人机界面产品生产线提升工序效率的研究

2018-10-10余建波

机械制造 2018年7期

□ 潘书 □ 余建波

同济大学机械与能源工程学院上海 201804

1 研究背景

在当今经济一体化和全球化竞争的环境中，制造业面临着越来越大的挑战［1］。在生产制造过程中，如何改变思想，有创造性地改善原有生产制造模式，在提高质量的同时降低成本［2］，快速交货，满足客户的个性化需求，已成为制造型企业所面临的重大挑战。

在工业控制行业，实现操作者和设备交互的最常见终端就是人机界面（HMI）产品。据调查，至2013年，HMI产品主要生产企业有西门子、罗克韦尔、施耐德、GE、台达、研华等，我国HMI产品的市场规模约23亿元人民币［3］。大多数HMI产品生产企业以装配为主要生产方式。

传统HMI产品制造行业和大多数中小型装配企业类似，为了实现规模效应，往往采用流水线布局方法，即按照一定的生产节拍，将产品的装配工作分解为最基本的作业步骤，连续从前道工序流到后道工序。流水线生产的产品种类固定，专业化程度高，生产周期时间短，作业内容单一，管理简单。这一生产方式缺点如下：生产线柔性弱，适应的产品种类少，需求数量或生产计划有变化时的适应性差；由于工序多，较难实现生产线的总体平衡，降低了生产线工序效率；工人作业单调，紧张且易疲劳。

当今，企业面临着客户多元化、订单少、批量小［5］、成本低、质量高、交货快速等的挑战。特别是对于HMI产品这类以装配为主的生产行业，生产线工序效率成为影响客户满意度的关键，装配线的平衡与否直接影响到装配线的工序效率和生产成本［5］。

以某公司HMI产品的生产线为研究对象，运用工业工程的方法对生产线的运行情况和工序平衡性进行分析，以单元化生产模式对生产线布局进行改善，以提高生产线的平衡率。

2 单元生产方式

单元生产方式采用U形或L形的车间生产线布置，由训练有素的多面手作业员使用简易设备进行加工，特别是组装生产，是一种以员工为中心的生产组织方法。单元生产方式是旨在追求生产与运营的战略柔性，实现低成本、变产量和变品种的生产方式，主要应用于离散型制造中的组装型制造业。

单元生产方式有三种主要类型：一人完成型、多人循环型和成组单元型。

一人完成型单元生产线中，一位作业员操作一条单独的生产线，优点是生产线平衡率为100%，缺点是对操作人员的技能要求高，设备投资高。

多人循环型单元生产线中，作业员都是从头做到尾，可见与一人完成型不同的是，多人循环型是多人共用一条生产线，优点是有利于设备的共用，缺点是对操作人员技能要求高，且熟练度最低的员工会成为生产移动的瓶颈。

成组单元型单元生产线中，多人共用一条生产线，按照工艺方法和员工技能将生产线分割成多个单元，每个员工负责生产线的某几个作业，优点是有利于应对生产量的变化，缺点是会产生一定的不均衡损失，需要平衡操作人员之间的生产效率［6］。

流水线式生产方式和单元化生产方式的特点有所不同，两者布局比较见表1。

表1 流水线和单元化生产方式布局比较

3 HMI产品生产线现状

3.1 生产流程现状

HMI产品结构基本类似，如图1所示。前盖外装有触摸屏和保护膜，前盖内装有垫圈，后面装有液晶显示屏（LCD），LCD后贴泡棉用于阻挡灰尘并减振，LCD和印制电路板成品（PCBA）通过扁平电缆连接，部分HMI产品在PCBA上设有支撑架件，用于稳定结构，PCBA装在后盖上，各结构件之间通过卡口或者连接进行固定。

分析HMI产品生产线的生产工序，列出每个工序的主要作业内容，并通过秒表计时法确定各工序的标准作业时间［7］，得到HMI产品生产工序流程，见表2。

现有的HMI产品生产线布局为一字形流水线，如图2所示。

▲图1 HMI产品结构

表2 HMI产品生产工序流程

▲图2 HMI产品生产线布局

物流方向从左向右，前4个工位为手工装配。5～8工位为测试工位，配备半自动设备。9～11工位为手工包装。员工操作时面对传送带，一字排开站立操作。物流架放置在传送带对面，一般为三层，物料分别放置在物料盒中。需要用到的螺丝刀等工具挂在传送带上方。图3所示为HMI产品生产线现场局部图片。

计算工序平衡率H：

式中：n为生产线的工序数量；Ti为工序i的作业时间；T为周期时间，是整个生产工序中作业时间最长的工序的作业时间。

▲图3 HMI产品生产线现场局部图片

由表1可知，整个生产线的总作业时间为505 s，共有11道工序，瓶颈工序是功能测试1，作业时间为65 s，计算工序平衡率：

3.2 问题分析

作业等待是造成生产线不平衡的主要原因［9］。作业等待指在生产线不同工序之间作业时间不一致，导致速度快的工序必须等待速度慢的工序。例如第一工序前盖安装工序需要42 s，第二工序触摸屏安装工序需要55 s，之间相差13 s，说明两道工序间有13 s的作业等待。

工艺的局限性和过细的工序划分，导致装配工序间很难保持平衡。由于追求较短的周期时间，生产线设计成一字流水线，并划分成11道工序。而由于工艺流程的局限性，有些作业又必须在一个工作步骤里完成，例如触摸屏安装工序，作业内容和步骤较多，导致其成为装配的瓶颈工序。

为满足较短的周期时间，测试工序中将测试步骤拆分到不同的设备上，在缩短单台设备作业时间的同时，使不同设备间的作业时间产生了不平衡。例如完成高压测试的全部测试项目，设备的周期作业时间加上搬运、装夹、装密封圈、卸下产品等人工作业，时间为82 s。为了匹配其它装配步骤，人为将测试项目拆分到两台设备上，每台设备完成部分测试项目，结果是高压测试1的周期时间为38 s，高压测试2的周期时间为44 s，同样拆分功能测试时间为65 s和45 s。虽然拆分后的单台设备作业时间可以满足产能需求，但这样的拆分使最短的作业时间（38 s）和最长的设备作业时间（65 s）之间产生了27 s的差距，加大了生产线的不平衡率。此外，将测试程序拆分到两台设备后，增加了装夹和传输等非增值作业，导致了额外的作业。

4 运用单元化布局进行改善

4.1 手工装配作业单元改善

一字形流水线物流路线较长，拿取放下等作业次数较多，增加了非增值作业次数，因此，运用单元化布局进行改善。

计算生产线的节拍时间。节拍时间Tt指在一定时间长度内总有效生产时间Ta与客户需求数量D的比值，是客户需求一件产品的市场需求时间。

HMI产品的月需求量D为16 490台，设定工厂正常的工作时间为每月21天，每天工作时间为7.5 h，每月可用工作时间 Ta=21×7.5×3 600=567 000 s，代入式（2），得 Tt=567 000/16 490=34.39 s/台。

分析装配过程发现，有些工序包含了多个独立的工作内容，如前盖安装可拆分为装LCD和贴泡棉，触摸屏安装可拆分为安装触摸屏和贴保护膜。将不可拆分的作业作为一个作业工序，重新划分HMI产品生产工序流程，如图4所示，图4中用○表示装配工序，用□表示测试和检查工序。

计算周期时间。周期时间指产品从投料至产出的全部时间［8］，周期时间必须小于Tt。将18个作业工序的动作更进一步划分为60个作业动作。运用秒表测量、模特排时法等方法，对各个动作进行评估操作时间。基于各个动作，结合HMI产品生产工序流程图，绘制生产流程优先图，如图5所示。图5中○中的数字表示动作要素，每个动作要素旁边是该要素的作业时间，采用启发式方法对工作地进行划分，具体步骤如下：

（1）对工序绘制生产流程优先图；

（2）分配工作地1，初始工作地可分配时间为节拍时间；

（3）找到最先未分配作业，选择一个作业划分进待分配工作地；

（4）计算工作地剩余时间，等于原工作地剩余时间减去该作业时间；

（5）如工作地剩余时间够继续分配，重复步骤（2）～（3）；

（6）如工作地剩余时间不够作业时间分配，则该工作地作业分配完成，进入下一个工作地作业分配；

（7）重复步骤（2）～（6），直至所有作业元素都分配完成。

对HMI产品生产线工作地重新进行划分，表3列出了部分HMI产品生产线工作地。

根据工作地分配表，装配单元采用了成组单元型单元生产线的设计方案。对生产线工序进行平衡合并，提高生产线的精益水平［9］，具体安排如下：① 生产线整体采取U形布局，物流为逆时针走向；② 将原来的七个手工装配包装作业工序合并为三个大的作业单元；③每个大作业单元由三个子作业单元构成U形单元，作业人员在单元内移动距离为一步以内。