馬志斌,李　黎,顧巧祥

(中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，浙江 杭州 310018)

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精益方法的桁架流水線產(chǎn)能提升方法研究

馬志斌,李黎,顧巧祥

(中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，浙江 杭州 310018)

【摘要】針對換型對按某一種型號設(shè)計的單件流桁架流水線造成嚴重產(chǎn)能損失的問題，提出基于FIFO的流水線動態(tài)平衡改善方案.分兩種換型情況計算了流水線的工時損失率以及采用FIFO機制后產(chǎn)能損失率的改善.在此基礎(chǔ)上，采取了動態(tài)調(diào)度、設(shè)置線長、快速換模、線內(nèi)轉(zhuǎn)線外等輔助改善措施.經(jīng)過實際驗證，流水線工時浪費率平均減少了22.72%，人均小時產(chǎn)能提高了143.48%.

【關(guān)鍵詞】流水線產(chǎn)能;換型;先進先出;生產(chǎn)效率;桁架

流水線生產(chǎn)是工業(yè)上常用的一種生產(chǎn)方式，可以在流水線上布置多種工位，它結(jié)合了對象專業(yè)化的空間組織及平行移動方式的時間組織的優(yōu)點[1,2].流水線平衡問題有許多解決方法，如：從單元配置、人員配置、產(chǎn)品排序三方面來解決單元配置及排序問題[3]；基于約束理論，深入研究了流水線的調(diào)度規(guī)劃，提高流水線瓶頸工序的生產(chǎn)能力，從而提高流水線的整體產(chǎn)能[4]；利用遺傳算法來優(yōu)化柔性的流水線車間調(diào)度[5-6]等.

在多品種小批量以及按訂單生產(chǎn)的市場環(huán)境下，很多流水線要以混流方式生產(chǎn)[7].混合流水線需要頻繁切換產(chǎn)品型號，各工序的循環(huán)時間不固定，流水線的負荷不均衡，造成產(chǎn)能損失.目前混合流水線的研究主要集中在流水線的平衡和產(chǎn)品排序問題.其中流水線的平衡研究主要有調(diào)度算法研究、工序標準的制定和模塊化生產(chǎn)方式[8].流水線排序主要研究如何安排生產(chǎn)順序使得混流流水線生產(chǎn)均衡、在制品庫存最小以及產(chǎn)能損失最少[9].

扶梯桁架生產(chǎn)流水線按訂單生產(chǎn)，不同型號的切換造成工序周期時間的大幅度波動，造成流水線的不平衡，產(chǎn)能損失很大.而桁架所具有的體積重量龐大、產(chǎn)量少、周期時間長以及流水線缺乏柔性的特點，致使現(xiàn)有的混流流水線的平衡和產(chǎn)品排序方法尚不能實際解決型號切換造成的桁架流水線不平衡問題[10].本文從工業(yè)工程角度，在實際現(xiàn)場改善時成本、場地、投資回報率等條件的約束下，提出了若干優(yōu)化方案，旨在提高混流桁架流水線的平衡率，提高產(chǎn)能.

1扶梯桁架流水線現(xiàn)狀

電動扶梯桁架是一種開口式的空間鋼架結(jié)構(gòu)，采用角鋼和槽鋼焊接而成的大型產(chǎn)品.A電梯公司生產(chǎn)的桁架主要的生產(chǎn)工藝為焊接，包括5道工序，依次是左單片、右單片、合攏、底板、固定件，前三道工序都是在固定的大型工裝上進行加工，后兩道工序在地面加工，各工序間的半成品體積和重量很大，需使用行車起吊來移動.A公司只有一套桁架生產(chǎn)工裝，桁架以單件流的流水線形式進行加工.見圖1.

圖1　正吊出工裝的桁架在制品Figure 1　Hanging out WIP truss fromtoolings

桁架按訂單生產(chǎn)，有很多的規(guī)格型號和定制化需求，最主要的是桁架提升角度和提升高度的區(qū)別.桁架提升角度分為30°和35°，提升高度主要分為3 m、4.5 m或6 m.從生產(chǎn)管理角度，將產(chǎn)量最多的梯型(提升高度為4.5m，提升角度為35°)稱為標準梯，其他梯型為非標梯.在左單片工序，在不同的梯型間進行切換(換型)時，需根據(jù)提升角度和(或)提升高度對工裝進行調(diào)整，需要換模時間，而其他工序不需要換模.

桁架生產(chǎn)流水線人員固定，有13名焊工.每天工作時間為7.5 h，其中有效工作時間為7 h.節(jié)拍設(shè)計為1 h，理論生產(chǎn)能力為7臺.在生產(chǎn)標準梯的條件下，流水線平衡率比較高，基本上每道工序的周期時間是1 h.

目前，車間為減少換型次數(shù)和換型時間，應用了以下規(guī)則進行產(chǎn)品排序：在滿足交期基礎(chǔ)上，

1)將同一規(guī)格型號訂單相鄰排產(chǎn)，以減少換型次數(shù).

2)將同一提升角度訂單相鄰排產(chǎn)，以減少左單片工序提升角度的換模次數(shù).

3)將提升高度由高至低或由低至高順序排產(chǎn)，以縮短左單片工序換模的工裝長度調(diào)整距離，減少調(diào)整時間.

但由于桁架生產(chǎn)數(shù)量少、工序周期時間長，換型造成的流水線不平衡的損失巨大.在每天有多種梯型訂單的情況下，產(chǎn)品排序方面給流水線帶來的收益是有限的.

目前存在的問題：桁架是大型產(chǎn)品，周期時間和各工序循環(huán)時間長，在生產(chǎn)切換型號時，不同梯型的周期時間差異大(10～30 min)，造成流水線的嚴重不平衡，由此引起大量的時間等待和工時浪費.而流水線受到工裝條件限制，工序的數(shù)量及其各工序的負荷不能動態(tài)調(diào)整，不具備柔性，流水線不平衡狀態(tài)遲遲得不到改善.不平衡造成的產(chǎn)能損失非常大，經(jīng)常造成交期延誤[11-12].左單片工序的較長的換模時間使情況更加惡化.

2切換時間分析

Y型號桁架和X型號桁架各工序生產(chǎn)周期時間如表1(Y型號桁架較X型號桁架的周期時間長，即tyi>txi).

表1　流水線生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1長周期時間桁架切換為短周期時間桁架的情況

流水線由Y型號桁架切換為X型號桁架，狀況如圖2.

圖2　Y型號換X型號時各工序工作時間狀況圖Figure 2　Working timediagram of each procedure when Y model is replaced by X model

由圖2可得

=2[(ty2-tx1)+(ty3-tx2)+(ty4-tx3)+

(ty5-tx4)]+3[(ty3-tx2)+(ty4-tx3)+

(ty5-tx4)]+2[(ty4-tx3)+(ty5-tx4)]+

4(ty5-tx4).

2.2短周期時間桁架切換為長周期時間桁架的情況

流水線由X型號標桁架切換為Y型號桁架，狀況如圖3.

圖3　X型號換Y型號時各工序工作時間狀況圖Figure 3　Working timediagram of each procedure when X model is replaced by Y model

由圖3可得

=3(ty1-tx2)+2[(ty1+ty2)-(tx2+tx3)]+

4[(ty1+ty2+ty3)-(tx2+tx3+tx4)]+

2[(ty1+ty2+ty3+ty4)-(tx2+tx3+

tx4+tx5)].

2.3損失分析

設(shè)X桁架與Y桁架的每道工序周期時間如表2.

表2　流水線各工序周期時間

則總工作時間=2×(ty1+tx1)+3×(ty2+tx2)+2×(ty3+tx3)+4×(ty4+tx4)+2×(ty5+tx5)=1626.5(min).

所以兩種情況的工時浪費都很嚴重.

3流水線產(chǎn)能提升方法

面對換型引起的流水線不平衡和大量的產(chǎn)能損失，在流水線缺乏柔性以及產(chǎn)品排序不能有效改善的情況下，從工業(yè)工程角度，應用以下基于精益方法的措施來降低換型造成的產(chǎn)能損失.包括：1)工序間設(shè)置FIFO(先入先出)，以保持生產(chǎn)過程的連續(xù)性；2)及時動態(tài)調(diào)度，根據(jù)實際情況在工序間調(diào)整人員配置；3)設(shè)置流水線線長崗位，換型時對流水線予以必要的支持；4)快速換模，改進左單片工裝，提高換模的速度，減少換模的時間；5)線內(nèi)轉(zhuǎn)線外，將左單片一部分組件移到線外焊接，以降低左單片換模時間對流水線平衡的影響.以上措施已經(jīng)在A公司桁架生產(chǎn)車間實施，并取得了較好的效果.

3.1實施FIFO生產(chǎn)生產(chǎn)方式

圖4　FIFO通道(陰影部分)設(shè)置圖Figure 4　FIFO channel (shaded part) set diagram

各工序緩沖區(qū)如圖4中虛線框區(qū)域.若第i道工序的任務已完成，而第i+1道工序的任務還未完成，則把第i道工序完成的工件暫存至緩沖區(qū)，第i道工序接著開始下一臺桁架的生產(chǎn).由此，避免或減少第i道工序的等待時間.考慮到桁架的大小、車間場地的限制，選擇FIFO通道量為1臺.

基于FIFO生產(chǎn)后各工序工作時間如圖5.

圖5　使用FIFO后各工序工作時間狀況圖　Figure 5　Working timediagram of each procedure after using FIFO

3.2生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度

充分利用工人的能動性，在換型時調(diào)整工序上的人員，平衡前后工序任務的完成時間，減少工人等待時間[13].工序間動態(tài)調(diào)度的方案如圖6，圖中箭頭的方向即為工序間支援的方向.

圖6　動態(tài)調(diào)度示意圖Figure 6　Schematic diagram of dynamic scheduling

當流水線換型后，工序上出現(xiàn)長時間等待現(xiàn)象，當工序的完成時間明顯短于工序i+1的完成時間時，調(diào)度負荷輕的工序i的工人支援相鄰的負荷重的工序i+1，從而降低換型后工時差異對生產(chǎn)線的影響，使各工序盡量達到平均生產(chǎn)速率水平，保持流水線生產(chǎn)過程的動態(tài)平衡.調(diào)度時安排工序中生產(chǎn)速率高的工人對另一工序進行支援,以節(jié)約多技能培訓成本和提高生產(chǎn)速度[14].

為使相鄰工序間支援更靈活、更省時，此動態(tài)調(diào)度方案需要工序1到4都有雙技能工人，但由于加工工藝都為焊接，故此方案實施難度不大.

3.3線長制

在流水線上增加一個線長崗位，線長掌握5個工序需要的技能.在生產(chǎn)線出現(xiàn)瓶頸時進行支持，降低瓶頸工序加工時間.不管是基于FIFO生產(chǎn)方案還是生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度方案，線長對于優(yōu)化生產(chǎn)都是很重要的[15].在動態(tài)調(diào)度方案中，工人的任務分配的合理性取決于線長的調(diào)度能力.

3.4快速換模

桁架流水線換型時，左單片工序要改變上、下頭部工裝的拐角來調(diào)整桁架提升角度，移動上頭部工裝以調(diào)整桁架提升高度.原有工裝采用滑槽方式，阻力大，要借助行車來拖動，費時費力.偶爾滑槽被異物卡住，會耽誤很長時間而造成流水線大量產(chǎn)能損失.經(jīng)過改進工裝設(shè)計，將模具改成滾動方式，使換模簡單輕松，大大節(jié)省了人力，并有效地縮短了換模時間.模具改善前后如圖7、圖8.

圖7　原有滑動換模的工裝圖Figure 7　Tooling drawing of the original sliding-exchange die

圖8　改進為滾動換模的工裝圖Figure 8　Tooling drawing of the improvedrolling-exchange die

工裝改進后，平均換模時間由之前的平均18 min，縮短為5 min，大幅降低了換模時間.

3.5線內(nèi)轉(zhuǎn)線外

雖然模具的改進減少了左單片換模時間，但換模時間對流水線的產(chǎn)能還是有一定影響.為進一步彌補左單片工序換模時間，對于提升高度大的梯形，將左單片工序中的豎桿與驅(qū)動固定板等物料間的焊接操作轉(zhuǎn)移至線外，加工成部件.此措施明顯降低了左單片工序的換模對產(chǎn)線平衡的影響.

3.6實際驗證

桁架車間在采取上述措施后，人均小時產(chǎn)能、平均周期時間變化如圖9和圖10，流水線工時浪費率平均減少了22.72%，人均小時產(chǎn)能提高了143.48%，平均周期時間減少了72 min，改善效果很顯著.

圖9　人均小時產(chǎn)能柱形圖Figure 9　Column chart of per capita capacity

圖10　平均周期時間柱形圖Figure 10　Column chart of mean cycle time variation

4結(jié)語

本文對桁架流水線切換時間及換型損失進行了詳細的分析，采取了基于精益方法的改善措施，來降低換型對生產(chǎn)線造成的產(chǎn)能損失，并實施驗證，取得了良好的改善效果.方案雖然是針對電梯桁架，但對于其他類似產(chǎn)品的生產(chǎn)線，可以作為參考.

【參考文獻】

[1]BAYKASOGLU A, ?ZBAKIR L. Discovering task assignment rules for assembly line balancing via genetic programming[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,76(1-4):417-434.

[2]HAMID Y,MUSTAFA Y. Multi-manned assembly line balancing problem with balanced load density[J].Assembly Automation,2015,35(1):137-142.

[3]SPEARMAN M. On the theory of constraints and the goal system[J].Production and Operations Management,1997,6(1):28-33.

[4]劉勇,谷寒雨，席裕庚.基于約束理論的混合復雜流水線規(guī)劃調(diào)度算法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2005,11(1):97-103.

LIU Yong,GU Hanyu,XI Yugeng. Planning and scheduling algorithm based on TOC for complex hybrid flow shop problems[J].Computer Integrated Manufacturing Systems,2005,11(1):97-103.

[5]ZHOU Huiren, TANG Wansheng, WEI Yinghui. Optimize flexible flow shop scheduling using genetic algorithm[J].Computer Engineering and Applications,2009,45(30): 224-226.

[6]袁偉東,唐敦兵,王雷，等.基于遺傳算法的動態(tài)任務分配研究[J].中國制造業(yè)信息化,2010(3):57-60.

YUAN Weidong,TANG Dunbing,WANG Lei, et al. Research of the dynamic task allocation based on genetic algorithm[J].Manufacture Information Engineering of China,2010(3):57-60.

[7]林筠,李隨成.多品種可變流水線平衡及改善[J].工業(yè)工程,2000,3(2):46-49.

LIN Yun, LI Suicheng. Varied convertible assembly line balance and improve[J].Industrial Engineering Journal,2000,3(2):46-49.

[8]BECKER C,SCHOLL A. A survey on problems and methods in generalized assembly line balancing[J].European Journal of Operational Research,2006,168:694-715.

[9]潘旭.汽車線束混合流水線的設(shè)計和平衡研究[D].上海:上海交通大學,2011.

PAN Xu. Study on design and balance for mixed conveyor line of automobile wire harness[D]. Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2011.

[10]GHOLAMI M, ZANDIEH M. Integrating simulation and genetic algorithm to schedule a dynamic flexible job shop[J].Journal of Intelligent Manufacturing,2009,20(4):481-498.

[11]蔡啟明,張慶,莊品.基礎(chǔ)工業(yè)工程[M].北京:科學出版社,2005:92-106.

[12]范中志,張樹武,孫義敏.基礎(chǔ)工業(yè)工程(IE)[M].北京:機械工程出版社,2001:97-115.

[13]宋靜.人工作業(yè)系統(tǒng)的組織與優(yōu)化研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學,2012.

SONG Jing.Research on organization and optimization of manual operation system[D]. Guangzhou:Guangdong University of Technology,2012.

[14]劉蓉,胡盛強,張畢西.人工作業(yè)系統(tǒng)各作業(yè)模式生產(chǎn)效率與成本分析[J].系統(tǒng)工程,2013(7):104-109.

LIU Rong,HU Shengqiang,ZHANG Bixi.The analysis on the production efficiency and cost of the operation mode of manual operating system[J].Systems Engineering,2013(7):104-109.

[15]王慧.基于精益生產(chǎn)的裝配流水線平衡研究與應用[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007.WANG Hui. Assembly line balance research based on lean production[D].Hefei:Hefei University of Technology,2007.

【文章編號】1004-1540(2016)02-0177-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.02.010

【收稿日期】2016-01-22《中國計量學院學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項目】浙江省公益技術(shù)研究工業(yè)項目(No.2014C31083)，浙江省自然科學基金資助項目(No.Y14E050099).

【作者簡介】馬志斌(1972-),男,黑龍江省雞西人，博士,主要研究方向為精益生產(chǎn)、工業(yè)工程、企業(yè)信息化.E-mail：mzb@cjlu.edu.cn

【中圖分類號】F287.2

【文獻標志碼】A

Research on productivity improvement of escalator truss assembly lines with lean methods

MA Zhibin, LI Li, GU Qiaoxiang

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Aiming at the capacity losses caused by the model changing of escalator truss assembly lines, we designed a dynamic balance improvement measure based on FIFO. The losses of the working hours were calculated in two cases of model changing. Improvements such as dynamic scheduling, appointing leader of the line, quick die change systems and manufacturing some parts outside the assembly line were suggested.Through practical verification, the time wasting rate of the assembly line was reduced by 22.72% on average; and the per capita hourly production capacity was increased by 143.48%.

Key words:assembly line capacity; model changing; FIFO; production efficiency; escalator truss