時黨偉

（庫卡機器人制造（上海）有限公司，上海 201614）

由于機器人行業(yè)的客戶化、定制化以及多樣化特性，制造過程工序多、操作時間長、在制品庫存大、生產(chǎn)交期長等問題，在制造過程中標(biāo)定單元用時過長是瓶頸工序。為了能快速換型或換線，對標(biāo)定工序優(yōu)化重組，以降低生產(chǎn)交期，提高工時利用率，實現(xiàn)快速換模與高效產(chǎn)出。

生產(chǎn)平衡化是對生產(chǎn)的全部工序進(jìn)行均衡化，調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，以使各作業(yè)時間盡可能采用相近的技術(shù)手段與方法，主要目的是提高作業(yè)人員及設(shè)備工裝的工作效率，減少單件產(chǎn)品的工時消耗，減少工序在制品，提高生產(chǎn)應(yīng)變能力，真正實現(xiàn)“一個流”[1]。人機結(jié)合分析法是調(diào)查作業(yè)人員作業(yè)時間與機器運轉(zhuǎn)時間之間的關(guān)系，在一人負(fù)責(zé)多臺機器的情況下，會出現(xiàn)“待工”和空閑時間的浪費，通過分析人機運作狀態(tài)來發(fā)現(xiàn)浪費，并減少這些不良現(xiàn)象[2]。人機結(jié)合分析法運用的經(jīng)典詮釋是快速換型，快速換型是由原日本能效協(xié)會新鄉(xiāng)重夫先生開發(fā)的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為精益生產(chǎn)實施過程的一個重要方法，其英文名稱為Single Minute Exchange of Dies，簡稱SMED，之所以是Single，是因為可以在10 min 以內(nèi)或10 s 以內(nèi)實現(xiàn)快速換型[3]。SMED是一種能有效縮短切換時間的理論和方法，它通過作業(yè)過程流水線化來幫助人們了解整個作業(yè)流程。首先是區(qū)分內(nèi)部操作和外部操作，逐步將內(nèi)部作業(yè)操作轉(zhuǎn)化為外部操作，其次是不斷地減少無效操作，優(yōu)化有效的操作，最后是簡化外部作業(yè)，優(yōu)化內(nèi)部作業(yè)。通過不斷循環(huán)，使操作更靈活，提高了生產(chǎn)力和質(zhì)量穩(wěn)定性，降低了半成品庫存，優(yōu)化了工作環(huán)境，能快速交付客戶，也提高了員工的工作理念。本文以工業(yè)六軸機器人標(biāo)定單元作業(yè)為研究對象，運用工序分析法、人機結(jié)合法、快速換型法等對其進(jìn)行深入分析與改進(jìn)，達(dá)到提高生產(chǎn)率、縮短產(chǎn)品交期、提升過程管理水平和提高企業(yè)效益的目的。本文的研究思路可以為同行業(yè)企業(yè)解決類似問題提供參考借鑒。

1 標(biāo)定單元作業(yè)現(xiàn)狀及問題分析

工業(yè)六軸機器人根據(jù)負(fù)載、臂長等不同組合相應(yīng)的型號，根據(jù)負(fù)載分為五大系列：小機器人、低負(fù)荷、中等負(fù)荷、高負(fù)荷、重負(fù)載。為了更好地研究工業(yè)六軸機器人標(biāo)定單元快速換型并建立適合的快速換型模式，本文以需求量大的低負(fù)荷系列機器人為深入研究對象。首先簡單熟悉和認(rèn)識快速換型項目中用到的工具。

1） 換型時間。換型時間是完成上一個品種的最后一件合格品與下一個品種的合格品之間的時間間隔[4]，主要由內(nèi)部時間與外部時間構(gòu)成。內(nèi)部時間為無論如何也不得不把設(shè)備停下來進(jìn)行轉(zhuǎn)換作業(yè)的時段，如更換模具或刀具；外部時間為機器運行時可進(jìn)行活動的時段，如第一次檢測，取原材料或是取放工具為下一次換模設(shè)定做準(zhǔn)備，包括刀具、模具、工具、材料的準(zhǔn)備。換型時間主要研究生產(chǎn)流程與換型流程，關(guān)注不同的工序與作業(yè)時間和總的交貨時間的差別，最大程度地去壓縮切換過程的損失，如換模、換件、調(diào)修、尋找及其他。

2） ECRS 改善原則。系統(tǒng)地觀察問題的根源，并確定問題重點和改善目標(biāo)，已經(jīng)清楚了不經(jīng)濟、不平衡、不合理的浪費在哪里，如何排除這些問題就需要充分考慮ECRS 改善四原則，即取消、合并、重排、簡化[5]，在此基礎(chǔ)上，制定改善方案，明確地去改進(jìn)，降低換模時間，提高產(chǎn)出效率，對客戶快速響應(yīng)。

1.1 標(biāo)定單元概述

標(biāo)定單元由測試固定地板、激光追蹤儀、控制柜、配重存放架、加油車、安全系統(tǒng)與防護圍欄、操作監(jiān)控臺組成，見圖1。記錄換型全過程，進(jìn)行問題點的收集與分類，以便于分析改善。

圖1 改進(jìn)前的標(biāo)定單元組成

1.2 標(biāo)定作業(yè)全過程的觀測記錄

對標(biāo)定單元操作過程進(jìn)行工序時間觀測，工序時間見表1。

表1 改進(jìn)前的標(biāo)定單元換型工序時間表

由表1 可以看出，從清潔測試固定地板開始到把標(biāo)定合格的機器人放到包裝的固定托盤上，標(biāo)定一臺機器人共需要進(jìn)行20 個步驟，作業(yè)全過程的總時間為167 min。由于機器人標(biāo)定的特殊性，每一臺標(biāo)定都為換型作業(yè)，因此本文對標(biāo)定作業(yè)過程進(jìn)行問題歸類與分析。

1.3 標(biāo)定過程問題類別與分析

依據(jù)作業(yè)過程及相關(guān)數(shù)據(jù)信息，整個標(biāo)定過程可以分成檢查、移動、安裝、調(diào)試、測試、加油、保存等，標(biāo)定單元作業(yè)過程分布見第88 頁圖2。

圖2 改進(jìn)前的標(biāo)定單元作業(yè)過程分布

根據(jù)現(xiàn)場觀測，找出浪費問題點所在，總體歸納為3 類問題。

1） 標(biāo)定單元設(shè)備利用率低。建立一個標(biāo)定單元一般投入200～300 萬元，價格昂貴，最好的辦法是最大限度地提高設(shè)備利用率。而從圖1 標(biāo)定單元組成來看，標(biāo)定單元是人機組合作業(yè)，在標(biāo)定單元間完成全部作業(yè)過程時沒有分內(nèi)部作業(yè)和外部作業(yè)，導(dǎo)致設(shè)備利用率低。從圖2 標(biāo)定單元作業(yè)過程分布能夠再次驗證，實際測試時間只占45%，其他的安裝、調(diào)試、移動檢查等占用了大部分時間，有很大的設(shè)備利用率改善空間。

2） 生產(chǎn)工序不平衡。如果把標(biāo)定單元作業(yè)全過程看成一條生產(chǎn)線，從表1 可知，測試用時為50 min，從當(dāng)前人機操作工序時間來看，其他的工序都低于50 min，說明標(biāo)定生產(chǎn)各工序快慢不一，導(dǎo)致工序間人員操作走動較多，換型中有許多工裝工具的更換比較頻繁，測試的方法都是依據(jù)工人的經(jīng)驗操作，這會造成一定的浪費。

3） 標(biāo)定生產(chǎn)周期過長?？蛻粜枨笥媱潪槊吭?50 臺，按照每月22 天計算，每天需求11.36 臺，一個班次480 min，除去休息時間，有效產(chǎn)出時間為450 min，即客戶需求節(jié)拍時間為：450 min 除以11.36 臺等于39.61 min/臺。按照當(dāng)前標(biāo)定作業(yè)時間每臺167 min 計算，如果滿足客戶需要標(biāo)定單元個數(shù)為：167 min 除以39.61 min 等于4.22 個，約等于5 個單元。當(dāng)前只有一個庫卡機器人負(fù)載22 kg（KR22） 產(chǎn)品系列的標(biāo)定單元，如果安排3 個班次，還差2 個單元，也就是需要重建一個標(biāo)定單元才能滿足客戶需要。由于當(dāng)前的標(biāo)定生產(chǎn)周期過長，因此導(dǎo)致訂單部和客戶抱怨交期長，從而降低了客戶滿意度。

2 換型操作改進(jìn)

根據(jù)標(biāo)定生產(chǎn)單元換型過程存在的三大類問題，從標(biāo)定單元布局、作業(yè)過程工序以及標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)3 個方面進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)。

2.1 標(biāo)定單元布局優(yōu)化

重新規(guī)劃標(biāo)定生產(chǎn)單元布局，見圖3，具體調(diào)整事項如下。

圖3 改進(jìn)后的標(biāo)定單元布局

1） 取消原機器人待標(biāo)定區(qū)，在現(xiàn)有的空間重新布局，將機器人標(biāo)定作業(yè)分為機器人測試區(qū)和機器人外部作業(yè)區(qū)，安全系統(tǒng)不變，防護圍欄兩側(cè)打通，搭建了機器人軌道線和同步控制柜輸送線。

2） 將加油車、配重存放架以及測試固定地板移出原標(biāo)定間，根據(jù)內(nèi)部作業(yè)與外部作業(yè)需要重新制作一個測試固定地板和配重配套架等。將測試固定地板固定在機器人軌道線，標(biāo)定單元兩側(cè)各一個。配重配套存放架分別放置于機器人軌道線兩側(cè)，便于根據(jù)機器人負(fù)載范圍選擇對應(yīng)的配重、測試十字架等測量工具。

標(biāo)定作業(yè)過程簡單說明：當(dāng)標(biāo)定單元右側(cè)機器人固定在地板上并連接控制柜，安裝測量工具后啟動左側(cè)軌道和輸送線，將左側(cè)機器人與控制柜送到標(biāo)定單元進(jìn)行測試；在測試時將標(biāo)定單元左側(cè)機器人固定在地板上，連接控制柜，安裝測量工具后，待標(biāo)定單元測試完成后退回標(biāo)定單元右側(cè)，啟動右側(cè)軌道和輸送線，將右側(cè)機器人與控制柜送到標(biāo)定單元進(jìn)行測試；在測試時完成拆卸左側(cè)機器人等相關(guān)工作，完成標(biāo)定。標(biāo)定單元左右兩側(cè)重復(fù)操作過程可以大大提高標(biāo)定單元的利用率。

2.2 作業(yè)過程工序改進(jìn)

依據(jù)SMED 實施進(jìn)程，對標(biāo)定生產(chǎn)單元全過程工序做如下調(diào)整。

1） 將表1 中的步驟1 到步驟3，步驟5 到步驟6調(diào)整到外部作業(yè)區(qū)并合并工序，當(dāng)鏟車放在固定地板上前完成清潔動作，減少叉車取放時間。

2） 在中央手裝配生產(chǎn)線建立加油系統(tǒng)，將中央手加油作業(yè)移至中央手線上，減少標(biāo)定單元的作業(yè)時間，將包裝托盤直接移到機器人軌道線邊，下線直接放至托盤上，由包裝人員移到包裝區(qū)進(jìn)行包裝。

3） 建立掃描系統(tǒng)，可以連接測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)和操作通過掃描和程序自動化。例如，連接示教器、控制柜，通過掃描可以直接選取機器人對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試程序；在配重架上將法蘭盤、測量工具及配重按照機器人型號一一匹配編號存放并可視化，且掃描系統(tǒng)里能夠顯示幾號需要的測量工具；零位測試（含機械零位與電子控制儀器EMD 的電子零位測試）、工具中心點（TCP） 測試、跑合（RUNOFF） 測試自動程序化和數(shù)據(jù)保存，減少人員操作，大大降低作業(yè)時間等。

通過人機結(jié)合、工序改進(jìn)、作業(yè)優(yōu)化等改善活動，將標(biāo)定生產(chǎn)作業(yè)由原來的20 個步驟降低到12 個步驟，見表2。

表2 改進(jìn)后的標(biāo)定單元換型工序時間表

匯總作業(yè)類別和內(nèi)外部作業(yè)，各個類別作業(yè)工時分布見圖4。其中內(nèi)部作業(yè)時間73 min，占總作業(yè)時間的70%。把內(nèi)部時間看作標(biāo)定的瓶頸時間，依據(jù)1.3 中客戶需求節(jié)拍時間39.61 min/臺，計算改進(jìn)后需要標(biāo)定單元數(shù)量為：73 min 除以39.61 min等于1.84 個，即只需要1 個標(biāo)定單元，安排2 個班次就可以滿足標(biāo)定產(chǎn)能需求。

圖4 改進(jìn)后的標(biāo)定單元作業(yè)過程分布

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)

1） 結(jié)合有經(jīng)驗的人員實施過程建議和操作，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)換型作業(yè)流程梳理并制定新的標(biāo)定單元外部作業(yè)和標(biāo)定生產(chǎn)流程和操作指導(dǎo)書，對所有標(biāo)定人員進(jìn)行教育培訓(xùn)，以確保操作符合性一致。

2） 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)換型流程，梳理換型過程需要使用的工具并制成點檢清單，每次換型前使用，防止準(zhǔn)備不充分，如工具遺漏或工具損壞。

3） 組織每月定期召開的小型研討會，及時找出發(fā)生問題的解決方案并改進(jìn)，以保證項目持續(xù)改進(jìn)和閉環(huán)跟進(jìn)。

3 標(biāo)定單元優(yōu)化效果評價

通過人機結(jié)合改進(jìn)、工藝過程改進(jìn)、布局改進(jìn)、工裝夾具改進(jìn)、管理改進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)化改進(jìn)等，標(biāo)定單元改進(jìn)前后對比見表3。

表3 標(biāo)定單元改進(jìn)前后匯總表

總體標(biāo)定作業(yè)時間由原來的167 min 降低到104 min，減少換型時間63 min，大幅度提升了換型效率。標(biāo)定產(chǎn)能從2.69 臺/班次提升到6.16 臺/班次，降低了標(biāo)定生產(chǎn)周期和在制品庫存量等。

4 結(jié)論

本文以庫卡機器人負(fù)載22 kg（KR22） 型號為研究對象，運用IE 的工序分析法、人機結(jié)合法、ECRS 改善法以及精益生產(chǎn)SMED 等工具，結(jié)合相應(yīng)的理論與方法，對其標(biāo)定生產(chǎn)單元快速換型進(jìn)行了深入的研究，解決了布局不合理、工序不均衡、生產(chǎn)周期長、在制品多、生產(chǎn)效率低等問題。通過本次快速換型優(yōu)化改進(jìn)，將SMED 項目展開工作的思路匯總?cè)缦?，以期能對同類問題的解決有一定的參考借鑒。

1） 詳細(xì)觀察：要用放大鏡的眼光去現(xiàn)場觀察當(dāng)前生產(chǎn)的各個過程，確認(rèn)成員現(xiàn)場職責(zé)，觀察換產(chǎn)過程，按照人、機、料、法、環(huán)五維度記錄過程問題點。

2） 廣集問題：問題是改善的源泉，要用廣度的視角去匯總當(dāng)前生產(chǎn)換線或換型過程的問題點，輸出每個崗位的觀察時間等，建立換型問題庫。

3） 仔細(xì)分析：組員內(nèi)部討論問題，確認(rèn)生產(chǎn)換線或換型過程的內(nèi)外部時間是否正確，輸出問題點的分析及對策，匯總輸出改善點。

4） 認(rèn)真改善：對問題點迅速做出改善動作；對員工生產(chǎn)過程或物料配送過程的動作進(jìn)行優(yōu)化改善；對物料的齊套性和配送規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化改善。