智能制造模式下航天離散型機(jī)加車間單元化布局的思考與實(shí)踐

◎?qū)O偉峰 續(xù)煥超 葛慧

（1．陜西航天時(shí)代導(dǎo)航設(shè)備有限公司；2．中國航天科技集團(tuán)有限公司；3．中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

智能制造是新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用，核心是通過信息系統(tǒng)指揮制造要素和制造資源的運(yùn)行，提升創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)資源配置最優(yōu)、產(chǎn)品質(zhì)量一致性最好、運(yùn)營成本最低。在智能制造模式下，主要是通過建立虛擬仿真與實(shí)際研制生產(chǎn)過程的相互映射，優(yōu)化構(gòu)建基于模型的設(shè)計(jì)/制造/保障一體化模式，并合理規(guī)劃制造流程，推動(dòng)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)組織與流程變革。所以，生產(chǎn)組織模式的變革是智能制造的核心。

近年來，隨著國家重點(diǎn)型號(hào)任務(wù)和企業(yè)自研產(chǎn)品的不斷增多，陜西航天時(shí)代導(dǎo)航設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）作為典型的離散型制造軍工企業(yè)，型號(hào)任務(wù)呈現(xiàn)出密集增長的態(tài)勢(shì)，相關(guān)任務(wù)的技術(shù)指標(biāo)要求更高，技術(shù)難度更大，新技術(shù)應(yīng)用更多，質(zhì)量及可靠性要求更多。面對(duì)新的任務(wù)要求，在現(xiàn)有人力資源、廠房設(shè)備和其他資源沒有大幅增加的情況下，依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)方法、人工調(diào)度等傳統(tǒng)模式去完成研制生產(chǎn)任務(wù)，已不能適應(yīng)新的需要。所以，迫切需要通過智能制造模式的變革來推動(dòng)生產(chǎn)組織模式的改進(jìn)，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

機(jī)加車間是公司機(jī)械加工的專門車間，包括車、銑、刨、磨、電加工、線切割、電火花十多個(gè)工種，承擔(dān)公司所有零組件的機(jī)械加工任務(wù)。一直以來，車間采用功能型布局（機(jī)群式布局）的方式進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。這種布局的特點(diǎn)就是把同一種類型的設(shè)備和人員集中布置在一個(gè)區(qū)域，屬于工藝原則布局。這種布局的特點(diǎn)是無論產(chǎn)品工藝路線如何變化，產(chǎn)品的加工都要適應(yīng)工藝/設(shè)備的機(jī)群擺放。當(dāng)產(chǎn)品屬于研制型、單件、小批量且技術(shù)狀態(tài)變化較大時(shí)，該方式有較大的優(yōu)勢(shì)，它對(duì)設(shè)備的適用性要求較低。隨著產(chǎn)品批量的增加、工藝和技術(shù)狀態(tài)不斷穩(wěn)定，設(shè)備數(shù)控化率的提高，特別是任務(wù)量的快速增加，該布局方式在提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量一致性以及適應(yīng)批量生產(chǎn)的要求方面，表現(xiàn)出諸多不適應(yīng)。為此，公司經(jīng)過充分調(diào)研和論證，決定采用基于智能制造模式下的單元化成組技術(shù)來進(jìn)行設(shè)備布局，以達(dá)到提高效率的目的。

一、現(xiàn)有車間功能型布局的問題分析

目前，機(jī)加車間為典型的多品種、小批量的生產(chǎn)類型，其特點(diǎn)是：生產(chǎn)品種多，每種品種加工數(shù)量少，工作專業(yè)化程度低，加工設(shè)備大多使用通用性設(shè)備，采用集群式布局模式。這種模式主要存在以下問題。

（一）管理困難

1、難以達(dá)到均衡生產(chǎn)。功能型布局是以工藝原則為導(dǎo)向，設(shè)備大多數(shù)是按類集中擺放，因此在生產(chǎn)過程中就需要不間斷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行滾動(dòng)式的跟蹤排產(chǎn)。因?yàn)樵O(shè)備的集中擺放，在生產(chǎn)過程中會(huì)導(dǎo)致某工種的零件突發(fā)增多，同時(shí)另一類工種零件極其缺少，于是班組生產(chǎn)任務(wù)難以均衡，零件會(huì)產(chǎn)生突發(fā)瓶頸資源。

2、周轉(zhuǎn)時(shí)間較長。產(chǎn)品不斷周轉(zhuǎn)無形中增大了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，物流線路混亂，調(diào)度人員工作量不斷攀升，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量問題不穩(wěn)定。

3、不利于產(chǎn)品的質(zhì)量管控。由于零件加工工種按照設(shè)備類型進(jìn)行了班組化管理，因此班組之間會(huì)因?yàn)楦髯陨a(chǎn)的方便性進(jìn)行生產(chǎn)，不會(huì)考慮該產(chǎn)品最終的加工質(zhì)量精度。

4、不利于提高人員綜合利用率，人員管理成本增加。該模式下將人員技能越分越細(xì)，一技專一技。因此，人員在生產(chǎn)過程中的富閑時(shí)間不能進(jìn)行綜合的利用，導(dǎo)致車間人員成本不斷增大。

（二）物流轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)雜

功能型布局的布置形式柔性較好，便于設(shè)備管理的均衡，缺點(diǎn)是物流流線異常復(fù)雜。因不同工藝類型需要去往不同設(shè)備區(qū)域，工序之間的等待會(huì)因?yàn)閰^(qū)域隔離原因而加長，使加工周期延長。

（三）不便于未來進(jìn)行自動(dòng)化改造

功能型布局條件下，每一件產(chǎn)品走完全工藝流程需要前往不同的工種，這些工種散布在車間的各個(gè)位置。未來進(jìn)行自動(dòng)化改造時(shí)，桁架或者機(jī)械臂穿越整個(gè)車間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)不太現(xiàn)實(shí)，需要針對(duì)某一個(gè)產(chǎn)品型號(hào)或者某幾種混線的產(chǎn)品型號(hào)，依據(jù)其相對(duì)固定的工藝路線，在小的區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行改造難度較大。

經(jīng)過廣泛地調(diào)研論證，公司決定以智能制造為牽引，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式的變革，借鑒行業(yè)企業(yè)的成功案例，提出了逐步實(shí)現(xiàn)單元化生產(chǎn)的模式。

二、單元化生產(chǎn)模式

（一）單元化生產(chǎn)的概念

單元化生產(chǎn)是精益思想的實(shí)踐方式之一，是精益生產(chǎn)的核心，其強(qiáng)調(diào)進(jìn)行工序的改善，建立并運(yùn)用裝配、零部件加工、原材料三要素的協(xié)同生產(chǎn)體系，目的在于節(jié)約資源、縮短交付期、減少庫存等。

單元化生產(chǎn)的特點(diǎn)可以使現(xiàn)場(chǎng)人員多能工化，它繼承了流水線生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能夠適應(yīng)小批量、多品種的雜亂與苛刻要求，被譽(yù)為“看不見的傳送帶”。

（二）單元生產(chǎn)化的優(yōu)點(diǎn)

在多品種小批量生產(chǎn)中采用單元化成組生產(chǎn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、簡(jiǎn)化的生產(chǎn)管理

單元化的生產(chǎn)，可以有效地進(jìn)行產(chǎn)品的投入控制、質(zhì)量控制、產(chǎn)出控制，使生產(chǎn)活動(dòng)過程更好地運(yùn)行。

實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、建立以生產(chǎn)線操作工人為主體的勞動(dòng)組織，徹底消除無效勞動(dòng)，采用目視管理 、作業(yè)組織的改善、增強(qiáng)設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)能力、建立安全、文明生產(chǎn)保證體系，降低管理幅度，提高管理精度。

2、合理的物料搬運(yùn)

單元的布局按照分組分類產(chǎn)品典型工藝流程組成的生產(chǎn)布局，減少了材料的運(yùn)輸距離和搬運(yùn)次數(shù)。

3、生產(chǎn)周期大幅縮短、提高生產(chǎn)質(zhì)量

單元化的生產(chǎn)方式一方面把相似的產(chǎn)品集中在一起生產(chǎn)，可以大大壓縮生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間、工裝調(diào)整時(shí)間等非增值時(shí)間，也增加了作業(yè)的平行度，縮短了總的生產(chǎn)時(shí)間，可以大大提高作業(yè)人員的作業(yè)熟練程度，縮短單件產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4、便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制

單元不再按照員工工時(shí)計(jì)件制進(jìn)行考核，而是按照單元生產(chǎn)產(chǎn)出對(duì)單元進(jìn)行整體考核，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)不同單元之間的對(duì)比與競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)單元生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制。

單元化生產(chǎn)模式，不僅僅是一種設(shè)備布局的形式，還涉及生產(chǎn)對(duì)象、生產(chǎn)人員和生產(chǎn)計(jì)劃管理等多個(gè)方面，構(gòu)成了一個(gè)最底層、最完整的生產(chǎn)組織。

三、單元化布局的思路和實(shí)現(xiàn)方法

（一）總體設(shè)想

公司機(jī)加車間工藝布局從確定目標(biāo)、數(shù)據(jù)收集/分析、概念規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃四個(gè)步驟依次展開。

（二）布局原則

1、統(tǒng)一原則

把“人機(jī)料法環(huán)測(cè)”等要素有機(jī)地統(tǒng)一起來，并充分保持平衡。因?yàn)橐坏┝貨]有統(tǒng)一協(xié)調(diào)好，作業(yè)容易出現(xiàn)割裂，會(huì)延長停滯等待時(shí)間，增加物料搬運(yùn)的次數(shù)，所以應(yīng)充分考慮四要素的平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃。

2、最短距離原則

在車間或者單元內(nèi)物料搬運(yùn)的距離越短，可以使物料搬運(yùn)所花費(fèi)的費(fèi)用和時(shí)間減少。

3、物流順暢原則

物流順暢是指物流不要出現(xiàn)較大程度的倒流或者交叉迂回，要設(shè)法在規(guī)劃時(shí)使物流像水從高處向低處流動(dòng)似地順暢，工序不會(huì)出現(xiàn)堵塞。

4、安全滿意原則

確保作業(yè)人員的安全和減輕疲勞是非常重要的，材料的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等都會(huì)出現(xiàn)不安全狀況，抬升、卸下貨物會(huì)加劇作業(yè)疲勞、應(yīng)盡量減少。所以在布局時(shí)將該類原則重點(diǎn)考慮，使作業(yè)人員既能安全又能輕松作業(yè)。

5、靈活機(jī)動(dòng)原則

對(duì)未來變化具有充分應(yīng)變力，方案有彈性。如果是小批量多種類的產(chǎn)品，優(yōu)先考慮“U”型線布局、環(huán)型布局等。

6、平衡原則

工站之間資源配置，速率配置盡量平衡。

（三）實(shí)現(xiàn)方法

1、模式確定

根據(jù)未來任務(wù)、資源、技術(shù)以及管理發(fā)展與變革的需要，通過對(duì)現(xiàn)狀分析和制造模式對(duì)比性研究，確定未來智能制造新模式。

機(jī)加車間工藝布局規(guī)劃方法

2、數(shù)據(jù)收集/分析階段

對(duì)零件進(jìn)行分族分類。對(duì)所有產(chǎn)品的加工制造有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體收集整理，包含產(chǎn)量數(shù)據(jù)、產(chǎn)品加工工藝路線、實(shí)做工時(shí)，工藝路線上所使用的設(shè)備、人員情況，依據(jù)這些數(shù)據(jù)，對(duì)車間所有產(chǎn)品進(jìn)行第一次工藝相似性分析，進(jìn)行分族分類，得出工藝/產(chǎn)品大類，并以此工藝相似性分析得到的大類進(jìn)行車間內(nèi)部的區(qū)塊布局。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行分族分類。根據(jù)設(shè)備特性、加工精度、維修要求等因素，對(duì)設(shè)備進(jìn)行分族分類，并與零件進(jìn)行匹配，確定單元的設(shè)備需求。同時(shí)，根據(jù)人員的工種、水平、能力等，初步確定設(shè)備的操作人員。

進(jìn)行區(qū)塊布局。其次在進(jìn)行區(qū)塊布局時(shí)，需要根據(jù)場(chǎng)地的特點(diǎn)，重新合并區(qū)塊，根據(jù)單元與單元間的緊密程度，區(qū)塊的面積大小，單元的特殊性，規(guī)劃出初步的區(qū)塊位置，并在后續(xù)概念規(guī)劃階段，依據(jù)實(shí)際情況持續(xù)修訂。

初步形成單元布局。當(dāng)區(qū)塊布局完成后，需要依據(jù)區(qū)塊劃分得出的N個(gè)單元，每一個(gè)單元依次進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析。需要根據(jù)分配到該單元內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行二次的工藝相似性分析，得到可以用于分析計(jì)算的典型類別中的典型型號(hào)，并依據(jù)典型型號(hào)，展開分析其標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，根據(jù)典型產(chǎn)品工藝流程、詳細(xì)工時(shí)數(shù)據(jù)等，計(jì)算其生產(chǎn)節(jié)拍，并計(jì)算得到單元設(shè)備、人員需求情況。

3、概念規(guī)劃階段

當(dāng)每一個(gè)通過單元分析計(jì)算，得到設(shè)備配置數(shù)量后，根據(jù)具體的設(shè)備尺寸情況、單元內(nèi)各子單元物流順暢性、單元出入口情況、設(shè)備一人多機(jī)操作情況、安全性等，依據(jù)規(guī)劃思路，對(duì)單元內(nèi)設(shè)備進(jìn)行布局規(guī)劃，并且利用三維布局和現(xiàn)場(chǎng)3P模擬進(jìn)行校核，持續(xù)修訂，得到最合適的規(guī)劃方案。

4、詳細(xì)規(guī)劃階段

當(dāng)車間每一個(gè)單元內(nèi)部情況規(guī)劃完成后，對(duì)于需求進(jìn)行改造的部分，對(duì)接設(shè)計(jì)院或其他供應(yīng)商，提出改造需求；同時(shí)對(duì)于產(chǎn)線自動(dòng)化/計(jì)算改造需求，對(duì)設(shè)備供應(yīng)商提出詳細(xì)改造需求方案。

單元布局的流程圖

機(jī)加車間單元的布局圖

5、實(shí)施階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)公司新區(qū)搬遷的計(jì)劃，對(duì)布局方案進(jìn)行評(píng)審、補(bǔ)充完善后，根據(jù)單元布局的要求進(jìn)行車間水風(fēng)電氣以及信息網(wǎng)絡(luò)的改造，完成設(shè)備搬遷，配制人員，重新選舉單元長，進(jìn)行人員、設(shè)備、生產(chǎn)流程等的磨合，達(dá)成目標(biāo)。

經(jīng)過廣泛調(diào)研討論和測(cè)算，并經(jīng)過三維仿真，共形成7個(gè)單位。

四、應(yīng)用效果

2016年以來，公司在某型零件采用了單元化布局的試點(diǎn)，通過不斷的優(yōu)化產(chǎn)品工藝和流程，實(shí)現(xiàn)了在人員和設(shè)備沒有增加的情況下，產(chǎn)量提升300%，產(chǎn)品的合格率由原來的35%提高到89%。2019年，公司結(jié)合新區(qū)建設(shè)，又重新布局了7個(gè)單元，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提升，取得了很好的效果。