童華剛， 張洪亮， 吳玉國

(安徽工業(yè)大學 1.管理科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032； 2.機械學院，安徽 馬鞍山 243032)

基于價值流及仿真分析對于回轉(zhuǎn)支承生產(chǎn)線的改善

童華剛1， 張洪亮1， 吳玉國2

(安徽工業(yè)大學 1.管理科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243032； 2.機械學院，安徽 馬鞍山 243032)

利用價值流對傳統(tǒng)的機械加工廠進行分析，發(fā)現(xiàn)其物流混亂以及生產(chǎn)線平衡率較低等問題，利用精益生產(chǎn)的方法，制定改善方案。針對價值流只能靜態(tài)短時間內(nèi)反映生產(chǎn)情況，本文將價值流與Flexsim軟件結(jié)合，以彌補價值流缺陷。與傳統(tǒng)通過規(guī)劃設計未來價值流不同，本文利用仿真軟件確定價值流圖各個工序之間的間隔時間以及超市容量。

精益生產(chǎn)； 價值流； 系統(tǒng)仿真; 生產(chǎn)線平衡

價值流技術(shù)作為精益生產(chǎn)的重要工具，在工廠實施精益生產(chǎn)中有著極為重要的應用。價值流圖可以輕易在圖中識別生產(chǎn)的增值以及非增值時間，剔除不創(chuàng)造價值的步驟，避免時間、人員和物料的浪費[1]，提高企業(yè)效益以及競爭能力。例如，謝慶紅等[2]將裝配問題細化，選取其中最為重要的部分進行分析，提高企業(yè)的增值比；繆周等[3]利用價值流對生產(chǎn)線進行再設計，以改善生產(chǎn)線不平衡；劉曉冰等[4]利用價值流對復雜裝備進行分析，在復雜裝備生產(chǎn)中推行精益生產(chǎn)。再者，便是價值流變形應用。例如王道平等[5]將價值流運用到企業(yè)內(nèi)部供應鏈的知識流中。但是價值流技術(shù)存在很多的缺陷，它只能靜態(tài)地反映工廠中的一段時間的生產(chǎn)過程。在國外研究中，價值流技術(shù)與仿真相結(jié)合以彌補價值流的缺陷。比如，Gurumurthy[6]利用價值流分析工廠生產(chǎn)過程，并用仿真軟件動態(tài)模擬工廠以實施精益生產(chǎn)；Jeong等[7]將價值流與仿真結(jié)合解決工廠設施規(guī)劃等問題。

在繪制未來價值流圖時，未有確定合適超市容量以及各個工序需要等待時間的方法，往往都是采用給出時間的范圍，工廠實際的生產(chǎn)周期難以確定，影響企業(yè)組織生產(chǎn)。本文在Flexsim對工廠進行動態(tài)仿真基礎上，利用軟件的仿真功能，確定各個工序所需等待時間以及超市容量。

1 現(xiàn)狀價值流圖分析

G公司是集設計、開發(fā)、制造于一體的回轉(zhuǎn)支承專業(yè)化生產(chǎn)公司。G公司生產(chǎn)產(chǎn)品品種較多，工藝復雜。其中A產(chǎn)品是眾多產(chǎn)品中加工時間長，工序復雜，而且銷量較大的產(chǎn)品。經(jīng)過對A產(chǎn)品的各個加工工位加工時間的反復統(tǒng)計，記錄其實際平均操作時間和等待時間，繪制出價值流圖如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈現(xiàn)狀價值流圖Fig.1 The current value stream mapping of slewing bearing

其中，C/T表示加工時間，C/O表示換模時間，A/T表示有效時間，η表示機器利用率。

回轉(zhuǎn)支承是由內(nèi)圈和外圈裝配而成，加工工藝以及所用時間都不相同，所以需要對內(nèi)圈和外圈分別進行分析。根據(jù)價值流圖分別計算內(nèi)圈外圈的增值比對加工過程中的增值時間(AT)、非增值時間(UT)以及增值比進行分析，增值時間單位是秒(s),非增值時間單位是天(d)。

內(nèi)圈的增值比計算：

外圈增值比計算：

其中AT2表示外圈的增值時間；UT2表示外圈的非增值時間。

由價值流圖分析，內(nèi)圈和外圈加工的增值比都非常低。根據(jù)價值流圖的數(shù)據(jù)以及工廠系統(tǒng)的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)工廠生產(chǎn)線存在著諸多問題。

1)生產(chǎn)線布局不合理。

G公司是傳統(tǒng)的機械加工行業(yè)，采用機群式的布置方式。為了完成產(chǎn)品的加工必須對半成品在各個工序之間進行搬運，A產(chǎn)品內(nèi)圈和外圈加工物流路線如圖2所示。

由設施布置圖可知，車間“亂流”程度高，物流路線重復度較高。導致產(chǎn)品的加工周期變長，而且一旦出現(xiàn)殘次品，很難追根朔源[8]。物流路線重復度高，在調(diào)用行車的時候容易出現(xiàn)安全事故。

2)工廠采用典型的推式生產(chǎn)方式以及機群式布置，生產(chǎn)線出現(xiàn)大量的半成品，各個工位都必須設立在制品庫存以滿足生產(chǎn)的需要。而且隨處可見的在制品占用了大量的工廠面積和資金的同時，也提高了工廠的運營成本。

圖2 工廠布局以及物流路線圖Fig.2 Layout and logistics roadmap of factory

3) 內(nèi)圈和外圈生產(chǎn)線平衡率較低。

根據(jù)價值流圖計算可知內(nèi)圈的生產(chǎn)線平衡率為

同理，計算出外圈生產(chǎn)線平衡率為54.41%。由計算可知內(nèi)圈和外圈的生產(chǎn)線平衡率較低。

2 制定未來價值流圖

2.1 布局改善

為了實施拉動生產(chǎn)以及盡可能地發(fā)展連續(xù)流，必須改變工廠的布局方式，以減輕“亂流”程度。工廠原先使用的是機群式的布置方式，需要將其改進為按產(chǎn)品原則布置。布置方式以及內(nèi)圈外圈的物流路線如圖3所示。

改善過后的工廠布局“亂流”程度得到改善，而且物流路線重合以及回流程度都明顯降低。

2.2 生產(chǎn)線平衡

生產(chǎn)線平衡問題是生產(chǎn)流程設計及作業(yè)標準化過程中關鍵的一環(huán)[9]。

1)瓶頸工序的優(yōu)化。

經(jīng)過現(xiàn)狀價值圖分析，內(nèi)圈加工時間最長的是插齒，插齒有3臺普通機床和1臺銑床，其中銑床是加工工件厚度超過900mm的工件，實際加工中24件產(chǎn)品共用了49 464s，所以該工序?qū)嶋H時間只有2 061s，低于裝配以及粗車等工序時間。工廠加工的瓶頸工序是裝配，經(jīng)過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)裝配工序有3人加工，其中1名工人進行清理，1名工人進行裝配，還有1名工人進行打包，需要的時間分別是410s、600s和2 084s，可以將清理和裝配工序進行合并，另外2人進行打包，這樣該工序耗時2 054s。接下來，工廠加工的瓶頸工序是粗車，經(jīng)過現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，由于加工機床的限制，在加工內(nèi)圈時候不能直接全部粗車完畢，中途需要將工件翻轉(zhuǎn)以完成全部加工，受現(xiàn)場環(huán)境的制約無法將內(nèi)部換模轉(zhuǎn)換成外部換模。改善方案，工件翻轉(zhuǎn)之后直接將工件送到半精車，由半精車機床完成余下的工序。由于第1步粗車結(jié)束之后，工件厚度變小，半精車可以直接將翻轉(zhuǎn)之后的工件加工完畢，而不需要再進行翻轉(zhuǎn)。這樣粗車加工時間為1 846s，半精車加工時間變?yōu)? 051s。接下來齒輪淬火就成為瓶頸工序。經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，淬火工序的工人在進行加工的時候需要按照一定的規(guī)律進行齒輪淬火以滿足性能要求，但是工人加工時往往要花費很長時間去尋找先后加工部位，尤其對于不熟練的工人往往會使加工順序出錯,影響工件性能。在裝夾處設置鋼圈并且以不同顏色標記好加工先后步驟，加工時間減少為2 006 s。

圖3 改善過后的工廠布局以及物流路線圖Fig.3 Layout and logistics roadmap of factory after improving

車磨成為加工的瓶頸工序，由于車磨除了裝夾之外都是由磨床自動加工完成，加工時間也低于顧客需求節(jié)拍，所以瓶頸工位的優(yōu)化結(jié)束。

外圈的加工工序都低于生產(chǎn)節(jié)拍而且節(jié)拍時間與內(nèi)圈生產(chǎn)節(jié)拍大致相同，所以無需進行優(yōu)化。

2)進一步提高生產(chǎn)線平衡率。

經(jīng)過一系列瓶頸工序的優(yōu)化，加工的瓶頸時間降低在工廠的需求節(jié)拍時間之下，但是各個工序的加工時間不一導致生產(chǎn)線不平衡。所以進一步提高生產(chǎn)線平衡就必須要使各個工序的時間盡量保持一致。

內(nèi)圈的加工時間最短的工序是滾道淬火，滾道淬火工人在完成本工作的同時還需要負責最近插床，進行插齒加工，滾道淬火加工時間延長1 326 s。外圈的半精車和滾道淬火工序合并，合并過后的工序加工時間為1 810 s。內(nèi)圈和外圈的粗加工工序是由2人分別完成，但是經(jīng)過人機作業(yè)分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈和外圈的粗加工可以由1名工人完成。將原本由2人完成的粗車工序減少為1人，內(nèi)圈加工時間延長為2 068 s。同樣，經(jīng)過人機作業(yè)分析發(fā)現(xiàn)，稍微延長內(nèi)外圈的精車加工時間，內(nèi)外圈的精車工序便可由1名工人完成，加工時間分別為1 806 s和1 765 s。

2.3 發(fā)展連續(xù)流

在使生產(chǎn)線平衡之后，實施拉式生產(chǎn)以減少在制品庫存。在實際生產(chǎn)中，工廠顧客需求變動性大而且難以預測，生產(chǎn)線上經(jīng)常無法按照原有的生產(chǎn)計劃生產(chǎn)，從而形成大量的在制品庫存，在制品庫存雖然能夠保證連續(xù)生產(chǎn)，但是各個工序猶如信息孤島，在制品庫存不但不可以保證連續(xù)性的生產(chǎn)，還給公司經(jīng)營管理帶來負擔，造成巨大的浪費[10]。采用拉式生產(chǎn)的方式可以減少在制品庫存，以顧客需求為導向，使用看板系統(tǒng)拉動生產(chǎn)。

連續(xù)流是指生產(chǎn)一個、傳送一個、檢查一個的方式進行生產(chǎn)。它是消除庫存和提高效率的方法。在連續(xù)流無法向上游擴展時使用超市控制生產(chǎn)。在回轉(zhuǎn)支承的加工中，將內(nèi)圈的粗車和半精車工序?qū)嵤﹩渭鞯男问剑周囃戤吅罅ⅠR運送到半精車。由于工廠每天只開爐一次，連續(xù)流的生產(chǎn)方式在此處難以進行下去，所以在此處設立超市，以盡可能地實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)流程。工廠在進行最后裝配時，由于內(nèi)圈和外圈進入時間不同，所以也需要設置超市拉動生產(chǎn)。

3 基于Flexsim繪制未來價值流圖

Flexsim是美國Flexsim公司開發(fā)的一款集成了C++和編譯器的仿真軟件，是一款對離散事件進行仿真的系統(tǒng)仿真軟件[11]。

3.1 仿真模型布局設置

根據(jù)加工布局圖，在仿真軟件中設置時間單位為s，長度單位為m。根據(jù)工廠的實際情況，在仿真軟件中該工廠加工的布局圖如圖4所示。

圖4 Flexsim中的工廠布局圖Fig.4 Layout of factory in Flexsim

在該軟件中，仿真過程具體的部位使用說明如表1所示。

表1 軟件模塊說明表Tab.1 Introduction of modules about software

經(jīng)過該工件加工各個工序的多次統(tǒng)計，選取平均值作為該工序的裝夾、加工和卸載時間。其中裝夾時間在機床加工的預置時間內(nèi)設定；加工時間在機床加工時間設定；卸載時間以全局表的形式，由行車進行讀取和執(zhí)行。

工廠加工時熱處理是成批進行加工，所以在暫存區(qū)設置批量發(fā)送，目標批量設置為1 000(這樣暫存區(qū)就不會以批量數(shù)量作為發(fā)送的條件)，最長等待時間設置為5.5 h，這樣熱處理就可以進行批量加工。由于進行熱處理之后，工廠下班，工件冷卻是在加工結(jié)束之后，所以在仿真環(huán)境中可以直接將熱處理之后的工件直接由拖車送到精車進行加工。

通過設置任務序列和在行車觸發(fā)器中編寫代碼，完成工人調(diào)用行車的動作。

最后，設置運行時間為22 d。

3.2 運行模型及繪制未來價值流圖

首先，確定超市容量并且希望通過控制超市容量就可以控制最后的成品[12]，經(jīng)過在Flexsim中不斷地實驗，得出超市的容量與最后成品的數(shù)量如圖5所示。

圖5 超市容量與產(chǎn)品數(shù)量關系圖Fig.5 The diagram of capacity and quantities

根據(jù)圖5，按照每月的生產(chǎn)數(shù)量設置超市的容量實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。所以當入庫暫存區(qū)在制品數(shù)量達到17件時，每月成品數(shù)量為214件，滿足生產(chǎn)需求。所以設置超市容量為17，既滿足生產(chǎn)要求，又能達到降低庫存的目的。

3.3 繪制未來價值流圖

通過Flexsim的標簽功能，確定各個工序所需要的等待時間，繪制價值流圖如圖6所示。 根據(jù)系統(tǒng)仿真的結(jié)果，工廠改善結(jié)果如表2所示。

表2 工廠改善情況對比表Tab.2 Comparison of ameliorative and original factory

4 結(jié)論

價值流圖是精益生產(chǎn)的可視化分析工具，有助于人們科學地發(fā)現(xiàn)并改善生產(chǎn)流程中的瓶頸。但是價值流的應用只能靜態(tài)地反映工廠很短時間內(nèi)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，系統(tǒng)仿真技術(shù)能夠很好地彌補這一缺陷。在利用價值流識別出工廠現(xiàn)階段的問題之后，仿真技術(shù)動態(tài)模擬生產(chǎn)可以發(fā)現(xiàn)實際生產(chǎn)過程中的問題，在此基礎上提出改善方案，更加適合于工廠。而且系統(tǒng)仿真的結(jié)果又可以作為工廠實施改善方案的評價依據(jù)。

圖6 工廠未來價值流圖Fig.6 The future value stream mapping of factory

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The Improvement of Rotary Bearing Production Line Based on Value Stream Mapping and Simulation

TONG Huagang1，ZHANG Hongliang1，WU Yuguo2

(1. School of Management Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China;2. Mechanics Institute, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China)

Value stream mapping is used to analyze traditional machinery factory. Lots of problems like confusion of logistics and imbalance of the production line are found. After that, lean production is adopted to deal with these problems. However, only a period of time in factory can be described by value stream mapping. Flexsim is a key point in dealing with shortcomings of value stream mapping. After analysis of lean production, scenario of improvement can be verified by Flexsim. A final scenario would be established by a statistic report of Flexsim and lean skills.

lean production; value stream map; simulation；line balancing

2016- 07- 11

安徽省教育廳人文社科重點資助項目(SK2016A0168)；安徽省社科聯(lián)社會科學創(chuàng)新發(fā)展課題資助項目(A2015070)

童華剛(1992-)，男，安徽省人，碩士研究生，主要研究方向為精益生產(chǎn).

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.06.016

TH166; TG65

A

1007-7375(2016)06- 0105- 06