優化產品設計對降低整車工廠人工成本的影響研究

蔣立立

優化產品設計對降低整車工廠人工成本的影響研究

蔣立立

（上汽通用汽車有限公司 整車制造工程部，上海 201201）

文章從整車工廠人工成本的定義和組成出發，論述了影響整車工廠人工成本的因素，并分析了目前的優化方式，即傳統精益生產方式的優點及不足之處。著重闡述早期產品設計優化對提升整車工廠制造效率、降低人工成本的益處和優化方法。

產品優化；人工成本；增值操作時間

前言

隨著汽車產業在中國的快速發展，汽車保有量近年來逐漸飽和，市場競爭日益激烈，汽車制造行業的利潤呈逐年下滑趨勢。汽車企業要在激烈的競爭中脫穎而出，需要在產品的質量和價格上建立優勢，在質量能夠滿足客戶要求的基礎上，不斷降低產品的成本。那么如何有效地控制生產過程中的成本，提升汽車企業的競爭力便是目前各個汽車企業急需考慮的問題。國民經濟的飛速提升使人工成本在汽車制造成本中的比例逐年上升[1]。因此，研究降低人工成本的方法并促進這種方法的應用，對于汽車企業的可持續發展具有重要的意義。

1 整車工廠人員成本的定義

對于整車工廠的人工成本和人員效率，有較多的衡量指標和方法。其中HPV 是一個比較常用的指標。目前大多數車企在研究和對標生產效率的時候，都已使用HPV作為指標，HPV是指整車工廠在每輛車上所花費的總人工工時，部分企業把HPV看作效率指標，但是從HPV定義上我們可以看出，HPV表述的是時間成本，所以把HPV看作人工成本指標更為準確。HPV一般比較適合用來對比制造類似產品，自動化程度相似的工廠。如果兩個工廠都制造緊湊型車、車身自動化率接近、零件外包的程度也類似，則用比較HPV的方法能夠很直觀快速的得到工廠的人工成本和人員效率水平。在美國olive wyman公司發布的全球汽車制造企業競爭力報告Harbour Report中，也應用了類似的指標HPU（Hours per Unit），以衡量包括整車、沖壓、發動機及變速箱四大工藝塊在某一周期內的人工成本。HPV的計算公式為：

式（1）中：

HPV——Hours Per Vehicle 每臺車所需的總人工工時；

Working Hours——工廠人員的出勤時間總和；

Volume——工廠產量。

HPV代表平均每生產一臺車所需要的人工工時，單位是時間。假設一個工廠有三大車間：車身、油漆、總裝。三大車間均為兩班兩運轉，工廠總編制數為1000人，年度計劃產量為24萬。則該工廠的年度HPV=1000人的總出勤時間/年度產量。若1000名員工均以年度預計工時2000小時出勤，則該工廠年度實際HPV=1000*2000/240000=8.33。這也表示，在該工廠三大車間的制造過程中，每臺車需要 8.33小時的人工工時。該公式適用于實際生產中HPV的狀態跟蹤。

在對工廠設定HPV指標時，計算公式也可以簡化為：

推導過程如下：

式中：

HPV——Hours Per Vehicle 每臺車所需的總工時；

T1, T2, T3……Tn——n名員工每名員工的出勤工時；

T1+T2+T3+…+Tn——n名員工的總工時；

T0——員工平均規劃出勤工時，假設與總生產時間一致；

HC——Headcount工廠總人員編制；

JPH——Jobs Per Hour 每小時產量；

Shift——班次數。

HPV的數值越低，則工廠的單車制造人工成本越低。從上述公式中可以看出，影響HPV的主要因素為工廠人員編制和JPH。其中工廠的JPH受到市場訂單和產能所影響，較難控制。那么人員編制的縮減則是降低HPV的最重要途徑。

2 傳統人員成本降本方法分析

制造企業傳統的人員編制縮減方法通常有兩個大方向：一是通過提高工廠自動化率，增加設備或者機器人代替操作人員來完成焊接、涂膠、上料、安裝等工作；其次是提升工廠操作員工的生產效率，消除浪費，不斷改進。第二個方向屬于傳統精益生產的研究方向。

2.1 提升工廠自動化率

提升工廠自動化率能夠快速有效地縮減制造所需人員，同時也會帶來數額巨大的投資，且國內包括合資品牌、自主品牌在內的很多廠商都采取了多種車型混線生產的策略，所以依靠增加單一設備來提升所有車型的自動化率在部分生產區域的實施難度較大。國內比較先進的整車工廠的車身車間焊點自動化率基本都已達到了90%以上；油漆車間由于新技術的引入，如：內表面噴涂機器人、LASD（Liquid Apply Sound Deadener：液態可噴涂型阻尼隔音材料）和3-WET工藝（三濕工藝）等，車間內的操作員工數量也處于逐年遞減的狀態[2]。相對的，由于總裝車間的柔性生產方式，零件數量多，且車型之間的差異較大，大部分操作需要依靠員工手工裝配來完成，自動化改進的機會相對較少，所以引進機器人所起到的人員縮編空間也相對有限。

2.2 提高工廠生產效率

而提高操作員工的生產效率，即傳統精益生產，在所有“有人的”車間都適用，且成本較提升自動化率來說要低廉得多。目前主流的生產效率提升方式有：5S（篩選、整理、清潔、保持、自律）、線平衡優化、TPM（Total Productive Maintenance全員生產性維修）、TIP（Throughput Improvement Process產能改進）、工位診斷、VSM（Value Stream Mapping價值流程圖），包括國內各合資車企所導入的外國車企成熟的精益制造體系，如通用的GMS、豐田的TPS、菲亞特克萊斯勒的WorldCLass等，都能夠快速地辨識現場浪費，并加以改進[3]。但是上述的所有精益生產工具、活動等均離不開“標準化→優化改進→標準化”的經典改善過程。也從側面說明了這些活動必須在產品正式投產，工廠穩定生產，把初步標準化工作完成之后才能進行。雖然可以有效地發現浪費、減少浪費并進行不斷改進，但是這類改善的方式方法普遍都缺乏新項目早期的優化手段，無法從源頭上驅動精益設計。

3 通過產品設計優化降低人員成本

3.1 產品設計優化對降低人員成本的益處

回到HPV，從人工工時的組成部分上分析，HPV可分為：增值操作時間（Value Added Time，一下簡稱VA），非增值操作時間、等待時間、鏈速影響（超速時間）、休息時間、質量檢查時間、返修時間、設備維修維護時間、物料運送時間、工程及管理時間。其中VA是HPV的基礎，指整車廠內的、增加產品價值的、用于安裝緊固零件的時間，也指客戶愿意花錢購買的操作時間，以時間為計量單位。操作員工從工位旁的料架上拿取零件，走到車旁，將零件安裝到車身上，在這一系列操作中，只有將零件安裝到車身上才屬于VA時間。HPV的其他組成部分均須按照VA來進行規劃和排布，在約束條件不變的情況下，HPV的其他組成部分與VA成正相關。因此降低VA在很大程度上是降低HPV最重要的工作，也是縮減人員成本最重要的一環。

圖1 整車工廠HPV組成

3.2 通過產品設計優化降低人員成本的方法

VA的主要影響因素是整車的手工裝配零件的數量及特征點，目前降低VA的主要方向有：設計優化、工藝優化、提升自動化率、零件總成外包。設計優化是指在新項目車型前期，通過設計上的變更，減少零件數量、特征點，以此減少員工的操作時間；工藝優化是指通過安裝環境、安裝工具（例如：工裝）的優化，縮短員工安裝同一零件的時間；自動化率的提升在上文已提到，需要花費較高的投資；零件總成外包也類似，將廠內零件自制委外至供應商處加工，也會帶來一定的投資。從上述的四個方向中我們不難看出，在新車型項目前期針對基本工程工時做產品設計優化，是最經濟最有效的方式，能夠幫助汽車企業從源頭上驅動產品工程精益設計，減少產品投產后的“工作量”。

從降低產品VA的角度出發，汽車的產品優化方向大致分為以下幾種：消除零件、合并零件、改變零件形式以及減少零件安裝特征。其中消除零件是指：在判斷某個零件在整車中已不產生作用后，取消該零件的整個制造過程。例如：近年各大汽車廠商的換代改型產品都配備了ETRS（Electron -ic Transmission Range Select），不再使用排擋拉索，在沿用上代車型的前圍鈑金上，則釋放悶頭用于遮擋，該悶頭和悶頭緊固點對整車沒有任何作用，可以進行消除，而鈑金上孔的消除也只需移除模具上對應的沖頭；合并零件主要是指汽車緊固點的合并、模塊與其承載支架的合并等；改變零件形式指連接形式變化：例如螺接改卡接、螺接改焊接等，使用VA更少的連接方式；減少零件安裝特征主要指從緊固點數量上、螺紋長度上進行優化。

對于上述四種降低VA的方法，均需要一個平臺或者活動進行實施。目前看來，以MR（Manufacturing Requirement制造需求）和VA Reduction Workshop（增值工時優化研討會）這兩種形式進行推進將最為有效。

圖2 某車型消除零件的優化案例

3.2.1通過MR和BP方案庫指導產品設計

MR是制造工程部門在新車型項目設計階段，向設計工程部門提供的制造需求。是使車輛能在工廠中生產制造的準則，包含：制造裝配順序、操作內容、尺寸策略、總成策略等。需要將適用于該新項目車型零件的精益設計BP（Best Practice），從“零件VA BP方案庫”中按照車型尺寸（Seg -ment）、車型種類（Sedan/SUV/MPV等）、車型豪華程度等篩選出來，作為制造需求輸入至設計工程。產品工程師需要按照MR的要求來設計零件，以保證該新項目車型的總體VA為同類車型中最優的。以MR形式輸入VA最優設計的方式，需要大量的車型設計和制造經驗，以及對其他車企競品車型的零件數據的累積，才能形成完整的“零件VA BP方案庫”。

3.2.2通過VA Reduction Workshop優化產品設計

圖3 VA Reduction Workshop開展流程

對于部分零件未涵蓋在現有方案庫中的情況，或者由于造型、功能性等要求，無法滿足VA相關的MR時，就需要聯合產品工程和制造工程共同開展VA Reduction Workshop，針對這部分零件進行研究和探討，確定優化方案并進行推進。該Workshop開展的時間節點的選擇，也是設計優化方案推進的關鍵。以國內某合資車企的整車開發流程為例，在整個產品開發周期中，DSI（Document of Strategic Intent）和VPI（Vehicle Program Intiation）這兩個項目大節點前后，分別與底盤結構設計和上車體造型設計的零件初步釋放時間段較為接近。若節點往前移，初版設計還未形成，可研究的零件數量較少；若workshop時間點往后移，則會錯過最佳的零件設計修改時間，那么在這兩個節點前后召開VA Reduction Workshop是較為合適的選擇。VA Reduction Workshop的開展流程詳見下方的流程圖。由于不同車企的組織機構、職責分工略有不同，因此本文所闡述的流程僅以工作內容為主，梳理了整個Workshop的工作方式。在整個工作流程中，除了進行Workshop之外還有兩個關鍵點：一是通過啟動會議獲得領導層的支持，可以自上而下的推進優化措施；二是將優化后的零件設計輸入至“零件VA BP方案庫”，由此不斷擴充方案庫的內容，從而更新和補充VA相關MR，形成閉環。以上是通過產品設計優化降低人工成本的主要方式。

4 總結

傳統精益生產工具和方法能夠幫助工廠在穩定生產的前提下，有效發現浪費并進行不斷改進。參與前期產品同步工程，進行設計優化降低VA，則能夠幫助工廠從源頭上減少新項目車型導入之后的工作量，從而縮減操作員工的數量，達到降低人工成本的目的。兩種方法相結合，傳統精益生產中的改進成果也可以指導后續改型車型或者下一代車型的優化方向，形成循環，不斷降低工廠人工成本。

[1] 孫海鋒.汽車總裝車間HPV降低方法及應用探討[J].北汽(廣州)汽車有限公司,2017,1(下),76-77.

[2] 朱開爾.基于增值操作工時的工廠人員規劃方法研究[D].上海:上海交通大學機械與動力工程學院,2016.

[3] 張鐵斌.一汽-大眾總裝車間精益生產應用研究[D].天津:天津大學管理與經濟學部,2010.

The Impact of Product Design Improvement on Vehicle Plant Labor Cost

Jiang Lili

( SAIC General Motors Co., Ltd Vehicle Manufacturing Engineering, Shanghai 201201 )

Starting from the definition and composition of labor cost in vehicle plant, this paper discusses the factors that affect the labor cost of vehicle plant, and analyzes the advantages and disadvantages of the current optimization mode which is the traditional lean manufacturing method. This paper focuses on the benefits and optimization methods of early product design optimization to improve the manufacturing efficiency and reduce the labor cost of vehicle plant.

Product design; Labor cost; Value added time

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.058

F273

A

1671-7988(2021)07-186-04

F273

A

1671-7988(2021)07-186-04

蔣立立（1990-），男，就職于上汽通用汽車有限公司整車制造工程部，從事工業工程相關工作。