生产线节拍精益优化的方法研究

周高峰

（同济大学，上海 201800）

生产线节拍TCT（Target Cycle Time）就是在生产线稳定的情况下每下线一个产品所需要的时间。它反映的是生产线生产产品的速度，生产线节拍必须小于客户的需求节拍TT。

计算TCT时，需要考虑去除每班的休息时间、TPM时间、换型时间、质量损失以及设备综合利用率OEE（Overall Equipment Efficiency），去除这些损失时间后的生产时间为净生产时间。

生产线节拍（TCT）=每天净生产时间/每天需求产量。净生产时间一般是计划生产时间的80%～85%。

生产线节拍TCT是由最长的单工位节拍和最长的操作员工流节拍体现的，两者取其长。单工位节拍包含此工位不可与机床自动并行的手动节拍加上机床自动节拍。操作员工流的节拍就是指操作工完成一个手动操作循环所需要的时间。优化生产线节拍的目标是优化瓶颈单工位节拍和操作员工流的节拍。

1 影响生产线节拍的关键因素

在实际生产活动中，人们经常会遇到实际节拍无法达到规划节拍的情况。其中原因非常复杂，以下总结了几项影响生产线节拍的关键因素。

1.1 人员因素

操作人员没有按照标准化作业的流程和要求进行操作或者质量意识不强、操作不熟练等导致节拍过长或产品存在质量隐患，成为生产线的瓶颈。对于人员因素，解决方法是对人员进行标准化作业培训。这是保证生产线稳定产出的重要工作。

1.2 工序、工位设置因素

工序、工位设置因素是指生产线设计时工序、工位内容设计不合理、不平衡导致的节拍损失。比如，有些工位的自动和手动动作设计不平衡，有些操作流循环走动距离不合理等。这需要在产线设计之初就做好精益化设计。

1.3 设备稳定性因素

设备稳定性是指设备或工装不稳定导致的生产中断，生产不能按照规划的速度进行生产。设备中断的因素非常多，优良的产线设计和良好的日常保养和维护（TPM）是保证设备稳定的重要因素。

1.4 来料零件因素

来料零件的问题一般是指零部件尺寸不合格导致生产过程出现问题而导致的生产中断或返工甚至报废。最终导致生产线无法按照设计节拍进行生产。对于此类问题，需要严格做好来料零件的质量管控，减少对生产活动的影响。

1.5 物流因素

物流因素是指生产线物料配送和线内部在制品流转的不合理甚至补料不及时导致的生产线节拍损失。这种节拍的损失是需要减少甚至杜绝的。

2 生产线节拍精益优化的方法

上文提到了不少影响生产线节拍的关键因素，对于依赖于人员管理、培训等的因素不再讨论，本文将主要致力于分析研究优化工位工序设置因素的方法以及一些评价方法。本文将通过MTM分析法、ECR原则、生产线平衡评价和PPOH评价等方法进行研究和分析。

2.1 MTM分析法

MTM（Method Time Measurement）方法是一种科学的统计手动动作时间的测量方法。MTM其意为在合理的限度范围内，在相同熟练程度、同等能力、同等努力程度下一个人完成某个流程的执行时间完全取决于使用的方法。

MTM的时间单位为TMU（Time Measurement Unit）。1TMU=1/100000h=0.036s。

MTM是一项比较复杂和详细的动作时间分析方法。它将动作流程根据基本动作进行精确分割。每个身体部位的动作都是被单独分析的。因此，MTM方法将动作分成了手部动作、视力（眼睛）功能、身体动作以及动作序列等。而每组动作大类都有详细分类。比如手部动作有伸手、抓握、松开、递送、连接、挤压、分离和旋转等；视力功能有视线移动和检查；身体动作有脚步动作、腿部动作、侧步、身体旋转、行走、弯腰、下蹲、单膝跪、坐下及站起等；动作序列分为前后相继的动作、确定时间的动作、同时动作、组合动作以及过程时间中的动作。每个动作都有相应代码，比如伸手为R，抓握为G。动作代码加上移动的距离和动作的状态程度或物体的难易特性等就组成了一组动作的编码，人们通过这个编码就能在MTM标准时值卡中查找到相应的数值，得出该动作的时间值，将这些时间值累加就能得到这一组动作的标准工作时间。

例如，描述伸手抓握一个方木块放到一个盒子里，假设移动30cm。其中伸手到物体可以简化为R30A。R表示伸手；30表示伸手的距离为30cm；A表示动作的强度等级。

根据R30A这个动作编码，人们可以从MTM标准时值卡中找到相应的数值。MTM基本方法的编码是国际统一的。从标准时值卡中读取：R30A=9.5TMU。表示伸手到物体这个动作需要9.5×0.036=0.34s。

使用MTM分析法分析操作员工的手工动作时间的重要作用是在一定约束前提下使得人的动作有了统一的参考标准，确保动作的时间数据具有统一的水平。这对于生产线工艺流程的设计和优化有重要作用。

2.2 ECRS分析法

ECRs分析法秉承了精益生产消除一切浪费的理念，是对于生产流程或者管理流程进行分析改进的工业工程四个步骤。由取消（Eliminate）、合并（Combine）、调整顺序（Rearrange）、简化（simplify）四个步骤的首字母组成。

2.2.1 取消（Eliminate）

首先对于流程（这里指生产线的过程）进行分析。在不影响产品生产进度和流程以及产品质量的前提下对过程中步骤或动作考虑有无取消的可能性。如果不能全部取消，可考虑部分地取消，如多余的搬运、不增值的检验等。

2.2.2 合并（Combine）

合并就是将两个或两个以上的对象合并成一个。对象可以是流程、动作和工序等。合并可以有效地消除重复现象，能取得较大的效果。比如，多次测量合并成一次，不同的工具合并成同一个工具等。

2.2.3 重排（Rearrange）

重组就是通过改变操作顺序，使工作的先后顺序重新组合，以达到改善的目的。逻辑顺序的重排从而获得更加简易高效的方法，并在重排之后再次研究是否还有可以取消合并的动作，如前后工序的对换、机器设备位置的调整等。当然，所有的重排不能影响产品的生产实现和质量要求。

2.2.4 简化（Simplify）

经过前面三个步骤取消、合并和重排之后，再对该项工作或流程做进一步的分析研究，使其尽量简化，缩短作业时间，提高工作效率。简化是一种工序的改善，也是局部范围的省略，整个范围的省略也就是取消。

2.3 生产线平衡分析法

生产线平衡就是将所有基本工作单元（包括机器时间和人工时间）合理地分配到各个工作站，以使每个工作站在节拍内都处于繁忙状态，完成最多的操作量，从而使各工作站内的闲置时间最少。以上提到的MTM的方法和ECRs的方法都是生产线平衡的基础。平衡最终的目标是平衡时间，并最小化工位数量或者最小化操作员工的数量。

从实质上来讲，生产线平衡的问题就是组合优化的问题。生产线平衡要求在产品装配或生产过程中时间与空间有效地结合。生产线的平衡程度差会影响生产效率，同时一些工位的劳动强度不同造成人员管理上的问题甚至质量问题。

生产线平衡可以通过平衡率来反映生产线各个工位的平衡情况。生产线工位平衡率的计算公式为：

式中，P为生产线工位平衡率；ti为第i作业单元的作业时；Tk为第k工位的作业时间；K为生产线的工位数量；Max（Tk）为所有工位中最长的作业时间，等于瓶颈工位的节拍，即生产线的节拍。

随着国内生产线自动化程度的提升，多数生产线都存在一人多机的现象，工位数和操作人员数一般不相等。因此，同样运用式（1）可以计算生产线人员操作流的平衡率。

生产线操作工流平衡率的计算公式为：

式中，Pp为生产线操作工流平衡率；ti为第i个手工作业单元的作业时间；Tm为第m个操作工的作业时间；M为生产线的操作工数量；Max（Tm）为所有操作工中最长的作业时间。

当P（或Pp）≥90%时表示生产线平衡达到优，90%＞P（或pp）＞80%生产线平衡为良，若P（或Pp）≤80%，则生产线平衡较差。

生产线平衡的改善原则和方法主要有以下几个方面：将所有作业划分为一个一个不能继续拆分的作业元素或单元，为重新划分、调整和组合提供条件；确定生产流程中的关键作业元素和关键工位，关键作业元素和关键工位的需求首先需要得到满足，资源首先得到分配；对于要重新做出调整的工位或作业元素，调整不能违背产品的工艺逻辑，不能违反装配的优先顺序，且不能影响产品的生产装配质量；分析时首先考虑能够有潜力可挖即有空余时间的作业元素，而不是全盘分析；重新平衡后的各个工作站的空闲时间应该尽可能地减少，而且要保证各个工作站的作业时间均衡，坚持对生产线平衡进行持续改善。

2.4 PPOH评价

随着人员成本的逐年提高，人员利用率无疑对生产企业的经济利益是非常重要的。PPOH就是用来计算生产线生产人员利用率的一个评价指标，用来表示单位员工单位时间内的出产数量。PPOH的计算公式为：

式中，N为出勤时间内生产的合格品数量，件；K为生产线工人总数量，人；T为每个工人的出勤时间，h。

在生产正常的前提下，出勤时间内生产的合格品数量N可以用净生产时间除以TCT来计算，由此可见降低生产线节拍对于提高PPOH的重要性。

运用PPOH评价的目的是要求生产线在注重满足客户需求的同时，在生产线节拍和生产线人员数量上寻找一个最优的方案，注重提高员工的利用率，提高企业的经济效益。

3 结论

本文对生产线节拍的精益优化方法做了比较详细的研究。首先解释了生产线节拍的含义，然后对影响生产线节拍的关键因素做了分析，接着对生产线节拍精益优化方法做了研究和梳理，通过分析MTM分析方法、ECRs分析法以及生产线平衡分析的方法等来研究生产节拍的精益优化，最后介绍了评价人员利用率的方法，即PPOH评价指标。