生產(chǎn)附加值。然而，CNC機(jī)床傳統(tǒng)人工操作管理的生產(chǎn)方式，仍然受到現(xiàn)有工藝技術(shù)條件、生產(chǎn)管理方式、生產(chǎn)人員素質(zhì)和科技水平等方面的限制，無法獨(dú)立、徹底解決生產(chǎn)中存在的諸多問題。通過生產(chǎn)調(diào)研分析，了解到影響CNC機(jī)床加工成本、產(chǎn)能及品質(zhì)的主要因素有，加工工藝、刀具壽命、人員素質(zhì)、生產(chǎn)管理、車間生產(chǎn)環(huán)境、車間物流及生產(chǎn)布局等方面。這些因素之間相互影響，導(dǎo)致CNC機(jī)床在生產(chǎn)過程中無法發(fā)揮其應(yīng)有的潛能。

3 CNC機(jī)床加工過程中的IE工作研究

IE的工作研究是一項(xiàng)行之有效的、挖掘生產(chǎn)潛力的管理技術(shù)，是深入了解生產(chǎn)加工過程的較好的工作方法。目前企業(yè)的生產(chǎn)管理仍多停留在經(jīng)驗(yàn)管理的階段，通過IE的工作研究，對CNC機(jī)床的生產(chǎn)加工過程開展深入細(xì)致的生產(chǎn)調(diào)研，提出精益的動(dòng)作時(shí)間要求，以及自動(dòng)化解決方案，從而發(fā)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部管理、工藝方法、自動(dòng)化應(yīng)用等方面存在的較大的改善、創(chuàng)新及應(yīng)用的空間。通過改善，最終可提高CNC機(jī)床的生產(chǎn)效率，降低人力需求。

如圖1所示，IE對CNC機(jī)床進(jìn)行工作研究的重點(diǎn)是分析研究人機(jī)操作動(dòng)作時(shí)間，以及生產(chǎn)現(xiàn)狀，各流程中存在的不合理、浪費(fèi)的環(huán)節(jié)，并全面分析各環(huán)節(jié)影響因素，找出最佳解決方案。其主要研究內(nèi)容有:CNC機(jī)床生產(chǎn)加工周期(CT);加工工藝優(yōu)化分析;主軸動(dòng)作時(shí)間優(yōu)化;車間生產(chǎn)管理方式;人機(jī)(CNC)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間動(dòng)作分析;產(chǎn)品加工異常統(tǒng)計(jì)分析及檢驗(yàn)制程優(yōu)化分析;工序物流及時(shí)性統(tǒng)計(jì)分析;車間生產(chǎn)布局優(yōu)化分析;生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境對人員及產(chǎn)品質(zhì)量的影響等等。

4 IE的生產(chǎn)開發(fā)應(yīng)用流程

IE的生產(chǎn)開發(fā)過程，既是將生產(chǎn)與開發(fā)緊密結(jié)合起來，使之實(shí)現(xiàn)橋梁和紐帶的作用，也是企業(yè)生產(chǎn)持續(xù)改善、不斷提高的過程(圖2)。IE在生產(chǎn)開發(fā)過程中，通過生產(chǎn)調(diào)研，工作研究分析，對生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)提出優(yōu)化改善方案，從而取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

通過明確的生產(chǎn)開發(fā)流程，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題、積累經(jīng)驗(yàn)和不斷提高企業(yè)經(jīng)營水平，形成有機(jī)的螺旋式循環(huán)上升過程，從而使IE更好地服務(wù)于企業(yè)經(jīng)營生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造出最大化的利潤。

5 IE在生產(chǎn)管理方式中的改善應(yīng)用

IE在了解生產(chǎn)過程中的“浪費(fèi)”環(huán)節(jié)時(shí)，重點(diǎn)對生產(chǎn)管理方面進(jìn)行了研究分析，以提高生產(chǎn)效率。

(1)在產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)中，應(yīng)提高產(chǎn)品CNC機(jī)床加工工序的合理性、快捷性。減少產(chǎn)品的裝夾次數(shù)，以縮短加工CT，提高加工效率及加工質(zhì)量，使產(chǎn)品在各加工工序“流動(dòng)”速度更快;

(2)優(yōu)化CNC機(jī)床主軸的動(dòng)作時(shí)間參數(shù)設(shè)置，以縮短主軸加工時(shí)間;

(3)提升刀具的使用壽命，降低因刀具的磨損、異常等狀況，導(dǎo)致品質(zhì)異常、生產(chǎn)中斷的發(fā)生。統(tǒng)計(jì)并分析刀具壽命，作好應(yīng)急預(yù)案，確保生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行;

(4)提高生產(chǎn)人員的技術(shù)水平及職業(yè)素質(zhì)，充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，使其積極主動(dòng)地融入到生產(chǎn)活動(dòng)中，保證生產(chǎn)穩(wěn)定、快速運(yùn)行。

(5)真正建立完善“以人為本”的精益生產(chǎn)管理機(jī)制，不斷提高生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，完善薪酬、晉升、技能提升等管理辦法，增強(qiáng)企業(yè)的凝聚力和穩(wěn)定性;

(6)車間物流管理及生產(chǎn)布局設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，使車間生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行更順暢。

通過IE的生產(chǎn)管理方式改善，使以人、機(jī)、環(huán)境、管理方式等構(gòu)成的“車間生態(tài)系統(tǒng)”，更加和諧、有效地在科學(xué)的管理方式中，運(yùn)行得更加平穩(wěn)、有序、健康。

6 IE在自動(dòng)化開發(fā)及其生產(chǎn)應(yīng)用

CNC機(jī)床生產(chǎn)自動(dòng)化是指物流、加工、檢測和信息系統(tǒng)等的自動(dòng)化。CNC機(jī)床的自動(dòng)化實(shí)施的過程實(shí)際上是對產(chǎn)品加工流程的自動(dòng)化管理過程。自動(dòng)化在CNC機(jī)床產(chǎn)品生產(chǎn)加工中的開發(fā)與應(yīng)用，不僅有利于提高生產(chǎn)效率，降低人力需求，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也有益于精益生產(chǎn)管理，提升企業(yè)整體水平及形象。

IE在CNC機(jī)床生產(chǎn)自動(dòng)化開發(fā)過程，對于問題提出、分析評估、方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)推動(dòng)、持續(xù)改善等環(huán)節(jié)，都發(fā)揮了極為重要的作用。以下為IE在CNC機(jī)床生產(chǎn)自動(dòng)化開發(fā)的幾個(gè)應(yīng)用案例，這些應(yīng)用案例目前都較好地在CNC機(jī)床的生產(chǎn)中發(fā)揮著作用。

(1)“一拖八”柔性加工系統(tǒng)(FMS)在CNC機(jī)床加工中的應(yīng)用

CNC機(jī)床的自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用不局限于刀具的自動(dòng)交換以及數(shù)控自動(dòng)加工等方面的實(shí)現(xiàn)，而是趨向于建立成組化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的自動(dòng)化系統(tǒng)。將若干臺CNC機(jī)床集成到復(fù)雜的生產(chǎn)線上，形成柔性化的“數(shù)字生產(chǎn)加工系統(tǒng)”。CNC機(jī)床“一拖八”柔性加工系統(tǒng)(圖3)，就是在IE工作研究的基礎(chǔ)上提出方案，并付諸實(shí)施的。該系統(tǒng)既滿足了系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)也可以在柔性系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，人工單機(jī)CNC機(jī)床作業(yè)，有效避免了生產(chǎn)中斷的影響。

“一拖八”柔性加工系統(tǒng)在CNC機(jī)床生產(chǎn)中的應(yīng)用在文獻(xiàn)［3］中有較詳細(xì)的介紹。該柔性加工系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線加工方式，通過一臺固定在自動(dòng)移動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV)上的機(jī)器人，完成在8臺CNC機(jī)床之間的取放工件的自動(dòng)循環(huán)加工過程。實(shí)現(xiàn)了多品種、小批量的柔性生產(chǎn)，適應(yīng)于相似工藝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)品加工，對于企業(yè)快速生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，適應(yīng)市場需求提供了有力保證。

通過對CNC機(jī)床及其操作者進(jìn)行IE時(shí)間動(dòng)作分析，根據(jù)CNC機(jī)床所加工產(chǎn)品的CT時(shí)間，確定并開發(fā)“一拖N”機(jī)器人柔性加工系統(tǒng)方案。從而由機(jī)器人代替人工完成自動(dòng)取放料、自動(dòng)開關(guān)門、物流程控以及異常監(jiān)控等動(dòng)作，完成對CNC機(jī)床的輔助加工過程。車間只有物流人員及系統(tǒng)監(jiān)控人員，上百臺CNC機(jī)床，只有不到10個(gè)人在“照看”，而且人工勞動(dòng)強(qiáng)度較低，產(chǎn)能提高了約10% ～25%，節(jié)省了大量的人力(約50% ～60%)。該“一拖八”柔性加工系統(tǒng)確保了CNC機(jī)床主軸的加工連續(xù)性，提升機(jī)加車間的少人化、無人化的應(yīng)用水平。

“一拖八”柔性加工系統(tǒng)，對產(chǎn)品加工工藝的穩(wěn)定性，以及車間生產(chǎn)管理、生產(chǎn)布局和物流系統(tǒng)等方面的科學(xué)性、合理性都提出了較高的要求，同時(shí)對人員素質(zhì)，尤其是及時(shí)性(JIT)等要求較高。只有在滿足生產(chǎn)各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮柔性生產(chǎn)系統(tǒng)(FMS)的優(yōu)勢，才能真正提升 CNC機(jī)床的產(chǎn)能，從而實(shí)現(xiàn)少人化，乃至無人化的生產(chǎn)加工過程。

(2)精密數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)在CNC機(jī)床生產(chǎn)中的應(yīng)用

產(chǎn)品的CNC機(jī)床加工過程，傳統(tǒng)的做法是通過確定被加工產(chǎn)品的加工面，來準(zhǔn)備夾具的種類及數(shù)量的。夾具的投入量較大，加工工序較多，人工裝拆環(huán)節(jié)較多，因此，被加工產(chǎn)品精度不容易保證，加工周期較長。一旦某一臺CNC機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，整條生產(chǎn)線都得受影響。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更時(shí)，還需重新制做夾具，投入費(fèi)用較高。

通過IE對CNC機(jī)床加工過程的動(dòng)作時(shí)間研究及分析影響因素后，提出、開發(fā)并應(yīng)用了數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺，以配合CNC機(jī)床的加工，從而提高CNC機(jī)床主軸的利用率，降低主軸空行程動(dòng)作，減少其他的輔助動(dòng)作時(shí)間。

該數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)，用于精確地控制被加工產(chǎn)品與CNC機(jī)床主軸之間的加工角度，配合CNC機(jī)床主軸進(jìn)行精確轉(zhuǎn)動(dòng)，完成產(chǎn)品在各種角度下的加工要求，使得CNC機(jī)床的加工能力得以延伸。產(chǎn)品通過該機(jī)構(gòu)一次裝夾后，配合CNC機(jī)床主軸，精確旋轉(zhuǎn)，完成多工序的復(fù)合加工，使產(chǎn)品真正實(shí)現(xiàn)了一次裝夾，全面加工。真正做到了以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的無人化、自動(dòng)化的復(fù)合多軸CNC機(jī)床加工方式，大幅度節(jié)省了CNC機(jī)床刀庫換刀及調(diào)機(jī)等輔助動(dòng)作所需的時(shí)間。

數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以實(shí)現(xiàn)1 s內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，CNC機(jī)床刀庫自動(dòng)換刀需要3 s，因此在CNC機(jī)床程序優(yōu)化的條件下，改變加工方式，增加該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻次，配合主軸加工，以減少刀具換刀次數(shù)，最終可縮短產(chǎn)品10% ～20%的加工CT時(shí)間，從而提高產(chǎn)能。

目前數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺已大量地應(yīng)用在CNC機(jī)床批量產(chǎn)品生產(chǎn)加工中。IE在此設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用過程中，發(fā)揮了不可替代的作用，通過IE工作研究及分析，指出生產(chǎn)瓶頸問題，提出解決方案，并投入生產(chǎn)應(yīng)用。通過該機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，IE徹底改變了CNC機(jī)床的傳統(tǒng)加工方式，有效提高了加工效率，提高了產(chǎn)品加工質(zhì)量和穩(wěn)定性，降低了成本，并且提高了CNC機(jī)床的加工柔性，適用于各種產(chǎn)品的一次裝夾后的數(shù)控加工需求。

(3)雙托板式CNC機(jī)床工件供料系統(tǒng)

雙托板式雙向供料方式在CNC機(jī)床上的應(yīng)用，也是IE在研究了CNC機(jī)床主軸加工時(shí)間動(dòng)作及其利用率后，提出的一種提高生產(chǎn)效率的作業(yè)方式。該系統(tǒng)完成了已加工成品的出料和待加工品進(jìn)料的同步循環(huán)動(dòng)作，可有效地減少CNC機(jī)床在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中，在安裝待加工工件和拆卸已加工工件時(shí)的無附加價(jià)值的“非切削加工”時(shí)間。雙托板供料系統(tǒng)，通過已加工工件的被取出，同時(shí)待加工工件的換入的循環(huán)往復(fù)過程，有效減少了工件交換時(shí)間，提高了CNC機(jī)床主軸利用率。

對于任何形式的工件交換系統(tǒng)，改善主軸利用率，減少“非切削加工”時(shí)間是其主要的目標(biāo)。通過雙托板式CNC機(jī)床工件供料系統(tǒng)，可有效提升主軸利用率達(dá)25% ～35%，同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品加工CT時(shí)間，可以節(jié)省近50%的人力需求。

(4)CNC機(jī)床成組技術(shù)的應(yīng)用

通過IE的生產(chǎn)調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)某產(chǎn)品在CNC機(jī)床上進(jìn)行單件生產(chǎn)加工時(shí)，主軸的進(jìn)給、抬刀等無附加價(jià)值的“非切削加工”的時(shí)間動(dòng)作較多，而且人工開關(guān)門，取放料所占的時(shí)間比例較大。經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，以及人工及時(shí)性提高后，CNC機(jī)床的加工效率和資金利用率仍存在較大提升空間。此外，在生產(chǎn)管理過程中，工件在各工序之間往返穿梭，不僅周期長，而且增加了等待時(shí)間，導(dǎo)致產(chǎn)能較低，生產(chǎn)成本高等情形頻繁出現(xiàn)。

利用成組加工技術(shù)，結(jié)合相似零件(結(jié)構(gòu)、工藝)，設(shè)計(jì)成組加工工藝及夾具，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成組化的生產(chǎn)布局、產(chǎn)能配置和生產(chǎn)管理要求等過程，從而完成從成組設(shè)計(jì)、制造到管理等一系列的生產(chǎn)和管理環(huán)節(jié)。最終用擴(kuò)大了的成組批量生產(chǎn)方式，來減少加工時(shí)間浪費(fèi)和中間環(huán)節(jié)，提高CNC機(jī)床的生產(chǎn)效率。

成組加工方式在某產(chǎn)品的生產(chǎn)中得到了較好的應(yīng)用。將外形尺寸相近，工藝完全相同的3件產(chǎn)品進(jìn)行成組工藝及其夾具設(shè)計(jì)。利用1套工裝夾具，在1次裝夾定位后，完成這3件產(chǎn)品的連續(xù)加工過程。同時(shí)，在CNC機(jī)床工作平臺上，設(shè)計(jì)雙工位、多工位的生產(chǎn)加工方式，使人工1次裝夾多套成組產(chǎn)品的批量加工，以減少CNC機(jī)床刀庫頻繁自動(dòng)換刀所需要的時(shí)間，同時(shí)減少了CNC機(jī)床開關(guān)門的次數(shù)，從而提升主軸利用率，提高CNC機(jī)床的加工效率。

經(jīng)過IE的生產(chǎn)研究，改善方案提出，最終通過“成組技術(shù)”，提高了CNC機(jī)床的產(chǎn)能，減小了人機(jī)配比，減少了人力需求，以及減少開關(guān)門頻次多而導(dǎo)致油霧逸出CNC機(jī)床對車間生產(chǎn)環(huán)境的影響。最終生產(chǎn)效率提升了30% ～45%，而且使CNC機(jī)床設(shè)備數(shù)量可節(jié)省8% ～10%，人力可節(jié)省45%。

7 IE對生產(chǎn)過程中人的工作研究

IE對生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的改善優(yōu)化提高，不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)管理、工藝及生產(chǎn)方式和自動(dòng)化的方案應(yīng)用等方面，更重要的是要體現(xiàn)在“以人為本”的企業(yè)經(jīng)營理念上。

在對CNC機(jī)床進(jìn)行IE的生產(chǎn)調(diào)研過程中，IE開發(fā)人員與生產(chǎn)人員進(jìn)行密切地溝通、協(xié)調(diào)、記錄和分析評估，了解到人在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中扮演的角色。充分意識到人在生產(chǎn)活動(dòng)中的主動(dòng)性和創(chuàng)新性是提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而且，具有主動(dòng)精神并能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享的工作團(tuán)隊(duì)是精益生產(chǎn)組織方式的核心和效率的根源。

因此，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，企業(yè)的管理者應(yīng)當(dāng)充分意識到人在生產(chǎn)活動(dòng)中所扮演角色的重要性。生產(chǎn)人員業(yè)務(wù)熟練程度及其工作的主動(dòng)性對于提升產(chǎn)能及產(chǎn)品品質(zhì)有重大的影響。同時(shí)，人力相對穩(wěn)定對于企業(yè)的生產(chǎn)也有相當(dāng)大的影響。在精益生產(chǎn)方式下，勞動(dòng)者不應(yīng)成為企業(yè)可以隨意替換的短期可變成本因素，而是應(yīng)該比自動(dòng)化機(jī)器設(shè)備具有更重要的長期固定成本要素。

準(zhǔn)時(shí)化和自動(dòng)化是精益生產(chǎn)方式的兩大核心，實(shí)質(zhì)上是指實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的完美結(jié)合，是強(qiáng)調(diào)了“人的因素的自動(dòng)化”。因此，通過IE研究，自動(dòng)化開發(fā)首先應(yīng)滿足生產(chǎn)過程中人的需求。自動(dòng)化只有與IE緊密結(jié)合，才能真正實(shí)現(xiàn)“以人為本”的自動(dòng)化，從而使人在管理、生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，充分發(fā)揮出人的主觀能動(dòng)性，使IE在自動(dòng)化開發(fā)應(yīng)用中真正發(fā)揮其作用。

8 結(jié)語

工業(yè)工程(IE)有效地利用工作研究等方法，制定明確的IE開發(fā)流程，對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)并改變了現(xiàn)有生產(chǎn)方式，生產(chǎn)管理中存在的浪費(fèi)現(xiàn)象，分析了人的主觀能動(dòng)性在生產(chǎn)活動(dòng)中的重要性，提出自動(dòng)化開發(fā)應(yīng)與IE緊密結(jié)合，才能真正秉持“以人為本”的企業(yè)經(jīng)營理念，從而實(shí)現(xiàn)提升效率和持續(xù)創(chuàng)新的企業(yè)核心價(jià)值。

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