孫廣合

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

科學(xué)技術(shù)的進步和市場需求的變化推動了新一輪產(chǎn)業(yè)變革，也導(dǎo)致了企業(yè)生產(chǎn)方式的變化。第三次工業(yè)革命后，生產(chǎn)方式開始由大規(guī)模批量生產(chǎn)逐漸向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。

生產(chǎn)方式的變化催生出了精益生產(chǎn)[1]、計算機集成制造、柔性制造、敏捷制造等生產(chǎn)模式，這些生產(chǎn)模式已經(jīng)在企業(yè)得到了廣泛推廣和應(yīng)用?；诔山M技術(shù)的單元化生產(chǎn)模式是精益生產(chǎn)體系中的一種，適用于生產(chǎn)產(chǎn)品工藝相對簡單、具有多品種小批量生產(chǎn)特性的產(chǎn)品[2]。單元化生產(chǎn)模式最初是由日本專家山田日登志為改善豐田生產(chǎn)模式而提出的。單元化生產(chǎn)的實質(zhì)是將完成相同或相似產(chǎn)品所需要的設(shè)備和人員組成獨立的生產(chǎn)單元，并完成相對完整的一系列作業(yè)工作。小組內(nèi)人員和設(shè)備相互協(xié)同作業(yè)，共同完成生產(chǎn)任務(wù)[3]。因此單元化生產(chǎn)具備了可重構(gòu)和柔性高的特點。

隨著中國軌道交通產(chǎn)品的快速及多樣化發(fā)展，列車制動系統(tǒng)氣控閥也逐步呈現(xiàn)多品種小批量的生產(chǎn)特性。氣控閥具有種類多、工藝階段相對簡單、生產(chǎn)批量波動較大等特征。目前所采用的生產(chǎn)模式和布局方式，難以適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)環(huán)境并且已經(jīng)成為制約企業(yè)產(chǎn)能提升的關(guān)鍵瓶頸。所以企業(yè)迫切地需要通過改變生產(chǎn)方式來提高生產(chǎn)效率，進而滿足多樣化的市場需求對生產(chǎn)系統(tǒng)提出的柔性、效率和質(zhì)量等方面的要求。

綜上所述，為滿足多樣化市場需求，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)生產(chǎn)組織模式和生產(chǎn)現(xiàn)狀，在對列車氣控閥產(chǎn)品族進行成組分析的基礎(chǔ)上，基于單元化生產(chǎn)模式，融合相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)，以組裝工位為規(guī)劃設(shè)計核心，利用部分已有生產(chǎn)設(shè)備（如壓機和檢測設(shè)備），設(shè)計了一種相對通用化且面向氣控閥裝配過程的工作單元，并開發(fā)了相應(yīng)的管控系統(tǒng)[5]，從而提高生產(chǎn)柔性，提升生產(chǎn)過程透明化程度和生產(chǎn)能力。

1 現(xiàn)狀分析

制動系統(tǒng)氣控閥類產(chǎn)品當(dāng)前采取工藝布局原則及批量裝配批量轉(zhuǎn)運的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)過程中存在著大量的浪費，通過現(xiàn)場調(diào)研，從7 大浪費（搬運的浪費、加工的浪費、動作的浪費、不良品浪費、等待的浪費、過度生產(chǎn)的浪費和庫存的浪費）的角度對生產(chǎn)過程中存在的浪費進行分析，分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 生產(chǎn)浪費比例

通過統(tǒng)計分析可知搬運浪費是生產(chǎn)過程中占比最大的浪費。由于生產(chǎn)車間采用工藝原則進行布局，不同工藝區(qū)域之間距離較遠，作業(yè)人員在完成一個批次產(chǎn)品裝配的過程中需要在不同工藝區(qū)域之間頻繁搬運，造成搬運浪費。此外，由于氣控閥種類較多，各產(chǎn)品工藝、物料各異，在裝配過程中需要頻繁翻閱紙質(zhì)指導(dǎo)書，容易產(chǎn)生錯誤。因此，企業(yè)需要改善生產(chǎn)方式，改變作業(yè)布局和開發(fā)管控系統(tǒng)。

2 工作單元規(guī)劃與建模

2.1 單元化生產(chǎn)適用性分析

單元化生產(chǎn)主要具有以下特點:①適用于多品種小批量的顧客需求；②適用于高附加值產(chǎn)品領(lǐng)域；③適用于人工成本高的生產(chǎn)環(huán)境；④適用于設(shè)備成本不高的生產(chǎn)現(xiàn)場；⑤不適合尺寸太大或者太重的產(chǎn)品。

而氣控閥產(chǎn)品的生產(chǎn)過程具有以下特點:①多品種小批量的生產(chǎn)需求；②高鐵制動系統(tǒng)氣控閥產(chǎn)品具有較高的附加值；③氣控閥產(chǎn)品生產(chǎn)裝配所需要的設(shè)備的成本不高；④高鐵氣控閥產(chǎn)品的尺寸都比較小，質(zhì)量適宜，產(chǎn)品工藝相對簡單。因此，氣控閥產(chǎn)品較為適合采用單元化生產(chǎn)方式來組織生產(chǎn)。

2.2 產(chǎn)品工藝成組分析

通過宏觀地分析產(chǎn)品產(chǎn)能需求以及工藝復(fù)雜度等角度，選擇7 種典型的氣控閥為研究對象。氣控閥產(chǎn)品的典型工藝有組裝、涂膠、壓裝、擰緊和測試等。由于測試需要專業(yè)設(shè)備，成本較高，不適合在每個工作單元配備一個，故規(guī)劃設(shè)計的工作單元中無測試設(shè)備。所以，工作單元中應(yīng)包括總裝工位、預(yù)裝工位、涂膠機、壓裝機和線邊移動物料架。

2.3 單元布局規(guī)劃

精益工作單元布局圖如圖2 所示，生產(chǎn)單元總體呈U 形。單元整體布局主要考慮了氣控閥產(chǎn)品的裝配作業(yè)順序（預(yù)裝?總裝）；預(yù)裝時關(guān)鍵工序有涂膠和壓裝，總裝時主要工藝是涂膠，因此將涂膠機置于總裝工作臺和預(yù)裝工作臺之間，將壓裝機置于預(yù)裝工作臺的另一側(cè)。作業(yè)人員沿著單元外側(cè)對工作單元進行補料，而后通過成品轉(zhuǎn)運車將成品轉(zhuǎn)運至測試區(qū)域。

圖2 單元布局示意圖

工作單元如此布局可以使作業(yè)人員的作業(yè)更為流暢、減少動作幅度和減少零部件的搬運距離，并提高了空間利用率。

2.4 料位規(guī)劃

根據(jù)氣控閥產(chǎn)品的零部件的體積和質(zhì)量進行分組，將體積、質(zhì)量都相對較大的主裝配體置于輕型料架上。其次，根據(jù)氣控閥的裝配工藝，將氣控閥預(yù)裝和總裝所需的零部件分別放在對應(yīng)的線邊移動式電子料架上。

線邊移動式電子料架上的儲位分配遵循的原則主要有工藝順序、物料的使用頻率、物料的功能、物料的大小、物料的質(zhì)量、消耗的數(shù)量等。如此不但可以加快員工的作業(yè)速度，減少作業(yè)時間，還可以減少員工因為裝配工藝不熟練而導(dǎo)致的錯裝和漏裝。

預(yù)裝工作臺對應(yīng)的電子料架的料盒配置如圖3?4所示。工作臺物料架上有2 種料盒，分別是小型料盒和中型料盒。工作臺物料架主要由3 層構(gòu)成，上面兩層均放置12 個小型料盒，下面一層放置5 個中型料盒和6 個小型料盒。

圖3 預(yù)裝工作臺電子料架料盒布置圖

圖4 總裝工作臺電子料架料盒布置圖

以K 閥為例，詳細描述工作臺電子料架的料盒分配如表1 所示。K 閥主要由4 部分組成，分別是ZY 活塞組成、下閥體組成、TZ 活塞組成和上閥體組成?？傃b工作臺對應(yīng)的電子料架的料盒配置如圖4 所示。工作臺物料架上有2 種料盒，分別是小型料盒和中型料盒。工作臺物料架主要由3 層構(gòu)成，下面兩層分別放置8 個中型料盒，上面一層放置10 個小型料盒。料盒布置如圖4所示。

2.5 工作單元三維建模

工作單元的三維模型如圖5 所示，工作單元由總裝工作臺、預(yù)裝工作臺、線邊移動式電子料架、成品轉(zhuǎn)運車、壓裝機、自動涂膠機、輕型料架等組成。在物料補充方面，工作臺電子料架料盒分配表如表1 所示；在作業(yè)單元功能結(jié)構(gòu)方面，工作單元各組成部分的構(gòu)成和功能如表2 所示。

3 裝配作業(yè)管控系統(tǒng)開發(fā)

裝配作業(yè)管控系統(tǒng)模型， 如圖6 所示。單元裝配作業(yè)管控系統(tǒng)向上接收SAP/APS 下達的BOM 信息和派工單信息，同時單元裝配作業(yè)管控系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中可以向SAP/APS 反饋生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備等信息。

圖5 工作單元三維模型

表1 工作臺電子料架料盒分配表

表2 工作單元組成

圖6 系統(tǒng)功能劃分

裝配作業(yè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)物理環(huán)境如圖7 所示，單元裝配作業(yè)管控系統(tǒng)分為兩層，分別是底層數(shù)據(jù)采集層和上層服務(wù)應(yīng)用層。底層通過PLC 和DPS 電子標(biāo)簽、掃碼槍等實現(xiàn)涵蓋的數(shù)字量、模擬量和智能傳感器的數(shù)據(jù)采集。上層通過服務(wù)應(yīng)用軟件， 實現(xiàn)了企業(yè)終端或看板等的工作需求。

閥類裝配單元功能實現(xiàn)如圖8 所示，裝配單元分為預(yù)裝、總裝和補料3 種工位。在工藝方面，每個工位配備了可視化電子工藝系統(tǒng)，在實時采集裝配數(shù)據(jù)，在布局方面，單元內(nèi)部集成了涂膠機和壓力機等設(shè)備，減少搬運距離；在物料管理方面，通過工位貨架上的電子標(biāo)簽對補料和生產(chǎn)揀料過程進行提示和約束，減少作業(yè)員出錯的可能；在生產(chǎn)管理方面，系統(tǒng)支持工時統(tǒng)計、ANDON 呼叫、產(chǎn)品裝配時間學(xué)習(xí)曲線計算等功能，提升生產(chǎn)單元的透明化程度和管理水平。

4 結(jié)束語

為了應(yīng)對多品種小批量的市場需求，在對氣控閥生產(chǎn)過程中所存在的浪費進行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了數(shù)字化精益工作單元，并開發(fā)了相應(yīng)的裝配作業(yè)管控系統(tǒng)，解決了企業(yè)存在的生產(chǎn)過程浪費嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過程透明度低等問題。

圖7 網(wǎng)絡(luò)物理環(huán)境圖

圖8 氣控閥裝配單元功能實現(xiàn)