精益生产车间生产线布局（活塞生产线布局）

作者：赵旭东

随着科学技术的发展与经济全球化，企业要想在日益激烈的国际竞争与经济恶化的世界环境中立于不败之地，必须适应快速变化的市场，以最小的运营成本产生最大的效益，这就要求企业必须在先进生产方式理念指导下尽快探索适合自己的新生产方式，精益生产方式应时而生，成为当前特别是汽车行业生产方式探索与实践的主流方向。活塞生产因工艺与设备的复杂性，其生产方式也呈现出复杂性的特点，因此以精益生产为目标的活塞生产线布局问题也变得复杂而重要。

精益生产是以准时化生产（JIT）技术、成组技术（GT）和全面质量管理（TQM）为基础，杜绝浪费、减小库存、保持物流的顺畅，以实现生产和管理过程的精简高效的目标。根据精益生产的要求，生产线的布局应当遵循以下原则：

（1）物流原则：在物流设计方面，生产线的物流路线应尽量短，物流强度应尽量小，以减少搬运负荷。设备应按照实际工艺路线和生产流程排布成线，形成”一个流”的生产方式；有物料交换的设备应相互靠近，以减少物料移动距离；

（2）紧凑原则：应充分利用厂房面积，缩短物料运输距离，生产线应保持较小的设备间距，便于工人操作；

（3）特殊的位置要求：满足特殊设备的摆放位置，辅助设备按照功能需求形成单元进行布局，并预留一定的备用空间以加强布局设计的柔性；

（4）共用原则：对于价格昂贵或占地面积较大的设备，应考虑多生产单元共用。

对以精益生产理念运行的活塞生产线，也应该在遵循以上原则的基础上进行重新布局，但同时也应考虑活塞生产线本身复杂多变的特点，形成真正适合本企业特色的生产方式，才能真正达到既定的精益生产目标。

某典型活塞生产加工工艺流程见表1。

与工艺流程相对应的活塞生产线设备布局如图1所示，其中精加工区生产线在车间内的占用面积为29.97m(L)×4.87m(W)=145.973m2。

依照精益生产理念对该生产线布局进行分析，其存在的问题如下：

1.粗加工区的物流呈单向性。活塞如果具有油孔的加工特征，粗加工则需要两名操作者；如果没有该加工特征，活塞的物流长度达6m，由一名操作者操作三台设备时，每加工一只活塞需要走12m的路程，操作者劳动强度较大。

2.精加工区设备布局虽然比较整齐，而且相对的每两台设备组成一个加工单元，且物流路线单向流转。但由于工序离散性大，工序节拍严重失衡，造成瓶颈工序前大量地在制品积压、物流的严重不畅，而加工时间短的工序设备、人员的冗余严重。

3.由于设备是两两相对放置，造成加工单元之间相互闭塞，开放性差。因为加工空间彼此干涉，操作者无法打破原来的单元组成新的单元，不利于精益生产中提到的弹性作业人数少人化的实现，在不同的生产大纲下仍然需要采用“定员制”生产。

4.依照模块化设计思想设计的新型多功能活塞加工设备很难布置到原生产线布局中，不利于企业的技术、管理改进和创新。

基于活塞生产线在新加工设备以及新生产方式下存在着诸多无法解决的问题，需要对现有工艺流程进行重新组合，对设备进行重新布局，才能适应新生产方式的需求。

1.活塞加工工艺流程的重组

针对活塞生产线存在的问题，借助成组技术对活塞加工特征进行分解，分解为通用加工特征与特殊加工特征；利用工序平衡理论进行活塞生产工艺流程重组，重组后工艺流程如表2所示。

2.活塞生产线设备布局优化重组

根据生产线的工艺流程重组，灵活应用可重组生产线理论，将活塞加工设备分类为通用特征加工设备与特殊特征加工设备。参照设备尺寸形状、物流路线等进行生产线布局优化重组，创新性提出局部可重组方案：通用特征加工设备相对固定地布局在生产线上，预留出特殊特征加工设备的空间，根据活塞是否具有特殊加工特征而灵活地在生产线上进行局部重组。这样，既保证了生产线的柔性，又保证了精益生产对设备布局本身的要求。具体重组方案如下：

（1）针对粗加工区在活塞没有特殊加工特征时物流路线太长，工人空行程等同于物流长度的现状.将粗加工钻油孔设备预留区调整到精加工车间，粗加工三台设备采用紧凑的单元化布局方式（U型），由一人操作三台机床如图2所示。

采用图2的布局方式，物流路线减少至5m，而且由于活塞进口与出口在同一位置，消除了工人的空行程，工人的行走路线等同于物流路线，从而减少了工人的劳动强度和辅助劳动时间，间接增加了产量，提高了生产效率。

（2）对精加工区，受设备数量多、活塞的加工特征变化多、物流路线不同、生产线变化复杂、生产车间总体规划等因素的影响，生产线的布局优化重组也呈现出复杂性。

工艺流程与设备重组后的活塞生产线机床尺寸数据如表3所示，其中Pn表示固定设备，LPn表示可重组的特殊加工特征设备。

由于活塞在生产线上按照工艺流程做单向流动，因此一般只在相邻的上下工序加工设备之间存在物流关联，而且是由上工序设备单方向流向下工序设备。当不存在特殊加工特性时，则直接流向再下一工序；当存在并联的两台同工序设备时，则该工序的每台设备同上、下工序间的物流关联度（或物流强度）是单台串联设备物流关联度的1/2。

由于活塞生产线存在着多台并联的同工序加工设备，因此无法按精益生产中提到的U型方式进行设备布局，本文依照产品布局为主、综合考虑生产单元的混合式布局原则，采用了一种类似于U型生产线的方式--双列直排式布局方式。

根据前面精益生产方式下的生产线布局原则，活塞生产线最优布局的约束条件为：各活塞加工机床按双列（Y向）直线式排列；固定设备在X方向的最小间距为800mm，预留可重组设备空间，可重组设备之间及其与固定设备之间最小间距500mm；相对两机床及同工序并联的两设备在Y方向上几何中心点的X值尽量小；全线长不能超过30m，宽不能超过5m。经与山东大学合作，应用相关软件综合运行求解，结合企业与生产线实际情况，最后确定生产线布局安排如图3所示。

优化后活塞生产线占用面积为117.798m2，比优化前的145.973m2减少了28.175m2。同时，由于物流主要在X长度方向上单向流动，生产线长度由布局优化前的29.87m减小到优化后的22.38m；物流总长度也随之由57.15m减小到31.48m，减少了25.69m；因为设备间距最小化及多工序的合并，工人的行走距离从人均6.97m/只减小至5.13m/只。从而实现了总物流搬运最小化的设计目标。

同时，由于设备的重新选择和布局的重组，减少了操作工人的需用数量。当所生产的活塞具有所有的特殊加工特征而且生产计划充足时，操作人员由原来的10人减少至7人。除粗加工操作人员的物流搬运长度由优化前的3.7m/只（两人操作）增加到5m/只略有增加外，精加工区操作者的人均物流搬运长度由优化前的7.14m/只减小至5.25m/只，人均物流搬运强度（长度）也到了显著优化。

另外，重组后的生产线由于采用了预留特殊特征加工设备位置的局部可重组方式，当活塞不具有某一或某几项特殊加工特征或生产量有所变化时，生产线可以打破原来封闭式的单元化生产方式，组成新的生产单元而不会造成操作者之间操作空间的相互干涉，可以较容易地实现精益生产所倡导的“少人化”弹性作业方式。对比图4与3可以看出，在仅有通用加工特征时精加工区可由6人减少到4人甚至3人，而每位操作工人所承担的物流长度又不会过长（4人时6.62m/只，3人时8.83m/只）。

精益生产方式具有系统化的特点，仅通过先进生产技术或某一方面的改进是不可能实现的，必须综合考虑生产系统的各个方面进行系统性、创新性的研究与实践，才可能取得先进生产方式的探索成功。篇幅所限，精益生产中涉及的管理等方面的研究实践在以后文章中再详细论述。