鄭德星 陸志強

（同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201804）

制造業(yè)的生產(chǎn)線布局形式，是企業(yè)精益管理的常識，它將直接關(guān)系到企業(yè)的運行效率。當操作員工在設備之間進行大量的搬運和移動產(chǎn)品時，就會產(chǎn)生不必要的搬運、行走和庫存浪費，這些浪費將嚴重影響到企業(yè)運營效率和成本[1]。精益生產(chǎn)理論里將不合理的產(chǎn)線布局比喻成“魚丸”式生產(chǎn)線布局，除了會影響員工的工作熱情和情緒，還會直接影響生產(chǎn)周期，使生產(chǎn)計劃無法準時完成，讓企業(yè)管理者倍感困惑。

目前國內(nèi)外對于U型生產(chǎn)線布局的計算方法探索和應用方向研究都很廣泛，針對生產(chǎn)線平衡問題，已經(jīng)有幾十年的研究歷史。Vilda[2]等提出將市場、產(chǎn)品和工藝等驅(qū)動因素與幾何設計聯(lián)系起來的理論，這個理論模型非常適用于占地面積成本相當高的情況。Oksuz[3]等以工人績效來分配U型裝配線工人，并將平衡問題的生產(chǎn)線效率最大化，建立了考慮工人績效的U型線裝配線工人分配與平衡E型問題的數(shù)學模型，并針對該問題首次提出了人工蜂群算法。劉強[4]等則通過設計U型生產(chǎn)線布局解決汽車內(nèi)飾五六裝區(qū)產(chǎn)品多、零件雜、工作區(qū)域小、步行等浪費問題，提高作業(yè)區(qū)域面積的利用率，降低在制品庫存量。李明[5]等運用改進的人工蜂群算法求解以精益生產(chǎn)為準則的多目標U型拆卸線平衡問題模型，將U型布局結(jié)果與直線型布局進行對比，體現(xiàn)了U型布局的優(yōu)越性。

D公司是一家專業(yè)維修飛機機輪和剎車的企業(yè)，主要為世界主流制造商制造的飛機提供飛機機輪、剎車的大修和小修服務。本文以D公司的飛機機輪小修生產(chǎn)線的生產(chǎn)布局為研究對象，運用SLP方法（Systematic Layout Planning，系統(tǒng)設施布置方法）對生產(chǎn)線布局進行設計改善，使生產(chǎn)線具備一人多機的操作能力，縮短生產(chǎn)線，盡可能使布局更緊湊，減少非必要的人員走動和路線交叉，從傳統(tǒng)的直線型布局改進為新型布局生產(chǎn)線，便于實施“單件流”生產(chǎn)方式。

1 生產(chǎn)線布局改善程序與方法

在改善之前，需要認真調(diào)查生產(chǎn)現(xiàn)場的實際狀況并開展合理性評估。當企業(yè)面臨下列七種情況時，可進行現(xiàn)場布局優(yōu)化改善設計。

（1）經(jīng)營與市場發(fā)生了變化時的生產(chǎn)布局改善。訂單與計劃生產(chǎn)方式的變化，生產(chǎn)產(chǎn)量和產(chǎn)品種類的變化，連續(xù)與批量生產(chǎn)流程的變化。

（2）生產(chǎn)新技術(shù)產(chǎn)生或改善的布局設計。作業(yè)自動化水平提高、使用新材料及加工技術(shù)革新。

（3）設計變更時的布局調(diào)整。設計發(fā)生更改后，工藝和作業(yè)方法也必須發(fā)生更改。

（4）現(xiàn)場現(xiàn)有的布置效率不佳。根據(jù)工藝分析和動態(tài)分析，現(xiàn)場存在很多的浪費。

（5）生產(chǎn)量經(jīng)常有增減起伏。生產(chǎn)量如果有經(jīng)常性的起伏，必須進行設備更換或工序變更。

（6）現(xiàn)場有必要移動。合并消減流程工序或部門。

（7）新產(chǎn)品投入。新產(chǎn)品準備投入生產(chǎn)時，必須增加設備，導致加工方法的變更。

當發(fā)現(xiàn)公司生產(chǎn)線確實存在上述的7種情況時，在公司領導層也同意支持進行生產(chǎn)線布局改善的前提下，需要根據(jù)下列6條布局設計原則進行改善和設計生產(chǎn)線布局。確定了改善的目標范圍后，需要進行現(xiàn)場調(diào)查與分析，使用的方法主要包括：P/Q分析；程序分析；工藝路線分析；流程線路分析；搬運工藝分析；相關(guān)性分析。

布局優(yōu)化的設計原則如下：

原則1：流水化布局原則。各工序之間有機結(jié)合、相關(guān)聯(lián)的工序集中放置原則。車間生產(chǎn)線布局應保證生產(chǎn)流程順暢，按照工藝順序?qū)⒓邢嚓P(guān)聯(lián)的工序，并與整體工序相互協(xié)調(diào)。

原則2：路線距離最短原則。物料搬運方便，運輸路線盡量短，減少物流路線交叉現(xiàn)象。

原則3：流水化作業(yè)原則。根據(jù)生產(chǎn)流程的要求和特點，按工藝順序擺放物料、設備和工具，可提高操作的連貫性和便利性。

原則4：盡可能利用立體空間。減少地面放置，立體空間擺放，提高空間的利用率。

原則5：站在操作作業(yè)者的角度，布局首先要滿足生產(chǎn)安全前提下，同時兼顧操作便利。

原則6：對于未來的市場變化有充分的應變能力，方案有柔性，能夠滿足應對產(chǎn)量增減、工藝更新和設備更新?lián)Q代等變化情況。

2 應用實例分析

機輪小修的工藝流程為：（1）航空公司送修的機輪在機輪分解工位先進行分解；（2）分解后在清洗槽內(nèi)清洗半輪轂和附件；（3）完成清洗后在檢查檢測工位進行螺栓磁粉探傷、螺帽自鎖性測試、半輪轂渦流探傷等部件檢測；（4）檢測無問題后，轉(zhuǎn)移至附件安裝工位，在半輪轂上安裝附件；（5）使用新的輪胎在機輪組裝工位進行機輪組裝；（6）組裝完成后進行充氣并保壓；（7）完成機輪保壓試驗后進行最終檢查以及包裝保護。機輪小修生產(chǎn)線的所有操作以人工操作為主，機器自動化水平較低。

結(jié)合生產(chǎn)線的布局圖來了解現(xiàn)場工位的大概布置，改善前的布局圖如圖1所示。清洗工位到NDT（無損檢測）工位采用滾輪滑軌傳輸，其他工位之間均采用人工搬運。大件手動搬運會使人員疲勞，容易造成零部件掉落損傷?；谏a(chǎn)線布局的流程路線分析，發(fā)現(xiàn)在目前的布局存在著以下問題：

圖1 機輪小修生產(chǎn)線布局（改善前）

（1）機輪小修生產(chǎn)線工位基本呈直線分布，空間浪費較大，面積利用率低，員工步行浪費嚴重。

（2）生產(chǎn)線上的各工位太分散。小修的機輪在3個區(qū)域之間傳遞運輸，搬運總距離太長，搬運次數(shù)多，產(chǎn)生搬運浪費。改善前機輪小修生產(chǎn)線的搬運距離見表1。

表1 改善前機輪小修生產(chǎn)線的搬運距離

（3）工位分布分散，物料與人員流動的路線交叉，很難培養(yǎng)一人多崗能力，導致人員使用率低，員工數(shù)量多。

（4）反復搬運的次數(shù)多。初次充氣結(jié)束后，由于新輪胎有漲胎現(xiàn)象會發(fā)生壓力不足，需要補氣。以前機輪充氣完成后，機輪隨意放置或者直接搬運至總檢區(qū)，導致機輪補氣時，挪動困難或者來回搬運。

同時對生產(chǎn)線作業(yè)進行相關(guān)性分析。作業(yè)相關(guān)表是由Richard Muther先生所創(chuàng)，是在空間狹小、工序復雜、產(chǎn)品類別多、多種流程等情況下對工序的順序和配置無法簡單地決定時，決定工序相鄰與相關(guān)性的分析方法[6]。機輪小修生產(chǎn)線的作業(yè)相關(guān)性分析見圖2。

圖2 作業(yè)相關(guān)性分析圖

根據(jù)作業(yè)相關(guān)性分析圖中互相接近性關(guān)系強弱，直接關(guān)系到作業(yè)之間距離的遠近?；ハ嘟咏躁P(guān)系與物流強度直接相關(guān)，物流強度指的是在一段時間內(nèi)經(jīng)過兩個站點間的物流數(shù)量。當物料的外形尺寸、質(zhì)量都相同，其搬運難易程度也一樣，是可以用質(zhì)量為物流強度的計量單位。當外形尺寸、質(zhì)量和搬運難易程度任一條件不相同時，則需使用當量物流量。當量物流量計算通常使用兩種方法：經(jīng)驗估算法和瑪格數(shù)法?，敻駭?shù)法計算公式如下：

其中M為瑪格數(shù)，A為基本值，D為密度，Z為形狀，Y為損傷危險性，E為其他因素，F(xiàn)為價值因素[7]。

不同機輪的輪轂和輪胎材料都類似，即密度相差不大，但形狀和重量有較大差異，其他零部件相對輪轂和輪胎相差不大。徒手搬運比滾輪傳送的損傷危險性高。機輪小修的流程大同小異，不同機輪在工作站之間的物流強度基本是成正比的，故僅以S型號機輪的物流強度做分析即可。各工作站以小修工序為路線，單向傳遞。S型號機輪月均小修300個，每月各工作站的物流強度計算結(jié)果見表2。

表2 各工作站和倉儲區(qū)間的物流強度

由表2可得，物流強度在2500以上的為A，物流強度在2500至3500之間的為B，物流強度在1000至2500之間的為C，物流強度在0至1000之間的為D，其余未填的為E。根據(jù)表2中提供的物流強度，可以繪制出作業(yè)相關(guān)性分析圖，作業(yè)相關(guān)性分析圖如圖2所示。

由圖2可知，圖中有8個A等級，2個B等級，3個C等級，3個D等級，其余均E等級。A等級是必須接近的，B等級是盡量近一些好，C等級是普通，D等級是相距遠也不會不方便，E等級是一點關(guān)系也沒有。

在畫布局示意圖時，先考慮A等級的工作站對，然后再按順序依次考慮 B、C、D等級，最后在合理利用空間等情況下考慮E等級的位置。

3 布局改善設計

根據(jù)上節(jié)分析的產(chǎn)線布局問題以及布局作業(yè)相關(guān)性分析，項目團隊在布局重新設計改善前，先調(diào)查了約束條件。NDT磁粉探傷需要在黑暗環(huán)境里執(zhí)行，無法搬出房間；徒手搬運重量較重的輪轂，存在墜落、磕傷等風險，盡量使用滾輪傳送；軸承清洗后，長時間不注油，會造成氧化腐蝕，雖然清洗和軸承注油工作站之間物流強度為D等級，但不能相距很遠。

針對這些約束條件，項目團隊經(jīng)過討論，采取改進工藝流程、設備進行自動化升級改造，將直線型布局更改為U型布局等措施，提出三種布局優(yōu)化方案。對產(chǎn)線的布局實施了以下的改善設計：

（1）對生產(chǎn)線的主要工位布局進行改造設計。將直線型布局調(diào)整為U型布局，有效利用廠房空間。將機輪分解、清洗和附件測試安裝工位集中到一個廠房內(nèi)，縮短各工位之間的距離，工作站更加緊湊，人員和物料的流動路線流暢，無交叉和倒流現(xiàn)象。清洗、附件測試和附件安裝三個工作站之間采用滾輪傳送，減少重物搬運導致磕傷、墜落等事件發(fā)生。

（2）提高機器自動化水平，改進自動化清洗、充氣設備。在縮短工位之間距離的基礎上，使用自動超聲波清洗設備，可以實現(xiàn)與機輪分解工作站合并，使用自動充氣設備，可以實現(xiàn)與機輪組裝工作站合并，減少操作人員數(shù)量。

（3）軸承注油工序并入附件測試安裝工作站。由于軸承清洗和檢查后，放置在附件測試安裝工作站的待注油的貨架上，極易發(fā)生氧化風險，所以軸承清洗檢查后，盡可能快地完成軸承注油工作，防止氧化嚴重。

（4）新增充氣后的觀察區(qū)。合理放置等待補氣的機輪，減少反復搬運次數(shù)。

（5）將舊機輪、舊輪胎和新輪胎的臨時倉儲區(qū)與維修生產(chǎn)區(qū)域隔離開。

在等待浪費消除、在制品庫存管理和自動化導入等方面對三種布局方案進行優(yōu)劣性評估。

4 改善后效果評價

產(chǎn)線布局方案經(jīng)過優(yōu)劣性評估后，確定了改善設計后的生產(chǎn)線布局，改善后的布局線路圖見圖3。

圖3 機輪小修產(chǎn)線布局圖（改善后）

從改善后的產(chǎn)線布局圖來看，大大地縮短了搬運距離，物料的流動路線更加順暢。機輪小修生產(chǎn)線的主要工位都放置在同一區(qū)域，減少了零部件的長距離搬運，也消除了路線交叉。附件安裝區(qū)采用滾輪傳遞，降低了零件掉落或損壞的風險，同時將附件測試和安裝區(qū)分開，附件安裝區(qū)可以合并機輪組裝中的釋壓閥、氣門桿等附件的預安裝工作，降低了操作員的空閑率。增加了機輪充氣后的觀察區(qū)，機輪充氣后可以在此處進行保壓試驗，減少了機輪反復搬運的距離和次數(shù)。改善后的產(chǎn)線布局的距離見表3，單個機輪完成小修可節(jié)省了50 m的搬運距離。

表3 改善后機輪小修生產(chǎn)線的搬運距離

改善后的產(chǎn)線布局里，縮短了機輪小修生產(chǎn)線的工位間距離，在新增自動化的清洗設備和充氣設備的基礎上，培養(yǎng)一崗多能能力，節(jié)省了 2名操作員。

改善后的U型布局更加緊湊，節(jié)省了機輪小修生產(chǎn)線的使用面積，作業(yè)區(qū)域與倉儲區(qū)域完全隔離開，作業(yè)環(huán)境得到了很大的改善，改善后整個生產(chǎn)線的使用面積比改善前減少 28 m2，以后待維修市場需求上升時，倉儲區(qū)域可以轉(zhuǎn)移，為增設新的生產(chǎn)線提供了便利。

5 結(jié)語

運用精益生產(chǎn)理論指導D公司機輪小修生產(chǎn)線布局進行改善，采用SLP方法對布局流程路線和作業(yè)相關(guān)性進行分析，制定布局設計優(yōu)化方案，在等待浪費消除、在制品庫存管理和自動化導入等方面對布局方案進行優(yōu)劣性評估，使信息流、人員流和物料流得到合理和有效地配置。機輪小修生產(chǎn)線在布局設計優(yōu)化后減少了物品搬運距離、路線交叉和步行浪費，提高廠房面積有效使用率。在提高生產(chǎn)線機器自動化水平基礎上，結(jié)合緊湊的U型布局，可以培養(yǎng)滿足JIT理念中的一人多崗能力，減少操作員工，降低企業(yè)人力成本。對機輪小修生產(chǎn)線布局的改善研究經(jīng)驗，也為中小規(guī)模維修企業(yè)進行精益布局改善提供一定的借鑒意義。