張畢生，黃曉瑋

（博世汽車部件有限公司，長沙 410100）

0 引言

隨著生產(chǎn)制造工業(yè)化程度的提高和國家2025 戰(zhàn)略計劃的實施，企業(yè)的生產(chǎn)線越來越多地趨向于自動化、智能化，更多的自動化設備和自動化解決方案被應用到實際生產(chǎn)運營中。一方面產(chǎn)線的現(xiàn)場運營人頭減少，自動化和智能化水平提高，生產(chǎn)力和質量得到了提高和保障；另一方面，設備自動化水平和生產(chǎn)線的復雜程度增大，給現(xiàn)場運營、設備維護、后期升級等生產(chǎn)管理方面帶來了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的更側重于人工時間研究和動作優(yōu)化來提高人員工效等級的方法來優(yōu)化和提升運營效率顯然不能夠完全解決生產(chǎn)中遇到的問題，因此需要更為系統(tǒng)的分析和研究方法，同時結合數(shù)字化的仿真驗證手段來進行全方位的優(yōu)化改善。

整體而言，從生產(chǎn)線的需求分析、前期規(guī)劃，到中期的設計、組裝、調試、驗收、交付，再到后期的現(xiàn)場實際使用，每一個環(huán)節(jié)和步驟都對生產(chǎn)線在實際運行中的表現(xiàn)有著重要的影響，精益方法與理念也貫穿整個過程。本文將著重介紹自動化生產(chǎn)線在后期生產(chǎn)運營中生產(chǎn)效率的改善，針對一條全自動化的生產(chǎn)線的效率提升，從實際的生產(chǎn)改善應用場景出發(fā)，運用多種工業(yè)工程手法，輔助以過程數(shù)字化仿真，探討以一套完整的改善系統(tǒng)方法和較少的成本來提高生產(chǎn)效率，達到完美質量，最終滿足對客戶的交付。

1 問題描述

本文中探討的案例是由75 個自動化工站和1 個人工目檢工站組成的一條直線型自動化微電機生產(chǎn)線，其中人工目檢在該生產(chǎn)線的最后一個工站。工站之間的連接主要有皮帶線和工業(yè)機器人兩種方式。除此之外，該自動化生產(chǎn)線總共配備有3名線外人員：1名技術員，負責實時解決生產(chǎn)線出現(xiàn)的各種問題；1 名喂料員，負責所有工站的物料補給，即從物料區(qū)將物料逐一添加到自動喂料機構中；1 名線長，負責質量抽檢和協(xié)調所有人員的工作。

首先來說明本文中的幾個概念：生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍是指在正常連續(xù)生產(chǎn)狀況下，每兩個成品之間的間隔時間，記為CT，單位為s，該條自動化生產(chǎn)線的節(jié)拍為5 s；生產(chǎn)效率[1]是指固定投入量下，制程的實際產(chǎn)出與理論最大產(chǎn)出兩者間的比值，記作P，單位為%；假設在生產(chǎn)過程中，單位時間（1 h）生產(chǎn)線生產(chǎn)的實際合格品數(shù)量為X，則：

本項目中所研究生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)效率平均每個班次約為67%，單位時間所生產(chǎn)的合格品數(shù)量X和理論最大產(chǎn)出存在比較大的差異，導致每天的產(chǎn)量不達標，直接影響對客戶的及時交付。

2 問題分析

統(tǒng)計了最近8 周生產(chǎn)線的歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每周的平均生產(chǎn)效率P的表現(xiàn)如圖1 所示，圖中水平線表示目標效率，條形柱表示實際狀況。從圖中可以看到實際的效率與目標效率之間的差異最大值已大于15%，遠達不到目標設定值，同時每周的生產(chǎn)效率存在較大的波動。

圖1 平均生產(chǎn)效率

為了研究該自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率P的具體情況，引入下列5個效率損失[2]因子來對生產(chǎn)線的效率進行橫向分析。

（1）質量損失：質量問題對生產(chǎn)效率的影響，也就是因為質量缺陷，造成單位時間內合格品數(shù)量下降，影響運行生產(chǎn)效率。

（2）技術損失：生產(chǎn)過程中，由于設備的故障停機及生產(chǎn)線運行不流暢，造成生產(chǎn)實際時間下降，從而影響單位時間產(chǎn)出數(shù)量，影響生產(chǎn)效率。

（3）換型損失：生產(chǎn)過程中，由于不同型號間切換，造成的實際生產(chǎn)時間的浪費，造成實際生產(chǎn)時間下降，影響生產(chǎn)效率。

（4）組織損失：由于物料的不能及時補充及設備故障后不能及時修復等一系列人為原因造成的浪費，影響生產(chǎn)效率。

（5）性能損失：生產(chǎn)線的實際節(jié)拍大于理論節(jié)拍，也就是說生產(chǎn)線在實際運行中，發(fā)現(xiàn)一些工站，其實沒有達到設計時所要求的節(jié)拍，影響生產(chǎn)效率。

對最近8 周影響生產(chǎn)效率的損失因子數(shù)據(jù)進行歸類分析并做出統(tǒng)計，各種損失對生產(chǎn)效率的影響如圖2 所示?？梢娫谠摋l自動化生產(chǎn)線的生產(chǎn)系統(tǒng)中技術損失最大，占比達到了20.91%，也就是設備故障和設備間的配合問題對產(chǎn)線效率造成的影響最大。其次是組織損失，占比為4.75%，即人員組織調派、物料供應補給及信息透明也對生產(chǎn)線的效率有著較大的影響。

圖2 各種損失對生產(chǎn)效率的影響

針對5 大效率損失的整體現(xiàn)狀，進一步調查統(tǒng)計各種損失的具體原因和對生產(chǎn)效率的影響權重。對于多個單一描述產(chǎn)生同一影響的因素，結果不做重復統(tǒng)計。如表1所示。

表1 各種損失對生產(chǎn)效率影響權重

結合5 大損失的具體問題點，制定解決方案如表2所示。

表2 各種損失的解決方案

另一方面，對效率損失中占比較大的技術損失及組織損失從縱向進行5M1E（人機料法環(huán)測）[3]的分析，如圖3所示。

圖3 損失原因魚骨圖

在該分析中，人、料、法、環(huán)、測幾個部分的改善和5大效率損失的優(yōu)化方案類似，不再贅述。著重來對機（machine）進行設備的節(jié)拍分析[4]。該自動化生產(chǎn)線的各工站節(jié)拍平衡表如圖4所示。由圖可知，在該條自動化生產(chǎn)線，存在多個瓶頸工序[5]，如圖中圓圈內所示工站。對這些瓶頸工序的自動化工站，用視頻動作法進行分析。即通過視頻拍攝并做設備動作的分解推演分析。每個工序的視頻需要在產(chǎn)線設備正常運行的狀態(tài)下，拍攝5個循環(huán)以上。

圖4 產(chǎn)線節(jié)拍平衡表

以該條生產(chǎn)線其中一個工站為例，對設備的動作進行分解，并準確拆分出設備每一個動作的時間。分析如圖5 所示。通過推演圖可知，在不影響工藝的前提下，設備的一些動作可以并行，如圖中圓圈所示。通過修改設備PLC 程序，優(yōu)化設備節(jié)拍約0.8 s。用該方法對所有的瓶頸工序進行分析并優(yōu)化，最終打破瓶頸，使每個工站的節(jié)拍都能夠滿足整線的節(jié)拍要求。

圖5 設備動作分解

通過對產(chǎn)線進行橫向的5 大效率損失因子的分析和縱向的5M1E 分析，已初步針對產(chǎn)線的低效率提出了整改方案，為了進一步驗證這些解決方案的有效性，建模仿真[6]更接近實際生產(chǎn)運行系統(tǒng)[7]的效果尤為必要。

針對生產(chǎn)線改善前后的運行情況，應用Tecnomatix軟件進行仿真模擬，從生產(chǎn)線整體設計和點陣改善[8]的角度進行驗證和系統(tǒng)性優(yōu)化。在仿真軟件中建立該自動化生產(chǎn)線的整體模型，該模型中包含產(chǎn)線的三維模型，生產(chǎn)線的人員配置，各工站的節(jié)拍時間和歷史設備利用率，皮帶線和機器人的速度等，如圖6所示。

通過仿真模擬軟件，輸入各項參數(shù)來模擬出了當前條件下生產(chǎn)線整體的運行狀況，如圖7 所示。其中不同的柱狀表示在同一時間下，當工位的運行情況：淺綠色表示運行正常；深綠色表示在該工站，出現(xiàn)了等待；黃色表示托盤擁堵；紅色表示該工站故障停機。

圖7 生產(chǎn)線整體的運行狀況

在仿真軟件中，對上述分析得出的優(yōu)化方案進行輸入，同時對產(chǎn)線進行產(chǎn)線概念[9]進行如下改善：

（1）工站間或單元線[10]間傳遞方式的優(yōu)化，如將機器人傳遞改為皮帶傳遞，部分皮帶傳遞改為轉盤和機器人的配合傳遞；

（2）優(yōu)化產(chǎn)線的布局，由原來的一字型優(yōu)化為T字型；

（3）合理優(yōu)化工站與工站之間的距離，其中考慮緩存位，產(chǎn)品流線速度等；

（4）計算不同單元線之間的產(chǎn)品合理的緩存數(shù)量；

（5）系統(tǒng)的優(yōu)化節(jié)拍時間，使整個產(chǎn)線間的銜接和節(jié)奏更平衡；

（6）依據(jù)皮帶速度，工序間距離，工序的加工時間，計算不同皮帶段上合理的托盤數(shù)量。

再次模擬生產(chǎn)線整體的運行狀況，如圖8 所示。整個產(chǎn)線的浪費和等待的時間減少了約20%，整體的效率調高約15%。

圖8 改善后生產(chǎn)線整體運行狀況

同時通過仿真模擬，可以得出當自動化生產(chǎn)線需要達到不同目標效率時，各工站應達到的利用率水平，如圖9 所示。這就進一步給出了在整線的效率優(yōu)化[11]上應持續(xù)改善的方向和關注點。

圖9 各工站應達到的利用率水平

3 結束語

在自動化生產(chǎn)線爬坡運行至穩(wěn)定過程的效率提升及改善中，因產(chǎn)線的自動化程度和復雜程度[12]的提高及人員的減少，需要從多方面做出系統(tǒng)性的分析和改善：一方面基于生產(chǎn)過程橫向的五大損失的分析統(tǒng)計和針對性改善，另一方面基于縱向5MIE 的原因研究和重點改進，此外還需要接近實際運行狀態(tài)的客觀系統(tǒng)仿真的輔助分析和驗證。綜合這套系統(tǒng)方法進行研究改善，提高了產(chǎn)線的有效運行時間和運行水平，消除不必要的浪費，在保證質量的前提下增加產(chǎn)出提升效率，最終滿足了對客戶的交付。