基于精益理念的生产线布局优化研究

沈 琦 ,郑建国

（1.东华大学,上海 201620; 2.上海科尔本施密特活塞有限公司,上海 201814）

0 引言

学习和借鉴已有的先进制造模式是现阶段中国制造企业提高生产运营能力的一种有效途径。近年来已涌现出不少先进制造模式，如计算机集成制造、大规模定制、敏捷制造等，源于丰田公司的精益生产是其中非常关键的一个，孙林岩等[1]在分析了精益生产与其它先进制造模式关系的基础上，指出精益生产是实施各种先进制造模式的基础，如果企业没有较好的完成精益生产的转变，那么实施各种先进制造模式时将会面临非常大的困难。

在生产布局方面，与大批量生产常采用直线型流水线不同的是，精益生产方式常采用U 型流水线设计，合理的U 型布局是实现准时化生产、均衡生产、一个流生产、少人化生产的重要基础。精益生产方式下的U型布局有很多优势[2]：入口和出口一致有利于实现拉动生产；拉近了工作站间距离，缩短了员工作业行走范围，减少了物料搬运浪费，有利于实现一人多机作业；U型线的中间区域成为共享区域[3]，便于员工之间进行学习、交流和互助；作业分派组合方式更多，具有更强的分派柔性，当市场需求变化时可灵活的增加或减少员工数量从而快速响应外部需求的变化，实现“少人化生产”。在人工费用越来越高、“用工荒”频现的今天，对于中国制造企业而言，削减作业人数无疑有着重要的意义。

1 精益生产的概念

精益生产（Lean Production,简称LP）是美国麻省理工学院数位国际汽车计划组织（IMVP）的专家对日本丰田生产方式（TPS）的赞誉之称，精，即少而精，不投入多余的生产要素，在适当的时间生产必要数量的市场急需产品或下道工序急需的产品；益，即所有经营活动都要有效有益，具有经济性。精益生产是当前工业界最佳的一种生产组织体和方式。[4]

詹姆斯·P·沃麦克等[5]对精益生产的定义是：顾客需求拉动生产，以消灭浪费和快速反应为核心，使企业以最少的投入获取最佳的运作效益和提高对市场的反应速度，其核心就是精简，通过消除或减少产品开发设计、生产、管理和服务中一切不产生价值的活动，缩短对客户的反应周期，快速实现客户价值和企业内部增值。

精益管理要求企业各项活动都必须运用“精益思维”，“精益思维”的核心就是以最小资源投入，包括人力、设备、资金、材料、时间和空间，创造出尽可能多的价值，为顾客提供新产品和及时的服务。

2 K公司生产线设备布局及价值流分析

K公司是汽车发动机活塞的制造加工企业，年产量总数在2400万左右，主要的工艺路线：

原材料入库→熔炼→除气→浇注→热处理→机加工→检验→清洗→石墨→固化→阳极氧化→装配→包装→出库发运。

表1 活塞生产加工工序表

由于熔炼、除气、浇注、热处理的生产属于热加工，工艺比较特殊，并且在热处理后建立毛坯半成品仓库作为中间存储库存，因此不列入本文分析内容。如表1所示是K公司二期活塞生产加工工序表。

与活塞生产加工工序相对应的设备布局图如图1所示，工艺过程和物流形式将整个工艺链分割成了三个生产相对独立的区域：机加工生产线，清洗固化表面处理工序以及检验装配包装区域。

依据精益生产理念对该生产线进行，其存在的缺点如下：

（1）生产线人员配置较多；

（2）生产线平衡率低；

（3）有中间库存积压，清洗固化室瓶颈工序会造成大量在制品，占用库存资金，占用场地；

（4）有批量事故的风险；

（5）需要通过加班完成客户需求；

为了解决这些问题，需要通过生产线中各道序的生产节拍和工序间的约束进行分析和研究，以及对现场的生产线进行布局研究，生产线的平衡、精益理念以及U型布局的方法，对生产布局进行改善，减少生产人员，提高生产线的平衡率，提高效率。

以EA211产品为例绘制K公司当前价值流图，如图2所示。

如图3所示，从产品当前价值流图中可以看出，产品从原材料到成品总共经过13个工序。为了提高生产线的生产能力，满足客户的需求，需要从生产线中识别主要的浪费和瓶颈，使产品总体增值的过程向预期的目标发展，避免时间、人员、物料、质量的浪费。通过对K公司生产线的价值流图进行研究，可以看出在影响生产能力的主要问题有：

（1）生产线中存在着瓶颈工序，整个生产链的生产节拍和客户需求的节拍不相符，我们将生产线的各道序的节拍与客户的需求节拍进行了时间对比，从中来确认生产线中的瓶颈工序；

（2）由于机加工生产线和表面处理间的生产工序时间差异以及瓶颈工序的产能浪费，造成在清洗前有在制品库存，检验和装配间的产品换型造成在制品库存积压，并造成场地有200m2的面积浪费。直接增加了产品的生产周期，且在生产过程中，增加了取料和等待以及走动的时间浪费即生产过程中的不增值时间。

3 K公司生产线设备布局优化

3.1 K公司生产线优化方案

K公司生产线优化内容以减少生产工序中的浪费、减少库存、解放生产线的瓶颈工序作为主要的改善方向。目的是对生产线的循环时间、瓶颈工序产能、产品合格率等一系列影响生产线生产能力的要素进行优化，来进一步提高生产能力，满足客户的需求。同时要进一步考虑生产的成本，其中包括物流成本、人工成本。通过合理的布局和生产线各工序时间的平衡，将生产的过程做到最精益。

（1）解放瓶颈工序产能。针对整个生产链中的每个工序进行分类研究，改进生产流程，将检验工序放到清洗工序前，直接将缺陷不良品隔离，避免浪费清洗设备和固化设备的生产产能，提高整个生产线的一次合格率，达到消除生产瓶颈的目的。

表2 生产线工序合并工作站

（2）合并工序，定义工作站数。对每个工序的节拍进行平衡合并，明确工作站的数量，进行合理的人员分配，达到减少人员使用和生产链平衡的目的。

3.2 生产线工序合并

生产线各工序并行设备有以下特性：

（1）工序内各并行机床自动化程度高，人工干预只是在更换工件上；

（2）工序内各并行机床的自动工作时间远大于手动操作时间。

根据以上特点，可以在工序内设备中采用多机床管理方式，这样有利于员工充分利用工时，提高生产效率，降低人工成本。生产线工序合并成工作站如表2所示。

通过对K公司的价值流图分析和生产节拍的平衡，进行生产线的工艺改善，以及对生产线的工作站数进行合理的工序合并和定义，可以达到如下结果：

（1）通过工艺的改善，将尺寸检验的工序直接放在了清洗之前，释放了瓶颈产能的清洗工序和石墨固化工序，避免瓶颈工序生产后道序将发现的缺陷产品活塞，可节约5%的生产产能；

（2）通过尺寸检验工序的前移，并使用在线SPC功能，对整个生产线进行实时监控。出现任何一个尺寸测量异常点，可以直接反馈到生产线进行及时调整，避免批量质量问题的产生，同时能够大大降低生产线的废品率，预计将由原来的5%下降到1%；

（3）通过对整个生产线的工序分类和工作站的定义，重新平衡整条机加工生产线的生产节拍，在满足客户的需求的基础上，节约人工使用的成本。

3.3 “U型生产线”方式的精益布局再优化

基于价值流图、合并工作站和多机床管理原则对机加工生产线进行布局优化，效果也颇为明显，但对于检验后表面处理装配的布局和生产成本的降低还有进一步提升的空间。阶段改进后的生产模式，后续的生产过程在制品库存问题并没有得到解决。U型生产线布局在精益生产体系中能够最大的发挥出来，精益生产方式的核心就是一物流生产。改善后的生产线布局如图4所示。

对生产线的工艺工序优化和U型布局平衡优化后，取得了非常显著的改善效果，有效的降低了生产的瓶颈风险，降低了批量的质量风险，降低了人工成本的支出，降低了人事费用率，提升了生产线的平衡率，平衡延迟率下降了。通过了布局的优化，将清洗之前和检验之前的在制品释放，形成了一物流的精益生产模式，降低了在制品库存资金的占用，有效降低了库存资金和在制品成本。

4 小结

通过对K公司的精益生产布局及优化，以提高生产线的效率、降低生产线延迟率、降低废品缺陷率、释放瓶颈工序、减少生产人员数量、减少在制品数量和资金，来达到生产线布局优化的目的，并在实际的运行下达到了很好的效果。

[1]孙林岩,汪建,曹德弼.精益生产及其在先进制造中的地位和作用[J].航空制造技术,2003(07):48-57.

[2]唐自玉，朱华炳，刘光复等.基于“一个流”模式的车间生产线改善设计[J].组合机床与自动化技术,2009(01):105-109.

[3]Miltenburg J. U-shaped production lines: a review of the theory and practice [J].International Journal of Production Economics, 2001, 70(3):201-214.

[4]杨涓子.精细化管理的68个细节[M].企业管理出版社,2006.

[5]沃麦克，丹尼尔，琼斯. 精益思想[M].北京：机械工业出版社,2009.