基于IE方法的生產線平衡改善研究

摘要：? 針對汽車零部件裝配線存在的生產效率低和產能不足等問題，本文運用傳統工業工程的理論和方法，對人員操作、空間布局、工裝設備等進行優化，并引入生產線平衡率和平滑性指數，對改善效果進行評價。同時，以X公司行李箱鎖裝配線為例，結合生產現場存在的問題進行調研和分析，描述改善的具體實施步驟，并對實施效果進行評價。研究結果表明，經過改善后的汽車零部件裝配線，其實際產能由120件/h提升至155件/h，平衡率由76.4%提高至92.9%，生產效率提高30%，處于比較理想的生產狀態，平衡損失率降至10%以內，平滑性指數由8.3降至1.8，降低了制造成本，提高了企業競爭力，驗證了工業工程方法的有效性和實用性。該研究為制造型企業生產線的效率提升提供了分析方法和解決思路。

關鍵詞：? 工業工程; 裝配線; 瓶頸; 平衡率; 生產效率

中圖分類號： TB497; F403.7; F270.7? 文獻標識碼： A

收稿日期： 20210317; 修回日期： 20210510

作者簡介：? 趙婷婷（1983），女，碩士，中級工程師，主要研究方向為工業工程。 Email： 379677769@qq.com

近年來，汽車行業的競爭日益激烈，中國制造業面臨的壓力也越來越大，能否在不斷降低制造成本的情況下快速響應客戶需求已成為企業發展的關鍵。然而生產線的平衡情況在某種程度上決定了設備和人員的利用率，并限制了生產能力的提高。關于生產線平衡問題，最早由美國人J.Bryton[1]提出，此后國內外學者在此基礎上進行研究，以期通過科學的方法來尋找最佳平衡方案。目前，生產線平衡優化方法主要有數學模型法、啟發式法、仿真和工業工程方法[25]4種。前3種方法通常都需要較為復雜的數理運算，運用在企業中有很大的局限性。隨著工業工程（industrial engineering，IE）影響的深入，國內外出現了很多運用IE理論和方法來解決現實問題的研究著作，國內企業也開始運用IE解決生產經營中出現的各種問題，大量實踐案例都證明了IE的實用性及有效性[610]。IE作為能杜絕各種浪費、挖掘內部潛力的實用技術，可以在不需要投資或投資很少的情況下，合理安排資源、減少工序間或工序內的等待，從而提高效率、降低成本。運用IE方法對生產現場的人、機、料、法進行改善，使每個人員或設備的負荷均衡，不僅可以有效地減少在制品數量，還可以為企業的標準化、數字化改善奠定基礎。本文選擇某企業1條裝配生產線作為研究對象，通過繪制山積表[11]找到生產線瓶頸，并運用IE技術和方法對生產線上的各個工序進行分析，遵循ECRS原則（取消、合并、重排、簡化）及動作經濟原則，減少因時間差異造成的停滯和等待[12]，最終提高生產效率。同時，通過計算生產線平衡率等指標來評價改善效果[13]，打破了一人一工位的定員制思維，在不增加人員數量的基礎上，根據需求波動情況，適時提高生產效率。該研究為同類型企業生產線的改善提供了解決思路。

1 生產線存在的問題分析

1.1 生產線現狀

本文以某企業生產行李箱鎖為例進行討論，正常情況下工作時長為每周5 d，每天工作7.5 h。某型號行李箱鎖組裝過程可細分為15個工序，產線呈U型布局，現有操作人員A～G共7人，每人需完成1～3道工序。采用秒表測時法對各工序進行作業測定，由于工作過程中可能出現疲勞、私事等因素，此處取10%的寬放率。

根據標準工時T=t（1+k），其中，t為觀測時間，k為寬放率。改善前標準工時如表1所示。

1.2 產能及平衡率分析

本文采用工業工程分析方法對生產現場進行調查分析，發現存在生產力不足和生產線不平衡的問題，具體如下：

1） 生產能力不足。該行李箱鎖平均每日需求量為1 160件，客戶需求節拍時間[14]（takt time，TT）即

為滿足客戶需要而生產一個產品的時間為23.3 s，而生產線的實際生產節拍為29.7 s，實際日產量為909件，現有生產能力不能滿足客戶需求。為此，該生產線7名操作人員每天需加班2 h以上，否則無法按期交貨。

2） 生產線不平衡。根據表1工時數據，繪制要素山積表，要素山積表如圖1所示。由圖1可以看出，操作人員的工作負荷不均衡，人員未達到最優配置。生產線的最大產能并不取決于作業速度最快的單元，而取決于速度最慢的單元，人員C的作業時間最長，是該生產線的瓶頸。

衡量生產線的平衡情況，一般采用生產線平衡率（line balancing rate，LBR）這個指標，生產線平衡率評價效果[1517]如表2所示。

當生產線平衡率RLB>85%，說明負荷分配比較均勻。因工作負荷不均導致的時間浪費稱為生產線平衡損失，當平衡損失率d<10%時，評價效果為優;當d=10%～20%時，評價效果為良;當d>20%時，評價效果為差。平滑性指數則表示各工位作業時間的分布情況，平滑性指數值越大，表示各工位作業時間分布越分散，平滑性指數值越小，表示各工位作業時間分布越集中，操作時間越接近。生產線平衡率、生產線平衡損失率和平滑性指數分別為

RLB=∑ni=1tTi/（tCT×n）×100%（1）

d=∑ni=1tTi-tCT/（tCT×n）×100%=1-RLB（2）

SI=∑ni=1tCT-tTi2/n（3）

式中，RLB為生產線平衡率;d為生產線平衡損失率;SI為平滑性指數;tTi為各操作人員的作業時間，s;tCT為生產線中作業時間最長的人員作業時間，即瓶頸時間，s;n為人員數量。

由表1中的數據，可以計算出改善前生產線平衡率為

RLB=158.9/（29.7×7）×100%=76.4%

生產線平衡損失率為

d=1-RLB=23.6%

平滑性指數為

SI=8.3

由計算結果可知，該生產線生產效率未達到85%，損失率較高，人員負荷不均，存在較大的改善空間。

2 生產線改善

傳統IE包括方法研究和作業測定兩大內容，方法研究是對現有工作方法的改進，其實施效果要運用作業測定來評價[1819]。對于存在的問題，首先依據ECRS原則，對整條生產線進行程序分析，尋求最佳作業內容、操作順序和空間布局，然后運用5W1H（Who，When，Where，What，Why，How）提問技術，對每個工序進行作業分析，對影響效率和質量的各種因素進行改善，通常包括不合理的操作方法、物料規格、設備與工裝、現場布局、人機配合等，再研究操作者的細微動作，根據人因工程相關理論和動作經濟原則，尋求省力、省時、安全和最為經濟的動作，使操作更簡便有效[20]。對生產線主要進行如下改善：

1） 由于人員C的作業為瓶頸，所以首先考慮縮短該人員的作業時間。通過觀察發現，操作人員C需先將閉鎖器、開啟臂和銷釘進行組裝，然后再拿取人員B熱熔后的鎖體（位于工作臺最左端滑道內）放置在工裝（位于工作臺最右端）上安裝閉鎖器，并用螺釘進行緊固，操作時左右移動距離約1 m。由于安裝開啟臂及銷釘時并不需要工作臺輔助，因此主要進行以下改進，將原工作臺縮短，臺面僅放置打螺釘工裝，同時更改料架，調整料箱、料盒的相對位置，將所有零部件規劃在三級動作（以肘關節為中心的前肢動作）范圍以內，操作人員不需要來回走動就可以完成所有作業;電動螺絲刀用伸縮繩懸掛在工裝板的正上方，高度盡量靠近工裝上的鎖體，減少工具取放;改造氣動剪鉗，將韌口磨平變寬，使其在夾扁銷釘的過程中接觸面積變大，從而減少夾的次數。改善完成后，人員C的工時由29.7 s縮短至22.8 s。

2） 人員C改善后，人員B成為新的瓶頸。首先考慮將組裝接觸銅柱、襯套這項作業（即表1中的工序2）轉移給工時較短的人員G，但經此改善后，人員G工時為23.6 s，B的工時為19.1 s，且B存在人等設備的等待性浪費，此方案不可行，所以應首先優化設備程序，提高加工速度，減少人的等待，再通過作業拆分轉移，使人機之間高效合理地配合。因此，將組裝接觸銅柱和襯套這項工作拆分為組合接觸銅柱、安裝襯套兩道工序，將組合接觸銅柱轉移給人員G，G完成后將組件放入指定料盒（約15個/盒），盒滿后由人員B來拿取料盒并進行下一步的襯套組裝;將安裝襯套這項工作安排在B等待設備加工的時間里完成。雖然B增加了走動，但總體時間有所縮短，改善后人員B的工時為20.8 s，G的工時為20.2 s。

3） 人員A鉚接卡板之前需要在卡板與鉚軸的接觸面、卡板與止動爪的嚙合處分別涂抹潤滑油，但涂油工裝只能自動涂抹接觸面油脂，嚙合處則需人用毛刷進行涂抹。因此，對現有涂油工裝進行改善，在工裝上增加擋塊和出油孔，當卡板放置在工裝上時，出油孔自動出油，并利用擋塊的擠壓作用使油脂附著在嚙合處，兩處涂油可以一次操作完成，改善后實際工時縮短為20.5 s。

對改善后操作人員的作業時間重新測定，并繪制要素山積表，改善后要素山積表如圖2所示。由圖2可以看出，改善后生產線瓶頸工時為22.8 s，小于客戶TT為23.3 s，在無異常情況下，該生產線人員不用加班即可生產出客戶需要的數量，人工成本降低。

改善后重新計算該生產線的各項平衡指標，生產線平衡率為

RLB=148.3/（22.8×7）×100%=92.9%

生產線平衡損失率及平滑性指數為

d=1-RLB=7.1%，

SI=1.8

通過以上改善，生產線實際產能由120件/h提升至155件/h，生產效率提升30%，平衡率由76.4%提升到92.9%，處于比較理想的生產狀態，平衡損失率降低至10%以內，平滑性指數由8.3降至1.8。

3 結束語

本文以某公司行李箱鎖裝配線為例，運用IE理論和方法，從人、機、料、法4個方面著手，對生產線進行分析和優化，通過計算生產線平衡率、生產線平衡損失率和平滑性指數來評價改善效果，為同類型企業生產線的平衡改善提供了較為實用的解決思路。該改善方案實施后，生產效率顯著提高，并由此產生了可觀的經濟效益，驗證了IE方法的有效性。當前市場環境下，企業產品種類不斷增多、客戶需求波動增大，如何運用IE實現多品種小批量多頻次的生產和物料周轉，將是后續研究的重點。

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Study on the Improvement of Assembly Line Balancing Based on IE Method

ZHAO Tingting

（Yantai TriCircle Lock Industry Group Company， Yantai 264001， China）

Abstract：? Aiming at the problems of low production efficiency and insufficient capacity of automobile parts assembly line， the theory and method of traditional industrial engineering are applied to improve the operation method， layout and equipment. The line balance rate and smoothness index are used to verify the improvement effect. Taking the luggage lock assembly line of X company for example， according to the investigation and analysis of problems existing in production site， the implementation steps are described in detail and the effect is evaluated. The results show that the balance rate of the improved automobile parts assembly line increased from 76.4% to 92.9%， the output per hour increased from 120 pieces to 155 pieces， the production efficiency increased by 30%， the balance loss rate reduced to less than 10%， and the smoothness index reduced from 8.3 to 1.8. In this comparatively ideal production state， the manufacturing cost is reduced and the competitiveness of enterprises is improved， which proves the effectiveness and practicability of industrial engineering method. This study provides an analysis method and solution for improving the efficiency of production lines in manufacturing enterprises.

Key words： industrial engineering; assembly line; bottleneck; line balance rate; production efficiency