□ 潘 書(shū) □ 余建波

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804

1 研究背景

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)一體化和全球化競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中，制造業(yè)面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)［1］。在生產(chǎn)制造過(guò)程中，如何改變思想，有創(chuàng)造性地改善原有生產(chǎn)制造模式，在提高質(zhì)量的同時(shí)降低成本［2］，快速交貨，滿足客戶的個(gè)性化需求，已成為制造型企業(yè)所面臨的重大挑戰(zhàn)。

在工業(yè)控制行業(yè)，實(shí)現(xiàn)操作者和設(shè)備交互的最常見(jiàn)終端就是人機(jī)界面（HMI）產(chǎn)品。據(jù)調(diào)查，至2013年，HMI產(chǎn)品主要生產(chǎn)企業(yè)有西門(mén)子、羅克韋爾、施耐德、GE、臺(tái)達(dá)、研華等，我國(guó)HMI產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模約23億元人民幣［3］。大多數(shù)HMI產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)以裝配為主要生產(chǎn)方式。

傳統(tǒng)HMI產(chǎn)品制造行業(yè)和大多數(shù)中小型裝配企業(yè)類(lèi)似，為了實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，往往采用流水線布局方法，即按照一定的生產(chǎn)節(jié)拍，將產(chǎn)品的裝配工作分解為最基本的作業(yè)步驟，連續(xù)從前道工序流到后道工序。流水線生產(chǎn)的產(chǎn)品種類(lèi)固定，專(zhuān)業(yè)化程度高，生產(chǎn)周期時(shí)間短，作業(yè)內(nèi)容單一，管理簡(jiǎn)單。這一生產(chǎn)方式缺點(diǎn)如下：生產(chǎn)線柔性弱，適應(yīng)的產(chǎn)品種類(lèi)少，需求數(shù)量或生產(chǎn)計(jì)劃有變化時(shí)的適應(yīng)性差；由于工序多，較難實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的總體平衡，降低了生產(chǎn)線工序效率；工人作業(yè)單調(diào)，緊張且易疲勞。

當(dāng)今，企業(yè)面臨著客戶多元化、訂單少、批量?。?］、成本低、質(zhì)量高、交貨快速等的挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于HMI產(chǎn)品這類(lèi)以裝配為主的生產(chǎn)行業(yè)，生產(chǎn)線工序效率成為影響客戶滿意度的關(guān)鍵，裝配線的平衡與否直接影響到裝配線的工序效率和生產(chǎn)成本［5］。

以某公司HMI產(chǎn)品的生產(chǎn)線為研究對(duì)象，運(yùn)用工業(yè)工程的方法對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況和工序平衡性進(jìn)行分析，以單元化生產(chǎn)模式對(duì)生產(chǎn)線布局進(jìn)行改善，以提高生產(chǎn)線的平衡率。

2 單元生產(chǎn)方式

單元生產(chǎn)方式采用U形或L形的車(chē)間生產(chǎn)線布置，由訓(xùn)練有素的多面手作業(yè)員使用簡(jiǎn)易設(shè)備進(jìn)行加工，特別是組裝生產(chǎn)，是一種以員工為中心的生產(chǎn)組織方法。單元生產(chǎn)方式是旨在追求生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)的戰(zhàn)略柔性，實(shí)現(xiàn)低成本、變產(chǎn)量和變品種的生產(chǎn)方式，主要應(yīng)用于離散型制造中的組裝型制造業(yè)。

單元生產(chǎn)方式有三種主要類(lèi)型：一人完成型、多人循環(huán)型和成組單元型。

一人完成型單元生產(chǎn)線中，一位作業(yè)員操作一條單獨(dú)的生產(chǎn)線，優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)線平衡率為100%，缺點(diǎn)是對(duì)操作人員的技能要求高，設(shè)備投資高。

多人循環(huán)型單元生產(chǎn)線中，作業(yè)員都是從頭做到尾，可見(jiàn)與一人完成型不同的是，多人循環(huán)型是多人共用一條生產(chǎn)線，優(yōu)點(diǎn)是有利于設(shè)備的共用，缺點(diǎn)是對(duì)操作人員技能要求高，且熟練度最低的員工會(huì)成為生產(chǎn)移動(dòng)的瓶頸。

成組單元型單元生產(chǎn)線中，多人共用一條生產(chǎn)線，按照工藝方法和員工技能將生產(chǎn)線分割成多個(gè)單元，每個(gè)員工負(fù)責(zé)生產(chǎn)線的某幾個(gè)作業(yè)，優(yōu)點(diǎn)是有利于應(yīng)對(duì)生產(chǎn)量的變化，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一定的不均衡損失，需要平衡操作人員之間的生產(chǎn)效率［6］。

流水線式生產(chǎn)方式和單元化生產(chǎn)方式的特點(diǎn)有所不同，兩者布局比較見(jiàn)表1。

表1 流水線和單元化生產(chǎn)方式布局比較

3 HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線現(xiàn)狀

3.1 生產(chǎn)流程現(xiàn)狀

HMI產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本類(lèi)似，如圖1所示。前蓋外裝有觸摸屏和保護(hù)膜，前蓋內(nèi)裝有墊圈，后面裝有液晶顯示屏（LCD），LCD后貼泡棉用于阻擋灰塵并減振，LCD和印制電路板成品（PCBA）通過(guò)扁平電纜連接，部分HMI產(chǎn)品在PCBA上設(shè)有支撐架件，用于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，PCBA裝在后蓋上，各結(jié)構(gòu)件之間通過(guò)卡口或者連接進(jìn)行固定。

分析HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線的生產(chǎn)工序，列出每個(gè)工序的主要作業(yè)內(nèi)容，并通過(guò)秒表計(jì)時(shí)法確定各工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間［7］，得到HMI產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程，見(jiàn)表2。

現(xiàn)有的HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線布局為一字形流水線，如圖2所示。

▲圖1 HMI產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

表2 HMI產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程

▲圖2 HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線布局

物流方向從左向右，前4個(gè)工位為手工裝配。5～8工位為測(cè)試工位，配備半自動(dòng)設(shè)備。9～11工位為手工包裝。員工操作時(shí)面對(duì)傳送帶，一字排開(kāi)站立操作。物流架放置在傳送帶對(duì)面，一般為三層，物料分別放置在物料盒中。需要用到的螺絲刀等工具掛在傳送帶上方。圖3所示為HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)局部圖片。

計(jì)算工序平衡率H：

式中：n為生產(chǎn)線的工序數(shù)量；Ti為工序i的作業(yè)時(shí)間；T為周期時(shí)間，是整個(gè)生產(chǎn)工序中作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的工序的作業(yè)時(shí)間。

▲圖3 HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)局部圖片

由表1可知，整個(gè)生產(chǎn)線的總作業(yè)時(shí)間為505 s，共有11道工序，瓶頸工序是功能測(cè)試1，作業(yè)時(shí)間為65 s，計(jì)算工序平衡率：

3.2 問(wèn)題分析

作業(yè)等待是造成生產(chǎn)線不平衡的主要原因［9］。作業(yè)等待指在生產(chǎn)線不同工序之間作業(yè)時(shí)間不一致，導(dǎo)致速度快的工序必須等待速度慢的工序。例如第一工序前蓋安裝工序需要42 s，第二工序觸摸屏安裝工序需要55 s，之間相差13 s，說(shuō)明兩道工序間有13 s的作業(yè)等待。

工藝的局限性和過(guò)細(xì)的工序劃分，導(dǎo)致裝配工序間很難保持平衡。由于追求較短的周期時(shí)間，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成一字流水線，并劃分成11道工序。而由于工藝流程的局限性，有些作業(yè)又必須在一個(gè)工作步驟里完成，例如觸摸屏安裝工序，作業(yè)內(nèi)容和步驟較多，導(dǎo)致其成為裝配的瓶頸工序。

為滿足較短的周期時(shí)間，測(cè)試工序中將測(cè)試步驟拆分到不同的設(shè)備上，在縮短單臺(tái)設(shè)備作業(yè)時(shí)間的同時(shí)，使不同設(shè)備間的作業(yè)時(shí)間產(chǎn)生了不平衡。例如完成高壓測(cè)試的全部測(cè)試項(xiàng)目，設(shè)備的周期作業(yè)時(shí)間加上搬運(yùn)、裝夾、裝密封圈、卸下產(chǎn)品等人工作業(yè)，時(shí)間為82 s。為了匹配其它裝配步驟，人為將測(cè)試項(xiàng)目拆分到兩臺(tái)設(shè)備上，每臺(tái)設(shè)備完成部分測(cè)試項(xiàng)目，結(jié)果是高壓測(cè)試1的周期時(shí)間為38 s，高壓測(cè)試2的周期時(shí)間為44 s，同樣拆分功能測(cè)試時(shí)間為65 s和45 s。雖然拆分后的單臺(tái)設(shè)備作業(yè)時(shí)間可以滿足產(chǎn)能需求，但這樣的拆分使最短的作業(yè)時(shí)間（38 s）和最長(zhǎng)的設(shè)備作業(yè)時(shí)間（65 s）之間產(chǎn)生了27 s的差距，加大了生產(chǎn)線的不平衡率。此外，將測(cè)試程序拆分到兩臺(tái)設(shè)備后，增加了裝夾和傳輸?shù)确窃鲋底鳂I(yè)，導(dǎo)致了額外的作業(yè)。

4 運(yùn)用單元化布局進(jìn)行改善

4.1 手工裝配作業(yè)單元改善

一字形流水線物流路線較長(zhǎng)，拿取放下等作業(yè)次數(shù)較多，增加了非增值作業(yè)次數(shù)，因此，運(yùn)用單元化布局進(jìn)行改善。

計(jì)算生產(chǎn)線的節(jié)拍時(shí)間。節(jié)拍時(shí)間Tt指在一定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)總有效生產(chǎn)時(shí)間Ta與客戶需求數(shù)量D的比值，是客戶需求一件產(chǎn)品的市場(chǎng)需求時(shí)間。

HMI產(chǎn)品的月需求量D為16 490臺(tái)，設(shè)定工廠正常的工作時(shí)間為每月21天，每天工作時(shí)間為7.5 h，每月可用工作時(shí)間 Ta=21×7.5×3 600=567 000 s，代入式（2），得 Tt=567 000/16 490=34.39 s/臺(tái)。

分析裝配過(guò)程發(fā)現(xiàn)，有些工序包含了多個(gè)獨(dú)立的工作內(nèi)容，如前蓋安裝可拆分為裝LCD和貼泡棉，觸摸屏安裝可拆分為安裝觸摸屏和貼保護(hù)膜。將不可拆分的作業(yè)作為一個(gè)作業(yè)工序，重新劃分HMI產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程，如圖4所示，圖4中用○表示裝配工序，用□表示測(cè)試和檢查工序。

計(jì)算周期時(shí)間。周期時(shí)間指產(chǎn)品從投料至產(chǎn)出的全部時(shí)間［8］，周期時(shí)間必須小于Tt。將18個(gè)作業(yè)工序的動(dòng)作更進(jìn)一步劃分為60個(gè)作業(yè)動(dòng)作。運(yùn)用秒表測(cè)量、模特排時(shí)法等方法，對(duì)各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行評(píng)估操作時(shí)間?；诟鱾€(gè)動(dòng)作，結(jié)合HMI產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程圖，繪制生產(chǎn)流程優(yōu)先圖，如圖5所示。圖5中○中的數(shù)字表示動(dòng)作要素，每個(gè)動(dòng)作要素旁邊是該要素的作業(yè)時(shí)間，采用啟發(fā)式方法對(duì)工作地進(jìn)行劃分，具體步驟如下：

（1）對(duì)工序繪制生產(chǎn)流程優(yōu)先圖；

（2）分配工作地1，初始工作地可分配時(shí)間為節(jié)拍時(shí)間；

（3）找到最先未分配作業(yè)，選擇一個(gè)作業(yè)劃分進(jìn)待分配工作地；

（4）計(jì)算工作地剩余時(shí)間，等于原工作地剩余時(shí)間減去該作業(yè)時(shí)間；

（5）如工作地剩余時(shí)間夠繼續(xù)分配，重復(fù)步驟（2）～（3）；

（6）如工作地剩余時(shí)間不夠作業(yè)時(shí)間分配，則該工作地作業(yè)分配完成，進(jìn)入下一個(gè)工作地作業(yè)分配；

（7） 重復(fù)步驟（2）～（6），直至所有作業(yè)元素都分配完成。

對(duì)HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線工作地重新進(jìn)行劃分，表3列出了部分HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線工作地。

根據(jù)工作地分配表，裝配單元采用了成組單元型單元生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案。對(duì)生產(chǎn)線工序進(jìn)行平衡合并，提高生產(chǎn)線的精益水平［9］，具體安排如下：① 生產(chǎn)線整體采取U形布局，物流為逆時(shí)針走向；② 將原來(lái)的七個(gè)手工裝配包裝作業(yè)工序合并為三個(gè)大的作業(yè)單元；③每個(gè)大作業(yè)單元由三個(gè)子作業(yè)單元構(gòu)成U形單元，作業(yè)人員在單元內(nèi)移動(dòng)距離為一步以?xún)?nèi)。

▲圖4 改善后HMI產(chǎn)品生產(chǎn)工序流程

▲圖5 部分HMI產(chǎn)品生產(chǎn)流程優(yōu)先圖

4.2 設(shè)備作業(yè)單元改善

原生產(chǎn)線將測(cè)試進(jìn)行了人為分割，雖然降低了測(cè)試的周期時(shí)間，但也增加了拿取、移動(dòng)等無(wú)效作業(yè)，并且由于一些測(cè)試程序不可分割，導(dǎo)致功能測(cè)試1成為整個(gè)作業(yè)流程的瓶頸工序。

對(duì)于設(shè)備作業(yè)，改善思路是將測(cè)試程序合并到一臺(tái)設(shè)備，計(jì)算整體的測(cè)試周期，并通過(guò)增加設(shè)備數(shù)量，滿足節(jié)拍時(shí)間的要求。

對(duì)合并后的測(cè)試工作時(shí)間進(jìn)行測(cè)算，高壓測(cè)試的周期時(shí)間為72.78 s，功能測(cè)試的周期時(shí)間為91.38 s，用周期時(shí)間除以節(jié)拍時(shí)間34.39 s，得到需要高壓測(cè)試站2.11臺(tái)、功能測(cè)試站2.66臺(tái)。圓整后均各需要三臺(tái)設(shè)備。

4.3 改善后生產(chǎn)線布局

改善后HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線布局如圖6所示。生產(chǎn)線整體為U形布局，分為四個(gè)主要作業(yè)單元：三個(gè)裝配單元和一個(gè)測(cè)試單元。每個(gè)裝配單元內(nèi)可以安排三名員工進(jìn)行作業(yè)。測(cè)試單元由三臺(tái)功能測(cè)試設(shè)備和三臺(tái)高壓測(cè)試設(shè)備組成，一名員工可以同時(shí)操作所有設(shè)備。改善后的工序作業(yè)時(shí)間見(jiàn)表4。

表3 部分HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線工作地分配表

▲圖6 改善后HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線布局

5 改善效果評(píng)價(jià)

改善后生產(chǎn)線所需要的人員從11人減少到十人，生產(chǎn)線工序平衡率從70.63%提升到86.93%，總周期時(shí)間從505 s減少到447.39 s。改善前后數(shù)據(jù)見(jiàn)表5，可見(jiàn)改善后員工人數(shù)、周期時(shí)間減少，平衡率得到了較大提升。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者以某公司HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線為例，分析了當(dāng)前HMI產(chǎn)品生產(chǎn)線普遍存在生產(chǎn)效率不高的原因。計(jì)算了生產(chǎn)線平衡率，分析了造成平衡率較低的原因。通過(guò)單元化布局和啟發(fā)式方法，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行了改善，取得了比較好的成本節(jié)約效果。

生產(chǎn)線平衡是提高企業(yè)生產(chǎn)能力的關(guān)鍵［10］，通過(guò)筆者研究可知，當(dāng)企業(yè)面對(duì)品種多、需求變動(dòng)大、批量小的市場(chǎng)需求時(shí)，單元布局可以有效提高生產(chǎn)線的平衡率［11］，從而提高生產(chǎn)線工序效率。

表4 改善后工序作業(yè)時(shí)間

表5 改善前后工序數(shù)據(jù)比較