車身生產線節拍提升方法及應用

關鍵詞：車身;節拍;瓶頸;生產效率;制造成本

0 引言

隨著我國汽車市場競爭的日益激烈，車型的種類越來越豐富，汽車更新迭代的速度也越來越快。在汽車的整個生命周期當中，為了快速滿足市場的需求及迅速占領市場，一些汽車制造企業挖掘現有生產線潛力，期望用最少的成本投入和最短的時間實現產能的最大化。[1] 對于流水生產線而言，節拍是衡量生產線生產能力的指標之一，研究生產線節拍提升，對降低制造成本、增強企業競爭力具有重要意義。

在汽車制造的四大工藝中，車身生產系統相比涂裝和總裝生產系統來說剛性更強，車身生產線一般由發動機艙、前車體、側圍、地板、頂蓋等焊接分總成線及合拼主焊生產線組成，制造工藝復雜，設備多，車型切換頻繁，生產效率相對較低。本文介紹如何減少瓶頸工位的周期時間，提高設備開動率，平衡生產線，實現生產線的產能提升。

1 生產節拍影響要素分析及提升措施

1.1 節拍計算方法

要分析生產節拍的影響要素，首先了解以下幾個時間術語。

（1）理論單件工時，簡稱TT，指生產線理論生產一件產品所用的時間。

TT= 有效工作時間（s）/ 客戶需求（臺）

其中，有效工作時間是指每班次上班時間減去休息及吃飯的時間。

（2）實際單件工時，簡稱ATT，指生產線實際生產一件產品所用的時間。

ATT= 目標效率（%）×TT（s）

目標效率=100% -系統損耗

系統損耗包含設備停線、物料短缺、質量問題、工具/ 模具更換和有計劃的停線（包括固有的質量檢查、設備點檢等）。

（3）周期時間，簡稱CT，指某工位完成一個作業循環所用的時間。每個工位的CT 要求都要小于ATT，但是又要盡量與ATT 接近，目的是使人力、設備等各種資源獲得充分的利用。

（4）節拍，簡稱JPH，指單位時間產量，是衡量產能的重要指標。

生產節拍= 每天的計劃產量/ 每天的生產時間以車身生產線為例，每天計劃臺量為293 臺，每天工作8 h，除去吃飯、休息時間后實際有效操作時間為7.16 h ：JPH=293/7.16=41 臺/h

TT=3 600 s/41 臺/h=88 s

目標效率設定為90%，則

ATT=88 s×90%=79 s/ 臺

生產線節拍滿足要求必須達到以下2 個條件：

所有工位周期時間≤ ATT 時間

生產效率≥目標效率

1.2 車身生產節拍的影響要素及提升措施

從車身制造工藝角度出發，車身生產線節拍受以下幾個方面影響：生產線設計、設備能力、物料和人員操作。因此，提升節拍需對這4 個方面因素進行分析及采取措施。

1.2.1 生產線設計

生產線的節拍能力是由生產線前期設計決定的，如果設計沒有達到要求，后期調試改造會增加投資及工期。一般生產線設計時需關注下面幾方面。

（1）輸送方式。生產線的輸送方式決定零部件的輸送時間、效率及工位的有效作業時間，是拆分工序及確定工位數量的依據。行業中合拼主線的輸送方式一般有往復桿、輥床滑橇和隨行夾具輸送;側圍輸送方式有空中小車、地面AGV和人工輸送。

（2）工位時序和工位數量的確定和焊點分解。工藝設計部門根據產品結構、工藝路線及生產線布局設計焊接工藝[2]，一般遵循以下原則。

①點焊按照平均每個焊點3 s 進行綜合測算，焊點分布盡量避免干涉和等待。

②零件拾取、裝配及夾具動作時間可根據現場經驗設定。

③單工位的有效工作時間與輸送時間總和不得大于工位的作業時間。

（3）緩沖區設定。為了避免由于單個工位故障造成整條生產線停線，在關鍵工位及每條線體之間增加相應的緩沖區，可以有效降低生產線局部故障對整條生產線的影響[3]。因此，側圍與主線、頂蓋與總拼之間就要設置緩沖區。

（4）仿真驗證：仿真模擬，以驗證廠房結構及工藝規劃的可行性，檢查是否存在干涉。

1.2.2 設備能力

設備的生產能力可由其開動率來衡量，設備的穩定性和可靠性是設備綜合性能的重要體現，是生產連續的保證。相同的工序作業內容，由不同型號的設備完成可能會導致生產品質和數量的差異[4]。因此，如果由于設備不良且處理措施不當，這種情況可能會導致整條生產線停線，從而影響生產效率。

設備開動率通過以下幾個方面進行提升。

（1）優化設備參數。如在保證焊接質量前提下優化焊接時間和預壓時間，可以提高焊接的速度。

（2）程序邏輯。如優化機器人焊接軌跡，縮小干涉區，消除機器人之間的等待，優化夾具開關邏輯等。

（3）設備安裝質量。生產線安裝調試階段嚴格按照安裝標準執行并進行檢查。

（4）設備選型，設備盡可能選擇穩定性好的，如感應開關選擇抗磁性開關，避免焊接過程中出現信號閃斷。

（5）建立PM 維護計劃，設備預維修。

（6）建立暗燈系統，讓員工更快地尋求幫助，減少停線，為問題分析提供數據基礎。

1.2.3 物料

物料配送不及時、物料擺放位置不合理以及物料零部件品質等，都會造成停線，增加內部損耗，可以通過以下幾個方面進行提升。

（1）物流規劃應結合工藝布置、生產節拍綜合考慮，大致應遵循以下原則。

①緩沖區域大小應滿足基本庫存要求，一般不少于2 h 消耗量。

②倉儲區域應設置在車間的物流門及廠區物流通道附近。

③考慮物流配送效率與節約場地，一般主焊線之間物流通道寬度設置在3 m 左右。

④生產線所有裝件工位需預留物流通道和配送空間，提高配送效率。

⑤物料包裝要考慮盡可能多的裝件數，減少物料配送頻次及切換頻次。

⑥線旁物料擺放位置要方便員工取料，減少員工步行。

（2）要保證零部件品質需做到以下幾點。

①過程控制，如增加防錯裝置，有效預防和控制質量問題。

②質量反饋/ 前饋，有效抑制質量問題。

③提高零部件合格率。

1.2.4 操作

不同作業人員因為技能水平、工作經驗及個人身體素質的差異，完成同樣作業內容所需要的時間也會有差異，可以通過以下幾個方面進行提升。

（1）建立標準化作業。

（2）改善工位人機工程。

（3）增加節拍指示器，提醒員工在節拍時間內完成工作內容。

（4）調整同一工位內、不同工位間的焊接順序，在保證定位精度的前提下消除重復的焊接動作，將焊點轉移到節拍時間比較富余的工位[5]。

2 節拍分析方法

在汽車生產線上，制約產能的工位成為瓶頸工位。生產節拍分析的目的是尋找制約整個生產線的瓶頸工位，甚至尋找到制約每個工位的瓶頸工序[4]。下面簡單說明節拍分析方法流程。

2.1 數據收集

生產期間記錄每一個工位的空位時間、滿位時間、停線時間及頻次和生產臺量，通過對照工藝時序測量每個工位的工序時間，數據要求準確、詳細。

2.2 數據分析

繪制出工位有效工作時間、空位、滿位和停線時間圖表;計算工位單機效率（SAA）、單機產能（SAT）、平均故障周期以及平均故障修復時間。其中，單機產能是指僅衡量由于內部原因造成停線影響的前提下，生產線能夠輸出最大生產臺量的能力。

SAT= 線速節拍×SAA

線速節拍=3 600/CT

SAA= 有效生產時間/（有效生產時間+ 停線時間））×100%

2.3 辨識瓶頸

可以通過以下幾種辦法來識別瓶頸。

（1）使用產量計算尋找瓶頸。在一個大區域內比較各個小區域/ 線的凈消耗時間和生產節拍，實際JPH 是生產臺量除以實際工作時間，在實際JPH 最少的區域或生產線最可能是瓶頸。

（2）使用緩沖區域尋找瓶頸。統計生產線之間的緩沖數量，緩沖區的下游是空的或者接近空;上游是滿的或者接近滿，那么該區域就是瓶頸區域。

（3）使用滿位和空位尋找瓶頸。觀察空位和滿位，前面的工位經常會堵塞，后面的工位經常出現等待空位，那么這個工位就是瓶頸。

（4）計算SAT 尋找瓶頸，SAT 最小的工位是瓶頸。

2.4 瓶頸分析

對瓶頸工位進行分析，查找驗證影響節拍的工序，方法有以下3類。

（1）時序分析：確定工位工藝內容，對比設計節拍時序圖查到差異點，運用排除、組合、重拍和簡化四個原則對生產過程進行優化。

（2）操作分析：對某部分的作業內容分析操作者的作業方法和機器設備的關系，通過改進操作者作業方法，降低作業時間，提高設備利用率[6]。

（3）動作分析：對每一個操作動作進行分析，刪除其無效動作，提高生產效率。

2.5 制定措施

制定長期有效措施，并做好跟蹤驗證，保留相關記錄，并做好相關能力驗證。

2.6 跟蹤指標

制定圖表跟蹤節拍，圖表包含4 個數據：終線節拍、瓶頸工位SAT、瓶頸工位實際節拍和毛節拍。如果4 根曲線的趨勢是一致的，說明瓶頸工位找對;如果持續上升，說明提升措施有效。

3 實際案例應用

下面是某汽車廠某車身線節拍提升案例。某產品市場需求加大，需要迅速提升產能，要求節拍從41 JPH 提升至45 JPH。

3.1 現狀分析

計算節拍達到45JPH 的運行數據

TT=3 600 s/45 臺=80 s/ 臺

目標效率設定為90%，則

ATT=80 s×90%=72 s/ 臺

達到45 JPH 需要滿足2 個條件：一是工位周期時間≤ 72 s ;二是效率≥ 90%。通過計算車間各工藝段各工位SAT，運用SAT來找瓶頸工位。如圖1 所示，紅色方框內的工位SAT 相對較低，要提高產能需對這幾個瓶頸工位進行節拍提升。

3.2 瓶頸工位分析及制定提升措施

（1）針對圖1 所示的UB10、UB40、UB70、UB80、MB30、側圍20 和30 等瓶頸工位，其主要問題為工位周期時間未達72 s要求。通過對比工藝時序圖，發現主要存在以下問題。

①機器人等待位遠導致放件時間長。

③機器人程序干涉區設置過大，機器人之間存在等待浪費。

③抓手多余翻轉動作造成取件時間長。

針對以上問題，可采取措施如下。

①機器人等待位優化到拼臺附近。

②縮小機器人干涉區、更改焊接順序。

③優化機器人多余翻轉動作。實施完后工位CT 時間從76 s降至71 s。

（2）MB30 工位主要問題：主夾具開關夾步驟過多，時間長。通過對比MB30 主夾具開關夾時序，工位關夾和開夾邏輯步驟復雜，共6 步，夾緊9 s，打開8 s，占工位CT 的22.70%，對工位CT 的影響過大。

針對以上問題，可采取如下措施：把沒有邏輯順序關系及相互不影響的步驟合并，開夾步驟由6 步合并成4 步，措施實施后CT 時間減少2s。

（3）工位生產效率低，通過統計數據分析，UB60、UB70和MB60工位抓手故障率高，導致工位SAA低，使工位SAT偏低。

通過調查發現，抓手運行過程中存在以下問題。

①確料架上定位零件的定位銷直徑過大，導致抓手抓件時零件容易卡死。

②抓手上零件檢測開關位置選擇翻邊、曲面等作為檢測面，開關信號經常檢測不到。

③抓手定位工裝與抓手的配合設計不合理，抓手在定位工裝上不能有效定位（圖2）。當換槍盤脫離時，抓手由于重力作用會往后傾斜，導致換槍盤位置變動，機器人再去取抓手時發生碰撞。

④抓手定位的銷子為菱形銷，與工裝定位銅套接觸面積小，導致銅套磨損較快，抓手定位產生偏差。針對上述問題可采取如下措施。

①將料框上零件定位銷直徑做成比定位孔小1 mm，保證抓手零件的定位銷導向部分能夠微調零件位置。

②選用產品零件有尺寸控制要求的平面作為檢測面，檢測開關要求垂直檢測面。

③增加抓手Y 向夾緊和Z 向支撐，加大支撐面，Z 向支撐由單滾輪改為雙滾輪（圖3），避免抓手在換槍盤脫離后往后倒的趨勢。

④將抓手定位的菱形銷改為圓銷。措施實施完成后，抓手故障率從0.90% 降至0.03% 以內。

3.3 總結

通過運用節拍提升分析方法及采取措施，生產線工序時間全部降到72 s 以下，生產效率提升到92% 以上，保證了生產線節拍45 JPH 的輸出。由此證實了本文對節拍提升研究及應用，在實際生產中能發揮非常重要的作用，也有助于同類狀況生產線的借鑒及為未來生產線建設提供經驗。

4 結束語

本文對生產線節拍影響要素的理論進行了研究分析，詳細介紹了節拍提升的分析方法及相應的提升措施。同時結合實際案例說明汽車白車身焊裝生產線節拍的提升流程，總結應用經驗，為提升車身生產線實際節拍提供解決思路和方法，促進了整個工廠生產效率和效益的提高，降低企業制造成本。