副車架車間在制品庫存改善研究

劉棟安 周炳海 李艷冰

(1.同濟大學 機械與能源工程學院 上海202012；2.上海質量管理科學研究院 上海200052)

價值流分析通過在組織、管理、供應鏈、產品開發和生產運作方面建立有效的生產方式， 盡可能消除所有不增值的浪費，從而實現用更少的人員、生產場地、投資、工程設計時間、新產品開發時間和庫存水平。生產質量和產量更高、型號規格更多的產品的目的[1]。如宋庭新等[2]運用價值流分析技術從生產線平衡、拉動式生產、改變物料配送方式等方面對裝配流程進行了優化。

A公司是一家位于上海汽車城的汽車零配件生產公司，主要產品是汽車的副車架，其原材料為經過防銹處理的無縫鋼管，無縫鋼管經過彎管、預成型、液壓成型、激光切割、打標、清洗防銹等工序，加工成各車型所配套的副車架橫梁、縱梁、以及U形梁，依托上海汽車城，A公司整體效益不錯。但是近年來汽車行業不景氣，公司想要更好的發展，必須靠更好的質量及更有競爭力的價格來打基礎。根據2020年上半年系統數據統計，A公司生產的合格原材料轉化為合格成品率僅為96.1% ，即生產過程中產品報廢率約4%，其中U形梁報廢率更為嚴重，達到了6.2%。較高的生產報廢率極大的增加了生產成本，降低生產效率。經過詳細分析發現，生產過程中除了首件調試報廢外，在制品庫存的批量報廢占了總報廢的72.1%。

由于上海的亞熱帶季風氣候，空氣濕度比較大，再加上生產加工過程中常常會破壞鋼管的防銹油膜，在生產過程中常常因為在制品數量太多，來不及加工或因為客戶緊急訂單，產線切換產品，導致部分批量產品生產周期加大，在制品存儲過程中，零件生銹，導致返工、甚至批量報廢。生產過程中過高的在制品大大增加了產品生產周期，增加了大量的呆滯成本，更有可能批量報廢。因此，縮短生產周期，降低在制品庫存成了A公司的首要目標。

一般來說，在一個制造系統中，主要有原材料庫存、在制品庫存、備件庫存以及成品庫存。

在制品（Work-In-Process，WIP）從庫存的角度可以定義為第一道工序加工完成后直至最后一道工序結束前這一過程間的庫存[3]。

1 價值流程圖及生產現狀分析

1.1 價值流程圖

在繪制價值流程圖之前，需要對客戶的需求進行分析，以確定滿足客戶需求的節拍時間（Take time）。Take time是一個周期，它反映了生產線滿足客戶需求的生產所耗費的時間情況。

A公司工序采用雙班班共15h工作時間，客戶對兩種型號的副車架U形梁A和U形梁B的月需求分別為7600件和5300件。兩款產品需求量共計12900件，生產節拍( PB) 為：

其中，AWT為每天可用工作時間，CDB為客戶需求節拍，則生產節拍為：

每天需要生產量為：

按照客戶需求，A公司U形梁生產線每天至少需要生產615pcs產品才能滿足市場需求。

以A公司在制品庫存量最大的副車架U形梁為研究對象，收集A公司的各部門及生產線各種信息流、人員、設備、工序的生產現狀及生產節拍時間，再結合生產線實際情況就可以繪制出U形梁價值流現狀圖。

U形梁生產流程中包含6道工序，即彎管成型、預成型、液壓成型、激光切割、激光打標、清洗除銹等工序，每道工序完成后，操作人員需要將加工好的半成品裝入料框中，帶料框裝滿后，由叉車工運送到下一工序在制品倉庫。通過對A公司生產車間的現場調查，得到了U形梁生產的相關流程及數據，這些數據包含每個班次的生產時間、生產班次、作業人數、在制品數量、更換模具時間、客戶需求的生產節拍和每道工序的生產周期等。數據統計如表1所示。

根據表1 中的數據，計算當前U形梁生產流程的生產線平衡率為：

表1 副車架U形梁生產流程當前狀態數據統計表

式中：B為平衡率，Ti表示第i道工序的生產節拍時間，N為工序數量，C為瓶頸工序的生產周期時間。U形梁生產流程中共有6個工序，其中液壓成型工序是生產線的瓶頸工序，而瓶頸工序的生產周期時間為98s,則目前U形梁生產線的平衡率為

由表1數據，再結合公司實際信息流及物流信息，繪制出價值流現狀圖如圖1所示：

圖1 U形梁生產線價值流現狀圖

1.2 U形梁生產過程關鍵問題識別與分析

價值流現狀圖只是直觀的反應整個U形梁的生產流程，想要識別真正問題所在，還需要對相關數據進行進一步的分析。價值流圖將活動分為增值部分和非增值部分兩大類，從時間線來看，我們認為庫存和搬運和檢驗時非增值的，工站的操作時間是增值的。

在工藝流中，由圖1得到該生產線價值流增值時間( VAT)、非增值時間( NAT)和增值比( VAR)如下:

式中： PBi為第i個工序的增值時間；PDi為第i個工序到第i+1個工序所需要的間隔時間。

描繪未來價值流程圖前提是需要分析現狀價值流圖，從價值流現狀圖中識別浪費，應用精益生產分析，擬定改善目標及方案，可以看出，現狀主要存在以下幾個問題：

(1)生產線各道工序生產周期時間差異較大，工作量相對不均衡，生產線平衡率僅為 52.2%，生產線平衡率是評價生產線效率的重要指標，較低的生產線平衡率造成了在制品庫存的大量堆積，這是為什么目前U形梁的交貨周期長達3.71天的主要原因，因此改善生產線平衡率是需要解決的首要問題。另外，各工序生產周期時間差異較大，其中液壓成型工序作業時間相對其他工序過長，導致生產線平衡率較低，且其生產節拍超過客戶需求節拍時間，是該生產線的瓶頸工序，亟需改善；

(2)該生產線采用推動式生產的模式，當客戶訂單更改時，只能通過調整第一道工序的任務或者準備一定的安全庫存來應對客戶需求變化，會造成大量在制品庫存堆積；

(3)生產線物料供應不及時，生產過程中庫存較多，當前生產線物料供應沒有安排負責人，每個工序的作業人員需要自行去上游工序在制品庫領取所需物料，然后加工完成后還需親自移至在本工序在制品庫位，增加了作業人員的工作量和不增值活動。由于生產線平衡率低，有些工序的生產節拍較快，安排的任務量較小，快速完成后沒有下一次生產的物料，造成物料短缺，有的工序生產節拍時間較長，任務量大，物料供應太多，無法及時完工，這不僅會降低工作人員的積極性，還會導致產生大量的在制品庫存。

(4)液壓工序作為瓶頸工序，換模時間竟長達145分鐘，導致該工序停機時間較長，超過車間既定目標，造成該工序實際產出低于理論產量，影響總產量，并造成在制品堆積。

因此，從工藝價值流問題分析中得出：生產線不平衡、推動式生產模式、物料搬運批次以及液壓工序的換模時間等問題造成生產線不能連續生產、在制品嚴重堆積以及作業人員閑置現象。

2 副車架U形梁生產線在制品庫存改善

分析研究產品的整個生命周期發現，在其信息流、供應鏈以及加工生產工藝流程中都存在或多或少的問題，為了使整個流程更加完善，在保證供應前提下，降低在制品庫存。本文結合工業工程科學及精益思想，運用ECRS原則和5W1H方法，從產品的信息流、供應鏈及生產加工流程等方面提出改善措施，改善措施如下：

2.1 改善信息流，提升信息的傳遞效率及準確性，優化供應鏈，縮短交貨周期

首先，制定信息傳遞標準，便于統計和信息接收者理解。同時，將銷售部、生產計劃和采購部的人工信息傳遞改為電子信息方式，以便實現信息試試聯通。通過改進，采購計劃和生產計劃時間從 7個工作日縮短至1天，并將IQC環節從物料倉前移至供應商處，避免因質量問題造成的時間及運輸的浪費。

2.2 改善工藝流程，平衡生產線

在生產加工過程中主要存在生產線不平衡、在制品庫存堆積和浪費等問題。

使用5W1H方法及ECRS原則分別從加工、檢查、等待、搬運及儲存5個方面對U形梁生產加工工序進行逐項分析，結合人因工程、工廠物理學，工程經濟學等找出生產工藝流程不合理和產生浪費的地方，組織重新評價生產線，改善U形梁生產線的平衡率。

從表1數據發現，彎管和預成型、激光打標與清洗防銹這四道兩兩相鄰工序的作業時間明顯小于瓶頸工序，導致當前生產線在瓶頸工序前無法實現單件流生產，同時采用推式生產會在生產線的瓶頸處液壓工序前產生大量的在制品庫存。因此，工藝流程的改進思路為：將彎管和預成型這兩道工序進行合并，交給1名操作人員來完成，同樣，還可以將打標和清洗防銹這兩道工序合并，打標完成后直接進行清洗防銹，這樣就可以消除兩道工序間的物料搬運時間，提高人員的利用率。同時對液壓成型工序進行分解，消除設備浪費時間，提高設備單位時間產出。這樣可以降低瓶頸工序時間，平衡各工序加工時間，提高平衡率。

實際操作如下：通過現場測量，彎管工序的生產周期為35 s，作業人員1人，預成型工序的生產周期為40 s，操作人員為1人。觀察發現，彎管機屬于較輕型設備，對現場作業環境要求不高，且彎管和預成型這兩道工序的作業時間遠遠低于生產線的需求節拍，可將彎管機設備移至預成型設備旁，然后將彎管和預成型這兩個工序合并為一道工序，這樣可以減少一名作業人員并減少等待的浪費。

液壓成型工序為瓶頸工序，該工序的生產節拍為98 s，高于需求節拍87.8 s，目前無法滿足客戶需求，因此該工序亟需改善。觀察發現，該工序作業步驟為：清理模具型腔、放入管件、啟動液壓機、液壓機自動合模壓制、開模、取出管件。其中液壓機合模至開模為設備自動運行時間，經測量為52 s，這部分時間是固定的，無法改變。從取出成品至新的待加工管件放入模具型腔完成，現有操作時間為46 s。模具打開后，作業人員在取下壓制好的管件后，需要用工具清理型腔中可能存在的鐵屑，然后將壓好的管件放在待檢架上，然后取一根新的待加工管件，確認焊縫位置后按要求放入模具型腔中，啟動液壓機。在壓機進行自動工作時作業人員對壓制好的管件進行自檢，自檢合格后放入周轉料箱內。使用程序分析及動作分析方法對現有操作步驟進行分析并進行改善，改善后的操作步驟如下：模具打開前，作業人員準備好待加工管件并確認好焊縫位置。模具打開后，作業人員持待加工管件進入作業位置，將待加工管件放入型腔外側，取下液壓加工完成管件，清理鐵屑，然后將待加工管件按要求放入模具型腔內，帶著加工完成管家離開作業區，啟動液壓機。經過測量，改進后的人工操作時間由46 s降為33 s。改進后液壓成型工序的作業時間為85 s。低于客戶需求的節拍時間87.8 s，改進后的如表2。

表2 副車架U形梁生產流程未來狀態數據統計表

2.3 Pull&Push生產計劃與控制模式

目前的 U形梁生產線采用推動式生產，基于MRPII進行生產系統的計劃與控制。MRPII主要包括：產品需求預測，對產品群的綜合生產計劃，對獨立需求產品的MPS，對相關需求產品或零部件的MRP、能力計劃、采購計劃、車間作業計劃、生產成本核實等幾個部分，周計劃表見表3

表3 現行U形梁產線周計劃表

目前車間生產主要使用周轉料框，每框可裝50pcs 工件，一筐完成后需要叉車工開叉車準運至緩沖區域，為了實現拉式生產，降低在制品庫存，增加物料周轉的靈活性。按照精益生產理念，改托盤式料框為輪式周轉車，并對工件進行定品、定位、定量。改進后輪式周轉車可單人轉運，每車定量可放10pcs 工件。計劃與控制方式如圖2所示。

圖2 推式生產系統的計劃與控制方式示意圖

采用推動式生產時，生產控制部門分別給各工序單獨下達生產指令，不能快速應對客戶需求變化。從圖2中可以看出推式生產系統在每兩道工序間都設置在制品庫存，系統在制品庫存數量較多。

拉動式生產系統基于JIT理論。而JIT則是利用看板來保證其順利實施的，主要構成則包括：基于看板的生產控制、全面質量管理、全體雇員參與決策、與供應商的協作關系、生產車間的現場管理等。生產控制部門只向最后一道工序下達生產計劃，后一工序根據需要加工產品數量，向前一工序領料并釋放生產看板；前一工序則根據看板生產后道工序所需物料。其生產計劃與控制方式如圖3所示。

圖3 拉式生產系統的計劃與控制方式示意圖

由圖3可以看出，拉式生產系統不設置在制品緩存，這樣雖然極大減少了系統的在制品庫存數量，但是應對系統不確定性和隨機性波動的能力比較低[4]。

MRPII和JIT產生于不同的時期、不同的社會經濟背景，因此有著各自獨特的計劃和控制理念。作為當前主要的生產管理模式，有各自的優勢，也有各自的不足。TOC就是基于這兩者的基礎上發展而來的，它綜合了“Push”和“Pull”系統的優勢。但是由于 DBR系統的本身的一些局限性。如以犧牲個體的獨立為前提，以投料控制、非瓶頸調度、緩沖設置等無條件服從瓶頸的調度來達到整體的協調統一，在實際運作中不易實現有效的生產現場的管理和控制，所以在生產系統中也沒有得到大范圍的應用。

綜上所述，根據A公司U形梁生產實際情況，考慮將把MRPII推式系統和JIT拉式系統的優勢結合起來，并結合TOC理論，同時針對各自的不足，建立一種有效的Pull&Push生產計劃與控制模式。通過價值流圖分析辨別出生產系統的瓶頸，將生產基點放在瓶頸工序上[5]。以瓶頸工序為驅動的基線，在瓶頸前、后分別采用拉式系統和推式系統的控制方法。這樣，既可以降低整個生產線系統的在制品庫存水平，同時又可以在關鍵的瓶頸工序設置合理的安全在制品庫存，提高系統對瓶頸工序前段非瓶頸工序設備故障和客戶需求的波動的承受能力。

以瓶頸為中心，把推“(Push)”和“拉(Pull)”的思想有機結合起來，生產計劃的指令直接下達給生產線的瓶頸工序，對瓶頸前的工序采用JIT的看板拉動控制，以減少瓶頸工序的在制品堆積，對瓶頸工序后的工序采用推式控制，以瓶頸工序的生產節拍作為決定后續工序的生產節拍，以最大程度保證生產線的平穩運行[6]。對生產系統基于瓶頸驅動的Pull&Push計劃與控制模式如圖4所示 。

圖4 Pull&Push系統的計劃與控制方式示意圖

針對A公司U形梁生產具體情況，在應用價值流圖辨別該產線的瓶頸工序為液壓成型工序，以液壓成型工序為中心，運用Pull&Push生產計劃與控制模式。繪制出經過改善后的未來A公司U形梁生產計劃控制圖，如圖5所示。

圖5 未來A公司U形梁生產計劃控制示意圖

改進后，工件在各工序加工完成后，先放入料框。達到一定數量后，再由上一道工序作業人員用液壓車搬到下一工序。改進后，物料周轉的存儲料框由鏟車搬運料框改為帶輪料車，一車可放 10pcs物料，由一個作業人員專門負責物料周轉。

完成以上改進后， 液壓成型工序仍為瓶頸工序。為實現連續流， 在此處建立在制品“緩沖倉”。預成型工序完成后先放入“緩沖倉”，液壓工序直接從“緩沖倉”領料，減少液壓工序的等待時間。由于后續工序生產周期都低于瓶頸工序生產周期，可以用 FIFO通道結合周轉料車實現連續流生產，上游工序完成一料車產品時，由周轉人員轉移至下一工序。實現連續流后，可消除后續工序的大部分在制品庫存。

3 優化結果分析

3.1 價值流未來圖

根據優化方案，在圖1基礎上繪制該生產線價值流未來圖，如圖6所示。

圖6 U形梁生產線價值流未來圖

3.2 改善結果分析

由圖 6得到改善后 U形梁生產線的增值時間（VAT）、非增值時間（NAT）和增值比（VAR）分別為：

改進后的生產線平衡率為：

對比優化前后的參數，對比優化前后生產線參數，如表4所示，可以看到優化后生產節拍減少了14秒， 生產周期由3.71天減少為5.48個小時， 根據在制品、產出、生產周期關系可知：在產出不變的情況下，降低生產周期的同時就可以降低在制品數量。在制品數量由2280pcs下降到140pcs，降低在制品庫存十分成功。同時在降低在制品還增加了增值比，減少了作業人員數量，不僅降低了在制品數量大來不及加工而生銹的風險，而且還節約了人力物力，降低生產成本，進而進一步提高了產品的競爭力。

表4 現行U形梁產線改善效果分析表

4 結語

上述改善方案在A公司進行了實際運用和實施。實施過程分為3部分 ：①對U形梁生產線按工業工程基礎理論進行了改善和優化，對作業人數重新配置。C運用ECRS原則對生產線現場及布局進行改善，合并彎管和預成型工序、打標及清洗工序，使生產線更加平衡，生產線平衡率由原來的52.2%提升到 86.4%。③改進生產模式，由原來的推式生產改為更加先進更加適合 U形梁生產線的Pull&Push生產模式，推拉結合，既保證了生產系統的穩定，又極大的降低了在制品庫存，改善后現場在制品庫存由原來的2280pcs減少到140pcs，實現質的飛躍。但是在實施過程中發現，傳統的看板管理方式讓現場作業人員不太適應。下一步，將進一步探討更加精準的生產系統模型，在優化生產線和物流系統的同時，展開車間信息化改造，將MES系統引入到A公司，實行電子看板管理，實現智能生產線排程、在制品追蹤和庫存管理等先進管理模式，為實現A公司的轉型與制造系統升級提供技術理論支撐。