车身生产线节拍提升方法及应用

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  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。
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