基于单元生产的设备布局改善*

钱 骏 周炳海

（同济大学 机械与能源工程学院 上海201904）

随着科技的不断发展，市场需求多样化，产品更新换代的速度越来越快，致使对企业多品种、小批量、产品交付期短的要求越来越严峻。在这种环境下，企业必须通过技术改进，优化生产模式，提升生产效率，柔性化生产，降低生产成本，以及以最短的生产周期满足客户需求，才能够在变幻莫测的市场环境中站稳脚步，获得市场竞争力。

精益生产（Lean Production）是一种以客户需求为拉动，不断降低生产成本，做到零废品、零库存和产品品种多样化，它的特点是强调客户对时间和价值的要求，以科学合理的制造体系为客户带来增值的生产活动，缩短生产周期，从而提高企业适应市场巨变的能力[1]。

单元生产（Cell Production）是精益化生产中最重要的一个模块，它是当下最先进、最有效的生产线组合方式之一。这种在一条生产线或一个机器设备单元内，由单元的操作工生产多种品种或零部件的组织方式，真正实现了多品种、小批量的柔性生产需求[2]。

T公司是一家专业从事空压机核心零件研发与加工的民营企业。近年来随着空压机产品的技术不断升级，市场需求不断增加，致使空压机规格由当初的几种，演变为现在几十种。在产品品种越来越多，需求变化越来越快的情况下，仍采用传统的大批量生产模式，难以满足市场的需求。本文以T公司转子零件的加工流程作为研究对象，应用单元生产理论，流程分析技术等IE理念对该加工流程进行分析和改进，使加工过程中的各种资源得到充分利用，优化设备布局，调整人员作业方式，提升生产效率，最终实现快速交付的目的。

1 转子加工的现状分析

1.1 转子加工流程

根据转子的工艺流程图分析，转子的加工过程主要分为半精车、铣齿形、精车、车中心孔、铣键槽、精磨外圆、磨削转子齿形、去毛刺、动平衡试验以及抽样检验，共计10个步骤。该10个加工步骤分别由车削班组、滚削班组、磨削班组和卧加班组四个班组完成。产品毛坯图及成品图如图1所示。

图1 转子产品加工示意图

通过空压机转子的加工设备布局图进行分析，如图2所示。

从该布局图可以看出转子的大致加工工艺流程，为了更好的了解转子加工过程，在布局图上标识了工序顺序。采用秒表法对各工序的加工时间进行标准工时测定并汇总，结合加工设备，员工数量，班次等信息，编制加工工序表，如表1所示。

图2 转子加工设备布局图及工艺路径（改善前）

同时对单台设备各工序的在制品数量持续跟踪并进行记录，如表2所示。

表1 转子加工工序表

表2 转子在制品数量设计

1.2 问题分析

对目前加工设备的布局情况，整体生产计划等进行全面分析，发现有以下浪费：

1）工序间在制品数量

单台设备的平均在制品数量有50余件，整个转子加工过程有在制品数量约2400件，加工周期达到了13000多分钟（三班作业，约9天）。每个工序的单台设备上都有30至60件在制品库存，例如车中心孔工序，达到50多件在制品，等待时间达到2250分钟，相当于1.5天的库存等待。精车，铣键槽，精磨外圆的库存等待时间也达到1天左右，直接导致整个转子加工过程生产周期过长。过多的在制品数量，使得质量问题不能被及时发现，造成批量零件加工问题，最终无法有效控制加工过程以及成本浪费。

2） 过多或过早的加工零件

为了保证设备利用率最高，必须减少产品切换带来的损失，所以加工过程采用大批量的生产方式，不按照订单生产，产生了过早或过多的生产，应考虑适当缩小加工过程中的半成品数量。

3） 过长的周转距离

为了便于管理，加工设备的布局方式采用设备功能性划分，使得转子零件从第一道工序至最后一道工序，需要在整个车间内频繁周转。通过计算，一个零件从第一台设备到最后一台设备总的周转距离达到300多米，极大地浪费人力，浪费时间。可以考虑从设备布局改进的角度，减少零件的周转距离。

4） 生产过程不平衡

通过计算整个加工过程的平衡率为 76.8%。每台设备的加工时间不同，并且上下游之间联系较少，通过大量半成品库存的等待，加工过程的不平衡，造成加工设备孤岛效应，产生员工怠工，散漫等现象，直接影响员工工作的积极性[6]。

5） 人员利用率低

除了需要人员全程操作的车中心孔，去毛刺/动平衡试验工位以外，其余设备人员的作业时间仅占总作业时间的20%左右，换而言之，除作业人员抓夹零件之外，基本处于等待状态。例如精车工位，装卸零件时间5分钟，设备加工时间25分钟，人员等待达20分钟，利用率仅占20%。

造成上述浪费的主要原因有：

1） 采用按照设备功能性布局

工厂自1980年成立，从最初的寥寥几台设备到现在90多台设备，在设备增加的过程中，为了便于管理，采用传统的管理理念——按照设备功能性排布，形成了现有的磨削班组、滚削班组、车削班组以及卧加班组。而转子加工所需的设备恰恰分布在车削班组，滚削班组，磨削班组和卧加班组4个班组。使得零件加工过程在这个四个班组之间来回周转，造成了周转距离过长。

2） 以设备利用率为第一优先

对于公司来说，车间内每台设备都是花很多资金买来的，在正常情况下，需要设备尽可能地达到100%的运转。在这种模式下，宁可物料等机器，订单等机器，也不可出现机器等待的情况，导致每台设备单个规格零件需要大批量加工，并且需要有充足的半成品，以实现设备不间断的加工，这也直接导致了零件的过早或过多加工，半成品数量积压和零件的生产周期过长的现象。

3） 转子周转框设计为30件/框

由于车间内使用的周转箱采用的是30件/框，为了最大限度的节约周转次数，周转人员都要等框子装满了再进行周转。因此造成上下工序之间等待零件的时间过长，同时也使过程中半成品积压，整个加工过程没有办法流畅起来。

4） 缺少多能工以及传统的单人单台操作模式

由于加工车间中每台设备都具有较高的价值，并且车间内多能工非常少，多能工培养制度不完善，为了防止出现人为的操作失误，导致设备停机或损坏，安排单人单台操作，导致人员闲置时间较多。

5） 上下工序信息传递不及时

工序与工序之间通过纸质的卡片进行传递，当本工序完工一框零件后，将卡片放置在周转箱上，流转至下一工序。各工序间设置了大量的半成品库存，使得看起来信息传递并无太大问题，但是大量的半成品库存是由于工序间信息无法及时传递，形成单个工序“孤岛”效应所致，并且大量的半成品库存掩盖了此种问题。

2 设计生产单元改善现状

通过上述分析之后，结合单元生产模式的知识，设计实现减少半成品数量，提高员工利用率，加快零件周转效率，缩短加工周期的改进方案：

1） 构建转子生产单元

结合转子的加工工序，每道工序相对应的设备与上下道工序相对应的设备相连接，形成转子加工设备流水线。根据现有转子工序的加工时间，合理安排设备数量。由于每个工序之间的时间无法达到完全相等的情况，所以构建的生产单元为了尽可能的实现加工平衡，不造成断料或停产的现象，将转子加工生产单元分为两部分，单元1包括半精车（数控车床1台），铣齿（数控铣床2台），精车（数控车床2台）工序；单元2包括车中心孔（普车2台），铣键槽（立式加工中心1台），精磨外圆（数控外圆磨床2台），磨削转子齿形（KAPP磨床1台）工序。单元1的节拍时间为17.5分钟/件，单元2的节拍时间为25分钟/件，单元1与单元2的节拍比为7：10，接近于3：4,根据实际的设备数量，构建4个单元1，以及3个单元2，组成转子生产单元。

2） 1人操作多台设备

现有的单人单台操作，人员利用率低，并且人员等待时间多。通过前期数据的分析，利用人机作业分析图[4]的方法，对转子生产单元中人员的作业方式进行调整，除了非全自动加工设备，在员工技能范围内，步行距离最小的前提下，其他设备采用1人操作多台设备的方式，具体安排如下：半精车工序仍为1人1台设备，铣齿形和精车工序分别为1人操作2台设备，车中心孔为1人操作1台设备，铣键槽/磨削转子齿形合并为1人操作2台设备，精磨外圆采用1人操作2台设备。

3） 皮带式周转

在单元1和单元2内部，采用皮带式传送，每个工序完工一件就放置在皮带机上，通过皮带机传送到下一个工序。考虑到工序间并不是完全平衡的节拍，在每台设备上设置2件在制品库存作为缓冲。

4） 拉动式生产，单元间设置半成品超市

结合信息化系统，在单元的每个节点出设置电子看板，同时在单元1和单元2之间设置一个小型缓冲超市，该超市设定为30件（以5件/框为一个单位）。当零件库存减少时，向单元2下达生产信号，再由单元 2向超市下达需求信号，AGV小车将 1框5根转子传递到单元2第一台设备，同时将生产信号下达至单元1的电子看板上，即单元1需要再生产5根转子以满足超市中缺少的数量。单元1最后一道工序每完成1框5根转子，呼叫AGV小车将周转框输送到超市暂放区。

5） 车间管理模式的改进

现有的生产管理模式以设备功能性为基础划分，每个班组仅考虑自身加工部分完成情况，形成各自为营的状态，使得整个生产过程在制品积压，加工不流畅，工段长消极工作的现象。现按照产品的生产单元规划管理范围，即以完成的一个产品流程为管理内容，类似于流水线，能够充分发挥工段长的积极性，最终提升加工效率。

6） 制定多能工制度

通过制定多能工制度，定期开展多能工培训及储备工作，能够保障人员流失不影响生产，并且为1人多台设备加工做好充足的准备。

根据上述设计的改善方案进行调整，调整后从多角度进行评估方案。

首先利用人机作业图，分析现有人员作业效率，如表3所示。

按照新的加工设备布局方案，绘制出调整后的设备布局图，如图3所示。

表3 人机作业图（改善后）

图3 转子生产单元布局图(改善后)

3 改善效果评价

通过改善，原加工设备需要的人员数量为117人，减少到改进后的75人，生产平衡率从76.8%提高到89.05%，零件加工需要周转的距离由490米降低到60米，人员利用率由21.55%提高到35.05%，在制品数量由2400件降低到108件，零件加工周期由9天降低到9小时，最终列出如下转子加工改善前后的对比表，如表4所示。

从表4中我们发现，通过改善，零件的在制品数量，加工周期得到了明显的改善，整个加工过程基本实现了单件流，实现了加工更加流程，快速交付的目的。

表4 转子加工改善前和改善后的比较

4 结语

通过对机加工车间设备布局的改善，我们可以发现单元生产模式在机加工车间的布局优化，加工流程改善，提升零件加工效率等方面具有明显的改善效果。本文使用的改善方法实用，不需要投入太多资金的前提下，可以实现产品的快速交付，控制半成品数量，最终达到企业生产能力大大提高的目的。