车身生产线节拍提升方法及应用

叶德昭

关键词：车身;节拍;瓶颈;生产效率;制造成本

0 引言

随着我国汽车市场竞争的日益激烈，车型的种类越来越丰富，汽车更新迭代的速度也越来越快。在汽车的整个生命周期当中，为了快速满足市场的需求及迅速占领市场，一些汽车制造企业挖掘现有生产线潜力，期望用最少的成本投入和最短的时间实现产能的最大化。[1] 对于流水生产线而言，节拍是衡量生产线生产能力的指标之一，研究生产线节拍提升，对降低制造成本、增强企业竞争力具有重要意义。

在汽车制造的四大工艺中，车身生产系统相比涂装和总装生产系统来说刚性更强，车身生产线一般由发动机舱、前车体、侧围、地板、顶盖等焊接分总成线及合拼主焊生产线组成，制造工艺复杂，设备多，车型切换频繁，生产效率相对较低。本文介绍如何减少瓶颈工位的周期时间，提高设备开动率，平衡生产线，实现生产线的产能提升。

1 生产节拍影响要素分析及提升措施

1.1 节拍计算方法

要分析生产节拍的影响要素，首先了解以下几个时间术语。

（1）理论单件工时，简称TT，指生产线理论生产一件产品所用的时间。

TT= 有效工作时间（s）/ 客户需求（台）

其中，有效工作时间是指每班次上班时间减去休息及吃饭的时间。

（2）实际单件工时，简称ATT，指生产线实际生产一件产品所用的时间。

ATT= 目标效率（%）×TT（s）

目标效率=100% -系统损耗

系统损耗包含设备停线、物料短缺、质量问题、工具/ 模具更换和有计划的停线（包括固有的质量检查、设备点检等）。

（3）周期时间，简称CT，指某工位完成一个作业循环所用的时间。每个工位的CT 要求都要小于ATT，但是又要尽量与ATT 接近，目的是使人力、设备等各種资源获得充分的利用。

（4）节拍，简称JPH，指单位时间产量，是衡量产能的重要指标。

生产节拍= 每天的计划产量/ 每天的生产时间以车身生产线为例，每天计划台量为293 台，每天工作8 h，除去吃饭、休息时间后实际有效操作时间为7.16 h ：JPH=293/7.16=41 台/h

TT=3 600 s/41 台/h=88 s

目标效率设定为90%，则

ATT=88 s×90%=79 s/ 台

生产线节拍满足要求必须达到以下2 个条件：

所有工位周期时间≤ ATT 时间

生产效率≥目标效率

1.2 车身生产节拍的影响要素及提升措施

从车身制造工艺角度出发，车身生产线节拍受以下几个方面影响：生产线设计、设备能力、物料和人员操作。因此，提升节拍需对这4 个方面因素进行分析及采取措施。

1.2.1 生产线设计

生产线的节拍能力是由生产线前期设计决定的，如果设计没有达到要求，后期调试改造会增加投资及工期。一般生产线设计时需关注下面几方面。

（1）输送方式。生产线的输送方式决定零部件的输送时间、效率及工位的有效作业时间，是拆分工序及确定工位数量的依据。行业中合拼主线的输送方式一般有往复杆、辊床滑橇和随行夹具输送;侧围输送方式有空中小车、地面AGV和人工输送。

（2）工位时序和工位数量的确定和焊点分解。工艺设计部门根据产品结构、工艺路线及生产线布局设计焊接工艺[2]，一般遵循以下原则。

①点焊按照平均每个焊点3 s 进行综合测算，焊点分布尽量避免干涉和等待。

②零件拾取、装配及夹具动作时间可根据现场经验设定。

③单工位的有效工作时间与输送时间总和不得大于工位的作业时间。

（3）缓冲区设定。为了避免由于单个工位故障造成整条生产线停线，在关键工位及每条线体之间增加相应的缓冲区，可以有效降低生产线局部故障对整条生产线的影响[3]。因此，侧围与主线、顶盖与总拼之间就要设置缓冲区。

（4）仿真验证：仿真模拟，以验证厂房结构及工艺规划的可行性，检查是否存在干涉。

1.2.2 设备能力

设备的生产能力可由其开动率来衡量，设备的稳定性和可靠性是设备综合性能的重要体现，是生产连续的保证。相同的工序作业内容，由不同型号的设备完成可能会导致生产品质和数量的差异[4]。因此，如果由于设备不良且处理措施不当，这种情况可能会导致整条生产线停线，从而影响生产效率。

设备开动率通过以下几个方面进行提升。

（1）优化设备参数。如在保证焊接质量前提下优化焊接时间和预压时间，可以提高焊接的速度。

（2）程序逻辑。如优化机器人焊接轨迹，缩小干涉区，消除机器人之间的等待，优化夹具开关逻辑等。

（3）设备安装质量。生产线安装调试阶段严格按照安装标准执行并进行检查。

（4）设备选型，设备尽可能选择稳定性好的，如感应开关选择抗磁性开关，避免焊接过程中出现信号闪断。

（5）建立PM 维护计划，设备预维修。

（6）建立暗灯系统，让员工更快地寻求帮助，减少停线，为问题分析提供数据基础。

1.2.3 物料

物料配送不及时、物料摆放位置不合理以及物料零部件品质等，都会造成停线，增加内部损耗，可以通过以下几个方面进行提升。

（1）物流规划应结合工艺布置、生产节拍综合考虑，大致应遵循以下原则。

①缓冲区域大小应满足基本库存要求，一般不少于2 h 消耗量。

②仓储区域应设置在车间的物流门及厂区物流通道附近。

③考虑物流配送效率与节约场地，一般主焊线之间物流通道宽度设置在3 m 左右。

④生产线所有装件工位需预留物流通道和配送空间，提高配送效率。

⑤物料包装要考虑尽可能多的装件数，减少物料配送频次及切换频次。

⑥线旁物料摆放位置要方便员工取料，减少员工步行。

（2）要保证零部件品质需做到以下几点。

①过程控制，如增加防错装置，有效预防和控制质量问题。

②质量反馈/ 前馈，有效抑制质量问题。

③提高零部件合格率。

1.2.4 操作

不同作业人员因为技能水平、工作经验及个人身体素质的差异，完成同样作业内容所需要的时间也会有差异，可以通过以下几个方面进行提升。

（1）建立标准化作业。

（2）改善工位人机工程。

（3）增加节拍指示器，提醒员工在节拍时间内完成工作内容。

（4）调整同一工位内、不同工位间的焊接顺序，在保证定位精度的前提下消除重复的焊接动作，将焊点转移到节拍时间比较富余的工位[5]。

2 节拍分析方法

在汽车生产线上，制约产能的工位成为瓶颈工位。生产节拍分析的目的是寻找制约整个生产线的瓶颈工位，甚至寻找到制约每个工位的瓶颈工序[4]。下面简单说明节拍分析方法流程。

2.1 数据收集

生产期间记录每一个工位的空位时间、满位时间、停线时间及频次和生产台量，通过对照工艺时序测量每个工位的工序时间，数据要求准确、详细。

2.2 数据分析

绘制出工位有效工作时间、空位、满位和停线时间图表;计算工位单机效率（SAA）、单机产能（SAT）、平均故障周期以及平均故障修复时间。其中，单机产能是指仅衡量由于内部原因造成停线影响的前提下，生产线能够输出最大生产台量的能力。

SAT= 线速节拍×SAA

线速节拍=3 600/CT

SAA= 有效生产时间/（有效生产时间+ 停线时间））×100%

2.3 辨识瓶颈

可以通过以下几种办法来识别瓶颈。

（1）使用产量计算寻找瓶颈。在一个大区域内比较各个小区域/ 线的净消耗时间和生产节拍，实际JPH 是生产台量除以实际工作时间，在实际JPH 最少的区域或生产线最可能是瓶颈。

（2）使用缓冲区域寻找瓶颈。统计生产线之间的缓冲数量，缓冲区的下游是空的或者接近空;上游是满的或者接近满，那么该区域就是瓶颈区域。

（3）使用满位和空位寻找瓶颈。观察空位和满位，前面的工位经常会堵塞，后面的工位经常出现等待空位，那么这个工位就是瓶颈。

（4）计算SAT 寻找瓶颈，SAT 最小的工位是瓶颈。

2.4 瓶颈分析

对瓶颈工位进行分析，查找验证影响节拍的工序，方法有以下3类。

（1）时序分析：确定工位工艺内容，对比设计节拍时序图查到差异点，运用排除、组合、重拍和简化四个原则对生产过程进行优化。

（2）操作分析：对某部分的作业内容分析操作者的作业方法和机器设备的关系，通过改进操作者作业方法，降低作业时间，提高设备利用率[6]。

（3）动作分析：对每一个操作动作进行分析，删除其无效动作，提高生产效率。

2.5 制定措施

制定长期有效措施，并做好跟踪验证，保留相关记录，并做好相关能力验证。

2.6 跟踪指标

制定图表跟踪节拍，图表包含4 个数据：终线节拍、瓶颈工位SAT、瓶颈工位实际节拍和毛节拍。如果4 根曲线的趋势是一致的，说明瓶颈工位找对;如果持续上升，说明提升措施有效。

3 实际案例应用

下面是某汽車厂某车身线节拍提升案例。某产品市场需求加大，需要迅速提升产能，要求节拍从41 JPH 提升至45 JPH。

3.1 现状分析

计算节拍达到45JPH 的运行数据

TT=3 600 s/45 台=80 s/ 台

目标效率设定为90%，则

ATT=80 s×90%=72 s/ 台

达到45 JPH 需要满足2 个条件：一是工位周期时间≤ 72 s ;二是效率≥ 90%。通过计算车间各工艺段各工位SAT，运用SAT来找瓶颈工位。如图1 所示，红色方框内的工位SAT 相对较低，要提高产能需对这几个瓶颈工位进行节拍提升。

3.2 瓶颈工位分析及制定提升措施

（1）针对图1 所示的UB10、UB40、UB70、UB80、MB30、侧围20 和30 等瓶颈工位，其主要问题为工位周期时间未达72 s要求。通过对比工艺时序图，发现主要存在以下问题。

①机器人等待位远导致放件时间长。

③机器人程序干涉区设置过大，机器人之间存在等待浪费。

③抓手多余翻转动作造成取件时间长。

针对以上问题，可采取措施如下。

①机器人等待位优化到拼台附近。

②缩小机器人干涉区、更改焊接顺序。

③优化机器人多余翻转动作。实施完后工位CT 时间从76 s降至71 s。

（2）MB30 工位主要问题：主夹具开关夹步骤过多，时间长。通过对比MB30 主夹具开关夹时序，工位关夹和开夹逻辑步骤复杂，共6 步，夹紧9 s，打开8 s，占工位CT 的22.70%，对工位CT 的影响过大。

针对以上问题，可采取如下措施：把没有逻辑顺序关系及相互不影响的步骤合并，开夹步骤由6 步合并成4 步，措施实施后CT 时间减少2s。

（3）工位生产效率低，通过统计数据分析，UB60、UB70和MB60工位抓手故障率高，导致工位SAA低，使工位SAT偏低。

通过调查发现，抓手运行过程中存在以下问题。

①确料架上定位零件的定位销直径过大，导致抓手抓件时零件容易卡死。

②抓手上零件检测开关位置选择翻边、曲面等作为检测面，开关信号经常检测不到。

③抓手定位工装与抓手的配合设计不合理，抓手在定位工装上不能有效定位（图2）。当换枪盘脱离时，抓手由于重力作用会往后倾斜，导致换枪盘位置变动，机器人再去取抓手时发生碰撞。

④抓手定位的销子为菱形销，与工装定位铜套接触面积小，导致铜套磨损较快，抓手定位产生偏差。针对上述问题可采取如下措施。

①将料框上零件定位销直径做成比定位孔小1 mm，保证抓手零件的定位销导向部分能够微调零件位置。

②选用产品零件有尺寸控制要求的平面作为检测面，检测开关要求垂直检测面。

③增加抓手Y 向夹紧和Z 向支撑，加大支撑面，Z 向支撑由单滚轮改为双滚轮（图3），避免抓手在换枪盘脱离后往后倒的趋势。

④将抓手定位的菱形销改为圆销。措施实施完成后，抓手故障率从0.90% 降至0.03% 以内。

3.3 总结

通过运用节拍提升分析方法及采取措施，生产线工序时间全部降到72 s 以下，生产效率提升到92% 以上，保证了生产线节拍45 JPH 的输出。由此证实了本文对节拍提升研究及应用，在实际生产中能发挥非常重要的作用，也有助于同类状况生产线的借鉴及为未来生产线建设提供经验。

4 结束语

本文对生产线节拍影响要素的理论进行了研究分析，详细介绍了节拍提升的分析方法及相应的提升措施。同时结合实际案例说明汽车白车身焊装生产线节拍的提升流程，总结应用经验，为提升车身生产线实际节拍提供解决思路和方法，促进了整个工厂生产效率和效益的提高，降低企业制造成本。