人機分離技術(shù)在單元線設(shè)計上的應(yīng)用

摘 要：豐田佐吉通過對織布機的自動停止功能的改進，使一個紡織工人操作多臺織布機，提高了生產(chǎn)效率。人機分離技術(shù)起源于豐田織布機的自動化技術(shù)，是低成本提高生產(chǎn)效率的有效途徑。

關(guān)鍵詞：人機分離、標準作業(yè)組合、成本、重復(fù)利用率

1引言

蘇州華旃地處長三角，其人力資源形勢的日趨緊張。設(shè)備代人已成為必然選擇。我司前期進行了大量的自動化投入，產(chǎn)品多品種、小批量、短周期生產(chǎn)的特點導(dǎo)致部分設(shè)備投入成本無法收回。本文是基于成本研究不同分離度的設(shè)備在單元線設(shè)計上的應(yīng)用問題。

2人機分離

精益生產(chǎn)有兩大支柱，即：準時化和自動化。其中，自動化起源于1890年豐田佐吉對織布機的斷絲自動停機技術(shù)改進，逐步演化而來。人機分離則是實現(xiàn)自動化的主要方式。

2.1什么是人機分離

當設(shè)備在自動運行時，人可以離開，去操作另一設(shè)備或做其他工作，即人機分離。

2.2人機分離程度

人機分離程度劃分為A、B、C、D 4個等級，其中A等級分離程度最高，B至D依次降低：

①機器自身不能停止，需要人將機器停在恰當?shù)奈恢茫粚嵭蟹蛛x;

②機器可以自動停在恰當?shù)奈恢茫蛛x程度最低;

③機器完成一個循環(huán)后停止，屬于D等級，為豐田常用等級;

④機器完成一個循環(huán)并由機器取下工件后停止，屬于C等級;

⑤機器完成一個循環(huán)、機器取下工件、安裝工件、啟動后停止，屬于B等級;

⑥機器完成一個循環(huán)、機器取下工件、安裝工件、起動機器并可以投料、搬運，屬于A等級，實現(xiàn)全自動操作。

2.3人機分離成本

在進行工序動作設(shè)計時，如不注重分離度與單元線節(jié)拍、作業(yè)組合的銜接，僅追求較高的人機分離程度（或水平），會導(dǎo)致設(shè)備投入成本提供、利用率減低。比如幾道工序一起實現(xiàn)自動化，看似生產(chǎn)效率提升，實則設(shè)備做成了專用設(shè)備。專用設(shè)備有兩大缺陷：一是成本投入高，二是生產(chǎn)柔性低，設(shè)備的重復(fù)利用率低。基于多品種、小批量、短周期的生產(chǎn)要求，大部分產(chǎn)品在未收回設(shè)備投入成本時生命周期就可能結(jié)束。比如：5M半自動生產(chǎn)線因人機分離度相對較低，設(shè)備經(jīng)改造后已可用于其他產(chǎn)品生產(chǎn)，重復(fù)利用率相對較高。如圖1所示，為設(shè)備人機分離度與成本（重復(fù)利用率）關(guān)系。

2.4人機分離方式

1）為實現(xiàn)人機工作的分離，重點考慮：

a.按節(jié)拍策劃分離改進，不過度提高分離度;

b.監(jiān)視和保持不增值動作盡量自動化，釋放人工。

2）在實現(xiàn)人機工作分離時要權(quán)衡投資和效果的關(guān)系，為控制成本，須考慮：

a.優(yōu)先采用人機分離程度D等級;

b.只對有問題的部分實施自動化。

3單元線設(shè)計

蘇州華旃推進精益生產(chǎn)以來，一直將生產(chǎn)線單元化改造作為提升生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，改善過程良率的主要途徑。

3.1單元線定義

精益單元線是將生產(chǎn)全過程的設(shè)備、工位納入到一個生產(chǎn)單元，以生產(chǎn)節(jié)拍為前提，基于 “50s黃金法則”，通過提升線平衡率來實現(xiàn)單元線內(nèi)部單件流的快速流動[1]。

3.2單元線設(shè)計

為實現(xiàn)少人化，提升生產(chǎn)效率，基于“50s黃金法則”將產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍時間拉長。在50s作業(yè)周期內(nèi)進行工序動作和人機分離的工裝、設(shè)備聯(lián)合設(shè)計。

1）作業(yè)組合設(shè)計

如圖1，D等級分離度成本相對較低，重復(fù)利用率較高。因此，可在單元線工序設(shè)計中廣泛應(yīng)用。具體應(yīng)用方式：人工卸料（上一循環(huán)周期）、上料起動設(shè)備后，做其他工作，設(shè)備自動完成一個循環(huán)動作后停止。

依人機分離原理，對加工裝配工序的工裝、設(shè)備進行設(shè)計，對手扳沖床等低分離度的工裝、設(shè)備，按需進行改造。同時，基于工裝設(shè)計思路，評估每一個作業(yè)動作的時間和工裝、設(shè)備自動運行的時間的匹配度（如圖2）。當人工成本高于設(shè)備成本時，設(shè)備等人;當人工成本低于設(shè)備成本時，需人等設(shè)備。

2）線平衡優(yōu)化

人機分離設(shè)計的過程，特別是在決定給現(xiàn)有設(shè)備進行改造前，必須充分評估線平衡。即：需要考慮整條線的綜合作業(yè)時間。設(shè)備作業(yè)時間不是越快越好（快了浪費，慢了成為瓶頸），同時，在工序動作、工裝設(shè)計時，需要考慮整體工序間的平衡。每個工站的作業(yè)時間應(yīng)當小于且無限接近節(jié)拍時間。線平衡改善的過程中除“取消、合并、簡化、重排（ECRS）”等IE經(jīng)典技術(shù)的應(yīng)用外，在考慮線平衡基礎(chǔ)上，充分運用人機分離技術(shù)，利用盡量少的成本投入，實現(xiàn)生產(chǎn)效率的提升。

4人機分離技術(shù)推廣

人機分離技術(shù)不僅能在單元線的設(shè)計上有所應(yīng)用，在其他通用工序也能起到提升效率的作用，可以廣泛應(yīng)用。

4.1人機分離的優(yōu)勢

在產(chǎn)品單元化改進中應(yīng)用了人機分離技術(shù)，UPPH提升了70%以上，其中人機分離貢獻度超30%。具體原因是：未經(jīng)過動作設(shè)計的生產(chǎn)線，作業(yè)人員既使操作設(shè)備有一點空閑時間，因沒有系統(tǒng)地策劃、未規(guī)定標準作業(yè)，未被充分利用，導(dǎo)致等待浪費。比如，絕緣耐壓測試期間，作業(yè)人員的等待浪費;手扳沖床壓配產(chǎn)品時，作業(yè)員的一只手需要不停地操作手板沖床手柄，停頓時間均自5s以內(nèi)。

人機分離技術(shù)，就是通過針對作業(yè)人員的碎片化時間通過各種小的改進，使人員作業(yè)與設(shè)備作業(yè)相分離，使碎片化的時間得以整合，并安排其他作業(yè)動作。進而減少等待浪費，提高人員利用率，提升生產(chǎn)效率。

4.2人機分離的選擇

豐田為什么常用D等級的人機分離？而不是導(dǎo)入全自動化的生產(chǎn)線？原因是豐田需要柔性化的生產(chǎn)線。全自動生產(chǎn)線雖然人機分離等級高，生產(chǎn)效率高，但無法適應(yīng)多品種、小批量、短周期的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。隨著市場的變化，不論是汽車還是其他工業(yè)產(chǎn)品，其生命周期越來越短、種類越來越多、批量越來越小。因此，豐田選擇D等級的人機分離。這既是改善成本的需要，也是鍛煉改善團隊的需要。

一名合格的工程師，如果把改善的任務(wù)寄托在購買一臺設(shè)備，或請自動化部門投入一臺全自動化的專用設(shè)備上。那該工程師就不是一名合格的工程師。他把思考的過程丟給了別人，只想動“口袋”，不想動“腦袋”解決問題。這對工程師自身而言，能力得不到提高，對企業(yè)而言，工程師團隊也沒得到較好的鍛煉。只是投入了無法回收的成本，而專用設(shè)備使用一段時間后也因無法重復(fù)利用而閑置（如圖13）。

4.3人機分離的實施

人機分離技術(shù)既能運用于新產(chǎn)品的工藝設(shè)計，也可應(yīng)用于對現(xiàn)有工藝過程的改進。

1）設(shè)備微改造

對現(xiàn)有裝配加工設(shè)備進行自動停止功能改造：以人手為動力源的手扳沖床等需組織更換成氣缸或電缸式壓鉚設(shè)備，熱縮管熱縮替代等（如圖14-15）。同時，以民品車間為對象，針對所有非單元線產(chǎn)品，將單線生產(chǎn)節(jié)拍拉長2-4倍（依據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜程度，多能工培養(yǎng)條件定），進行簡單的標準作業(yè)組合，充分利用作業(yè)人員操作設(shè)備的等待時間。

2）設(shè)備標準化

在進行舊通用設(shè)備改造的同時，結(jié)合設(shè)備分類進行模塊化、柔性化設(shè)計。比如：激光標刻、CCD檢測、壓配工裝、點膠工裝、性能測試等。人機分離的柔性化需依托工裝設(shè)備的模塊化、柔性化。即：設(shè)計好通用化的模架，電控裝置的同時，對于不通用的上下模部分，制定標準化接口。產(chǎn)品換型時，更換上下模具，調(diào)試電控程序即可。

3）人機作業(yè)組合

隨著分離度的提高，人員空閑時間隨之增加。可考慮一人多機，機臺數(shù)量測算依據(jù)公式（1）：

N：工人可操作的機器數(shù)量

L：人工有效工作時間

M：機器工作時間

W：工人從一臺機器走到另一臺機器的時間

5結(jié)論

人機分離技術(shù)起源于豐田佐吉的織布機斷絲自動停機技術(shù)。其中D等級的分離度因投入成本低，改善收益明顯。我司前期經(jīng)過單元改進的生產(chǎn)線，運用了人機分離技術(shù)后，在成本投入較小的情況下，生產(chǎn)效率取得了30%以上的提升。然而高度全自動化仍是工藝人員的首選，因此，低成本的人機分離技術(shù)應(yīng)當成為多品種、小批量、短周期產(chǎn)品效率提升的關(guān)鍵技術(shù)加以推廣運用。以期在低成本投入的前提下，配合設(shè)備（工裝）標準化，在充分進行動作設(shè)計，人機作業(yè)組合分析，節(jié)拍優(yōu)化的基礎(chǔ)上，快速提升生產(chǎn)效率。

參考文獻

[1]王東喬 著，《連接器單元線改造研究》，中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)出版社，2020。