基于价值流图技术的传动轴装配流程优化

宋庭新，童一鸣，李西兴

(湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068)

0 引言

价值流是指产品形成过程的价值流动过程，产品的价值会随着信息和物流在工序间移动[1]。价值流图是反映价值流中物流和信息流的工具，它使整个复杂的价值流可视化，并揭示价值流中存在的问题，以便人们使用各种精益技术消除浪费和不增值活动，并结合精益生产思想和工业工程相关的改进方法，提出优化方案[2]。

传动轴是汽车传动系统中传递动力的重要组成部分，是一种工程机械产品，由轴管、伸缩套和万向节等组成，目前已广泛用于车辆载具。据统计，工程机械产品装配的工作量约占产品总工作量的45%，装配所需的劳动力约占熟练劳动力的40%，装配所需时间占总生产时间的20%～50%，装配成本占据总成本的40%[3]。此外，装配过程自动化程度低，主要由作业人员手工完成。因此，如何消除装配过程中的浪费以降低制造成本尤为重要。

为顺应机械制造企业降低成本的需求，目前已有一些学者结合精益生产思想对企业生产过程的浪费以及产品复杂装配流程进行了研究。文献[4]研究了装配线平衡决策在供应链网络设计中的综合影响,主要目标是尽量减少装配工人的运输成本和固定成本之和；文献[5]设计出改进的以客户为导向的价值流图，通过改进装配作业人员的不合理的动作、安排循环送货小车以及建立拉动式生产系统等措施，对剪叉车的装配流程进行优化；文献[6]以立柱装配生产线为改善对象，对如何确定成品的关键部位进行了分析，并提出了相应的改善措施；文献[7]介绍了现行锁体生产流程中最主要的浪费，以生产车间的现场布局为对象，实现了基于价值流图技术的锁体生产流程的优化；文献[8]首先使用地图细化来识别生产线的当前生产状态，诊断浪费及其产生的根本原因，提出改进的未来生产状态，其次进行了离散事件模拟(Discrete Event Simulation, DES)，在识别并减少当前状态下的一些浪费之后，对未来状态进行了初步建模。

然而，以上研究在对复杂产品装配流程进行研究时，都仅针对具体产品某一方面进行详细分析，忽略了其他问题的可能性，不能对企业精益改善提出系统的、多方面的、具体的改善方案；改善方案的提出过于武断，但在实际生产过程中，改善方案要通过多次修改才能通过。因此，本文运用价值流图(Value Stream Mapping，VSM)和价值流设计(Value Stream Design，VSD)，对DC公司的传动轴装配过程进行研究和改进，通过多次建模仿真对改善方案进行修改提升改善方案的可行性。通过对生产线的现场调研，收集数据并对传动轴装配线进行价值流分析发现，现有传动轴装配线中的问题表现为“生产线不平衡”和“过量库存”，这是传统集群式生产导致的。通过对价值流现状图的数据进行分析，对当前生产线设计了单件流生产方式。在不能采用单件流的工序，通过设置“看板—超市”的方式解决“过量库存”；使用ECRS四大原则，即取消(eliminate)、合并(combine)、重排(rearrange)、简化(simplify)和5W1H法优化整个车间的装配流程和物流布局，实现DC公司传动轴的“生产线平衡”，从而达到优化生产流程、缩短生产周期、减少在制品库存以及提高产能并降低成本的目的。

1 传动轴生产现状

DC公司是一家专门从事各类汽车传动轴的设计、生产、销售和服务的公司，其生产的传动轴一直深受国内各大汽车企业的欢迎。在当今快速多变、竞争日益激烈的市场环境中，DC公司面临着比以往更多来自低成本、短周期等方面的压力。随着传统制造行业的低迷，同类产品市场的激烈竞争使传动轴单件产品的利润空间越来越小，为了在市场变化中存活并得到发展，公司生产经营理念必须改变。在制造领域提出“工业4.0”的大背景下，本着精益生产的原则，公司提出在保持产品品质的基础上，通过缩短生产周期、增加产能、降低单元产品的生产成本等多种措施来应对市场变化的方案。

DC公司生产的传动轴有三大系列，可划分为前传、中传及后传，每种传动轴系列包含多种型号产品。其中后传传动轴是公司生产的主打系列，该系列产品具有装配工艺成熟、产品结构简明、订单数量多的特点。后传传动轴主要有7种耳孔型号，其中φ57耳孔系列最具代表性，因此，本文选择研究该种型号的传动轴的装配流程，并根据价值流图来优化传动轴装配流程中的物流和信息流。

2 价值流现状图及问题分析

2.1 价值流图绘制步骤

绘制DC公司传动轴生产线的价值流现状图的具体步骤如下：

(1)选择产品家族 确定产品家族是绘制价值流图的基础。产品家族是经过类似加工过程和相同设备的一种产品系列。选择产品家族的目的是降低分析的整体复杂度，重点关注一个主要产品或一个主要产品系列，本文选择φ57耳孔系列产品进行研究。

(2)绘制价值流现状图 在描绘产品的价值流动过程时，应沿着物流和信息流的流向，由交付区域开始，从下游工序返回到上游工序，并持续到供应方。在进行价值流分析之前，沿着生产流程快速走一遍，在进行正式分析过程之前要对整个生产过程有一定了解。每道工序都需要观察并记录重要数据，清点现场在制品库存，用秒表记录产品加工周期，然后收集生产控制部门相关信息，完成价值流现状图的绘制。

(3)创建价值流未来图 在现有价值流图的基础上，利用精益生产的思想来改善价值流的现状，设计未来的理想状态。在价值流未来图的设计过程中，首先考虑客户的订单速度，尽可能地建立连续生产，使用拉动式生产以避免生产过量，并优化生产控制部门的信息处理过程[4]。

2.2 绘制价值流现状图

通过对DC公司传动轴装配车间的现场调查，获得了φ57耳孔系列型号为K1201后传传动轴装配过程的相关数据，这些数据包括每个班次可用于生产的时间、生产班次、每道工序的作业人数、在制品数量、每天需要生产的数量、客户订单要求的生产节拍和每道工序的生产周期等[5]，数据统计如表1所示。

表1 传动轴装配流程当前状态数据统计表

表中生产节拍(TT，单位：min)的计算公式为：

TT=Ta/Td。

(1)

式中生产节拍(TT)为可用工作时间(Ta)占客户需求时间(Td)的比例。根据过去12个月的历史销售数据和未来6个月的销售预测，φ57系列后传动轴年生产能力为33 777件，后传动轴最终客户需求节拍为93件/天，日需求量为93件，则生产节拍为：

TT=510×2/93=11.0。

(2)

根据表1中的数据，计算当前传动轴装配流程的生产线平衡率：

(3)

式中：∑ti是各道工序总的生产周期时间，CT为瓶颈工序的生产周期时间。整个后传传动轴的装配流程包含8个工序，其中上油漆及包装工序是生产线的瓶颈工序，瓶颈工序的生产周期时间是8.67 min，则当前传动轴生产线的平衡率为

(4)

根据表1，也可得到改进前各道工序的生产周期时间直方图，如图1所示。

传动轴的装配流程中包含8道工序和7个在制品暂存区，即花键轴叉总成、突缘叉总成、两端压装、焊接、焊后校直、动平衡试验、补焊、上油漆(4.5 h干燥)/贴商标。每道工序完成后，操作人员必须将半成品运输到在制品库存区域。通过在生产现场使用秒表计时，得到生产过程中各道工序的实际生产时间，清点在制品库存区的数量，绘制出传动轴装配流程的价值流现状图(如图2)。图2中包含的生产参数有生产周期时间(C/T)、换型时间(C/O)、时间利用率(Uptime)、每天可用生产时间(A/T)、操作员数量和班次(Shifts)等。

2.3 问题分析

当前传动轴生产线采用推动式生产，在收到客户订单后，公司根据订单数量制定生产计划并向车间下达生产任务，产品加工完成后交付客户，该生产模式构成开环系统[6]。当装配过程中出现插单现象或客户减少订单数量时，只能通过调节生产线第一道工序的生产任务量或准备一定量的成品库存，来减轻对传动轴生产过程的影响，但这样将导致各道工序的生产任务混乱，积压大量在制品[7]。因此，当前传动轴生产线的灵活性低，无法根据客户的订单需求波动及时调节生产计划。根据各工位的生产顺序画出传动轴装配工艺流程图，关键路径为1-2-3-4-8-9-11-12-13-15，如图3所示，结合现场采集的数据，计算当前状态下传动轴装配过程中的价值流增值时间(AT,单位：min)、非增值时间(UT,单位：h)和增值比(i)，计算结果如下：

5.16+0.88+8.67=23.08，

(5)

1.93+1.27+0.93+4.5=12.05，

(6)

(7)

根据上述价值流现状图和计算结果，可以发现当前传动轴装配车间存在的主要问题为：

(1)装配过程中各道工序工作量不均衡，生产线平衡率和人员利用率低 生产线平衡率是评价生产线效率的重要指标，反映了生产线作业人员的工作负荷和物料分配情况。为了最大限度地实现“单件流”并减少工序间的在制品数量，有必要平衡生产线，使各道工序的生产周期时间尽可能接近。在传动轴装配流程中，上油漆及包装工序的生产周期时间过长，是整个装配过程中的瓶颈工序，改进前传动轴生产线平衡率仅为34.67%，导致当前的生产线不能实现单件流生产，较低的生产线平衡率还造成了在制品库存的大量堆积，这是目前传动轴交货周期长达13.5 h的主要原因。因此，生产线平衡率低的问题是这一改进活动需要解决的首要问题。另外，各道工序生产周期时间差异过大，其中相差最大者达7.79 min，特别是上油漆及包装工序使用大型悬挂链流水线设备进行涂装，看似可以同时处理大批量在制品，但由于无法解决传动轴油漆自然风干耗时(4.5 h)问题，使整个装配过程在该道工序等待时间长达4.5 h，而该工序作业人员实际工作时间仅8.67 min，人员利用率低下。

(2)生产线物料供应不及时，生产过程中库存较多 当前的传动轴生产线上物料供应没有安排负责人，每道工序的作业人员需要自行在上游工序的在制品库存区领取物料。由于生产线平衡率较低，有些工序作业人员被安排的任务量小，快速完成生产任务后，无下一次生产的物料，从而造成物料短缺；有些工序作业人员被安排任务量多，供应的物料又太多，造成物料堆积，这不仅打击了作业人员生产积极性，还产生了大量的在制品库存。各道工序的物料缓冲区没有合理的安排，作业人员在实际生产过程中要不断地去上游工序物料缓冲区领料，增加了作业人员的工作量和不增值活动。上述问题导致传动轴装配线不能连续生产，经常出现在制品堆积以及作业人员闲置现象。

3 传动轴装配流程的优化与改善

当前传动轴流程存在的主要问题是“生产线不平衡”和“过量库存”。由于传动轴装配流程采用集群式生产，追求短时间大批量出货，片面追求设备的生产力最大化，忽略了客户的实际需求，导致大量在制品库存。在设计改善方案时，应优先考虑客户的实际订单需求，这需要每道工序仅在下一道工序需要时才进行生产。因此，各道工序间应尽可能采用连续性生产，在无法使用连续流的情况下，在问题工序间建立“看板—超市”来拉动生产，客户需求订单需要预先处理，使用“定拍”工序处理客户订单需求波动现象，以最小批量、均衡化的方式使产品按时交货，消除浪费。

(1)改善装配工艺流程，平衡装配生产线

使用5W1H方法分别从加工、检查、等待、搬运及储存5个方面对工序流程进行逐项分析，找出装配流程不合理和产生浪费的地方，平衡各道工序作业人员的任务量，改善传动轴生产线平衡率。结合ECRS四原则、人因工程、5S(Seiri、Seiton、Seiso、Seiketsu、Shitsuke)和影像分析法对传动轴装配流程进行深入分析，规范生产现场设备、人员、物料的位置摆放，方便作业人员取放[8]。为每个工序选取合适的工装夹具，规范作业人员操作步骤并制定标准作业指导书，降低作业人员的疲劳程度。

工艺流程改进的思路为：将突缘叉总成工序和两端总成工序进行合并，交给1名作业人员来完成，从而消除两道工序间的物料搬运时间，提高人员利用率。将上油漆及包装工序的作业内容进行拆分，缠绕铁丝这部分工作交给补焊工序完成，将剩余的上油漆、上黄油、贴标签及包装工作划分为上油漆工序和上黄油及包装工序两道工序，这样可以减少瓶颈工序时间，平衡各工序任务量，提高平衡率。重新分配作业后装配线的各道工序分别为：花键轴叉总成、突缘叉及两端总成、焊接、焊后校直、动平衡试验、补焊及缠绕铁丝、上油漆、上黄油及包装8个工序。对改进后装配流程的生产数据进行预测，其未来状态数据如表2所示。

表2 装配流程未来状态数据表

实际操作为：通过现场观察，原突缘叉总成工序的生产周期为0.97 min，作业人员1名，两端总成工序的周期为0.93 min，作业人员2名。观察发现，两端总成工序作业人员安排较多，造成不必要的等待浪费，可减少1人，从而生产周期变为1.63 min，与突缘叉总成工序相加之和为2.56 min，小于装配线需求节拍11.0 min，且这两道工序的工作性质并不冲突，因此，将突缘叉总成和两端总成作业合并到同一道工序，可再减少1名作业人员。

当前上油漆工序为瓶颈工序，作业人员10名，采用人工操作，使用大型悬挂式流水线，传动轴一旦悬挂，将不能调整加工顺序，工人在流水线上的实际生产周期为8.67 min，等待传动轴在流水线上自然风干共耗时4.5 h。改善前的操作步骤为：1名工人用手推车将上道工序加工完毕的传动轴搬运到流水线旁，在悬挂前用铁丝将传动轴两端固定，并将其挂于流水线上1.64 min，2名工人在传动轴焊缝处涂油封0.85 min，2名工人在传动轴全身喷涂油漆3 min，等待传动轴自然风干4.28 h，1名工人上黄油0.74 min，1名工人喷涂产品合格号0.77 min，1名工人粘贴纸0.74 min，最后2名工人负责卸载，并将传动轴运输到成品库存区0.93 min。

改善操作如下：首先改变工装设备，大型悬挂式流水线风干时间耗时长，不能灵活调节各类产品加工次序，改用小型分散式喷涂设备，配备机械烘干仪器，并将该道工序划分为二，其中一道工序命名为上油漆工序，安排2名工人挂传动轴、涂油封以及喷油漆，共耗时3.85 min。利用机械烘干仪器1台，快速烘干传动轴表面油漆2.5 h，并将烘干完毕的传动轴传送到另一道工序。另一道工序命名为上黄油及包装工序，安排2名工人上黄油、涂标识、粘贴纸、卸下传动轴以及包装，耗时3.18 min。用铁丝将传动轴的操作步骤合并到上一道补焊工序，合并后耗时2.18 min。在改进上油漆瓶颈工序后，共减少作业人员6名。根据表2绘制改进后各道工序的生产周期时间直方图，如图4所示。

由图4可知，改进后的装配流程共有8道工序，其中工序5动平衡试验是未来状态下装配流程的瓶颈工序，瓶颈工序的生产周期时间是4.53 min。改进后生产线的平衡率为：

(8)

(2)采用拉动式系统控制生产

为了实现拉动式生产，首先将传动轴装配过程中各道工序连结起来。现行传动轴生产线采用推动式生产，加工设备机群化，追求设备利用率最大化，忽略客户实际需求，导致大量在制品库存。通过分析DC公司传动轴市场销售情况，多品种小批量生产方式更符合公司实际，因此可以用单元化生产替换集群式生产，重新布局传动轴装配过程中各道工序的作业区域，取消在制品库存区，将各道工序的设备和人员连接起来，形成连续生产的装配线。改变物料缓冲区的位置，在每道工序的工作区域旁就近设置物料缓冲区，在每个物料缓冲区安排一定量的物料箱来放置物料，每个物料箱上放置一个看板收集盒，每次作业人员在物料箱领取物料后都要释放一张看板。安排一辆循环送货小车，1名专门的物料配送员在小车到达物料缓冲区时释放物料。参考改进后各道工序的生产周期时间和物料缓冲区[3]，规划生产线的再补货点，计算配送员的补货时间，补货时间=看板信息传递时间+上游工序的等待生产时间+上游工序产品生产时间+产品生产后搬运到超市时间。整个装配流程有8道工序，平均每道工序生产周期为3 min，每道工序每批生产9件，看板信息传递时间、上游工序等待生产时间以及搬运时间合计3 min，则改进后补货时间=3×9+3=30 min。

每隔30 min，物料配送员对小车进行一次物料补充，在小车释放物料时配送员收集物料箱上的看板，通过看板数量决定每道工序的物料释放量。改进后，传动轴装配过程能连续进行，每道工序的物料也能按时按量供应，并消灭了大批在制品库存，释放了装配车间的可利用空间，增强了传动轴生产线的柔性，在客户订单发生变化时，也能及时改变传动轴生产线各道工序的生产任务。

在传动轴生产线上各道工序尽可能采用连续流生产。动平衡试验工序的上游工序都是由一名作业人员在生产线上完成同一间传动轴的装配工作，生产周期时间接近，单位生产需求量接近，因此在这些工序间建立先进先出(First in First out, FIFO)通道，将一个单位的补货时间内生产线加工的传动轴数量设为生产线的1个生产批次，FIFO容量同时设为1。由于动平衡试验工序生产周期时间较长，在制品流动到该工序后会产生阻碍，因此在该工序建立一个在制品超市，由超市拉动控制生产节奏。根据超市库存的计算公式:

超市库存=单位生产需求量×补货时间×

(1+安全系数)，

考虑到动平衡试验工序的生产周期时间是其他工序的1.37倍，每天各道工序客户需求量相同，故该工序单位生产需求量是其他工序的1.37倍，根据DC公司实际生产情况，将传动轴的安全系数设定为1.2，则超市库存=(1+1.2)×1.37×上游工序单位生产需求量×补货时间=3倍FIFO容量，在此处建立一个超市来连接下游工序，超市容量为3，每消耗1个批次的物料就释放一张看板，当在制品超市物料为0时，物料配送人员领取看板，并向生产线的第一道工序发出生产指令。同时，由于客户订单的需求波动，为了保证按时交货和降低风险，可在装配车间设立安全存货和缓冲存货。由于传动轴属于小批量生产，缓冲存货和安全存货可设定为0.5天的成品存货量。当交付一定批量成品后，成品库存区释放看板，触发上游工序生产，这样客户需求波动不会影响到生产线的装配过程，提高了其灵活性和响应速度。

(3)精益现场布局

改进前现场设施布局及流程路线如图5所示。从当前现场设施图可以看出，突缘叉总成工序工作区域在装配车间的右下端，根据优化策略(1)的分析，将机械设备移动到两端压装工序工作区域内，同时为了增加生产线柔性，降低上油漆及包装工序单位生产时间，将装配车间顶端的大型悬挂式涂装线替换成小型分散式涂装设备；根据优化策略(2)的分析，当前现场设备采用集群分布，各道工序存在大量在制品库存，下游工序等待时间过长，需要重新规划设备的布置，考虑到设备、摆放面积和人员的限制，将其规划成3条生产线，采用U型流水线布局，同时增加2条叉车运输通道，在关键工序工作区域内设置在制品超市，取消不合理的在制品库存区，增加了生产线柔性，缩短了产品的生产周期时间；从现场物料流程路线可以看出，零部件存放区物料搬运路线交叉迂回，工序工作区域与零部件存放区距离较远，增加了作业人员对物料的装卸时间，提高了叉车准确投放物料的难度，按照精益布局理念，最大限度减少无效在制品移动，以物料搬运距离总和最小为目标，对现场布局进行改进，改进后的现场设施布局及流程路线[9]如图6所示。从图6可以看出，改进后总物料搬运距离和物料交叉迂回现象明显减少，取消了大量的在制品库存区，在很大程度上减少了等待浪费。经计算，优化后现场物料路线长度减少了213 m。

4 优化方案的仿真验证

4.1 仿真模型及结果

为验证上述改善方案的可行性，本文采用FlexSim软件对其进行仿真。将传动轴装配车间的设备和人员抽象为离散实体，与FlexSim软件实体库中的实体一一对应。根据现场的物流和信息流，选择合适的实体拖拽到建模区域[10]。然后根据不同实体间的相互关系和作业流程，运用相应的连接方式完成模型的建立，模型完成后根据生产中的具体信息对实体进行参数设置，最后运行软件。所构建的仿真模型如图7所示。

通过仿真软件的运行，可以对各个工序的工作情况进行分析，也可对瓶颈工序的在制品超市进行分析。下面列举改善后瓶颈工序在制品超市的状态[11]，如图8～图9所示，工序在改善后的运行情况如表3所示。

从表3可以看出，设备和作业人员利用率大幅度增加，达到71%和85%以上。同时，工位之间达到较好的平衡，平衡率从34.67%提高到64.96%，人机配置更加合理，方案改善的效果非常明显，证明了方案的可行性，但对仿真模型的在制品库存和生产周期进行统计，与实际结果相差5%～12%，误差在可接受范围内，这是由于建模过程中忽略了一些影响因数，下一步将继续探索有更高精度的生产系统模型。

表3 工序仿真结果数据输出表

4.2 优化效果分析

在价值流现状图(图2)的基础上，结合上述优化和改善方案，绘制出传动轴装配流程的价值流未来图，如图10所示。

根据图10中的数据，计算改善后传动轴装配过程中价值流的增值时间(AT)、非增值时间(UT)和增值比(i)分别为[12]：

4.53+2.18+3.85+3.18=23.54，

(9)

0.5+0.5+2.5=6，

(10)

(11)

通过计算可知，改善后传动轴生产线增值时间为23.54 min，增值比达到6.1%。效果非常显著，具体的改善效果如表4所示。

表4 传动轴装配流程改善效果分析表

5 结束语

上述改善方案在DC公司进行了实际运用和实施。实施过程分为3部分:①对传动轴装配流程进行了改善和优化，对作业人数重新配置。②对传动轴装配线各道工序的作业区域重新布局，就近设置物料缓冲区，对车间物流通道重新规划，采用看板拉动方式进行生产。经过改善，传动轴装配线作业人数减少7名，在制品库存降低81%，生产周期缩短50%，生产线平衡率和人员利用率均得到大幅提升，改善效果显著。③按照精益布局理念，以物料搬运距离总和最小为目标，对现场设施布局及流程路线进行改进，优化后现场物料路线长度减少了213 m。但在实施过程中，传统的看板收集盒和看板管理方式让车间作业人员很不适应。下一步，将继续探索更精准的生产系统仿真模型，在优化生产线和物流系统的同时，开展车间信息化改造，将MES系统引入DC公司，实行电子看板管理。通过构建车间CPS系统实现智能生产排程和派单、在制品追踪、设备监控和库存管理等先进管理模式，为实现DC公司转型升级和提质增效提供技术支持。