（机械工程专业论文）工程机械企业生产运营中在制品库存管理研究.pdf

上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 2 已经日趋成熟，但在作为全球工厂的中国，还有很多工厂延续着粗犷型的生产管理模式，我国大 多数大中型企业长期以来采用“金字塔”式集中管理组织机构，与此相对应的层次化管理与控制 结构，不仅制约着底层的主观能动性，而且制约着整个企业对于市场的响应速度2。全球金融危 机导致的出口贸易锐减和经济衰退让这些工厂和整个中国都在思考着如何从原本简单的管理模 式中走出来， 通过先进的理念来提高工厂和企业的竞争力和适应性， 同时降低日趋紧张的高成本 压力。在摸索的过程中当然会出现各种各样的问题，其中，计件制工资和其带来的大量在制品库 存问题决非个案。 在制品管理是指对在制品进行计划、 协调和控制的工作， 它的主要作用是保证各生产环节之 间的衔接协调，按生产作业计划有节奏地、均衡地和成套地进行生产，同时有效地控制在制品的 流转过程，缩短生产周期，减少在制品占用量，避免在制品积压和损失，进而提高企业的经济效 益。 在制品库存是指企业从原材料投入生产起，到经检验合格办完入成品库手续之前，存在于 生产过程中各个环节的毛坯、半成品和制件等。3 在制品管理也是车间管理的一项重要的工作内容，在制品库存的存在，历来利弊共存。如果 没有在制品库存的介入， 两个顺序相连的加工工段的生产节拍必须完全相同， 否则就会产生干涉 4。由于物料占用了企业的大量资金，是生产成本的主要构成部分，车间必须对车间原材料、半 成品及成品加以严格的管理，要有科学合理的管理方法。对车间物料要定期组织盘点，对盘盈或 盘亏加以预防控制。 在制品管理工作就是对在制品进行计划、协调和控制的工作。在加工-装配型的工业企业中， 搞好在制品管理工作有着重要的意义。它是调节各个车间、工作地和各道工序之间的生产，组织 各个生产环节之间平衡的一个重要杠杆。合理地控制在制品、半成品的储备量，做好保管工作， 使它们不受损坏，可以保证产品质量，节约流动资金，缩短生产周期，减少和避免积压。 搞好在制品的管理工作，要求对在制品的投入、出产、领用、发出、保管、周转做到有数、 有据、有手续、有制度、有秩序。有数就是在制品要计数；有据就是收发进出要有凭证；有手续 就是收发进出要有核对、签署、登录手续；有制度就是对在制品要建立一套原始记录管理制度， 及时入账，经常对账等制度；有秩序就是要把在制品管得井井有条。 为了有效地进行在制品和半成品的管理，必须认真做好以下几方面的工作： 1） 建立和健全在制品、半成品的收发领用制度。 2） 对在制品和半成品要正确地、及时地进行记账核对。 3） 合理地存放和保管在制品、半成品，充分发挥库房的作用。 4） 做好在制品和半成品的清点、盘存工作。 本文的研究对象a公司集团正是这样一个企业，从计件制薪酬体系和粗犷管理中获益并迅速 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 3 扩张，现在却受到这两者的限制。俗语道，船大难掉头，如何为a公司这样已经有固定的公司文 化和管理模式大型公司寻找到合适的管理方法， 而不是硬搬硬套丰田的精益生产， 正是本文研究 的目的。 我们从生产管理， 现场管理和人力资源管理三个方面着手分析在制品库存过高的成因和 症结。 通过定量分析确定在制品控制上限的目标， 然后借助改进的看板管理模式确保在制品控制 的信息平台建立。这样生产系统中的五六倍控制和监控在我们分析出的一个合理的标准辆之下， 实现在制品库存的减量。 但是这样的减量过程又和计件制工资所带来的过量生产所相抵触， 因此 我们对于薪酬体系进行了与工资相关的劳动量分配和激励机制的改革。 研究过程中， 目标被微缩 到a公司集团下属的上海机械公司其中的一个工段的优化改革问题。因为该工段的代表性使得整 个优化的可复制性大大增加，所以通过解决该工段的问题，我们希望可以获得宝贵的经验，并将 优化的模式和过程复制到同类型的其他工段，乃至整个a公司，从而真正实现，精益生产的量体 裁衣。 同时这一过程对国内其他同类型的公司也有实际的参考作用。 在精益生产的发展过程初期， 计件制工资就已经被早早的淘汰， 而这两者出现冲突也只是发生在急速发展却缺乏经验的中国企 业中， 急需改革却缺乏可借鉴的先例是这类制造型企业现在所面临的两难困境。 因此本文的研究 给这样的冲突和需求做出了分析，并以上海机械作为实例，给出建设性建议。 1.3 论文结构及内容 本文分依据发现问题，分析问题，解决问题并总结问题的逻辑顺序分析了上海机械前车 加工段在制品库存过高的现状，通过三个部分共六个章节详细阐述了研究的过程： 第一章介绍了课题研究背景以及研究的目的和意义，同时介绍了论文的框架结构和研究 思路。 第二章首先介绍了研究对象，a公司集团上海机械公司的企业背景及生产概况，然后分析 了前车架工段现场在制品库存的现状，分析其成因，发现问题的症结在于产能不均衡，以及计件 制薪酬体系的限制。 然后通过现场生产的实际经验数据， 对前车架工段各个工位的产能做出分析 和评价，找出瓶颈工段并分析其症结问题。 第三章在第二章对产能分析的基础上，将实际生产数据输入仿真软件，模拟出了能够满 足各个工位生产流动性和变化性的在制品库存合理数量，并将其设定为各个工位最高在制品库 存。 第四章是对第三章所确定的生产控制体系的一个补充。通过看板系统的设定，实现现场 组件和车架系统物料的信息化。 这样才能实现追踪产能和调控产能， 从而保证在制品库存的最高 设定能够被执行。看板系统的设定过程中，不仅需要考虑到实际生产的可操作性，更要考虑到员 工的便捷性，通过看板实现相互监督相互督促的作用。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪论 4 在生产管理层面确定限制条件后，人力资源管理方面的改革就必不可少，这就是第五章 节所关注的重点。 在计件制工资的大前提下， 本文通过薪酬体系附加条件实现劳动力的平衡调配， 同时增加的新的激励制度，保证优化改革的可持续发展性。 最后在第六章中，对未能实现和解决的问题，本文进行的阐述和分析，并对后续研究工 作做了一定展望。 第1章 绪论 第2章 背景及现状分析 第3章 仿真优化 第4章 看板系统及内部物流研究 第5章 计件制薪酬体系的优化 第6章 总结与展望 图1 论文结构 figure 1 the structure of the thesis 上海交通大学工程硕士学位论文 第2 章 前车架工段在制品库存现状分析 5 第2章 前车架工段在制品库存现状分析 2.1 研究对象介绍 2.1.1 公司背景介绍 本文以 a 机械制造有限公司的装载机生产其中一个工段前车架工段为研究对象。 a 机械制 造有限公司隶属于中国 a 控股有限公司，由现任董事局主席李新炎先生创立于 1993 年。a 公司起 步于福建省龙岩市，2000 年，公司将总部迁往上海，形成上海和福建两大生产制造基地。随后， 公司接连收购了江西和河南的两家企业。时至今日，a 公司拥有 19 家 全资子公司，打造了上海、 福建、江西和河南四大制造基地，厂区占地面积达 4000 多亩，员工总数超过 11000 人。计划从 2009 年后 5 年投资重点放在龙岩，打造 5 大基地。即：投资 20 亿元，打造整机制造基地，形成年 产 8000 台挖掘机的生产线，规划投资叉车和压路机整机制造基地；投资 30 亿元，打造部件加工基 地；规划投资 100 亿元，吸引 a 公司全球顶级供应商，打造占地 3 000 亩 a 公司配套产业园，形 成完整的供应链生产基地5。 公司起步之初，产品种类仅局限于轮式装载机。如今，产品涵盖了轮式装载机、挖掘机、 叉 车、压路机和平地机等整机产品，以及变速箱、驱动桥、液压缸、齿轮、泵等工程机械核心零部件。 a 公司上海机械制造有限公司建立于 2000 年， 厂房位于 a 公司上海生产基地的南区。 2009 年 初， a 公司上海机械制造有限公司搬迁到 a 公司上海生产基地的北区， 目前员工总数超过 2000 人。 北区和南区的厂房设计差别很大。南区由若干个独立的车间厂房组成，按制造工艺的不同阶段分为 下料车间、机加车间、焊接车间、涂装车间和总装车间等，由于各车间在地理位置上相距较远，生 产信息的沟通不太方便，所以各个车间的生产相对独立。南区时期的生产方式可看作是备货式生产 方式，产品种类较少，生产批量大，在制品库存较多，生产周期长。 北区是新建的一体式厂房。厂房面积达 10 万平方米以上，整个厂房的布置按照整机生产工艺 流程的先后顺序，从前端到后端分别是下料车间、焊接和机加车间、涂装车间和总装车间，车间之 间仅是区域的划分，并没有实体上的隔离，库存区域较南区也大为减小。所以，相对南 区车间， 北区车间的物料流动性更快。 a 公司上海机械制造有限公司是 a 控股有限公司三大装载机生产制造基地之一， 承担着整个 a 公司集团 40%以上的装载机生产任务。2008 年，a 公司上海机械制造有限公司的装载机产量在一 万台以上。 装载机市场在每年之内有明显的周期性，有销量差别悬殊的旺季和淡季。每年的 10 月到次年 的 5 月是销售的旺季，其他时段为淡季，尤其是每年的七、八月份，销售一般是全年最低的。a 公 司上海机械制造有限公司的生产旺季和生产淡季也和市场的周期大致相同。 高峰时期和低谷时期的 产量差距比较大，月产量可相差两到三倍。目前来看，装载机仍是中国 a 公司控股有限公司最主要 的产品，每年的销售额占到总销售额的 80%以上。其它类型的产品，如挖掘机、压路机等，与装载 机同属工程机械类，无法在市场周期性上与装载机形成特别明显的互补效应，而是呈现出大致相同 上海交通大学工程硕士学位论文 第2 章 前车架工段在制品库存现状分析 6 的旺季和淡季。装载机生产的旺季和淡季的明显差别很难通过内部协调的方法来调整，这是企业在 产能安排上面临的一个难题。 2.1.2 企业的组织架构 a 公司上海机械制造有限公司作为一家生产制造型企业，生产制造是企业最主要的功能。企业 的组织架构如图 1 所示。 本公司的生产制造部门称为总调， 由总调室统一管理， 下辖 11 个工段 （即 车间） 。这 11 个工段分别是：中厚板备料工段、薄板备料工段、动臂工段、铲斗工段、前车架工段、 后车架工段、配重工段、机罩工段、外观工段、涂装工段和总装工段。 图 2 企业的组织架构 figure 2 the organizational structure of enterprises 2.1.3 轮式装载机的结构 轮式装载机结构复杂，零部件众多。其结构组成如图 2 所示。从产品结构来看，轮式装载机 的部件可分为自制件和外购件两部分。外购件包括液压系统、动力系统、传动系统和电器系统等， 如轮胎、轮辋、发动机、液压缸、泵和阀等。自制件主要分为结构件和覆盖件，以及各种小件。结 构件负责支撑和受力，对强度的要求比较高，材料主要是中厚板钢材。覆盖件则主要是机体的上表 面部件，对强度要求比较低，但对平整度、光滑度等指标的要求比较高，材料主要采用薄板钢材。 上海交通大学工程硕士学位论文 第2 章 前车架工段在制品库存现状分析 7 图 3 轮式装载机的结构 figure 3 the structure of wheel loader 结构件分为四大类：动臂、铲斗、前车架和后车架。铲斗是盛放待铲运物料的容器，动臂用于 支撑铲斗的上下移动或转向，前车架和后车架则是为各种动力系统、传动系统等提供坚实的结构平 台。覆盖件主要分为四类：配重、机罩、驾驶室和油箱。配重装在装载机尾部，用以保持装载机前 后受力的平衡。机罩则是覆盖在发动机等动力机构上的外壳。每辆装载机带有两个油箱，分别为燃 油箱和机油箱。 2.1.4 轮式装载机的制造工艺流程 轮式装载机的制造工艺流程主要分为五个环节，分别是下料（又称备料） 、机加工、焊接、涂 装和总装。各工艺环节之间的关系如图 3 所示。 （1）备料 备料指的是利用专用的切割机器设备，从不同厚度的钢板上切割出形状大小不一的各种毛坯 件，这些毛坯件用于组装成装载机的各个结构件和覆盖件。a 公司（上海）机械制造有限公司将下 料环节分为中厚板备料工段和薄板备料工段，这主要是按被切割钢板的厚度来分的，10mm 以下的 毛坯件下料归薄板备料工段负责，其余的毛坯件下料归中厚板备料工段负责。切割好的毛坯件经折 弯、破口、磨光等工艺处理后，进入备料仓库，备料仓库按各种毛坯件的工艺流向分为以下若干个 区域：动臂备料仓库、铲斗备料仓库、前车架备料仓库、后车架备料仓库、机罩备料仓库、配重备 料仓库、油箱备料仓库和驾驶室备料仓库。 上海交通大学工程硕士学位论文 第2 章 前车架工段在制品库存现状分析 8 图 4 轮式装载机的制造工艺流程 figure 4 wheel loader manufacturing process 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 9 （2）机加工 机加工是指对结构件的表面和孔位等进行车、铣、镗、磨等加工处理，a 公司（上海）机械 制造有限公司的机加工设备比较先进， 主要以数控机床和加工中心等为主， 手工操作的机床所占 的比例非常小。 a 公司上海机械公司的机加工主要分布在动臂工段、铲斗工段、前车架工段、后车架工段和 外观工段。机加工处理的对象主要分为三类：小件、小部件和部件。 小件是指在装载机上使用数量较多但尺寸较小的工件，如贴板、法兰等。这类小件的单位加 工时间往往比较短，只有几分钟，但加工的数量非常大。小件使用数控机床来加工，机床操作和 工装夹具都比较简单。 部件指的是动臂、 铲斗、 前车架和后车架等结构件， 这类部件的体积较大， 加工时间较长，往往在一小时以上。每台装载机上有动臂、铲斗、前车架和后车架各一件。这类 部件一般 使用大型的数控镗床来加工，机床操作和工装夹具都比较复杂。 小部件指的是组成上述组成五大部件的小模块，如后车架上的摆动架、铰接座等。小部件一 般使用数控加工中心来加工，机床操作和工装夹具的复杂程度介于小件和部件之间。 （3）焊接 所有的结构件工段和覆盖件工段都包含焊接工艺。 a 公司上海机械制造有限公司的焊接主要 是人工完成的，很少有机器人焊接。而焊接工人的技术水平的高低，对焊接质量的影响很大。所 以，焊接是装载机加工过程中人为因素最多的环节。 a 公司上海机械制造有限公司的焊接可分为三类焊接。 第一类是拼装焊接， 它是将一个总成 所包含的各种毛坯件或部件拼装起来， 以点焊的方式将整个结构固定下来。 例如动臂的拼装焊接， 铰接座的拼装焊接等，这类焊接所需时间比较短，一般在十分钟到半小时即可完成，在一个工位 内即可完成。 另一类是小部件焊接，小部件在拼装焊接好之后，进行完整的缝焊。例如铰接座焊接，摆动 架焊接等。这类焊接一般需要半小时左右的时间，这类焊接一般在一个工位即可完成。 最后一类是部件焊接，比如动臂焊接、铲斗焊接和驾驶室焊接等。部件的焊接周期比较长， 一般在一个小时以上，而某些机型的铲斗的焊接时间甚至长达五个小时以上。 （5）涂装 涂装指的是表面的防锈处理和外观处理， 主要包括表面工艺处理和喷漆。 前者又可分为两类。 对于薄板工件，采用电泳的方式，经过酸洗、磷化、水洗等环节，去除表面的氧化层和油污等。 对于中厚板工件，采用抛丸的方式，由抛丸器高速抛出钢丸，形成强大的冲击力，去除 表面的 铁锈等杂物，形成比较光洁的表面。 喷漆按照加工顺序的先后可分为喷底漆和喷面漆两种。 喷面漆的方式有两种， 一种是在总装 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 10 工序前喷面漆，待总装完成后，对于总装过程中损坏的部分面漆进行补喷；另一种是在总装工序 后喷面漆。a 公司上海机械制造有限公司采用的是第一种，即在总装工序之前喷面漆。 涂装工段负责涂装工艺。 涂装工段有两条涂装生产线， 分别是覆盖件涂装生产线和结构件涂 装生产线。覆盖件涂装生产线负责机罩、配重、驾驶室和油箱的涂装，结构件涂装线负责动臂、 铲斗、前车架和后车架的涂装。 （6）总装 总装即最后的组装环节。组装的零部件包括：自制的各结构件和覆盖件，外购的传动系 统、 电器系统、液压系统和动力系统等。总装工艺流程由总装工段负责。总装生产线采用流水 线作 业方式，每个工位负责若干种装配过程，完成后流入下一个工位。 总装的物料来源包括： 涂装生产线喷漆后的结构件、 覆盖件和小件， 外购的传动系统、 电 气 系统、液压系统和动力系统等。 2.1.5 厂房布置 a 公司（上海）机械制造有限公司的车间按照制造工艺流程来布置安排，其厂房布置如图 5 所示。 图 5 厂房布置 figure 5 plant layout 起始端为备料工段，中厚板备料工段和薄板备料工段分处两侧，为其它工段提供各种毛坯 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 11 件。中厚板备料工段为后车架工段、铲斗工段、前车架工段和动臂工段供料。薄板工段为机罩工 段、外观工段和配重工段供料。 部件加工工段并列， 结构件加工工段位于中厚板备料工段的后部， 方便中厚板备料工段向 结 构件加工工段提供物料；覆盖件加工工段位于薄板备料工段的后部，方便薄板备料工段向覆 盖 件加工工段提供物料。 涂装工段内含结构件涂装生产线和覆盖件涂装生产线。 结构件涂装生产线位于结构件加工工 段的后部，方便结构件部件进入涂装生产线。覆盖件涂装生产线位于覆盖件加工工段的后部，方 便覆盖件部件进入涂装生产线。 两条总装流水生产线位于整个车间的尾部， 外购件仓库分布在总装流水线两侧， 方便外购件进入 总装流水线。 2.22.2 现场在制品库存状况现场在制品库存状况 经过前期调查， 我们统计得到焊接机加工段的结构件库存， 前后库存区的在制品库存量如下: 前车架工段现场 130 台成型前车架 （焊接 60，机加 70） 后车架工段现场 170 台成型后车架 （焊接 70，机加 100） 动臂工段现场 170 副动臂 （焊接 70，机加 100） 铲斗工段现场 130 台铲斗 （焊接 40，机加 80） 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 12 0 0 2020 4040 6060 8080 100100 120120 140140 160160 180180 前车架前车架后车架后车架动臂动臂铲斗铲斗 成型车架成型车架 图 6 焊接机加工段现场结构件库存状况 1 figure 6 wip statues of welding and machining section 1 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 8080 9090 100100 前车架前车架后车架后车架铲斗铲斗动臂动臂 机加机加 焊接焊接 图 7 焊接机加工段现场结构件库存状况 2 figure 7 wip statues of welding and machining section 2 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 13 同时我们得到前车架机加和焊接工位上三个主要部件的在制品库存如下： 铰接座 70 台 翻斗缸 40 台 侧框 25 对（50 台） 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 铰接座铰接座翻斗缸翻斗缸侧框侧框 组件数量组件数量 图 8 前车架工段现场部件库存状况 figure 8 wip statues of front frame section 然而，对比工厂的实际生产计划（每班次 30 台） ，我们可以发现，在前车架工段所堆积的在 制品库存远远超出了工厂的实际需求量， 造成了非常大的库存浪费。 在分析导致前车架工段积压 过多在制品库存量的原因之前，我们先详细了解和梳理前车架工段的工艺流程。 2.3 前车架工段工艺及产能分析 2.3.1 前车架工艺流程 前车架工段是将切割好的钢板钢管等零件焊接拼装成成型的前车架并完成细节部分机加工 的工段。这个工段由 6 个主要工序组成：侧框拼焊、翻斗缸拼焊机加，铰接座拼焊机加，车架拼 焊，车架总成焊接，车架机加工。其中翻斗缸拼焊机加又由翻斗缸拼焊，翻斗缸双面铣和翻斗缸 附件拼焊组成；铰接座拼焊机加由铰接座拼焊，铰接座双面铣和铰接座镗孔组成。流程图如下： 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 14 侧框拼焊 铰接座 拼焊 翻斗缸 拼焊 铰接座及 翻斗缸 铣床 翻斗缸 附件拼焊 前 车 架 拼 焊 前车架 总成焊接 前车架 机加工 其他零部 件 铰接座 镗孔 零 件 涂装上线 侧框拼焊 铰接座 拼焊 翻斗缸 拼焊 铰接座及 翻斗缸 铣床 翻斗缸 附件拼焊 前 车 架 拼 焊 前车架 总成焊接 前车架 机加工 其他零部 件 铰接座 镗孔 零 件 侧框拼焊 铰接座 拼焊 翻斗缸 拼焊 铰接座及 翻斗缸 铣床 翻斗缸 附件拼焊 前 车 架 拼 焊 前车架 总成焊接 前车架 机加工 其他零部 件 铰接座 镗孔 零 件 涂装上线 图 9 前车架工艺流程 figure 9 front frame process 其中铰接座双面铣和翻斗缸双面铣共用一个工位上的三台铣床， 而翻斗缸附件拼焊合翻斗缸 拼焊实际是在同一个工位上完成。 2.3.2 车间布局 车间布局如下图， 下方流入的黄色箭头代表切割加工好的零件， 上方流出的是成型完工的前 车架，然后流入涂装工段。布局图中标有方框的 wip 即为现场在制品年库存的堆放位置。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 15 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 零件焊接 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 零件零件 零件 零件 零件 零件 拼焊 wip wip wip wip wip wip wip wip wip wip 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 机加工 机加工 机加工 wipwip wipwip wipwip wipwip 机加工 侧框拼 焊工位 铰接座拼 焊工位 翻斗缸拼 焊工位 铰接座及翻 斗缸铣床 前车架拼 焊工位 前车架总成 焊接工位 前车架机 加工工位 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 零件焊接 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 拼焊 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 机加工 零件零件 零件 零件 零件 零件 拼焊 wip wip wip wip wip wip wip wip wip wip 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 机加工 机加工 机加工 wipwip wipwip wipwip wipwip 机加工 侧框拼 焊工位 铰接座拼 焊工位 翻斗缸拼 焊工位 铰接座及翻 斗缸铣床 前车架拼 焊工位 前车架总成 焊接工位 前车架机 加工工位 拼焊 机加工 拼焊 wip 机加及焊机加及焊 接机台接机台 在制品库位在制品库位 拼焊 机加工 拼焊 wip 机加及焊机加及焊 接机台接机台 在制品库位在制品库位 图 10 车间布局 figure 10 workshop layout 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 16 2.3.3 产能及各个工位工艺分析 根据总调生产计划， 每天需产出 60 台整车， 最后一道总装工序的工作时长为每天 16 个小时。 由此计算出生产节拍为 16*60 分钟/60 台=16 分钟/台，由此倒退至上游工段的所有环节也应尽量 保持这个节拍生产。如果节拍快于 16 分钟则表示该工位产能过剩，应该适当调整人员和设备的 配置；如果节拍慢于 16 分钟则表示该工位产能不足，应该加配人员和设备或者安排加班生产以 满足整体产能的需求。 2 2.3.3.1.3.3.1 侧框拼焊侧框拼焊 侧框拼焊工位是将切割或粗加工过的钢板等零件拼装焊接成成型的侧框， 成型的侧框并没有 焊实，因此不具备高强度的力学性能。一个前车架总是由左右对称的两个侧框组成，所以焊接台 也是左右对称的成组安置，该工位共有 7 个焊接台，可以同时焊接 14 个侧框。由于车型大小的 不同， 其侧框的焊接加工时间也有所不同， 考虑到工人用龙门架搬运及侧框上的少量机加工工序， 一个侧框的完工时间约为 60 分钟，即完成一对侧框约需要 120 分钟。则理论上该工位的生产节 拍为 120/717 分钟/台16 分钟/台。但实际上一个焊接台可以有两个工人同时作业，因此生产 节拍最快可为 120/148.6 分钟/台16 分钟/台。因此实际生产中，决定生产节拍的是工人数量， 合理的工人数为 120/16=7.5，即 8 个工人左右，此时生产节拍为 120/8=15 分钟/台，具体人数应 由工段长根据当班工人的熟练程度和该班次生产计划的工作量再调整。 完工的前车架成对堆放在 工位上靠近过道的一侧，然后由叉车转运至前车架拼焊工位交付使用。 2 2.3.3.2 .3.3.2 铰接座拼焊铰接座拼焊 铰接座拼焊工位是将加工好的钢板等零件拼装焊接成成型的铰接座。该工位有 4 个焊接台， 每个焊接台只允许一名工人作业，平均完成一个铰接座的加工时间为 50 分钟。因此该工位的生 产节拍为 50/4=12.5 分钟/台16 分钟/台。因此铰接座拼焊工位的 4 个焊接台必须满员工作才能满足生产节 拍的需要，但是工人会有约 （16-12.5）/16=21%的空闲时间。拼焊好的铰接座放置在该工 位靠近过道的库存区，等待叉车转运至旁边的铣床进行双面铣加工。 2 2.3.3.3 .3.3.3 翻斗缸拼焊翻斗缸拼焊 翻斗缸拼焊工位由两个工序组成， 第一步是将加工好的钢板等零件拼装焊接成翻斗缸的主体 框架，然后移送双面铣工段加工，这个步骤通常需要 30 分钟，第二步是双面铣加工后把加强板 等附件再焊接到主体框架上，这个步骤通常需要 40 分钟。该工位有 5 个焊接台，每个焊接台只 允许一名工人作业，平均完成一个翻斗缸的加工时间为 70 分钟。因此该工位的生产节拍为 70/5=14 分钟/台16 分钟/台。 因此翻斗缸拼焊工位的 5 个焊接台必须满员工作才能满足生产节拍的需要， 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 17 但是工人会有约（16-14）/16=13%的空闲时间。最终拼焊好的翻斗缸放置在该工位靠近过道的库 存区，等待叉车转运至前车架拼焊工位。 2 2.3.3.4 .3.3.4 翻斗缸及铰接座双面铣翻斗缸及铰接座双面铣 由于拼装精度的要求， 翻斗缸和铰接座的宽度是被严格要求的， 但由于零件加工的精度不高， 且焊接时会有误差存在， 因此在翻斗缸和铰接座主体完成后的宽度会略大于要求尺寸， 均需要进 行双面铣，从而得到符合装配要求的宽度。双面铣加工工位有三台铣床，加工宽度可根据要求调 整，但每次调整均需要 30 分钟的校准时间。通常有两名工人操作这三台铣床，负责用龙门架来 完成部件的装卸工作以及完工工件的尺寸检查。 翻斗缸和铰接座主体的加工时间取决于单个工件 与目标尺寸间的误差，如果误差大，则加工时间长，如果误差小，则加工时间短。平均一个铰接 座的加工时间在 25 分钟左右， 而一个翻斗缸的加工时间在 20 分钟左右。 一个前车架上包含一个 翻斗缸和一个铰接座，因此，完成一个前车架所需的两个工件，需要合计 45 分钟，因此该工位 的生产节拍是 45/3=15 分钟/台16 分钟/台。因此该工位的产能刚好足够。完工后的翻斗缸等待 转运至翻斗缸拼焊工位继续加工，完工后的铰接座则移送旁边的镗孔机床继续机加工。 2 2.3.3.5 .3.3.5 铰接座镗孔铰接座镗孔 铰接座是用于连接前后车架的活动部件， 其轴心珐琅上设计有若干用于固定中轴的孔位。 这 些孔位的精度要求较高，因此需要在机床上完成。该工位共有三台机床，可用于铰接座加工的是 其中的两台，且其中一台同时需要完成转向缸的机加任务，任务切换时所需要的换模时间约为 30 分钟。完成一个铰接座的镗孔加工约需要 25 分钟，转向缸的加工时间约为 17 分钟，粗略计 算得出该工位用于铰接座加工的机床为1.6台， 因此该工位的生产节拍是25/1.615.6分钟/台16 分钟/台。该工位的产能刚好能满足生产节拍的需求。 2 2.3.3.6 .3.3.6 前车架拼焊前车架拼焊 前车架拼焊工位是将完成的部件和其他零件在拼装机台上拼焊成完整的成形车架。 工序分为 两个步骤，第一步是将各个部件和零件用龙门架安置到拼装机台上，调整位置尺寸后固定，这一 步通常需要 20 分钟，第二步是将各个部件和零件的连接处焊接起来，但并不考虑其力学性能要 求，只起到连接固定作用，这一步通常需要 20 分钟。拼焊工位一共有 6 个拼装机台，3 个用于 大型车架，3 个用于小型车架。一台前车架的完工时间为 40 分钟，考虑到车型的通用性，生产 节拍应为 40/313.3 分钟/台16 分钟/台。因此该工位的产能可以满足生产节拍的需求，且工人 的空闲时间至少为（13.3-16）/1617%。完工成形后的前车架将被转运到旁边的总成焊接工位， 固定到焊接架上。 2 2.3.3.7 .3.3.7 前车架总成焊接前车架总成焊接 成形的前车架只是外形上符合了工件的要求， 但实际的力学性能是无法承受整车运作的要求 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 18 的，因此，前车架上每个接缝处都必须重新焊接加固，这就是总成焊接的工作。该工位上有 20 多个焊接架，每班约有 15 个工人。总成焊接的加工时间取决于车架的大小，小型车架通常在 3 小时左右，大型车架通常在 4 小时左右，如果当班没有完成的车架，通常就放置在焊接架上，隔 一班后由原加工工人完成。设定车架平均完工时间为 210 分钟，则该工位生产节拍为 210/15=14 分钟/台16 分钟/台，该工位产能不足，且由于 是机床数导致的瓶颈，只能通过加班赶工来完成生产任务的要求。而实际生产中，为了节约换模 时间，3 台机床被规定为其中两台专门加工大型车架，一台专门加工小型车架。因此导致前后库 位区积压了大量未加工和待加工的钱车架。 加工好的车架就堆放在该工位附近， 然后根据涂装工 段的需求，由叉车转运至涂装工段入口，安放到涂装流水线上。 2 2.3.3.9 .3.3.9 小结小结 将各工位的加工时间定义为长度，产能（与生产节拍的反比值）定义为宽度，则得到每个工 位的矩形示意图，按照加工流程排列得到如下产能示意图。 侧框拼焊 铰接座 拼焊 翻斗 缸 拼焊 铰接座 及 翻斗缸 铣床 翻斗缸 附件拼 焊 前 车 架 拼 焊 前车架 总成焊接 前车架 机加工 铰 接 座 镗 孔 侧框拼焊 铰接座 拼焊 翻斗 缸 拼焊 铰接座 及 翻斗缸 铣床 翻斗缸 附件拼 焊 前 车 架 拼 焊 前车架 总成焊接 前车架 机加工 铰 接 座 镗 孔 图 11 前车架产能示意图 figure 11 schematic diagram of front frame capacity 有图示可发现，瓶颈工位在前车架机加工工段，且主要在制品库存出现在产能缩小处。 2.4 前车架工段在制品库存量过高原因与对策分析 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 19 通过对前车架工段工艺流程的分析， 结合公司计件制工资的薪酬制度， 可将前车架工段在制 品库存量过高的原因归结为以下两点: 1）前车架工段各个工位的生产能力严重不均衡，尤其是车架机加工工段，需要额外加班5 个小时才能完成一天的工作量。 为了降低生产波动所带来的影响， 满足下游工序和工厂的产能要 求， 工位与工位之间的必须有足够的在制品库存。 对于车架机加工工段前后两端的在制品库存来 说，情况尤为严重。一方面它的生产能力小于车架焊接工段的生产能力，在正常工作时间内它无 法及时消耗车架焊接工段所产出的在制品，导致大量在制品在车架机加工之前堆积。另一方面， 在加班时间内， 为了弥补车架机加工工段生产能力上的不足， 车架机加工工段又生产过多的在制 品，堆积到下游的在制品库存。 2）计件制工资的薪酬制度进一步造成了在制品大量堆积。这是因为在计件制工资的薪酬制 度下， 工人从自身利益出发， 仅关注自己的工作量， 而不在意工厂的实际需求。 因此只要有可能， 工人都将满负荷工作，以获得最大的收益。从表面上看，计件制工资体现了按劳取酬、多劳多得 的分配原则，同时由于劳动产量与个人利益直接相关6。但计件工资只与工人的生产效果挂钩， 而不与企业的经营效果挂钩7。如果某工位的生产能力超出工厂的实际需求，位于该工位之后的 在制品库存就很有可能发生库存浪费。 从前车架加工工段的实际情况来看， 一方面在制品库存已 经超出实际生产需要， 另一方面， 工人在受计件制工资的激励下还在不断的进行生产。 也就是说， 对于前车架加工工段，计件制工资的薪酬制度已经和工厂的利益发生了一定的冲突。 因此，为了减少前车架加工工段在制品库存，可有针对性的采取三个手段： 1） 设定合理的在制品库存上限。 前车架机加工工段的在制品库存量过高一方面固然是因为各工 位加工能力不平衡和计件制工资的薪酬体系对工人的刺激作用， 另一方面也是由于在前车架加工 工段没有设定在制品库存上限， 在生产时无法判断在制品库存以否已经达到生产需求。 因此在前 车架加工工段设定在制品库存上限，可以起到约束在制品库存量的作用。需要注意的是，在制品 库存的上限不能设置的太低， 否则就有可能因为在制品库存不足出现生产能力无法满足生产需求 的状况。 所以我们需要通过研究得到各个工位之间的在制品库存上限值， 便于在生产中指导生产 和约束在制品库存量。 2） 建立对现场生产实时监控的信息平台。通过及时了解在制品库存的数量及种类，来人工进行 产能的调整，避免个别工位的产能过剩而导致在制品库存超标。由于实际条件的制约，生产管理 尚不可能实现物料的电子信息化，因此，本文研究的目标是简单易行的看板系统，并且这一看板 是工人可以自己录入并自己更新的。 3） 优化计件制工资体系下的人力资源配置。 由于现在前车架的人力管理模式还是简单的定岗定 人，因此，基于人力输出的工位实际上产能的弹性和变动性都很大。虽然工种间差异不大，但是 上海交通大学工程硕士学位论文 第 2 章 前车架工段在制品库存现状分析 20 由于计件制工资的影响， 工人不愿意更换工种而导致自身生产能力的降低。 为此我们要在原本单 一的计件制工资基础上进行改革， 希望通过改制后的激励体制， 疏导由于在制品库存上限所带来 的过剩劳力，用于补充产能不足的工位，以达整体产能的优化和平衡。 2.5 小结 本章节在一开始就量化地指出了前车架工段在制品高库存的问题， 然后通过逐层分析前车架 各个工位的流程和产能，找到问题的症结。基于症结，以及上海机械生产环节的特殊性，我们找 到了三个方向进行研究和探索， 以期实现从多角度控制在制品库存并解决其背后的根本问题 产能不平衡。 在下一章中，我们应用仿真软件，对前车架加工工段的生产进行离散事件仿真建模，研究和 验证符合前车架机加工工位生产需求的优化调度方案及合理的在制品库存上限， 从而降低整个工 段的在制品库存量，提升工段的生产能力，让整个系统更加”精益”。 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 基于离散事件仿真的前车架工段在制品库存研究 21 第3章 基于离散事件仿真的前车架工段在制品库存研究 3.1 离散事件仿真简介 离散事件仿真是一种帮助人们研究系统行为的工具。在离散事件仿真中，对象系统的活动 被描述为一系列按时间次序的事件8。一个离散事件仿真系统中通常包括以下五个要素： 1. 仿真时钟 2. 事件表 3. 随机数发生器 4. 数据统计 5. 终止条件 离散事件仿真被广泛应用在制造、物流等系统的研究中。文献9利用离散事件仿真研究了 生产物流系统的在制品库存控制技术。对需求平稳化、生产延迟、恢复库存原则等三种在制品库 存控制策略做了仿真比较，同时分析了需求波动时系统参数对在制品库存的影响. 文献10研究 开发了基于 witness 仿真技术的生产物流系统仿真模型。以企业利润最大化为目标,构建了目标函 数。利用 witness 软件的优化器对目标函数进行优化分析，最终确定最优方案指导现实系统。 文献11使用离散事件仿真方法优化了组件的库存水平。而文献12对一个集装箱码头的到 达、 停靠和离开等活动构建了排队论模型。 使用离散事件仿真方法对该集装箱码头的泊位安排和 资源利用进行了优化。 由此可见离散事件仿真方法能够在复杂制造系统、物流系统优化问题的研究中取得良好的效果。 本文也将通过离散事件仿真方法对前车架加工工段进行仿真建模， 分析不同调度规则对工段生产 能力的影响，确定合适的加班时间，研究最佳的在制品库存量的上限值，优化该工段的在制品库 存水平，从而提高生产效益。 3.2 前车架加工工段离散事件仿真建模 3.2.1 arena 离散事件仿真软件概述 arena 是 rockwell automation 公司旗下的离散事件仿真软件。它通过使用层次化的建模体 系以保证灵活地进行各个水平上的仿真建模。arena 建模体系的第一层是各种过程语言（如 vb、 c/c+） ，常用于复杂建模过程或者对模型中的流程进行复杂的控制。第二层是基础模块即 siman 模块，包括 blocks 模块和 elements 模块。它们由 siman 语言编写，继承了 siman 语 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 基于离散事件仿真的前车架工段在制品库存研究 22 言灵活建模的特点。第三层是通用模块，主要包括 advanced process 模块、advanced transfer 模 块和 basic process 模块。该层模块大多用于概括性的描述系统中的流程，例如加工一个零部件， 处理一位顾客的投诉等等。第四层是应用方案模板（简称 ast） ，应用这些模板可以使用户在特 定领域进行更加合理的仿真建模。arena 建模体系的最高层是根据企业自身的需求进行用户自定 义模板的开发。所以用户既可以使用 arena 自身提供的标准模块，也能够按照自身的需要构建和 定义新的模块。运用恰当的模块，用户可以描述现实模型的方方面面：既可以描述“按下按钮” 这类小事件，也能方便的描述整个加工过程。arena 正是通过可视化的仿真环境将各层次的建模 方法交替使用，获得不同的建模能力。由此可见，arena 提供了一个可以适用于各种建模水平的 仿真环境，兼备易用性和灵活性两方面的优点，能够应用于各种离散事件系统的仿真，例如: 1) 详细地分析任何制造业系统（材料加工处理） ； 2) 分析复杂的用户服务和用户管理系统； 3) 分析包括仓储业、交通运输、物流业在内的全球供应链； 4) 预测系统的性能，其功能的实现基于以下的一些关键指标：成本、生产量、周期和利用 率； 5) 用于辨识过程中的瓶颈部分，例如排队过长和资源的过渡利用； 6) 用于人力资源、装备和材料的需求分析。 下面简单介绍一下本文中用到的部分模块。 : : : : create 模块. 该模块按照指定的到达间隔、到达数量、最多到达数量 等参数生成一个或者多个实体(entity). 实体可以是具有实际意义的， 比如车间中的在制品，也可以是虚拟的，用来完成特定的逻辑过程. dispose 模块. 该模块用来销毁仿真模型中不再用到的实体. decide 模块. 通常用来执行逻辑判断，根据判断结果将实体导向不 同的流程. process 模块. 该模块通常用来模拟加工、 处理业务等过程. 这些过程 通常占用某些资源(设备、人力等)，有一定的耗时. 上海交通大学工程硕士学位论文 第 3 章 基于离散事件仿真的前车架工段在制品库存研究 23 : : : : 3.2.2 前车架加工工段 arena 仿真模型 在 arena 可视化仿真环境中构建离散事件仿真模型类似于绘制对象系统的流程图。用户按 照实际对象系统中可能发生的事件以及逻辑，将需要使用到的模块拖拽到软件窗口中 ，然后按 照先后次序及逻辑关系用连线将各个模块连接起来。 依据前车架加工工段的工艺流程，前车架加工工段的 arena 仿真模型总体框架可以搭建如 下: assign 模块. 该模块可以对模型中的变量、实体的属性进行赋值. hold 模块. 该模块可以将一些实体暂存在一条队列中. 在本文中， 该 模块主要用来模拟在制品库存. remove 模块. 该模块可以用来将指定队列中的指定实体移出该队 列，并按照连线将该实体导向下一个流程. route 模块. route 模