基于價值流圖的農機生產流程優化

熊宗慧，胡平平，曹東升，何志琪

（1.新疆大學 機械工程學院， 新疆 烏魯木齊 830047； 2.新疆大學 機械工程學院機械工程博士后流動站，新疆 烏魯木齊 830047）

農業機械裝備是提高農業生產效率、實現資源有效利用、推動農業可持續發展的重要的工具。近年來，農機生產模式逐漸發生改變，成本、質量和交貨期成為決定農機企業生死存亡的關鍵因素，上述因素取決于設備是否合理配置、產線是否平衡、物料是否及時配送［1］，因此優化農機生產流程，有利于實現企業精益化管理。價值流圖（value stream mapping，VSM）可幫助企業有效地識別生產過程中的價值活動，消除浪費，促進精益生產［2］。周健等［3］提出價值流圖析的客戶定制產品系統，幫助企業快速響應客戶需求［3］。高留艷等［4］利用價值流圖，改善膠輪生產線，縮短生產周期。Busert 等［5］將價值流技術與信息流控制方法結合，優化生產流程。Behnam 等［6］將VSM 與層次分析法結合，促進服裝企業精益化生產改革。Balaji等［7］將VSM與工業互聯網結合，持續監控設備參數，降低了人員對專業知識的依賴程度。國內外學者發現，近年來價值流圖被越來越廣泛地應用于生產線優化，但將價值流與仿真技術相結合，并應用在多品種小批量混流生產的農機制造流程優化中的較少。

以M農機制造車間生產流程為例，分析生產線現狀，繪制價值流現狀圖，在此基礎上提出改善策略，并進行仿真優化，實現生產資源的合理配置，縮短生產周期，提升快速響應市場的能力。

1 生產現狀及問題分析

M 公司是一家綜合性農牧機械企業，涉及產品設計、制造、銷售等業務，主要生產玉米收獲機、耕種機械、農產品加工機械等。隨著農機制造行業競爭日益激烈，在市場經濟形式蕭條的影響下，企業利潤被壓縮。因此，提高企業生產能力、保證及時交付產品，是企業立足和發展的關鍵。通過調研分析可知，該農機企業的主要問題出現在零部件的生產環節。本文主要以該企業的農機制造車間生產流程為例展開研究。

1.1 M農機制造車間生產現狀分析

該企業的訂單流程如圖1 所示。顧客下單后，由銷售處理訂單，匯總訂單并發送至運營部，根據訂單總數及理念銷量數據，制定生產計劃。采購部核對物質，制定采購計劃進行采購；研發部編制產品物料清單（bill of material，BOM）及技術資料，發送至生產部，生產部綜合考慮生產計劃、產品BOM、技術資料，制定月和周生產計劃并安排生產。

圖1 訂單流程Fig.1 Order business process

1.2 產品數量分析和工藝路線分析

M農機制造車間主要生產內部裝配車間農牧產品的零配件，利用產品數量（product quantity，PQ）分析研究上一年的產品，結果如圖2 所示。由圖可知，Y2600、Y3150和Y8300產品數量最多，分別占比均為24.76%，Y4B次之，占比為16.28%。對主要產品進行PR分析，Y2600、Y3150、Y3000和Y2400的工藝流程相同。結合產品占比考慮，將Y2600、Y3150 和Y2400這3種產品劃分為產品族展開研究。

圖2 主要產品PQ分析Fig.2 PQ analysis diagram of the main product

該產品族具體流程為：厚板件經等離子切割后，將其配送至物料區等待折彎和剪板；使用激光切割薄板件，將其送至物料區等待折彎和剪板；型材完成鋸、車、銑后，被送至物料區，與加工成型后的薄板件、厚板件、標準件和外購件組裝，再進行檢驗和動平衡加工，整個加工過程完成。使用秒表測時法，分別記錄各工序平均操作時間，車間工藝數據見表1。

表1 車間工藝數據Tab.1 Workshop process data sheet

1.3 價值流圖分析

根據M公司價值流動及現場收集的數據，按照標準繪制M 公司加工流程現狀價值流圖，如圖3 所示。圖中，FIFQ 為先進先出。根據計算價值流圖增值時間（value added Time，VAT）、非增值時間（non-value adding time，NAT）和增值比（value added ratio，VAR）［8］如下：

圖3 現狀價值流Fig.3 Current value stream

式中：（TCT）k為第k個工序的生產周期時間；()k表示k至k+1 個工序的間隔時間。其中，增值時間為446 min，非增值時間為94.6 h，增值比為7.29%。

分析數據的時間較長，存在人員等待、設備閑置、物料運輸等浪費，導致非增值時間過長，從信息流和工藝流角度分析具體原因。計算產線平衡率，5 d 交付50 件產品，生產節拍P=每天可用工作時間/客戶需求節拍=（9×2×60×5）/50=108 min。由于車間作業環境及高強度作業影響，生產節拍寬放系數取7%，生產線節拍為［100.115.56］ min，則計算產線平衡率ER如下：

式中：ti為各工序作業時間；TCT為瓶頸工序作業時間；n為工序數。

1.4 問題分析

結合農機供應鏈理論，以農機制造企業為核心，從信息流和工藝流兩方面分析該企業的價值流動。

1.4.1 信息流方面的問題

（1） 銷售部使用MDS軟件匯總訂單信息，運營計劃部使用U8軟件處理業務，目前2個軟件不能相互轉換，造成訂單數據需重復上傳，產生不必要的浪費。

（2） 根據歷年數據預測訂單，客戶需求具有不確定性，所以預測結果存在較大誤差。

（3） 運營部一次下達整年計劃，后續加單或客戶撤銷訂單情況頻發，生產部不能及時調整產能，造成生產過剩或生產不足。

綜上，為解決上述問題，需調整生產計劃下達頻率、促進員工業務軟件的使用規范，以及提高訂單預測準確度。

1.4.2 工藝流方面的問題

（1） 產線不平衡，各工序加工時間存在差異，作業量分配不均，生產線平衡率僅為57.3%，仍有提升空間。

（2） 換模時間長，該產品族的生產由3 種板材加工完成，加工中需多次換模，尤其折彎工序需針對不同板厚及板材型號更換模具，如擺放混亂，易增加作業人員尋找模具時間。

（3） 在制品過多，由于預測不準確導致，采購過量堆積在板料區，影響物流運輸，同時設備加工不考慮前后工序需求，導致生產過量，在制品堆積。

綜上，產線不平衡、換模時間過長和在制品積壓是該生產車間亟待解決的問題。

2 優化方案設計

根據分析結果，結合精益思想，使用“5W1H”提問法和ECRS分析法、快速換模法等方法優化方案。

2.1 培養員工業務能力，提高信息傳遞及預測準確性

對各部門員工開展數字化軟件操作培訓，規范軟件使用標準，實現信息共享，精簡操作流程，提高工作效率。銷售部和運營部考慮農機貼補及國家政策，采用智能算法完成預測，確保預測準確性。經改進，將銷售部處理訂單時間縮短至2 d，將運營部業務處理時間縮短至1 d。

另外，企業按訂單制定總生產計劃，生產部根據總計劃制定月和周計劃，無法應對緊急加單的情況。因此，運營部需考慮細化生產計劃，制定年度計劃時，綜合考慮訂單波動對季度和月份生產計劃的影響，提高計劃制定和下達頻率，有利于生產部分解計劃，確保按時完成任務。

2.2 合理設置庫存模式，減少等待浪費

加強庫存控制信息化管理，將銷售、生產和采購相結合，實時反饋物料流轉情況，及時補貨和采購［9］。此外，供應商根據生產計劃定時送貨，避免發生因板材過多阻礙生產，或板材過少影響生產的情況。考慮車間面積，計算庫存量，并控制加工數量。庫存量q的方程式如下：

式中：z為服務水平系數；μl為平均提前期；μd為平均日需求量；σ2d為日需求量的標準差；σl為提前期下的標準差。

2.3 改善工藝，平衡生產線

生產中主要存在產線不平衡、換模時間過長、在制品堆積等問題，針對上述問題，采用ECRS 分析法及快速換模法（single minute exchange of die，SMED）換模進行優化。在提升作業熟悉度、確保物料及工具放置的便捷性和加強各部門協作的條件下，調整上述生產路線的10 道工序。折彎工序需多次換模，使用SMED 法［10］優化折彎工序，減少換模時間，提高作業效率。鋸床切割及車削作業時間過短，且區域距離較近，可將其組合。1臺動平衡機器可滿足生產能力，因此取消1 個動平衡工位，將員工調配至銑削組，減輕作業壓力。檢驗作業較簡單，且在裝配完成后開始，可重新規劃裝配及檢驗人員作業內容，先將檢驗人員并入裝配小組，減輕裝配壓力，平衡生產線。

2.4 實行拉動式生產

農機車間采用推動式生產時，生產部將指令發送至各工序，工人按任務加工，不考慮前后工序生產需求。拉動式生產從市場需求出發，借助工序零部件加工，確保在適當的時間加工適當數量的產品［11］。同時在折彎物料區及裝配物料區設置超市模式，控制生產，減少等待浪費。

3 優化結果分析及仿真驗證

3.1 優化結果分析

根據優化策略，結合實際情況，繪制未來價值流圖，如圖4 所示。由圖4 可知，生產中，TVAT=409 min，TNAT=61.9 h，TVAR=9.91%，根據式（4）可得ER=90%。

圖4 未來價值流Fig.4 Future value stream map

生產線優化前后對比見表2。由表可知，生產周期短到了3.43 d，產線平衡率提高了32.7%，增值比提高了2.62%，優化效果明顯。

表2 生產線優化前后對比Tab.2 Comparison table before and after production line optimization

3.2 仿真驗證

利用Flexsim 軟件建立生產線模型，設置模型參數，仿真時間為5 400 min，結果輸出見表3。

表3 模型仿真結果Tab.3 Model simulation results

由表3可知，優化后一周內生產72件，滿足客戶訂單需求，加工效率提升了44%，加工周期為3.67 d，與未來價值流結果基本一致，保證了價值流圖分析方法的客觀性。經優化后，可較大地提升生產線穩定性和連續性，使得整體生產系統更流暢。

4 結語

以農機制造車間生產線為例，將價值流圖方法與Flexsim 仿真技術結合，采用價值流圖識別生產中的問題，通過仿真軟件模擬運行，驗證優化方案的客觀性。結合精益生產方法，從信息流和工藝流角度提出改善方案。優化后的生產線周期縮短了31.4%，生產線平衡率為32.7%，非增值時間縮短了34.5%，增值比提高了2.62%，較大地減少了生產浪費。價值流圖能幫助企業確定優化的方向，再結合對應方法提出改善策略。文中采用精益生產與仿真技術結合的方式，優化生產流程，在日后研究中，可考慮使用智能算法進行改善。