基于產品家族化分類的快速換線

摘 要：小批量多品種生產模式漸漸取代了大規模批量生產模式，而這種生產模式使得生產線換線頻次增加，換線時間較長增加了生產成本。產線具備一定生產柔性可以減少加工制造不同產品之間的轉換作業，依據產品加工設備的相似程度將產品分族，同一家族的產品在同一條產線上轉換，換線時間明顯少于非家族內產品之間的轉換。

關鍵詞：小批量多品種；生產柔性；產品分族；快速換線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.215

1 引言

隨著社會的發展，人們的個性化需求不斷增長，傳統的大規模批量生產方式已經不能滿足客戶的多樣化需求。目前，一些加工制造企業正在向小批量多品種生產方式轉變，而這種轉變使得生產線換線頻次增加，從而增加了生產成本。為了達到更好的客戶體驗，在保證準時交貨的前提下滿足客戶多品種小批量的生產需求，生產線的轉換必須在盡可能短的時間內完成，只有這樣才能保證企業的競爭力，降低小批量多品種生產模式的成本劣勢。一般的企業在引進快速換線時，往往考慮的都是兩種產品之間的轉換，對換線流程加以改善，以及對換線所使用的工具加以改進，從而達到縮短換線時間的目的。然而，大多數制造企業生產的產品不僅僅是一兩種而已，少則數十種，多則上萬種。雖然這些產品的加工工藝會有所區別，但是，它們在加工制造過程中所使用的加工設備在一定程度上會有所相同或完全相同。加工制造設備相似度較高的兩種產品之間的轉換作業要遠遠少于加工制造設備相似度較低的兩種產品，從而很大程度上縮短了換線時間。

本文依據產品加工制造所使用的設備相似程度，將產品家族化劃分，詳細探討了家族內產品之間的轉換優勢，以及家族內產品之間的換線流程改進，以實際案例分析了家族內產品轉換為生產線所帶來的時間效益。

2 快速換線

2.1 換線相關概念

快速換線也叫快速換型，又稱單但分鐘快速切換（SMED），指通過精益生產的理論，將原材料的更換、治夾具的更換、產品首件的確認等時間盡可能的減少的一種過程改進的方法。

產品換線：又稱為產品轉換，是指生產線從生產某一型號或種類的產品轉換到生產其他型號或種類的產品的過程。轉換過程中會涉及到人員的調動、物料的更換、設備的調試、產品加工方法的變更等與生產相關的作業。

換線時間：是指從上一個品種的產品生產結束到下一個品種的第一個合格產品產出，并確認設備運行狀態所消耗的時間。換線時間屬于沒有價值產出的浪費時間，但換線作業是無法消除的，只能盡可能的縮短。

內部作業：指生產停滯時所進行的換線作業，內部作業時間即只有當產線停下來才能進行的作業所需要的時間；

外部作業：指生產進行的同時所進行的換線作業，外部作業時間即可以在產線運行的情況下進行的作業所需要的時間；

2.2 快速換線的步驟

（1）區分內部作業與外部作業：分析現有換線作業流程，將內部換線作業與外部換線作業區分開來，明確內部作業時間與外部作業時間；

（2）內部作業外部化：將一些以前內部的準備性作業外部化，減少內部換線作業；

（3）縮短內部換線作業時間：對作業方式進行改進，將設備的裝卸夾具、工具簡單化、標準化；

（4）改善外部換線作業時間：減少搬運距離，人員走動，增加生產現場的5S管理。

3 產品分族

產品分族原理：產品分族，也叫產品成組技術，一個企業生產的產品，從市場的角度來看有成百上千種，甚至成千上萬種，但是，對于一個企業的生產部門來說，從加工工序與加工流程的角度來分析，一般都能夠將生產的產品分成幾大類，分類的依據可以是產品加工過程中的關鍵機器設備，以關鍵設備為依據，對生產流程進行分類的過程就是產品分族。

3.1 產品族加工工序關鍵設備矩陣

根據生產現場的實際情況，依據需求將產品分為若干個家族。產品族個數不宜過多，也不宜過少，家族過多需要生產現場具備足夠多的空間、生產線、設備，這樣勢必會增加生產成本，達不到快速換線降低生產成本的目的；家族過少，一方面不能完全體現出產品分族以后產品切換的優勢，另一方面不能滿足客戶對于產品交貨期的要求。本文依據產品加工過程中會用到的關鍵設備將產品家族化分類，建立產品族加工工序關鍵設備矩陣，如表1所示，表的左側一列是產品族，表的上面一行是工序關鍵設備KD，矩陣中用0、1代碼表示產品族與關鍵設備的對應關系：0代表此產品族中不包含相對應的關鍵設備，1代表此產品族中包含相對應的關鍵設備。

3.2 產品家族化相似度矩陣

當一種新的產品加入訂單時，或多或少都會與部分家族或所有的家族具備一定的相似性，按照其相似指數的高低進行排序，將其歸為相似指數最高的家族系列。相似指數用P來表示，相似指數計算公式如下：

P（NI）=S（NI）/S（TI）=S（NI）/（S（N）+S（I）-S（NI））

P（NI）：產品N與產品族I的相似指數；

S（NI）：產品N與產品族I相同關鍵設備的數量；

S（TI）：產品N與產品族I關鍵設備的總數量；

S（N）：產品N的關鍵設備數量；

S（I）：產品族I的關鍵設備數量。

由此建立產品家族化相似度矩陣，如表2所示：P0001A表示序列號為0001的產品與家族A的相似指數。

4 案例分析

本文的案例研究對象是一家醫療電子制造企業，生產線以U型單元式布局方式，主要的原材料為線材、膠料、PCB線路板，主要的加工工藝為裁切、焊接、打端子、成型、開剝、組裝等。客戶需求為典型的多品種小批量模式，為了滿足客戶交貨期的需求，以及盡量節約生產空間，減少庫存水平，必須頻繁切換。降低換線時間可以有效的減少浪費，提高生產效率。

本文以A、B、C三種產品為研究案例，其具備如下特點：

（1）A產品與B產品屬同一家族；

（2）A、B產品與C產品屬于不同的家族；

（3）B、C產品均屬于在生產產品，A產品屬于將要切換的產品；

（4）B、C產品所在的生產線，均可滿足A產品的交貨期要求，且C產品所在的產線能夠使得A產品交貨期提前，在隨機選擇過程中優先選擇；

（5）加工設備數量足夠；

B、C三種產品的加工過程關鍵設備矩陣如表3所示：

4.1 目前產品之間的換線流程

根據目前企業實際生產狀況，該生產車間共有12條生產線用來生產小批量的訂單，現場經常出現的狀況是：部分產線經常處于空閑狀態，部分產線卻不能按時完成訂單的交貨期要求；經常發生產線之間設備使用沖突；每次產品之間的切換時間過長，異常頻繁發生。企業通過一系列措施，設置了兩條備用產線，這樣雖然可以減少換線時間，卻造成了生產力的冗余。計劃部門對訂單的排序按照交貨期、訂單量、產品工時三個因素對訂單進行排程，在12條生產線中尋求能滿足交貨期的一條生產線進行排程，當所有產線均不能滿足交貨條件時，選擇離交貨期最近的一條生產線。由產品C到產品A 的換線步驟和換線時間如表4所示。

由表4中的數據我們可以發現，換線總時間長達192分鐘，而實際有價值的生產活動僅僅13分鐘，占總時間的6.77%，其余時間都是浪費。耗時最多的三項作業分別是安裝設備與治具46分鐘、現場等待驗收產品物料30分鐘、卸下設備與治具25.3分鐘，占總時間的52.6%。

4.2 家族產品之間的換線流程

依據產品分族原則將產品家族化分類以后，根據實際生產狀況，將原來的12條生產線縮減為6條，即產品分為6個家族，計劃部門在對訂單排程時，首先考慮產品在本家族內的切換，當在本家族內的訂單排序不能完成交貨期任務時，再考慮產品相似度較高的家族，依次類推，當多個產品同時排程時，產線優先考慮本家族內的產品。在這種狀況下的家族內產品換線步驟和換線時間如表5所示。

由表4與表5的對比我們可以發現，換線的總時間減少了67分鐘，其中內部作業換線時間減少了56.2分鐘，將總的換線時間降低了34.79%，內部換線時間降低了42.48%。數據表明，在不做任何技術改善的條件下，將產品家族化分類，族內的產品進行切換可以大幅度縮短換線時間，且縮短的主要是內部作業時間。

對換線的流程分析我們可以發現，目前耗時最多的作業為物料的驗收等待時間，等待本身就是一種浪費，可以通過企業內部的物料配送系統消除等待；為了更好的實施作業并行原則，將一些內部換線作業外部化，重新制定換線作業流程，首件確認作業現場化。改善后，新的產品切換作業流程及時間如表6所示。

由表6可知，換線的總時間為59.7分鐘，內部換線時間為29.1分鐘，換線總時間縮短了52.47%，內部換線時間縮短了61.84%。產生實際價值的作業為13.2分鐘，由原來換線總時間的6.77%提升到22.11%。

5 總結

縮短換線時間是企業追求精益生產的目標之一，本文通過對產品加工工藝的分析，依據關鍵設備可以將產品分族，家族內的產品切換時間要明顯少于相似度較低的非家族內產品的切換時間，特別是內部作業時間會在很大程度上縮減；通過優化家族內的產品切換流程、將內部作業外部化、改善切換工具、實施并行作業等一些技術方法，可以進一步縮短產品之間的切換時間。

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作者簡介：劉東升（1986-），男，河南周口人，在讀碩士，研究方向：精益生產。