铁皮文件柜生产线平衡及改善研究

岳志春，郭冉冉

（河北工程大学 管理工程与商学院，河北 邯郸 056038）

1 引言

随着我国经济的快速增长，国内制造业面临的压力越来越大，从一开始企业只重视扩大生产规模，到现在开始重视提高生产效率和产品质量，降低浪费[1]。在某种程度上，生产线平衡直接决定了人机利用率和产能高低，因此越来越多的企业开始注重生产线平衡。

J 公司是一家主要生产文件柜的公司，其主要产品有4 种：铁皮文件柜、板式文件柜、钢制文件柜、实木文件柜。对于处在稳定期的J 企业来说，产品销量的多少受市场的影响很大，因此如果继续投入资金，就会出现生产过剩的问题，因此，对于该企业而言，提高生产效率是最优选择。本文以J 企业铁皮文件柜生产线为研究对象，采用作业测定法测量各个工序工时并绘制山积表找到瓶颈工位，利用IE 相关理论分析生产线因布局不当等造成的滞留和等待问题[2]。通过对比改善前后生产线平衡率、损失率等指标，发现提高了生产效率[3]。此外，企业也可以将学习到的生产线平衡理念为其他有类似问题的企业提供一定的参考和借鉴。

2 文献回顾

2.1 国内外研究现状

起初是由美国人J.Bryton[4]提出生产线平衡问题，此后国内外学者在此基础上进行研究，以期通过科学的方法来寻找最佳平衡方案。目前，生产线平衡优化方法主要有数学最优化法、启发式法、三维仿真和基础工业工程法4 种[5-8]。谭岐钰等[9]运用粒子群算法优化了混流单头电缆生产线平衡。Trebuna 等[10]采用的是Siemens Plm Software 仿真模拟软件对Tecnomatix 工厂的瓶颈工序进行仿真优化。姜晨光等[11]运用价值流图识别并分析问题产生的原因，以ECRS 为工具进行改善优化，从而实现各个工位负荷均衡和一个流生产，改善效果显著。Manuel Chica 等[12]主要是运用多目标和进化算法对生产线平衡进行优化。

2.2 相关理论基础

“瓶颈工位”（Bottleneck Station），是生产过程中工序时间最长的工位，它直接影响生产线的效率。作业测定是测定合格工人按照规定的作业标完成某项工作所需时间的过程。生产节拍（Cycle Time）是在流水生产线的环境下，完整生产出一个产品所需要的时间，即连续产出两个相同产品之间的时间间隔[13]。在生产过程中，若产能一定，那么生产节拍的速度将会影响该产能高低。

生产节拍计算公式如下：

式中，CT 为流水线的生产节拍。

Ta（Time Available）为流水线的有效工作时间。

Td（Time Demanded）为客户订单量。

3 生产平衡的相关计算方法

①生产线的平衡率（LB）：

式中，LB 为生产线平衡率，Ti为各工序时间，CT 为瓶颈工序时间，N 为工位数。

②生产线平衡损失率（d）：

式中，W 为各工序时间总和。

4 J 公司铁皮文件柜的生产线现状分析

4.1 改善前的生产线现状分析

铁皮文件柜生产线分为8 个工位进行，分别为线工艺制程包括剪板、冲压、折弯、点焊、喷粉、包装、检测、合格品出库，其中剪板、冲压、折弯、点焊、喷粉为主要工序。

4.2 J 公司铁皮文件柜生产线作业测定

考虑J 企业实际情况，本文作业测定选择秒表计时法。其作业测定步骤为：

①确定测定目标群体。

作业测定是为了制定标准作业时间，因此在这选择“中等熟练操作水平”员工。

②划分作业单元。

在进行作业测定前，测量人员需要了解生产线上各个工序，使得作业单元能被均匀划分。

③准备观测工具。

通常观测工具为铅笔、计算尺、秒表等。

④观测次数确定。

观测次数常用的方法是误差界限法、d2 值法和作业周期。秒表法往往通过扩大样本容量来提高准确性，但根据以往经验来看，通常不会进行大量数据测量。因此本文选择相对科学的统计方法，即误差界限法。

由于现实情况中总体标准差σ 很难计算，因此总体标准差σ 往往会用样本的标准差S 来代替。计算公式如下：

误差范围为±5%内，可信度95%时，其观测次数公式如下：

式中：n 为作业单元的观测总次数。

xi为第i 次秒表测量值。

因此，经计算将对铁皮文件柜产品生产线各个作业单元进行5 次观测。

⑤测量时间。

结合J 企业铁皮文件柜生产线实际情况，运用归零测时法测量，得到的数据如表1 所示。

表1 测得的操作单元数据

⑥剔除异常值。

将测量生产线获得的数据进行分析计算，排除其他因素形成的异常值。本文采用3σ 法排除异常值。

如果某一个作业操作单元n 次的观测数据为x1，x2，x3，…，xn，则平均观测值计算公式如下：

标准差计算公式如下：

⑦计算工位标准时间。

一般来说，通过作业测定求平均值得到的工时需要进行“再加工”才能得到“正常时间”。由于各个公司工作强度和工作内容不同，这里将评比系数取为1，宽放率取10%。因此，铁皮文件柜各作业单元的标准时间如表2 所示。

表2 作业标准时间汇总

4.3 J 公司铁皮文件柜生产线平衡现状分析

①生产线的平衡率（LB）。

经计算平衡率为71.46%。

②生产线的平衡损失率。

经计算平衡损失率为28.54%。

4.4 J 公司铁皮文件柜生产线主要问题分析

4.4.1 生产线不平衡

J 公司铁皮生产线各个操作时间呈现分布不均匀现象。结合J 公司铁皮文件柜生产线分析得到，生产线平衡率为71.46%，平衡损失率为28.54%，依据损失率优劣评判标准得到结果为差，进而得到J 公司的生产效能较低。

4.4.2 瓶颈明显

由表2 可知，J 公司铁皮文件柜生产线喷粉工序工时最长，因此喷粉为瓶颈。优化瓶颈不仅可以提高生产线平衡率，而且使生产效率得到提高。

4.4.3 生产设备布局不合理

J 公司铁皮文件柜生产线是类似直线的生产设施布局，人员搬运时间过长且易滞留。除此之外，员工存在随意堆积在制品、乱放工具现象，会使得生产车间容易出现混乱，造成产品品质出现问题，改善前的生产布局如图1 所示。

图1 改善前的生产布局图

5 生产线平衡改进

5.1 生产线布局优化

生产布局合理性在于将工作关联度高的工序安置在一起，尽可能减少工人在各个工序之间的走动和员工双手远距离拿取动作。优化后的生产布局如图2 所示，优化后的生产布局简便了生产线流程，改善前后的生产线流程如图3所示。

图2 优化后的生产布局图

图3 生产线流程图改善前后

5.2 喷粉线的工位改善

改善后的喷粉线放置物品区分为正品区和次品区，为了挑拣出次品，减少取件人数，分别在两区设置检查人员和取件员各1 人。

5.3 铁皮文件柜生产线平衡改善后分析

改善前后生产线工序标准时间对比如表3 所示。

表3 改善前后生产线工序标准时间对比

其中对比结果小于0，说明改善效果为不好，反之说明改善效果为良好。

经计算优化后的生产线平衡率LB=84.64%，平衡损失率为15.36%。采用IE 法对生产线平衡进行改善后，生产线平衡率提高了13.18%，生产线损失率降低了10.18%，说明优化具有有效性。下面绘制柱状图清晰展示改善效果，如图4 所示。

图4 数值优化前后对比

6 结论

本文以J 企业铁皮文件柜生产线为例，通过对比改善前后生产线平衡率（LB）、生产线平衡损失率（d）来评价改善效果，发现该方案实施后，检查次数减少1 次，等待时间减少3次，搬运距离大幅度降低，从原来的150 m 递减到50 m，生产线平衡率从71.46%变为84.64%，提高了13.18%，生产线损失率降低了13.18%，生产效率显著提高，单日最大产量Q 由160 套提升为270 套，处于比较理想的生产状态，这说明均衡生产有助于企业实现生产线平衡，降低成本，提高效率，使企业产能达到事半功倍的效果。总之，优化生产线来提高效率、降低成本是企业所希望的目标。