基于约束理论的生产线瓶颈识别及改善

陈兆璋 徐克林

(同济大学 机械与能源工程学院 上海 201804)

近年来，电梯行业竞争日趋激烈，原材料价格不断上涨，制造成本日益增加。如何运用科学有效的方法，减少生产过程中各种浪费，减少在制品库存，合理配置各类生产要素，从而提高产品的质量和生产效率，成为企业迫在眉睫的重要课题。

N公司生产的某轴类部件是企业近年来在电梯生产中的重要部件，随着订单量的持续增长，制造成本的日益增加，产能已经无法满足客户的需求。本文通过引入约束理论，对轴类生产线进行综合分析，识别系统瓶颈，挖瓶颈产能，非瓶颈迁就瓶颈，改善瓶颈工位。

约束理论是由高德拉特博士首先提出，用来指导如何集中有限资源，将其用于整个生产系统中最关键的环节，以便获得最大的收益的一种管理理论。

1 轴类部件生产线现状

从生产工艺流程来看，该部件加工工艺主要由车削端面、车削外圆、滚齿加工、磨削外圆、磨齿加工、铣削键槽、钻装配孔等工位构成。每个工位又由多个作业工序组成，每个工位的作业任务由一个或几个操作工人来完成。轴类部件的加工工位的具体情况见表1。

表1 轴类部件的加工工位情况

目前，轴类部件每日需求量为18件/日，已基本接近产能饱和。随着订单的快速增长，预计在2019年需求将达到26件/日，公司生产线产能明显不足，存在明显的瓶颈工位。

2 轴类部件生产线制造能力分析

采用设备全局设备效率OEE(Overall Equipment Effectiveness)来研究生产线制造能力。

已知，全局设备效率OEE＝时间开动率×性能开动率×一次性合格率。

经计算，各工位的OEE见表2。

表2 轴类部件各工位OEE

3 识别生产线瓶颈工位

约束理论认为，对生产系统来说，整个系统中最薄弱的环节就是关键制约因素，也就是瓶颈工位。瓶颈工位的产出量对于整个生产线的产出起到了决定性作用。所以改善前首先要找出系统瓶颈，根据生产线数据的采集和分析，结合生产实际，接下来将从工位的有效输出角度进行计算分析，识别确定齿轮轴生产线的瓶颈工位。

为了更好描述第i工位在后道工位加工质量影响之后的有效输出，基于OEE的概念，定义瓶颈指标：

对串联生产系统：

式中： Pi为瓶颈指标；OEEi为全局设备效率；R为理论加工速率；为第i工位之后所有工位一次性合格率乘积；n为设备台数； ti为理论加工周期。

瓶颈指标Pi的最小值就是瓶颈工位，因为该最小值就是整个串联生产系统的有效输出，符合约束理论关于系统的强度取决于最弱的工位。因此使用瓶颈指标Pi来识别瓶颈工位。

经计算，高速侧齿轮轴各工位瓶颈指标见表3所示。

表3 轴类部件各工位瓶颈指标

根据瓶颈指标含义可知，Pi的最小值所在工位即为瓶颈工位，瓶颈指标Pi的最小值是0.0367，所对应的工位6铣削键槽明显是瓶颈工位。

此外，2019年预计客户需求将达到每天26件。经过计算，铣键槽工位每天最多只能产出19件，无法满足客户需求，再次验证了工位6铣削键槽是该生产线的瓶颈工位。

综上所述，识别确定瓶颈是工位6铣削键槽后，可运用约束理论的系统思路来分步骤解决瓶颈工位问题，完成对瓶颈工位和生产系统的持续改进，有效提高生产线的产能。

4 非瓶颈工位安排迁就瓶颈工位

经计算，工位5磨齿加工每天产能77件。经预测估算，将来每天需求将达到26件。因此工位5的产能不仅远超瓶颈工位6的需求，且两倍于目标需求26件。基于约束理论的DBR方法，对瓶颈工位6铣削键槽之前的工位，采用“鼓”和“绳子”进行拉动式生产。即以铣削键槽工位为“鼓点”进行生产计划安排，用拉动式生产就像用一根看不见的“绳子”把之前工位与瓶颈工位串联起来。

所以，将工位5磨齿加工的2台设备减少为1台，使铣削键槽工位前的工位更均衡地生产，既满足瓶颈需求，又减少不必要的在制品库存，还能节省出1台机加工设备完成生产任务。

5 改善瓶颈工位

改善前台面空间使用情况如图1所示。台面空间利用率低，设备利用率低。

图1 改善前台面空间使用情况

对瓶颈工位的深入分析和研究，发现原有的通用夹具规格不合适。过长的钳口，过大的钳口开口和过小的V型槽口，使工件不能很好地定位在V型块的中心线上。不合适的规格导致定位精度变差，要靠打表检查平行度，装夹效率低，平行度差。改善前的装夹俯视图如图2所示。

图2 改善前装夹俯视图

经过分析研究，基本确定影响制约工位的要因是二次装夹工艺效率低、夹具规格不合适和通用夹具空间使用率低。

针对要因研究制定改善措施。尝试制定新的装夹方案，设计制作符合要求的夹具，避免采用占机人工调整方案，以免占机时间太多，影响加工效率。经过多次比较尝试，不采用V型面定位压板垂直力压紧的夹具方案，使用膨胀块压紧的夹具方案。利用UG建模，改善后的夹具结构如图3所示。

图3 改善后的夹具结构图

在新的装夹方案中，螺栓的压力使膨胀机构张开，产生巨大的侧向压力和较小的向下分力，使轴紧固在两侧靠山上，一次完成定位和夹紧，操作简单，定位精确。对比二次装夹工艺，一次装夹工艺可以在打表、清洁、自动换刀、过滤油雾等辅助操作上节省一半时间。

通过制定新的装夹方案，实现以下目标：（1）减少装夹次数，尽可能做到在一次定位装夹中可以加工出工件上全部或大部分加工表面，从而提高加工表面之间的相互位置精度，提升数控机床的效率。（2）针对原有加工台面利用率较低的情况，将改良后的夹具数量增加一倍，实现同时加工4件工件的装夹效果，提高设备利用率。

改善后，再通过数据来分析台面空间使用情况:

四件工件投影面积=0.38×0.06×4=0.0912 m2

台面实际使用面积=0.4×0.4=0.16 m2

可用台面面积=0.55×0.45=0.2475 m2

台面空间使用效率=0.16÷0.2475×100%=64.6%>45%

经过数据分析可知，改善后的台面空间使用效率大幅度提高，同时提高了瓶颈设备利用率。改善后台面空间使用情况如图4所示。

图4 改善后台面空间使用情况

6 结语

对于单件加工时间来说，改善前，加工不连续，装夹、换刀、滤油时间过长，占机调整时间长。改善后，装夹一次完成，节省装夹和打表矫正时间，新设计的专用夹具使4件工件可以同时加工，瓶颈设备利用率大幅提高。经测算，平均单件加工时间从17 min降低为7 min，减少超过58%。每天理论最大产能超过46件，不再是整个生产系统的瓶颈。

本文以N公司轴类部件生产线为研究对象，把约束理论、DBR方法等理念和工具运用到生产现场，分析确定瓶颈工位。针对瓶颈工位分析制定改善方案，通过要因确认、改善加工工艺，提升瓶颈工位的最大产能和生产效率，使瓶颈工位不再是整个生产系统的瓶颈。有效提升轴类部件生产线的生产产能、制造效率、人员和设备利用率。因此，本次改善工作很成功，使用的理论和工具很有效，值得推广。