基于价值流及仿真分析对于回转支承生产线的改善

童华刚， 张洪亮， 吴玉国

(安徽工业大学 1.管理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243032； 2.机械学院，安徽 马鞍山 243032)

基于价值流及仿真分析对于回转支承生产线的改善

童华刚1， 张洪亮1， 吴玉国2

(安徽工业大学 1.管理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243032； 2.机械学院，安徽 马鞍山 243032)

利用价值流对传统的机械加工厂进行分析，发现其物流混乱以及生产线平衡率较低等问题，利用精益生产的方法，制定改善方案。针对价值流只能静态短时间内反映生产情况，本文将价值流与Flexsim软件结合，以弥补价值流缺陷。与传统通过规划设计未来价值流不同，本文利用仿真软件确定价值流图各个工序之间的间隔时间以及超市容量。

精益生产； 价值流； 系统仿真; 生产线平衡

价值流技术作为精益生产的重要工具，在工厂实施精益生产中有着极为重要的应用。价值流图可以轻易在图中识别生产的增值以及非增值时间，剔除不创造价值的步骤，避免时间、人员和物料的浪费[1]，提高企业效益以及竞争能力。例如，谢庆红等[2]将装配问题细化，选取其中最为重要的部分进行分析，提高企业的增值比；缪周等[3]利用价值流对生产线进行再设计，以改善生产线不平衡；刘晓冰等[4]利用价值流对复杂装备进行分析，在复杂装备生产中推行精益生产。再者，便是价值流变形应用。例如王道平等[5]将价值流运用到企业内部供应链的知识流中。但是价值流技术存在很多的缺陷，它只能静态地反映工厂中的一段时间的生产过程。在国外研究中，价值流技术与仿真相结合以弥补价值流的缺陷。比如，Gurumurthy[6]利用价值流分析工厂生产过程，并用仿真软件动态模拟工厂以实施精益生产；Jeong等[7]将价值流与仿真结合解决工厂设施规划等问题。

在绘制未来价值流图时，未有确定合适超市容量以及各个工序需要等待时间的方法，往往都是采用给出时间的范围，工厂实际的生产周期难以确定，影响企业组织生产。本文在Flexsim对工厂进行动态仿真基础上，利用软件的仿真功能，确定各个工序所需等待时间以及超市容量。

1 现状价值流图分析

G公司是集设计、开发、制造于一体的回转支承专业化生产公司。G公司生产产品品种较多，工艺复杂。其中A产品是众多产品中加工时间长，工序复杂，而且销量较大的产品。经过对A产品的各个加工工位加工时间的反复统计，记录其实际平均操作时间和等待时间，绘制出价值流图如图1所示。

图1 回转支承内外圈现状价值流图Fig.1 The current value stream mapping of slewing bearing

其中，C/T表示加工时间，C/O表示换模时间，A/T表示有效时间，η表示机器利用率。

回转支承是由内圈和外圈装配而成，加工工艺以及所用时间都不相同，所以需要对内圈和外圈分别进行分析。根据价值流图分别计算内圈外圈的增值比对加工过程中的增值时间(AT)、非增值时间(UT)以及增值比进行分析，增值时间单位是秒(s),非增值时间单位是天(d)。

内圈的增值比计算：

外圈增值比计算：

其中AT2表示外圈的增值时间；UT2表示外圈的非增值时间。

由价值流图分析，内圈和外圈加工的增值比都非常低。根据价值流图的数据以及工厂系统的调查分析发现工厂生产线存在着诸多问题。

1)生产线布局不合理。

G公司是传统的机械加工行业，采用机群式的布置方式。为了完成产品的加工必须对半成品在各个工序之间进行搬运，A产品内圈和外圈加工物流路线如图2所示。

由设施布置图可知，车间“乱流”程度高，物流路线重复度较高。导致产品的加工周期变长，而且一旦出现残次品，很难追根朔源[8]。物流路线重复度高，在调用行车的时候容易出现安全事故。

2)工厂采用典型的推式生产方式以及机群式布置，生产线出现大量的半成品，各个工位都必须设立在制品库存以满足生产的需要。而且随处可见的在制品占用了大量的工厂面积和资金的同时，也提高了工厂的运营成本。

图2 工厂布局以及物流路线图Fig.2 Layout and logistics roadmap of factory

3) 内圈和外圈生产线平衡率较低。

根据价值流图计算可知内圈的生产线平衡率为

同理，计算出外圈生产线平衡率为54.41%。由计算可知内圈和外圈的生产线平衡率较低。

2 制定未来价值流图

2.1 布局改善

为了实施拉动生产以及尽可能地发展连续流，必须改变工厂的布局方式，以减轻“乱流”程度。工厂原先使用的是机群式的布置方式，需要将其改进为按产品原则布置。布置方式以及内圈外圈的物流路线如图3所示。

改善过后的工厂布局“乱流”程度得到改善，而且物流路线重合以及回流程度都明显降低。

2.2 生产线平衡

生产线平衡问题是生产流程设计及作业标准化过程中关键的一环[9]。

1)瓶颈工序的优化。

经过现状价值图分析，内圈加工时间最长的是插齿，插齿有3台普通机床和1台铣床，其中铣床是加工工件厚度超过900mm的工件，实际加工中24件产品共用了49 464s，所以该工序实际时间只有2 061s，低于装配以及粗车等工序时间。工厂加工的瓶颈工序是装配，经过现场观察发现装配工序有3人加工，其中1名工人进行清理，1名工人进行装配，还有1名工人进行打包，需要的时间分别是410s、600s和2 084s，可以将清理和装配工序进行合并，另外2人进行打包，这样该工序耗时2 054s。接下来，工厂加工的瓶颈工序是粗车，经过现场研究发现，由于加工机床的限制，在加工内圈时候不能直接全部粗车完毕，中途需要将工件翻转以完成全部加工，受现场环境的制约无法将内部换模转换成外部换模。改善方案，工件翻转之后直接将工件送到半精车，由半精车机床完成余下的工序。由于第1步粗车结束之后，工件厚度变小，半精车可以直接将翻转之后的工件加工完毕，而不需要再进行翻转。这样粗车加工时间为1 846s，半精车加工时间变为2 051s。接下来齿轮淬火就成为瓶颈工序。经过观察发现，淬火工序的工人在进行加工的时候需要按照一定的规律进行齿轮淬火以满足性能要求，但是工人加工时往往要花费很长时间去寻找先后加工部位，尤其对于不熟练的工人往往会使加工顺序出错,影响工件性能。在装夹处设置钢圈并且以不同颜色标记好加工先后步骤，加工时间减少为2 006 s。

图3 改善过后的工厂布局以及物流路线图Fig.3 Layout and logistics roadmap of factory after improving

车磨成为加工的瓶颈工序，由于车磨除了装夹之外都是由磨床自动加工完成，加工时间也低于顾客需求节拍，所以瓶颈工位的优化结束。

外圈的加工工序都低于生产节拍而且节拍时间与内圈生产节拍大致相同，所以无需进行优化。

2)进一步提高生产线平衡率。

经过一系列瓶颈工序的优化，加工的瓶颈时间降低在工厂的需求节拍时间之下，但是各个工序的加工时间不一导致生产线不平衡。所以进一步提高生产线平衡就必须要使各个工序的时间尽量保持一致。

内圈的加工时间最短的工序是滚道淬火，滚道淬火工人在完成本工作的同时还需要负责最近插床，进行插齿加工，滚道淬火加工时间延长1 326 s。外圈的半精车和滚道淬火工序合并，合并过后的工序加工时间为1 810 s。内圈和外圈的粗加工工序是由2人分别完成，但是经过人机作业分析发现，内圈和外圈的粗加工可以由1名工人完成。将原本由2人完成的粗车工序减少为1人，内圈加工时间延长为2 068 s。同样，经过人机作业分析发现，稍微延长内外圈的精车加工时间，内外圈的精车工序便可由1名工人完成，加工时间分别为1 806 s和1 765 s。

2.3 发展连续流

在使生产线平衡之后，实施拉式生产以减少在制品库存。在实际生产中，工厂顾客需求变动性大而且难以预测，生产线上经常无法按照原有的生产计划生产，从而形成大量的在制品库存，在制品库存虽然能够保证连续生产，但是各个工序犹如信息孤岛，在制品库存不但不可以保证连续性的生产，还给公司经营管理带来负担，造成巨大的浪费[10]。采用拉式生产的方式可以减少在制品库存，以顾客需求为导向，使用看板系统拉动生产。

连续流是指生产一个、传送一个、检查一个的方式进行生产。它是消除库存和提高效率的方法。在连续流无法向上游扩展时使用超市控制生产。在回转支承的加工中，将内圈的粗车和半精车工序实施单件流的形式，粗车完毕后立马运送到半精车。由于工厂每天只开炉一次，连续流的生产方式在此处难以进行下去，所以在此处设立超市，以尽可能地实现连续的生产流程。工厂在进行最后装配时，由于内圈和外圈进入时间不同，所以也需要设置超市拉动生产。

3 基于Flexsim绘制未来价值流图

Flexsim是美国Flexsim公司开发的一款集成了C++和编译器的仿真软件，是一款对离散事件进行仿真的系统仿真软件[11]。

3.1 仿真模型布局设置

根据加工布局图，在仿真软件中设置时间单位为s，长度单位为m。根据工厂的实际情况，在仿真软件中该工厂加工的布局图如图4所示。

图4 Flexsim中的工厂布局图Fig.4 Layout of factory in Flexsim

在该软件中，仿真过程具体的部位使用说明如表1所示。

表1 软件模块说明表Tab.1 Introduction of modules about software

经过该工件加工各个工序的多次统计，选取平均值作为该工序的装夹、加工和卸载时间。其中装夹时间在机床加工的预置时间内设定；加工时间在机床加工时间设定；卸载时间以全局表的形式，由行车进行读取和执行。

工厂加工时热处理是成批进行加工，所以在暂存区设置批量发送，目标批量设置为1 000(这样暂存区就不会以批量数量作为发送的条件)，最长等待时间设置为5.5 h，这样热处理就可以进行批量加工。由于进行热处理之后，工厂下班，工件冷却是在加工结束之后，所以在仿真环境中可以直接将热处理之后的工件直接由拖车送到精车进行加工。

通过设置任务序列和在行车触发器中编写代码，完成工人调用行车的动作。

最后，设置运行时间为22 d。

3.2 运行模型及绘制未来价值流图

首先，确定超市容量并且希望通过控制超市容量就可以控制最后的成品[12]，经过在Flexsim中不断地实验，得出超市的容量与最后成品的数量如图5所示。

图5 超市容量与产品数量关系图Fig.5 The diagram of capacity and quantities

根据图5，按照每月的生产数量设置超市的容量实现对生产过程的控制。所以当入库暂存区在制品数量达到17件时，每月成品数量为214件，满足生产需求。所以设置超市容量为17，既满足生产要求，又能达到降低库存的目的。

3.3 绘制未来价值流图

通过Flexsim的标签功能，确定各个工序所需要的等待时间，绘制价值流图如图6所示。 根据系统仿真的结果，工厂改善结果如表2所示。

表2 工厂改善情况对比表Tab.2 Comparison of ameliorative and original factory

4 结论

价值流图是精益生产的可视化分析工具，有助于人们科学地发现并改善生产流程中的瓶颈。但是价值流的应用只能静态地反映工厂很短时间内的生产现状，系统仿真技术能够很好地弥补这一缺陷。在利用价值流识别出工厂现阶段的问题之后，仿真技术动态模拟生产可以发现实际生产过程中的问题，在此基础上提出改善方案，更加适合于工厂。而且系统仿真的结果又可以作为工厂实施改善方案的评价依据。

图6 工厂未来价值流图Fig.6 The future value stream mapping of factory

[1] 李军. 基于价值流的胖轴精益生产分析[J]. 工业工程与管理, 2008, 13(6):128-132.

LI Jun. Optimization of sulfldation machine chief axle process applied on value stream[J]. Industrial Engineering and Management, 2008, 13(6):128-132.

[2]谢庆红, 王小彬, 潘志霄. 基于价值流图析的复杂产品装配优化研究——以G公司DM3生产装配优化为例[J]. 工业工程与管理, 2013, 18(4):117-121.

XIE Qinghong, WANG Xiaobing, PAN Zhixiao. Optimization study of complex production assembly based on value stream mapping[J]. Industrial Engineering and Management, 2013, 18(4):117-121.

[3]缪周, 徐克林, 李振飞. 基于价值流图的生产线再设计:案例研究[J]. 工业工程, 2009, 12(5):115-119.

MIAO Zhou, XU Kelin, LI Zhenfei. Production line redesign by using value flow diagram: a case study[J]. Industrial Engineering Journal, 2009, 12(5):115-119.

[4]刘晓冰, 周春柳. 基于价值流的复杂装备精益改善研究——以某机车车辆柴油机公司连杆加工为例[J]. 工业工程与管理, 2015(6):137-144.

LIU Xiaobing, ZHOU Chunliu. Research of lean improvement using value stream in complex equipment manufacturing industry[J]. Industrial Engineering and Management, 2015(6):137-144.

[5]王道平, 张学龙, 黄佳媛. 企业内部供应链中知识流的价值流图析[J]. 工业工程, 2011, 14(4):145-150.

WANG Daoping, ZHANG Xuelong, HUANG Jiayuan. Knowledge flow analysis for ignition coil production by using value stream mapping[J]. Industrial Engineering Journal, 2011, 14(4):145-150.

[6]GURUMURTHY A. Design of lean manufacturing systems using value stream mapping with simulation[J]. Journal of Manufacturing Technology Management, 2013, 22(4):444-473.

[7]JEONG K Y, PHILLIPS D T. Application of a concept development process to evaluate process layout designs using value stream mapping and simulation[J]. Journal of Industrial Engineering & Management, 2011, 4(2):206-230.

[8]刘树华，鲁建夏. 精益生产[M]. 北京: 机械工业出版社，2010.

[9]荆全忠, 杨晶. 基于价值流图的抽油杆生产线平衡优化研究[J]. 工业工程与管理, 2014, 19(5):18-23.

JING Quanzhong, YANG Jing. The balancing optimization of sucker rob production line based on value stream mapping[J]. Industrial Engineering and Management, 2014, 19(5):18-23.

[10] 庄薇, 陈勇, 阮幸聪,等. 基于价值流的电动工具生产线分析与改善[J]. 工业工程, 2011, 14(2):122-126.

ZHUANG Wei, CHEN Yong, RUAN Xingcong, et al. Value stream-based analysis and improvement of electric power-driven tool production line[J]. Industrial Engineering Journal, 2011, 14(2):122-126.

[11]龚立雄, 谭国, 黄敏. 基于 Flexsim 的摩托车涂装生产线仿真与优化研究[J]. 工业工程与管理, 2014(3):122-126.

GONG Lixiong, TAN Guo, HUANG Min. Simulation and optimization of motorcycle coating product line based on Flexsim[J]. Industrial Engineering and Management, 2014(3):122-126.

[12]XIA W, SUN J. Simulation guided value stream mapping and lean improvement: a case study of a tubular machining facility[J]. Journal of Industrial Engineering & Management, 2013, 6(2):456-476.

The Improvement of Rotary Bearing Production Line Based on Value Stream Mapping and Simulation

TONG Huagang1，ZHANG Hongliang1，WU Yuguo2

(1. School of Management Science and Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China;2. Mechanics Institute, Anhui University of Technology, Maanshan 243032, China)

Value stream mapping is used to analyze traditional machinery factory. Lots of problems like confusion of logistics and imbalance of the production line are found. After that, lean production is adopted to deal with these problems. However, only a period of time in factory can be described by value stream mapping. Flexsim is a key point in dealing with shortcomings of value stream mapping. After analysis of lean production, scenario of improvement can be verified by Flexsim. A final scenario would be established by a statistic report of Flexsim and lean skills.

lean production; value stream map; simulation；line balancing

2016- 07- 11

安徽省教育厅人文社科重点资助项目(SK2016A0168)；安徽省社科联社会科学创新发展课题资助项目(A2015070)

童华刚(1992-)，男，安徽省人，硕士研究生，主要研究方向为精益生产.

10.3969/j.issn.1007- 7375.2016.06.016

TH166; TG65

A

1007-7375(2016)06- 0105- 06