王 輝 張仲鳳 張繼娟

（中南林業(yè)科技大學；國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術研究中心；湖南省綠色家居工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，國內(nèi)制造企業(yè)之間競爭日益激烈。從注重生產(chǎn)規(guī)模，逐漸轉向提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量以及降低生產(chǎn)成本[1],這種觀念的轉變，使得生產(chǎn)線平衡方面的研究顯得尤為重要[2-4]。由于實木家具工藝復雜，大多采用手工與少量機械化設備相結合的制造方式，容易出現(xiàn)設備布置不合理、生產(chǎn)線不平衡等問題。因此，如何以低成本、快速見效的方式提高實木家具企業(yè)的生產(chǎn)效率已成為亟待解決的問題[5-6]。

針對生產(chǎn)線平衡優(yōu)化問題，計算機仿真模擬技術能幫助企業(yè)快速找出生產(chǎn)瓶頸，并在軟件上模擬生產(chǎn)線的優(yōu)化過程，目前被廣泛應用于國內(nèi)外各個行業(yè)的生產(chǎn)研究。李宏敏等[7]利用Cadwork仿真平臺對典型斗拱進行仿真設計，通過構建外置模塊對接CNC加工中心，以實現(xiàn)數(shù)字化加工，來提高斗拱加工精度和效率。魏玲[8]基于EM-Plant軟件對不同工序的機器工作時間和投料速度進行優(yōu)化，從而有效提高了整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、成品數(shù)量和在制品數(shù)量。溫樂等[9]基于Witness軟件對轉向架生產(chǎn)裝配過程進行建模和仿真，發(fā)現(xiàn)并解決了制約生產(chǎn)的瓶頸問題。趙晏林等[10]利用JACK虛擬仿真技術對裁板鋸工作崗位進行仿真，并優(yōu)化了該崗位的送料方式、平臺高度以及人機配合。Sun等[11]采用MOST方法和Em-Plant仿真來提高服裝制造業(yè)生產(chǎn)線效率，通過確定改進方案，實現(xiàn)了生產(chǎn)線平衡、提高效率、降低成本的目標。以上研究表明，運用仿真技術可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率和市場競爭力，對現(xiàn)代制造企業(yè)的發(fā)展具有重要意義[12-15]。

本文應用時間研究法[16]和Flexsim仿真軟件找出某企業(yè)（以下簡稱J）木門扇生產(chǎn)線瓶頸工序，運用工業(yè)工程方法發(fā)掘導致生產(chǎn)線平衡率偏低的原因，然后提出相應措施并進行應用。最后結合Flexsim仿真軟件驗證優(yōu)化效果并持續(xù)改善，從而提高木門扇生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1 實際生產(chǎn)線調(diào)查

1.1 實木木門結構與工藝

實木木門的部件可分為門套、門扇和五金配件[17]，其工藝一般根據(jù)選材的不同以及客戶定制要求，選擇封閉漆或開放漆。封閉漆木門是將所有木紋封閉，觸感光滑，具有鏡面效果；而開放漆木門觸感更加立體，具有較強的視覺沖擊力。

1.2 企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

經(jīng)實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，J企業(yè)木門車間分成上下兩層，一樓主要進行木門部件的機加工以及木門扇組裝，二樓則進行后續(xù)工序的打磨、表面處理、油漆及檢驗包裝。受限于設備、場地等因素，一樓暫無法進行生產(chǎn)線改造。同時，木門扇組裝后體量較大，在二樓搬運不便，因此木門扇的后續(xù)加工是本文進行生產(chǎn)線優(yōu)化研究的重點。本文選取J企業(yè)的一款開放漆木門扇進行研究，并結合實際生產(chǎn)對其作業(yè)時間進行收集和分析。

2 木門扇生產(chǎn)作業(yè)時間分析

2.1 時間觀測結果

從J企業(yè)木門車間的實際生產(chǎn)情況出發(fā)，調(diào)查得出木門扇的加工工藝、生產(chǎn)設備以及人員數(shù)量。采用時間研究法對各工位進行多次秒表測時，剔除異常值后運用均值計算得出各工序的加工時間，統(tǒng)計結果如表1所示。木門扇后續(xù)生產(chǎn)工藝流程如下：木磨—表面處理—底漆1—油磨1—底漆2—油磨2—面漆—檢驗包裝。

表1 木門扇加工工藝及時間Tab.1 Processing technology and time of wooden door leaf

2.2 生產(chǎn)線平衡分析

生產(chǎn)線平衡是通過分析生產(chǎn)線各工序的負荷，調(diào)整各工序之間的負荷分配，來平衡各工序能力（作業(yè)時間盡可能接近）的技術手段與方法[18]。衡量生產(chǎn)線平衡狀態(tài)的好壞，通常采用生產(chǎn)線平衡率（E）、生產(chǎn)線平衡損失率（D）和生產(chǎn)線平滑指數(shù)（S）等指標進行評價，計算公式如下：

式中：T總為作業(yè)總時間，min；n為工序的數(shù)量，個；CT為生產(chǎn)線節(jié)拍，min；Ti為第i個工序的作業(yè)時間，min。

通過計算得出，木門扇生產(chǎn)線的平衡率為38.17%、平衡損失率為61.83%、平滑指數(shù)為30.41。根據(jù)表2中生產(chǎn)線平衡評估標準，發(fā)現(xiàn)該生產(chǎn)線平衡性差，還有較大的改善空間。此外，平滑指數(shù)也反映出各工序加工時間波動較大，存在嚴重破壞生產(chǎn)平衡的瓶頸工序。

表2 生產(chǎn)線平衡評估標準Tab.2 Line balance evaluation criteria

3 基于Flexsim的木門扇生產(chǎn)線模擬

3.1 現(xiàn)有生產(chǎn)線模擬

Flexsim是一種面向對象的離散事件仿真建模軟件，可以看到生產(chǎn)過程與各生產(chǎn)單元之間的關系，并輸出完整的運作績效報告[19]。基于上述對木門扇各工序作業(yè)時間的收集分析，將表1中的數(shù)據(jù)導入Flexsim軟件中，建立起一條簡單的木門扇生產(chǎn)作業(yè)流程，如圖1所示。J企業(yè)一天工作時長為8h，因此將模擬時間設定為480 min，產(chǎn)線模型運行480 min后，可以看出所有暫存區(qū)都未產(chǎn)生積壓，吸收器總共完成成品8件，還有3件正處于加工過程中。

圖1 初步模擬生產(chǎn)線作業(yè)流程Fig.1 Preliminary simulation of production line operation process

通過模擬得到各工位設備利用率如圖2（a）所示。其中，木磨工序的工作時間占比最大，說明在木門扇加工過程中，木磨工序的設備負荷最大。此外，從其它工序的設備利用率來看，也能發(fā)現(xiàn)木磨工序嚴重限制了后續(xù)工序的正常運行，是整條生產(chǎn)線的主要瓶頸工序。

圖2 生產(chǎn)線模擬優(yōu)化Fig.2 Production line simulation and optimization

3.2 木門扇生產(chǎn)線優(yōu)化過程

3.2.1 生產(chǎn)線第一次模擬改進

通過對生產(chǎn)線進行實際調(diào)研，發(fā)現(xiàn)木磨工序成為瓶頸的主要原因有以下兩點：1） 組裝后的木門扇搬運不便，依靠單個工人打磨比較困難；2） 木門扇側面進行打磨時，沒有使用裝置進行固定，因此打磨費時費力。解決方法有增加可調(diào)節(jié)固定裝置、增添人手或更換高效的機器設備等。綜合考慮企業(yè)資金、成本等因素，選擇成本低、見效快的改進方法，即增加一個木磨工位以及安裝可調(diào)節(jié)固定裝置。

油磨工序中，依靠單個工人打磨木門扇效率過低，且油磨區(qū)域運貨架隨意堆放，工人搬運不便。針對上述問題，合理規(guī)劃布局，并通過每個油磨工序都增加工位的方式來提高生產(chǎn)效率，降低工作強度?；贔lexsim仿真軟件，將木磨時間設置為24.6 min，第一次油磨時間設置為22.4 min，第二次油磨時間設置為20.8 min，模型運行結果如圖2（b）所示。改進后的生產(chǎn)線平衡率為67.30%，平滑指數(shù)為5.88，生產(chǎn)效率顯著提高。

3.2.2 生產(chǎn)線第二次模擬改進

在檢驗包裝工序中，由于包裝區(qū)域過小，且包裝臺底部零部件擺放雜亂，包裝工人需頻繁彎腰尋找工具等原因，使得包裝過程緩慢，效率低下。另外，相比木門線條等其它零部件而言，木門扇包裝步驟要更加復雜。除添加氣泡膜外，還需要現(xiàn)場裁剪硬紙板對木門扇表面進行包裝。改善前木門扇包裝流程的具體分析結果如表3所示。

表3 改善前木門扇包裝流程程序Tab.3 Improve the packaging process of front wooden door leaf

針對上述流程中存在不合理的地方，合理規(guī)劃包裝區(qū)域布局以及現(xiàn)場清理，利用ECRS法則改進現(xiàn)行包裝作業(yè)流程[20]。改善后木門扇包裝流程具體分析結果如表4所示。

表4 改善后木門扇包裝流程程序Tab.4 Improve the packaging process of rear wooden door leaf

根據(jù)改善前后包裝布局對比（圖3和圖4）可知，改善后包裝區(qū)域明顯增大，且遠離了辦公區(qū)，距離油漆作業(yè)區(qū)域路程更短。包裝臺的整理、整頓減少了工人勞動負荷，且更方便尋找工具，最終使包裝時間壓縮到10.9 min。將改善后的包裝作業(yè)時間輸入Flexsim軟件，再次運行模型，結果如圖2（c）所示。第二次模擬改進后，生產(chǎn)線平衡率為74.71%，平滑指數(shù)為4.19，設備利用率進一步提高。

圖3 改善前包裝布局圖Fig.3 Packaging layout before improvement

圖4 改善后包裝布局圖Fig.4 Improved packaging layout

3.2.3 生產(chǎn)線第三次模擬改進

經(jīng)過前兩次仿真模擬改進，生產(chǎn)設備的平均利用率有了很大提高，但油漆作業(yè)的加工能力仍需加強。從圖2（c）中可以看出，整條木門扇生產(chǎn)線油漆作業(yè)的工作效率最低，三個工序的機器利用率都不到60%。經(jīng)實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，輔助工只輔助搬運面漆房木門扇部件，其空閑時間過長。而油漆作業(yè)除搬運部分外，依靠一位油漆工人就能獨立完成，因此整個油漆作業(yè)有極大的人員浪費。改進措施是減少一位底漆工的同時，讓輔助工協(xié)助底漆工和面漆工進行作業(yè)，這樣不僅減少了人員的浪費，還提高了生產(chǎn)效率。改善后油漆作業(yè)的三名員工操作程序及相互協(xié)作關系如圖5所示，其中a、b、c分別代指油漆作業(yè)各工序的木門扇半成品。

圖5 油漆工序操作者作業(yè)分析Fig.5 Operation analysis of paint process operators

通過上述改善，最終優(yōu)化后的木門扇生產(chǎn)作業(yè)流程如圖6所示。將改善后的生產(chǎn)參數(shù)導入Flexsim軟件進行模擬運行，運行結果如圖2（d）所示。分析表明，改善后生產(chǎn)線平衡率為87.31%，平滑指數(shù)為1.57，基本沒有生產(chǎn)瓶頸，產(chǎn)能大幅度提高。

圖6 優(yōu)化后木門扇生產(chǎn)線作業(yè)流程Fig.6 Optimize the operation process of rear wooden door leaf production line

此外，根據(jù)Flexsim軟件前后優(yōu)化對比（表5）可知，木門扇生產(chǎn)線工位增加了37.5%，日產(chǎn)量提升了250%，生產(chǎn)線平衡性由差提升至良。結果表明：通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，合理配置各工序人員，能有效減少浪費，提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)運行更加高效有序[21-22]。

表5 Flexsim軟件優(yōu)化前后對比表Tab.5 Comparison table before and after Flexsim software optimization

4 結語

實現(xiàn)生產(chǎn)線平衡是提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的重要手段，可以有效防止生產(chǎn)過剩、調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程。本研究結合實際調(diào)研和計算機仿真的方法，針對木門扇生產(chǎn)線的瓶頸工序，通過添加定位裝置、合理配置人員、調(diào)整包裝區(qū)域等一系列措施對生產(chǎn)線進行優(yōu)化改進，最終使木門扇生產(chǎn)線平衡率提高至87.31%，平衡性大大提高，由差提升為良[23]。然而，計算機軟件模擬與實際情況相比，可能會存在一定的誤差。目前，該研究僅限于木門門扇部件，后續(xù)可在木門部件組成的混流生產(chǎn)線基礎上，可采用計算機仿真軟件進一步開展系統(tǒng)仿真和優(yōu)化設計[24-29]。