基于物料供应紧张下的SMT波峰工艺柔性生产体制构筑

吴绍明，李 伊

（松下万宝美健生活电器（广州）有限公司，广州 511495）

0 引言

随着电商日益深入到人们生活的方方面面，中国家电企业要想发展，越来越离不开对电商的规划。而电商渠道产生的需求和传统销售途径有着非常大的差别，尤其在一些电商商战期会产生井喷式的非预测性需求增长，随后又回归到正常的理性消费。

目前某司SMT 波峰工艺在面对波动需求时缺乏有效的应对手段，导致短缺频发，极大影响了公司的正常生产。另一方面，在卖方市场的环境下，电子物料的供应愈发紧张，电子物料优先供给3C产品、智能装备等需求量大的行业，对于小家电行业的供应则置于靠后的位置。这种情况更加剧SMT波峰工艺存在的问题。

因此，如何在物料供应紧张的情况下解决SMT 波峰工艺的生产，确保整个工程的连贯顺畅成了亟需解决的问题。对于生产系统的改造方法，像线平衡研究有各种算法，比如Jackson算法、分枝定界算法、启发式算法、遗传算法、随机算法等[1]。例如精益生产方式[2-3]，也有相当多的研究成果。

本文将基于需求的不确定和物料供应紧张的环境下，结合IE及精益思想等相关理论，探讨SMT波峰工艺的生产应对策略，以期解决目前状况下生产短缺问题。

1 物料供应被动对生产线的影响

物料供应被动时，物料不能按计划日期到达，在物料恢复正常供应后会出现数量和种类的激增，如图1所示。

图1 物料延迟到货对生产的影响

数量和种类的激增考验的是生产线的两种满足度：一是数量的满足度—瞬发力；二是种类的满足度—柔性。

所谓数量满足度，就是生产线的小时产能能力能够满足后工程需求的程度，考验的是物料恢复正常供应后产能的攀升速度，即瞬发力。而种类满足度，就是生产线在单元时段内满足后工程对不同型号需求的满足度，即柔性。

本文将从瞬发力和柔性两方面的强化探讨如何构建能够在物料供应紧张情况下满足后工程需求的生产体制。

2 系统实现过程

本章节及后续章节中的数据由于涉及相关的信息安全规定，对部分数据进行了处理，但不会影响研究的过程和结论。

2.1 现状调查

（1）工艺简介

本文所研究的SMT 波峰工艺，其工艺流程为：自动插件—点胶—元件贴装—硬化—波峰工艺—半成品—ICT—FCT。波峰工艺的对象工程分为3段，分别为手工插件段、波峰炉段以及修正段。

手工插件段的作用是通过手工作业，将部品插入到规定的位置，改善前采用的是流水线接力作业；波峰炉段是将手工插件段产生半成品进行上锡，固定部品的位置和实现电子部品间的电路连接；修正段是对经过波峰炉焊接后的有瑕疵半成品（例如短路、开路等）进行人工修正以达到品质要求。

（2）现状及改善目标

该工程现状采用双班制生产，共计21人，制造L/T约为2天，因部品到货和自身工程问题等原因造成的停产问题最多可达4次/月。

改善目标：制造L/T 压缩至公司整体运行标准的2 h 内；强化工程能力，快速应对部品供应问题，实现“0”停产；优化人员配备，减少对人员依赖。

2.2 系统实现1-瞬发力强化

2.2.1 线平衡优化

瞬发力增强的关键在于强化生产线的产能，以达到数量上的满足后工程需求，因此首先进行线平衡改善。

对现状情况进行作业测定后，抽取工时耗用大型号并计算平衡率。现状平衡率仅有77%，平衡损失高达23%，属于线平衡差[4]的情况，各工位间的工时差异较大，各岗位间的等待明显，浪费损失大，改善空间较大。

（1）改善方策1

对于单一的型号，通过线平衡改善和IE手段的运用，可以将线平衡提高至90%，较大地削减工程间的浪费。为了能满足需求小范围的波动而不影响生产线的产出，设置平衡方案时预留了约10%的波动对应能力，但和产品的实际需求波动情况相比还是相差甚远。

为了能适应各型号需求的大幅度变化，每型号按照以往的需求偏差设置至少3套的平衡对应方案（高、中、低），对于一条生产线来说，型号的切换可能会带来人员数量和工作内容的较大变动。结合当前一条生产线对应28 种型号的生产，上述的人员调动和工作内容变动对生产线实绩操作而言是非常难管理的。

对于本工程，其基本动作都是将部品插入到相应的基板孔上，部分部品会有极性的区分，最多部品型号需插入13个部品，属于相对简单的作业，因此考虑实施单元作业。

（2）改善方策2

对于需求不稳定而工序相对简单的工序，单元生产的快速对应能力会比流水线式生产更为合适。主要是在同等条件下，变量减少，系统更加稳定，波动的对应能力增强。两者的差别如表1所示。

表1 流水线作业和单元作业对应波动的比较

2.2.2 单元化改造

（1）标准容器确定

标准容器对于工作台的设计以及后续的物料补充配送都至关重要，因此首先进行标准容器的确定。

根据现有的物料包装形态、现场现有的容器以及小时产量等信息，选定3种标准物料盒，如表2所示，并确定每种物料的标准容量。

表2 标准料盒信息

对现有物料按照尺寸划分大、中、小和其他4 类，分别使用3种标准料盒和专用包装进行存放和确定标准放置数量。

（2）作业台的设计与布局

工作台在设计时结合下记的影响因素如下。

①本设计方案的单元格作业指一人完工式的作业，因此在设计工作台时既要符合单一产品的生产动作需求，同时又要兼容所有型号的物料摆放要求。因此在设计工作台时应充分地参考人因工程学中的人体作业范围[5]以及各型号的物料摆放要求。

②由于工艺上的特点，所有完成品均需进入波峰炉进行焊接，为了减少在库和加快物料的周转速度，需要设置传动带将各单元格的完成品传送至波峰炉设备，所以在设计时需要考虑工作台和传送带的配合。

③方便后期的配送要求（便于配送和回收）。

基于上述的3点考虑，设置了3层的物料放置层并设计成可调节距离的样式，确保在型号切换后不会因为部品数量的变化而导致增加不必要的动作浪费。另外也设置了物料的补充和退料机构，方便外部的配送，图纸如图2所示。

图2 单元工作台

（3）建立定时不定量的后补充式配送体制

进行单元作业后，各单元格内对物料的需求相较流水线生产会更为复杂和频繁。为了避免错误的使用物料和提升有效作业的比例，需要建立一种后补充的配送体制。

对于后补充式的物料配送，有定时不定量和定量不定时两种主流方式。

定时不定量即确定好配送的间隔周期，到达规定的配送周期后，按照生产线的实际需求进行配送，配送的量为配送周期内生产线的消耗量。配送的时间间隔是一定的，但是配送的量是不确定的[6]。

定量不定时则是规定每次配送量的大小，当生产线的消耗量达到规定的量时，触发配送的信号，配送人员将规定的配送量送达生产线。配送的量是确定的，但配送的时间是不确定的。

因考虑到各单元格之间的作业速度差异和配送区间内各工程节拍间的差异，触发配送的时点会差异较大，如果使用定量不定时的配送方式，会造成配送人员多次走动、工作量不均衡等问题，因此选择定时不定量的方式进行配送。

根据距离物流仓库的来回路程需耗时约15 min，备齐所需物料耗时25～40 min，将物料分派到指定岗位和接收需求耗时约15 min，预留15 min 的缓冲时间，因此将配送的间隔时间设定为2 h/次。配送示意如图3 所示，物和信息保持同步传递。

图3 配送示意图

（4）单元改造效果

通过上述改善步骤的实施，与原始状态对比，在等待削减等方面都得到了很大的改善，小时产能提升了13%。

2.2.3 设备能力改善

在目前的生产能力下，为了满足后工程的需求，该工程需要增加单元格进行对应，但受限于车间长度，因此在主线旁边增设了一条副线用于弥补整体产能的差异。

但副线增加后，经常出现设备堵塞导致线体停顿的问题。要确保生产的顺畅，设备必须满足以下条件：设备的搬运速度大于半成品增加的速度，因为涉及到传送带速度和作业速度两个不能直观比较的量，因此采用eM-Plant[7-8]按照现有的条件对生产过程进行仿真，生产模型及仿真结果如图4所示。

从仿真结果看，目前的设备搬运速度小于半成品的增加速度，导致在设备的入口产生堆积，单元格作业人员无法及时将完成品通过流水线转移，导致生产暂停。

针对设备能力不足提出了几个解决思路并进行了验证，如表3所示。从可行性和回收期两方面比较，选定增加设备来提高设备能力以满足商品增长的需求。

图4 生产模型及仿真结果

表3 方案可行性分析

设备导入后，手插线从双班制改为单班制，并削减4 名辅助的作业人员。取消夜班后的人员流失率相较改善前下降了70%，生产的稳定性也得到了一定的提高。

2.3 系统实现2-柔性改善

通过瞬发力强化的各项对策的实施，产量的满足度-瞬发力得到了解决。下面将讨论种类的满足度——柔性的改善。

对于柔性的满足，主要是要增加阶段时间内的型号种类，可以从以下两个方面进行考虑。

（1）方向A：增加切换的次数——以较高频率切换以增加型号的种类。

（2）方向B：多型号同时生产——以较低单——型号小时产出以增加型号种类。

从以下3方面进行比较。

（1）部品依赖：因为同时生产可以减少共用部品（即多个型号都会用到的部品）的消耗，避免因批量要求而将部品耗用导致下一型号无法生产，因此该项目上方向A更优。

（2）后工程满足：后工程采用的是多型号同时独立生产的方式，单型号生产批量小，方向B 的小批量多型号以及产出更符合后工程的要求，因此方向B相对更好。

（3）实施难度：因为增加切换频率（快速切换，SMED）已有较多的成熟改善经验，实施的难度应该相对较低。但对于本工程，因为已经进行了单元化改造，各作业员间相互独立，另外基于本工程在不同型号只在手插段具有差异化，在波峰炉段和修正段是一致的，因此方向B 在实施难度的整体改善难度会有所下降。

综上，对多型号同时生产以增加柔性进行论述。

不同产品的工艺和对员工的技能要求并无太大区别，其主要区别在于产品的尺寸。大尺寸型号，由于规格较大，部品较多，为避免因为重力和热力的影响而产生基板下弯变形，需要使用过炉治具搭载基板提供足够的支撑力，避免基板的变形。而对于尺寸小的型号，则直接通过导轨经过波峰炉设备，两种分类的过炉方式如图5所示。

图5 不同规格型号过炉图示

不同尺寸的基板进行过炉时会要求不同的导轨宽度，而基板的外形尺寸是根据产品的功能和外形结构设计的，很难做到统一，这也是不同产品间不能同时产生的主要原因。

要实现多型号同时生产，导轨的宽度就必须一致，基板的尺寸或者治具的尺寸也要一致。而基板的尺寸是很难进行统一的，因此把重点放在过炉治具规格的统一上。

对过炉治具的要求在于能保证支撑力，使得基板不产生弯曲，同时不能妨碍部品的焊接效果，而对治具的规格没有限定。因缺乏制作标准，故现状治具规格种类多，导致无法同时生产，为此需要首先制定治具规格的标准。

图6 改善前后的切换流程对比

参照现状的治具和基板的规格，确定两个标准尺寸（宽度）：大规格250 mm，普通规格170 mm，然后对治具进行改造。

对治具规格实施统一后，规格数从改善前的17个下降为2个。治具规格的一致，可使用相同的导轨宽度，型号间可实施混载生产。

另外，切换的过程也发生了变化，切换的总时间减少，人员和设备的稼动情况也得到了改善，如图6所示。

不同型号的炉温曲线存在差异，通过工艺技术手段进行优化，炉温曲线要求得到了统一。

通过上述对策的实施，作业人员间以及作业人员和设备间相互独立，生产切换可根据生产实际情况进行快速调配，对于不同产量型号的生产调配更加灵活，如图7所示。

图7 混载后生产的灵活对应

通过瞬发力和柔性增强措施的施行，人均时产能提升了17%，月切换总时间减少了85%，制造L/T从4 h下降为0.5 h。

3 省人工化推进

3.1 现状与改善方向

经过改造，原有的工程在多方面都得到了较大的改善，但存在一个明显的问题，对人的依赖性较高。目前整个行业内都存在招工难和人工成本不断上升的问题，如何替换人力需求是一道必须解决的课题。

目前的整个工艺中，对人力需求和依赖最大的是部品加工（通过使用治具将部品尺寸或形状加工至图纸规定的要求，以便于后续工程的使用）和部品插入（均属于手插段工序）。

针对这两个工序的自动化，目前行业较成熟的方案是异型插件机，其作用是代替人工完成部分部品的前期尺寸和形状加工，随后进行部品插入。对于异型插件机替代人工的方式对比如表4所示。

表4 设备替代人工方式对比

从对比分析可以确认，人机协调方案在部品供应紧张的情况下，其可实施性和兼容性会更好，下面将以A 型号为例针对如何进行人机协调进行论述。

图8 A型号部品示意图

表5 按照部品进行初步作业分配

3.2 人机协调作业

Step1：按照设备的部品兼容性进行初步作业分配

Step2：人机作业分析

式中：n 为作业员可操作的设备数量；L 为人机共同作业时间；M为设备单独作业时间；W为人工单独作业时间。

因设备为全自动设备，在正常操作过程中无人机共同作业，因此L=0。

从计算结果可知，作业员可同时对应两台设备的生产。此时的作业分配如表6所示。

表6 人机作业分析后的作业分配表

Step3：作业顺序调整

因作业场地的限制，设备必须连续布置，因此并行设备作业并不合适，需进行设备间的串行作业分配，同时考虑部品的干涉问题。

表7 串行作业分配

Step4：人机作业内容再分配

经过步骤3 调整后的作业，人机之间存在人等待机器作业的情况，影响作业效率，人机间的平衡率约为74%。故需对作业内容再进行分配调整以削减等待时间。

表8 再分配后的人机作业内容

上述单人双机主要是针对部品相对较多的型号，对于部品较少的型号，使用单人单机配合。

人机配合主要使用在生产产量高、作业难度大的型号。而保留的单元格，用于生产批量少、种类多的品种，如图9所示。

图9 人机配合+单元生产

通过上述的改善，减少了6 名人员的投入，效率上提升了66%，错漏插率降低了80%，年节省金额百万余元。

通过一系列的改善，对象工程在QCD等方面都得到了较大的提高，具体的改善汇总及效果如图10所示。

图10 改善汇总表

4 结束语

对于生产线的改造，介绍了如何以环形上升的方式，结合瓶颈改善—线平衡改善—单元制造—混合生产—自动化等方法进行改造，重点强化生产线的生产能力和柔性对应两方面的能力，最终建立一个相对完善的整体生产系统。

本文以构筑一套相对完善的生产系统进行着眼而非单点的改造，涵盖了生产改善的多方面内容，对于制造系统的改造具有一定的参考价值。