某軸承裝配車間總體布局與物流優(yōu)化方案

陳夢柯，黃浩浩，陳陽陽，王慧敏，王 康

（蘭州理工大學(xué)機電工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟一體化快速發(fā)展，市場環(huán)境不斷變化，好的設(shè)施布置設(shè)計可以改進企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低物料搬運成本和生產(chǎn)成本，還可以使員工工作心情愉悅，有效提高生產(chǎn)力。

國內(nèi)外對設(shè)施布置設(shè)計做了大量研究。Fred和Mat?thew等[1]詳細研究了制造設(shè)施設(shè)計和物料搬運。張宏斌等[2]和李航等[3]結(jié)合算法和數(shù)學(xué)模型，研究了基于自動化排布算法的工廠系統(tǒng)布局和驗證方法的有效性的問題。考慮人工因素，Lan和Zhao[4]提出與SLP結(jié)合的設(shè)施布局優(yōu)化方法。Natarajan[5]考慮了時間研究的基本原理，使工廠更精簡。Kulturel[6]考慮了不確定性和布局靈活性，進行布局優(yōu)化。

某軸承廠為適應(yīng)市場需求，對計劃重建的精密分廠裝配車間布局和物流方案進行優(yōu)化設(shè)計，采用系統(tǒng)設(shè)施規(guī)劃和物料系統(tǒng)搬運的方法設(shè)計出合理的車間布局以及物料搬運方案，并結(jié)合3D max軟件對裝配車間進行三維建模。

1 問題分析

某軸承廠是一個軸承制造企業(yè)，為進一步適應(yīng)市場需求，對計劃重建的精密分廠裝配車間布局和物流方案進行優(yōu)化設(shè)計。為此，以實際現(xiàn)狀為參考，分析原有生產(chǎn)工藝，針對目前裝配車間存在的問題，優(yōu)化生產(chǎn)流程。

通過對該軸承廠進行調(diào)研，了解其裝配車間現(xiàn)狀，繪制設(shè)備布局圖如圖1所示。結(jié)合實際狀況分析圖1得出：超高物流強度的物流路線占比10%，承擔(dān)物流量占比40%；特高物流強度的物流路線占比20%，承擔(dān)物流量占比30%；一般物流強度的物流路線占比40%，承擔(dān)物流量占比10%。其現(xiàn)有設(shè)施布局、裝配車間物流搬運方案，并沒有達到預(yù)期的效果，車間物流存在物流路線較多、資源配置不合理、生產(chǎn)線不平衡造成的效率低下等問題。對裝配車間現(xiàn)場情況進行全面的分析和研究，導(dǎo)入工業(yè)工程的規(guī)劃方法來解決、優(yōu)化上述問題。

圖1 現(xiàn)有設(shè)備布局圖和物流路線圖

2 解決方案

2.1 裝配車間設(shè)施布局

針對舊裝配車間設(shè)施布局造成的物流效率低下和物流路線存在交叉、回流等問題，用SLP法設(shè)計新方案并對其進一步優(yōu)化。

根據(jù)企業(yè)2019年1月9日—3月12日的實地測量以及物流分析數(shù)據(jù)，結(jié)合裝配車間布局圖以及精密分廠設(shè)備布局圖等信息，得出裝配車間作業(yè)單位及面積相關(guān)信息表，如表1所示。

表1 裝配車間作業(yè)單位及面積匯總表

統(tǒng)計軸承裝配車間第一季度的軸承內(nèi)外圈、滾動體、保持架的物流量，根據(jù)物流強度等級劃分[7]，結(jié)合圓錐滾子軸承裝配工藝過程，得出各作業(yè)單位之間的物流強度等級劃分表，如表2所示。

表2 物流強度劃等級表

依據(jù)等級劃分表確定物流強度等級，根據(jù)作業(yè)單位之間物流相互關(guān)系，得到物流相關(guān)圖，如圖2所示。

考慮車間內(nèi)非物流因素對作業(yè)單位相互關(guān)系的影響，得到作業(yè)單位相互關(guān)系密切程度理由和車間基準(zhǔn)相互關(guān)系表，如表3所示。由此建立部分作業(yè)單位非物流相互關(guān)系圖，如圖3所示。

通過綜合作業(yè)單位相互關(guān)系分析，加權(quán)值是根據(jù)不同因素所占的比重，對比展現(xiàn)車間布置的側(cè)重點，考慮物流因素對裝配車間的影響明顯大于非物流因素，故將加權(quán)值取m∶n=2∶1，得出綜合相互關(guān)系密切程度Rij，如式（1）所示。

式中：H為物流相互關(guān)系等級；K為非物流相互關(guān)系等級；i，j為任意兩個作業(yè)單位。

圖2 作業(yè)單位物流相關(guān)圖

表3 裝配車間基準(zhǔn)相互關(guān)系表

圖3 作業(yè)單位非物流線相互關(guān)系圖

依據(jù)綜合相互關(guān)系密級程度推薦表（表4），得到密集等級劃分表（表5）。

表4 綜合相互關(guān)系密集程度推薦表

表5 綜合相互關(guān)系密集等級劃分表

將表中綜合關(guān)系分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為關(guān)系密級等級，繪制作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖（圖4），得出各作業(yè)單位的綜合接近程度排序表（表6）。

圖4 作業(yè)單位綜合相互關(guān)系圖

表6 裝配車間作業(yè)單位綜合接近程度排序表

進行布置設(shè)計時依據(jù)接近程度排序表，按分?jǐn)?shù)高低順序布置作業(yè)單位，綜合裝配工藝特點及設(shè)備布局圖等各方面限制條件，得到精密分廠裝配車間平面布置優(yōu)化方案，如圖5所示。

圖5 精密分廠裝配車間優(yōu)化平面布置

2.2 裝配車間物料搬運需求分析

針對舊裝配車間物品擺放凌亂等問題，用物料搬運方法對新方案進行設(shè)計優(yōu)化。

（1）移動分析

收集移動路線起終點的相關(guān)資料，并為起點和終點設(shè)置代號：精密車間H；精裝車間Q；精品車間J；半成品庫K；裝配車間M；成品庫P。得到各條路線并編制搬運路線表，如表7所示。

表7 搬運路線表

（2）物料搬運設(shè)備分析

搬運設(shè)備選擇。車間內(nèi)使用叉車搬運，選擇外尺寸為2 000 mm×800 mm×1 580 mm、轉(zhuǎn)彎半徑為1.5 m、升降速度為5 km/h的電動平衡重式叉車搬運。

搬運容器選擇。查閱周轉(zhuǎn)箱尺寸規(guī)格表，選擇2號周轉(zhuǎn)箱，外尺寸330 mm×260 mm×130 mm，考慮到軸承裝配有油，軸承暫存和搬運用鐵質(zhì)托盤，用木制托盤和周轉(zhuǎn)箱搬運圓錐滾子和保持架，現(xiàn)場廢鐵屑和小物件用手推車搬運。

（3）搬運設(shè)備需求分析

根據(jù)精品、精裝和精密3個車間的日產(chǎn)量共需400個周轉(zhuǎn)箱、241個鐵質(zhì)托盤。精密車間至裝配車間、精裝車間至裝配車間或半成品庫、精品車間至裝配車間或半成品庫各需要叉車1輛，新舊9條裝配線，各分配2個手推車。

2.3 精品分廠裝配車間物流通道現(xiàn)狀分析

通道寬度設(shè)計不合理，造成物料流通時裝配線物流堵塞、生產(chǎn)等待等狀況，車間未按照劃線及標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)[8]對地面通道線等進行劃分，導(dǎo)致物料和人員流動混亂，在后續(xù)通道設(shè)計中，合理計算各通道寬度，保證搬運設(shè)備、物料和人員地有效流動，以適應(yīng)車間生產(chǎn)需求。

（1）裝配車間物流通道布置和寬度設(shè)計

工作通道采用中樞式布置，主通道穿過裝配車間中央地帶，連接車間進出門，允許雙向通行；輔助通道垂直于主通道并協(xié)助主通道，連接各個作業(yè)區(qū)域。

由搬運設(shè)備、機器設(shè)備尺寸等綜合考慮計算，保證物流系統(tǒng)正常運行，確定主要參數(shù)[7]。

經(jīng)計算，直線叉車、雙行道和丁字叉車通道寬度分別為1 965 mm、3 730 mm、2 052.3 mm。

（2）地面通道線和區(qū)域劃分線

對地面通道線和區(qū)域劃分線[8]根據(jù)現(xiàn)場情況進行標(biāo)定。

（3）優(yōu)化方案

通過寬度計算以及通道劃線的選擇，確定合理的物流通道方案，結(jié)合布置和物料搬運方案，得到優(yōu)化設(shè)計后的布局與物流設(shè)施的規(guī)劃圖，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化設(shè)計后布局與物流設(shè)施規(guī)劃規(guī)劃圖

圖7 改善前路徑分析

圖8 改善后路徑分析

3 方案的實施效果

3.1 裝配車間優(yōu)化布局路徑分析

對裝配車間改善前和優(yōu)化后的平面布置圖進行路徑分析，計算出各個作業(yè)單位之間的距離，并繪制出路徑圖，如圖7、圖8所示。比較2種方案，各個單位之間的距離比改善前減少10.25%。

3.2 總體方案再優(yōu)化

通過觀察，手工裝配線較大的影響車間總體產(chǎn)出，對手工裝配線的主要工序進行產(chǎn)線平衡優(yōu)化。用連續(xù)測時法采集主要工序的作業(yè)節(jié)拍時間及目前作業(yè)人員現(xiàn)狀，如表8所示。

改善前檢查作業(yè)現(xiàn)狀如圖9所示，考慮實際情況，采用增加人數(shù)法來改善瓶頸工序，并擴大傳送帶長度，在其兩側(cè)配置2張等高桌子，預(yù)留1個檢查工位以備生產(chǎn)調(diào)度，改善后檢查作業(yè)現(xiàn)狀如圖10所示。

表8 手工裝配線主要工序節(jié)拍時間及作業(yè)人員數(shù)

圖9 改善前檢查作業(yè)

圖10 改善后檢查作業(yè)

通過改善瓶頸工序，手工裝配線平衡率提高23.06%；出產(chǎn)產(chǎn)能由每套4.76 s提高到3.17 s，產(chǎn)能提高50.16%；人均班產(chǎn)量由379個提高到504個，效率提升32.98%。

對總體方案再優(yōu)化，再次改善物流分布不均衡、裝配線路較長、放置位置不合理的問題，用3D Max繪制三維效果圖，得到總體效果圖。手工裝配線效果如圖11所示，自動裝配線效果如圖12所示。

圖11 裝配車間手工裝配線效果圖

圖12 裝配車間自動裝配線效果圖

3.3 可行性分析

對企業(yè)內(nèi)部能力分析，發(fā)現(xiàn)企業(yè)資源和品牌優(yōu)勢明顯、產(chǎn)品品種和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)雄厚、配套領(lǐng)域客戶資源優(yōu)質(zhì)，但裝備與工藝條件落后，技術(shù)性人才流失嚴(yán)重，技術(shù)創(chuàng)新能力低。市場受限于中低端，設(shè)備老化，維護保養(yǎng)困難，產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，存在質(zhì)量隱患。就外部環(huán)境而言雖然有國外軸承巨頭長期壟斷高端軸承市場、國外軸承技術(shù)封鎖、國內(nèi)軸承研究技術(shù)環(huán)境落后、國內(nèi)軸承技術(shù)人才青黃不接的威脅，但我國經(jīng)濟正中高速穩(wěn)定發(fā)展，“中國制造2025”機遇，國內(nèi)軸承制造業(yè)發(fā)展空間廣闊，政府推動“該公司搬遷改造升級”項目。

經(jīng)過生產(chǎn)現(xiàn)狀分析調(diào)查及國家宏觀政策相關(guān)資料顯示，國家經(jīng)濟政策控制壓縮高污染、高耗能和產(chǎn)能嚴(yán)重過剩的相關(guān)行業(yè)，重卡市場已經(jīng)進入存量競爭，同時中、重卡市場已進入成熟期，市場波動幅度減小，市場機會減少，未來的需求機會主要集中在細分市場的結(jié)構(gòu)變化以及細分市場內(nèi)的產(chǎn)品和服務(wù)競爭上。分析計算可知精密分廠在建成后年總產(chǎn)值預(yù)計可達5億元左右，可進一步擴大圓錐滾子軸承市場份額，為中高端軸承的開發(fā)提供強有力保障。故精密分廠重建后仍以圓錐滾子軸承為主導(dǎo)產(chǎn)品進行生產(chǎn)，繼續(xù)做大做強重卡、工程機械及農(nóng)機市場，緊跟這些在“十二五”期間成熟配套的創(chuàng)新成果，以新市場為導(dǎo)向，進一步加大新產(chǎn)品開發(fā)力度，盡最大能力滿足國內(nèi)及國際市場的需要。

4 結(jié)論

對車間的整體布局、物流線路、物流通道以及物料搬運系統(tǒng)采用SLP和SHA方法進行了合理分析和優(yōu)化，優(yōu)化后的裝配車間產(chǎn)能提高了15.5%，3條裝配線的生產(chǎn)周期分別減少了3.8 s、2.7 s、3.2 s，優(yōu)化后的手工裝配線平衡率提高了23.06%。