基于精益理念的生產線布局優化研究

沈 琦 ,鄭建國

（1.東華大學,上海 201620; 2.上海科爾本施密特活塞有限公司,上海 201814）

0 引言

學習和借鑒已有的先進制造模式是現階段中國制造企業提高生產運營能力的一種有效途徑。近年來已涌現出不少先進制造模式，如計算機集成制造、大規模定制、敏捷制造等，源于豐田公司的精益生產是其中非常關鍵的一個，孫林巖等[1]在分析了精益生產與其它先進制造模式關系的基礎上，指出精益生產是實施各種先進制造模式的基礎，如果企業沒有較好的完成精益生產的轉變，那么實施各種先進制造模式時將會面臨非常大的困難。

在生產布局方面，與大批量生產常采用直線型流水線不同的是，精益生產方式常采用U 型流水線設計，合理的U 型布局是實現準時化生產、均衡生產、一個流生產、少人化生產的重要基礎。精益生產方式下的U型布局有很多優勢[2]：入口和出口一致有利于實現拉動生產；拉近了工作站間距離，縮短了員工作業行走范圍，減少了物料搬運浪費，有利于實現一人多機作業；U型線的中間區域成為共享區域[3]，便于員工之間進行學習、交流和互助；作業分派組合方式更多，具有更強的分派柔性，當市場需求變化時可靈活的增加或減少員工數量從而快速響應外部需求的變化，實現“少人化生產”。在人工費用越來越高、“用工荒”頻現的今天，對于中國制造企業而言，削減作業人數無疑有著重要的意義。

1 精益生產的概念

精益生產（Lean Production,簡稱LP）是美國麻省理工學院數位國際汽車計劃組織（IMVP）的專家對日本豐田生產方式（TPS）的贊譽之稱，精，即少而精，不投入多余的生產要素，在適當的時間生產必要數量的市場急需產品或下道工序急需的產品；益，即所有經營活動都要有效有益，具有經濟性。精益生產是當前工業界最佳的一種生產組織體和方式。[4]

詹姆斯·P·沃麥克等[5]對精益生產的定義是：顧客需求拉動生產，以消滅浪費和快速反應為核心，使企業以最少的投入獲取最佳的運作效益和提高對市場的反應速度，其核心就是精簡，通過消除或減少產品開發設計、生產、管理和服務中一切不產生價值的活動，縮短對客戶的反應周期，快速實現客戶價值和企業內部增值。

精益管理要求企業各項活動都必須運用“精益思維”，“精益思維”的核心就是以最小資源投入，包括人力、設備、資金、材料、時間和空間，創造出盡可能多的價值，為顧客提供新產品和及時的服務。

2 K公司生產線設備布局及價值流分析

K公司是汽車發動機活塞的制造加工企業，年產量總數在2400萬左右，主要的工藝路線：

原材料入庫→熔煉→除氣→澆注→熱處理→機加工→檢驗→清洗→石墨→固化→陽極氧化→裝配→包裝→出庫發運。

表1 活塞生產加工工序表

由于熔煉、除氣、澆注、熱處理的生產屬于熱加工，工藝比較特殊，并且在熱處理后建立毛坯半成品倉庫作為中間存儲庫存，因此不列入本文分析內容。如表1所示是K公司二期活塞生產加工工序表。

與活塞生產加工工序相對應的設備布局圖如圖1所示，工藝過程和物流形式將整個工藝鏈分割成了三個生產相對獨立的區域：機加工生產線，清洗固化表面處理工序以及檢驗裝配包裝區域。

依據精益生產理念對該生產線進行，其存在的缺點如下：

（1）生產線人員配置較多；

（2）生產線平衡率低；

（3）有中間庫存積壓，清洗固化室瓶頸工序會造成大量在制品，占用庫存資金，占用場地；

（4）有批量事故的風險；

（5）需要通過加班完成客戶需求；

為了解決這些問題，需要通過生產線中各道序的生產節拍和工序間的約束進行分析和研究，以及對現場的生產線進行布局研究，生產線的平衡、精益理念以及U型布局的方法，對生產布局進行改善，減少生產人員，提高生產線的平衡率，提高效率。

以EA211產品為例繪制K公司當前價值流圖，如圖2所示。

如圖3所示，從產品當前價值流圖中可以看出，產品從原材料到成品總共經過13個工序。為了提高生產線的生產能力，滿足客戶的需求，需要從生產線中識別主要的浪費和瓶頸，使產品總體增值的過程向預期的目標發展，避免時間、人員、物料、質量的浪費。通過對K公司生產線的價值流圖進行研究，可以看出在影響生產能力的主要問題有：

（1）生產線中存在著瓶頸工序，整個生產鏈的生產節拍和客戶需求的節拍不相符，我們將生產線的各道序的節拍與客戶的需求節拍進行了時間對比，從中來確認生產線中的瓶頸工序；

（2）由于機加工生產線和表面處理間的生產工序時間差異以及瓶頸工序的產能浪費，造成在清洗前有在制品庫存，檢驗和裝配間的產品換型造成在制品庫存積壓，并造成場地有200m2的面積浪費。直接增加了產品的生產周期，且在生產過程中，增加了取料和等待以及走動的時間浪費即生產過程中的不增值時間。

3 K公司生產線設備布局優化

3.1 K公司生產線優化方案

K公司生產線優化內容以減少生產工序中的浪費、減少庫存、解放生產線的瓶頸工序作為主要的改善方向。目的是對生產線的循環時間、瓶頸工序產能、產品合格率等一系列影響生產線生產能力的要素進行優化，來進一步提高生產能力，滿足客戶的需求。同時要進一步考慮生產的成本，其中包括物流成本、人工成本。通過合理的布局和生產線各工序時間的平衡，將生產的過程做到最精益。

（1）解放瓶頸工序產能。針對整個生產鏈中的每個工序進行分類研究，改進生產流程，將檢驗工序放到清洗工序前，直接將缺陷不良品隔離，避免浪費清洗設備和固化設備的生產產能，提高整個生產線的一次合格率，達到消除生產瓶頸的目的。

表2 生產線工序合并工作站

（2）合并工序，定義工作站數。對每個工序的節拍進行平衡合并，明確工作站的數量，進行合理的人員分配，達到減少人員使用和生產鏈平衡的目的。

3.2 生產線工序合并

生產線各工序并行設備有以下特性：

（1）工序內各并行機床自動化程度高，人工干預只是在更換工件上；

（2）工序內各并行機床的自動工作時間遠大于手動操作時間。

根據以上特點，可以在工序內設備中采用多機床管理方式，這樣有利于員工充分利用工時，提高生產效率，降低人工成本。生產線工序合并成工作站如表2所示。

通過對K公司的價值流圖分析和生產節拍的平衡，進行生產線的工藝改善，以及對生產線的工作站數進行合理的工序合并和定義，可以達到如下結果：

（1）通過工藝的改善，將尺寸檢驗的工序直接放在了清洗之前，釋放了瓶頸產能的清洗工序和石墨固化工序，避免瓶頸工序生產后道序將發現的缺陷產品活塞，可節約5%的生產產能；

（2）通過尺寸檢驗工序的前移，并使用在線SPC功能，對整個生產線進行實時監控。出現任何一個尺寸測量異常點，可以直接反饋到生產線進行及時調整，避免批量質量問題的產生，同時能夠大大降低生產線的廢品率，預計將由原來的5%下降到1%；

（3）通過對整個生產線的工序分類和工作站的定義，重新平衡整條機加工生產線的生產節拍，在滿足客戶的需求的基礎上，節約人工使用的成本。

3.3 “U型生產線”方式的精益布局再優化

基于價值流圖、合并工作站和多機床管理原則對機加工生產線進行布局優化，效果也頗為明顯，但對于檢驗后表面處理裝配的布局和生產成本的降低還有進一步提升的空間。階段改進后的生產模式，后續的生產過程在制品庫存問題并沒有得到解決。U型生產線布局在精益生產體系中能夠最大的發揮出來，精益生產方式的核心就是一物流生產。改善后的生產線布局如圖4所示。

對生產線的工藝工序優化和U型布局平衡優化后，取得了非常顯著的改善效果，有效的降低了生產的瓶頸風險，降低了批量的質量風險，降低了人工成本的支出，降低了人事費用率，提升了生產線的平衡率，平衡延遲率下降了。通過了布局的優化，將清洗之前和檢驗之前的在制品釋放，形成了一物流的精益生產模式，降低了在制品庫存資金的占用，有效降低了庫存資金和在制品成本。

4 小結

通過對K公司的精益生產布局及優化，以提高生產線的效率、降低生產線延遲率、降低廢品缺陷率、釋放瓶頸工序、減少生產人員數量、減少在制品數量和資金，來達到生產線布局優化的目的，并在實際的運行下達到了很好的效果。

[1]孫林巖,汪建,曹德弼.精益生產及其在先進制造中的地位和作用[J].航空制造技術,2003(07):48-57.

[2]唐自玉，朱華炳，劉光復等.基于“一個流”模式的車間生產線改善設計[J].組合機床與自動化技術,2009(01):105-109.

[3]Miltenburg J. U-shaped production lines: a review of the theory and practice [J].International Journal of Production Economics, 2001, 70(3):201-214.

[4]楊涓子.精細化管理的68個細節[M].企業管理出版社,2006.

[5]沃麥克，丹尼爾，瓊斯. 精益思想[M].北京：機械工業出版社,2009.