孫廣合

（1 中國鐵道科學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[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，工作單元中應包括總裝工位、預裝工位、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（預裝?總裝）；預裝時關(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裝工作臺之間，將壓裝機置于預裝工作臺的另一側(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，將氣控閥預裝和總裝所需的零部件分別放在對應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致的錯裝和漏裝。

預裝工作臺對應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)采集層和上層服務應用層。底層通過PLC 和DPS 電子標簽、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。上層通過服務應用軟件， 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)品裝配時間學習曲線計算等功能，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)過程浪費嚴重，生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過程透明度低等問題。

圖7 網(wǎng)絡物理環(huán)境圖

圖8 氣控閥裝配單元功能實現(xiàn)