航空工业机加产品单元型生产方式设计流程研究

焦志强 郑 朔昉 徐云天

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

航空工业机加产品单元型生产方式设计流程研究

焦志强 郑 朔昉 徐云天

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

以航空工业多品种小批量的机加型产品为研究对象，提出构建单元型生产方式的必要条件。分析产品订单数量和工艺路线，以设备、人员、物料为核心要素，依据精益生产理论提出生产单元的设计流程，描述流程中各活动的主要内容和要求。提出生产单元运行管控机制构建要求，发挥设备效率，合理规划布局，实施柔性化和弹性化生产。

机加产品；精益制造；单元型方式；流程

随着外部形势的快速发展，航空工业的生产方式发生了较大变化。企业必须能够迅速响应市场多样化和不确定的需求，快速提供满足顾客需求的产品，在这种形势下，多品种小批量成为航空工业的主要生产模式。为了适应多品种小批量的生产特点，准时、保质、保量和以最小化的成本制造满足顾客需求的产品，单元型生产方式应运而生。

单元型生产方式起源于日本，当前已经成为先进生产方式的代表之一[1]。单元型生产方式在国内也称作“细胞生产方式”或“生产单元”，其工作原理就是针对多品种、小批量的产品特点，通过产品家族化形成批量效应，按照生产节拍实现人员、设备、物料的连续、流动和均衡生产。单元型生产方式兼顾了单件生产的高弹性和大批量生产的高效率等优点，规避了单件生产效率低和大批量生产刚性大等缺点，满足当前多品种、小批量、个性化、短周期、产品更新换代快的市场需求[2]。

虽然已经有许多专著论述了生产单元的建立和改善方法，但对其设计流程方面的深入讨论较少。本文以机加型产品为分析对象，以设备、人员、物料为核心要素，讨论机加型生产单元的设计流程，以及流程实施和运行过程的要点。

1 建立生产单元的必要条件

生产方式需要根据产品特点及其相应生产条件确定。例如针对产品需求数量大，工序时间与生产节拍偏差小的产品可以采用流水线型生产方式；对于需求数量极少的产品可以采用功能型生产方式；对于多品种小批量的机加产品可以采用单元型生产方式，但还需在筹建生产单元之前进一步分析，确定产品具备以下条件：

产品的构形和制造状态稳定，有明确稳定的产量需求；

产品具有较好的工艺基础，制造工艺相对稳定，具备测算作业时间的条件；

产品总产量与单元的建设周期、资金投入等相比具有较高收益。

拟建设生产单元的企业还需要具有一定的精益生产基础，能够理解和使用精益工具和方法，如价值流分析、标准作业指导书、可视化管理、生产配送等，具备一定的信息化条件。

生产单元的设计和实施是一项涉及企业方方面面的系统工程，在生产单元建设之前，必须要进行产品产量、技术、条件、工艺水平、预期效益等分析工作，充分论证后进行决策，切忌盲目投入，造成时间和资源的浪费。在建设过程中，要切实做好生产计划、工艺管理、现场保障等方面的数据搜集和分析，以此为基础按照流程逐步设计实施，不能将重点放在设备搬迁上。生产单元建成投入使用后，初期一般均会出现配送不到位、质量和保障等问题，甚至会可能会发生生产效率比原生产方式更低的情况，但坚持对暴露的问题进行持续改进，最终生产效率必将提升。

2 机加产品生产单元的设计流程

面向机加型产品的生产单元需要针对多批种小批量的特点，应用工艺成组化技术，选取具有典型工艺路线并具有一定产量的产品为典型零件，按照客户需求设定生产节拍，进行生产线平衡，设计单元布局方案，开展模拟、安装调试后正式运行，并持续优化改进。本文给出了生产单元设计和实施流程图，共12个主要流程步骤，其中步骤1～10为生产单元设计流程，步骤11、12为生产单元运行流程，详见图1。

图1 生产单元设计和实施流程图

3 生产单元设计流程描述和要求

3.1 生产规划分析

设计生产单元之前应开展生产规划分析，依据企业战略发展规划，调研产品未来发展和市场需求，分析当前产品市场占有率、人力资源、工艺路线等条件，结合生产计划、客户要求的生产周期和成本投入等情况，综合考虑周期和成本等因素，作为是否开展生产单元的依据。

3.2 组建多功能团队

确定开展生产单元建设后，应成立涵盖多专业的、跨部门的多功能团队，团队成员包含相关工厂/车间的领导和一线操作工，以及生产计划、设备设施、工装工具、工艺管理、技术改造、产品测量、质量、信息化和精益管理等专业人员。多功能团队负责单元建设全流程的数据搜集分析、方案设计、模拟和安装调试等工作，同时制定项目计划、经费预算，进行项目管理、里程碑评审，协调与单元建设相关的企业内外部协作单位。

3.3 选取典型零件

生产单元首先应选择典型零件作为生产对象，这也是多品种小批量的机加型产品生产单元设计特点之一。即运用工艺成组化技术将种类众多的零件按其相似性分成种类不多的零件家族，按零件家族组进行管理，从而获得大批量的经济效益。在工艺成组化的基础上，首先选取工艺具有典型代表性、产量需求较大的零件作为生产单元的产品对象，后续逐步扩大零件选取范围，将工艺复杂、产量较小的零件尽可能的纳入生产单元。

选取典型零件之前应利用工艺成组化技术进行产品分族分类，产品家族划分的方法主要包括：视检法、零件相似性分类法和编码分类法等。通过对产品家族开展“P-Q-R分析”（产品—数量—工艺路线分析）[4]，梳理零件型号、年产量、工艺路线、加工设备等信息，按照产量从大到小依次排列产品型号，并按工艺顺序填写工序号及所需使用的设备名称，对使用相同设备的产品型号进行组合分类，从产量最大的分类中选择工序最长的一类零件型号作为典型零件。

3.4 分析生产现状

确定生产单元的产品对象后，应开展产品对象的生产数据和信息收集分析工作，如绘制当前价值流图，统计零件的工序时间、换型时间、工艺技术信息，统计设备使用率和平均故障时间、物流情况、在制品数量、产品一次交检合格率等，收集生产所需的设备和人员信息。

上述数据中，准确典型零件工序时间是后续进行生产线平衡，保证生产单元按照节拍连续流动生产的关键数据。工序时间的收集可以采用现场秒表计时法、按照制造指令（FO）编制标准资料表法、动作分析MOD法[5]，以及通过操作工和工厂/车间填报统计等。为有效控制样本数量并获得准确数据，可采用多种方法相结合，辅助以数控设备开关机时间自动统计等手段，逐步精确工序时间。

3.5 设定单元目标

依据生产数据收集和分析结果，结合产品未来市场前景和客户需求，确定生产单元的项目目标，制定工作计划，确定里程碑节点，落实责任单位和责任人，使项目处于可控状态。项目目标应具有合理性、可操作性并可量化表征，以便作为生产单元验收投产的主要考核指标。例如可以包括生产能力（满负荷运转时的最大产量）、准时交付率、产品一次交检合格率、单元中在制品的数量等。

3.6 平衡生产线

平衡生产线是生产单元设计流程中的重要环节，其主要目的是通过分析生产数据和信息，对工艺路线的瓶颈工序/工位进行优化，实现按照生产节拍的连续流动和拉动生产。平衡生产线首先应按照公式（1）确定生产节拍。

其中单位时间可以根据客户需求按照日、周、月、年等时间段计算，有效工作时间应留有一定裕度，如每天计划工作时间为8h，应减去设备清扫整洁、操作工中间休息等时间，一般取7h～7.5h为宜。此外，生产节拍在一定时间内是不变的，但长期看是伴随着客户需求和市场形势不断变化的，因此应定期追踪客户需求，不断优化调整生产节拍。

确定生产节拍之后，与各工序时间比较，按照下述两种情况确定瓶颈工序/工位：

a）与生产节拍相比超出时间最长的工序为瓶颈工序；

b）当某个工位/设备需要完成多道工序时，按公式（2）计算负荷率，超出100%时则该工位/设备的工序也为瓶颈工序：

式中：

Cr—负荷率；t —该工位/设备生产某型零件的单件工序时间（包括单件换型时间和单件加工时间）；Q —该工位/设备每日生产某型零件总数；m —每日该工位/设备生产的零件型号总数；P —每日可用总工时（每日每班设备可用工时×每日班数）。

确定瓶颈工序的目的是对其进行优化，使其工序时间与节拍基本保持一致，因此瓶颈工序应首先选择与节拍差异最大，负荷率最高的工序/工位进行优化。优化过程以采用工艺优化的方法，例如工艺ECRS（消除、合并、重排、简化）法[6]，也可以采用增加操作工班次、提高操作工技能水平、通过快速换型等减少生产准备时间等方法。

优化瓶颈工序是一个持续的过程，当某个瓶颈工序经过优化满足生产节拍要求后，就会有新的工序成为瓶颈，需要持续优化直至所有工序时间均衡且接近生产节拍。此外工艺优化的最终目标是生产单元整体效率最优，而不是个别工序的效率最优。例如为提高部分工序加工效率，可选用数控机床，因此造成在数控机床上生产的工序过多，反而成为瓶颈；相反将部分工序移植到常规加工设备，减少数控机床占用率，虽然单个工序效率降低，但瓶颈工序被缓解，达到系统效率最优。

在生产线平衡过程中，工序或工位/设备的优化还可以通过增加设备数量或更换为效率更高的设备解决，当然这种优化方法成本投入较高，因此需要精确计算设备所需台数和型号。设备数量可以按照公式（2）所得的数值取整数计算，设备型号以充分发挥设备功能且满足工艺要求为主。在此环节中需要注意的要点是，设备的数量和型号既要满足当前产品产量和未来产品发展的需求，还需要权衡成本和投入。例如为了提高加工效率，可以选择数控设备或者加工中心，但如果数控设备或加工中心的使用率和功能没有得到充分发挥，反而增加了使用和维护成本，降低了整体效益；反之普通加工机床购置费用较低，在同样的资金投入下，可以购置多台设备进行不同工序的操作，从而充分发挥设备功能，并且普通机床的维护保养成本较低，可以进一步提高生产线整体效益。

生产线的产出速度取决于瓶颈工序的速度，因此生产线平衡过程中需要按照上述方法持续确定瓶颈工序/工位（设备）并进行优化，最终实现每一工序/工位（设备）时间满足生产节拍要求，能够通过生产节拍产生流动和拉动效果，最终达到生产线的平衡。

3.7 设计单元布局

生产线达到平衡后应开展生产单元布局设计，首先按照公式（3）计算生产线平衡率，为单元布局形式提供输入和依据。

式中：

S —瓶颈工序时间；R —总工序数量；∑ti—所有工序时间总和。

如果生产线平衡率ε≥80%，生产单元的设备布局与产品典型工艺路线一致，按照工艺路线先后顺序布局设备即可；如果生产线平衡率ε＜80%，则需要收集各设备之间的物料运输次数和距离等信息，并按照以下原则设计至少两种以上布局方案，讨论后选择综合效果最优方案：

a）设备间物料运输次数越多的设备排列越近；

b）单元的原材料入口和成品出口尽量一致；

c）单元布局形状采用逆时针顺序，宜设成“L”型、“U”型等，避免采用孤岛式、鸟笼式布局；

d）单元内产品加工路径应尽量避免回流和交叉路径的物流，使用频率最高的计量站和检验点宜设在中间位置，单元的最终工序设备宜设在检验点附近；

e）多个单元共用设备应摆放在各单元之间。

单元布局方案由于关注点不同，可以有多种布局方案，通常以物料运输距离最短为选取主要依据，还可以参考计算机辅助布局设计结果[7]，综合考虑工艺技术、材料消耗、工人工时、设备使用、工装工具等成本因素，择优选取最佳布局方案。

生产单元布局方案确定后，需要进一步开展厂房及配套设施方案设计，主要包括主生产区域、工装设备区域、物料配送放置区域的改造，确定各工位所需的检测设备、风水电气等辅助设备以及电缆布线和连接方式等，进行风险、安全、环境、职业健康评估等。

3.8 设计标准作业

为了保障生产单元的稳定运行，还需要设计标准化作业。包括确定操作工人数，即生产单元各工位上操作工数量配置；确定“标准作业顺序”，即操作工生产时必须遵循的工艺顺序；确定每道工序的“标准在制品”，即实现生产单元连续流动生产所必须的最少在制品数量。

操作工人数应统计手工作业时间，在公式（4）计算所得结果基础上，综合考虑设备摆放空间、工位设置情况和厂房客观条件等综合确定。操作工人数不是一成不变的，单元型生产方式鼓励一人多机和一人多能，应持续关注操作工的作业时间，根据实际工作负荷适当调整。操作工人数=∑工序手工作业时间/生产节拍 （4）

标准作业顺序可以通过编制标准作业图和标准作业指导书实现。标准作业图主要表示生产单元的整体信息，一般包括设备布局、操作工人数及分布、各操作工作业时间、瓶颈工序/工位时间、生产单元实际生产能力和班产数据、安全和质量检查的工序标识等。标准作业指导书主要标识关键工序的操作要点和质量控制要点，用图片或简图的方式详细描述作业过程，给出保证作业效率和产品质量的方法技巧等。

标准在制品数量一般要求越少越好，最好是单件流。但针对多品种小批量的产品特点，特别是单元内不可能所有工序时间都与生产节拍一致，因此重点是控制瓶颈工序的在制品数量，在瓶颈工序上尽力推行单件流，其他工序可以适当放松控制。

3.9 生产单元模拟

生产单元标准作业设计完成后，应对单元布局以及工艺路线、物流和设备摆放等情况进行模拟验证。模拟可以采用Plant Simulation仿真模拟[8]、制作草图和沙盘微缩模拟，以及用牛皮纸、木材、泡沫板等制作全尺寸模型实物模拟等方式。在模拟过程中至少要包含以下内容：

a）设备搬迁流程；

b）产品及其部件（可以用废品代替）加工流程；

c）物料配送流程；

d）在线测量或质量检测流程；

e）工具、设备、夹具和固定装置摆放位置；f）生产单元配套设备设施位置等。

3.10 搬迁和安装调试

模拟工作完成后，需要制定设备搬迁计划和安装调试方案，方案至少应包含以下内容：

a）统计各设备吊装图、安装图，以及对水、电、风、气、环境等安装要求；

b）设计设备进入厂房的先后次序以及进入的线路和通道；

c）对于有可能影响生产的超大型设备或重要设备，制定备用加工方案；

d）设备的固定方式在满足精度和使用的前提下，尽量采用易于二次移动的方式，以便后续布局调整；

e）开展设备安装调试过程的风险分析，制定应急预案。

方案制定后应通过评审，并按照方案开展新旧设备、工装、工位器具的搬迁、安装和调试。

搬迁和安装调试后进行全面验收，对设备进行连续无故障运行考核，同时开展试件加工，检验设备性能、精度，对涉及的零件重新进行首件鉴定和特殊过程确认

4 生产单元运行流程描述和要求

搬迁和安装调试验收后生产单元开始正式运行，对于正式运行过程中出现的各种问题，可以采取延迟移动或者临时停滞一会儿等方式，但必须坚持所有问题在生产线上解决，推动生产单元各项运行机制的完善。企业也应主动开展计划管理、现场管控、物料配送、信息化和多能工技能培养等工作。

在生产计划管理方面，企业应建立科学合理的生产计划体系，通过生产计划大纲和主生产计划确定单元的生产目标，实现根据产品需求倒排计划，细化生产单元的日计划，提供零组件配套需求计划和生产准备计划等。

在生产现场管控方面，企业可以通过应用可视化管理、分层例会和管理者标准作业等工具，发现和收集生产现场需要的信息并做出快速响应，通过问题快速响应处理机制，实现问题上报、计划、实施、监控和评价，以确保问题有效解决。

在物料配送方面，企业可以对生产单元各工位/设备作业所需的物料、工装、工具、刀具、量具和消耗材料进行配送管理，并尽量实现按工位配送、按需求时间配送和成套配送的要求。配送过程可通过信息化系统按照生产计划和现场生产情况，向库房提供准确、齐套、可配套的生产配送信息，由专门的配送人员进行配送。

在信息化建设方面，企业要构建生产制造信息化平台来管理复杂的单元生产线，信息化平台应包含以物料清单（BOM）/设计物料清单（PBOM）/制造物料清单（MBOM）为数据源的工艺制造信息流，并与工艺制造信息系统、物料管理信息系统相联通，将设计/工艺/物流部门产生的标准数据和变更信息准确、快速的传递到生产制造系统。信息化平台要实现对产品订单制造的交付进度和产品质量信息的监控和记录，包括对工序流的传递、跟踪、查询和信息反馈，以及对原材料、工装、工具等各类库房、检验点的相关信息实现显性化、可视化的管理，最终建立以信息集成为主体，工艺、制造、配送等信息管理一体化的生产制造信息集成系统[9]。

一人多机，一人多能是单元型生产方式的特点之一，操作工技能的培养不仅要注重多能工的培养，也要培养具有业务专长的业务能手。多能工的培养可以增强岗位间的互补，增加生产线整体的稳定性。对某单一业务域精通的高技术人员，更有助于关键工序的优化和持续改进，进而提高生产线整体的效率。

5 持续改进

单元型生产方式的实施和运行必将大幅提高生产现场效率。但是生产单元的内外部环境是不断变化的，产品需求的变化会改变生产节拍；员工技能水平的提高和更先进设备的选用需要进一步平衡生产线；产品质量的提升需要持续优化标准化作业，因此生产单元必须进行持续改进。

首先需要建立常态化的持续改进推进组织，将持续改进作为常态化工作从组织角度加以固化。其次要始终关注生产节拍、生产线平衡率、设备使用率等影响生产单元稳定性和流动性的指标，对生产现场问题进行快速响应和解决，保证生产单元的稳定高效运行。第三要建立公平的绩效评价体系和考核机制，生产单元的运行将改变传统的绩效分配方式，因此构建合理公平的绩效评价体系至关重要，通过科学的绩效考核激发员工的主观能动性，营造良好的竞争环境，激发员工工作动力，形成持续改进的工作氛围。

6 结束语

面对全球经济的快速发展和客户需求的多样化，单元型生产方式已经成为航空工业应对多品种小批量特点，实现柔性化、弹性化生产和快速响应市场需求变化的重要手段。本文提供了一种单元型生产方式的通用流程设计方法，给出了生产单元正式运行状态下的各项配套工作和注意要点，提出生产单元稳定运行后仍需要持续采集生产数据，时时关注出现的各类问题，定期对各类问题进行分类整改和持续改进。

[1]齐忠玉，杨靖.单元生产操作手册[M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]崔继耀.单元生产方式[M].广州：广东经济出版社，2005.

[3]蔡帝，干静.机床产品外观家族化设计方法研究[J].机械，2010（5）.

[4]刘胜军.精益一个流：单元生产[M]．深圳：海天出版社，2009．

[5]宋春立.工业工程及其在我厂的应用——作业分析与动作分析[J].机械工艺师，1990（1）.

[6]陈卫华，张震等.基于ECRS的混流生产线效率改善研究[J].节能，2015（8）．

[7]Yang T，Kuo C.A Hierarchical AHP/DEA Methodology for Design Problem[J].European Journal of Operational Research，2003，147（1）： 128-136.

[8]张超，李慧，田恺.基于Plant Simulation的航空综合机加厂房布局仿真研究[J].工程设计学报，2013.6.

[9]吴学锋，郑美安.离散型制造单元生产系统信息化的研究与分析[C].2013年中国航空学会管理科学分会学术会议论文集，2013.

（编辑：雨晴）

T-65

C

1003-6660（2016）06-0020-06

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.005