人機分離技術在單元線設計上的應用

摘 要：豐田佐吉通過對織布機的自動停止功能的改進，使一個紡織工人操作多臺織布機，提高了生產效率。人機分離技術起源于豐田織布機的自動化技術，是低成本提高生產效率的有效途徑。

關鍵詞：人機分離、標準作業組合、成本、重復利用率

1引言

蘇州華旃地處長三角，其人力資源形勢的日趨緊張。設備代人已成為必然選擇。我司前期進行了大量的自動化投入，產品多品種、小批量、短周期生產的特點導致部分設備投入成本無法收回。本文是基于成本研究不同分離度的設備在單元線設計上的應用問題。

2人機分離

精益生產有兩大支柱，即：準時化和自動化。其中，自動化起源于1890年豐田佐吉對織布機的斷絲自動停機技術改進，逐步演化而來。人機分離則是實現自動化的主要方式。

2.1什么是人機分離

當設備在自動運行時，人可以離開，去操作另一設備或做其他工作，即人機分離。

2.2人機分離程度

人機分離程度劃分為A、B、C、D 4個等級，其中A等級分離程度最高，B至D依次降低：

①機器自身不能停止，需要人將機器停在恰當的位置，不實行分離;

②機器可以自動停在恰當的位置，分離程度最低;

③機器完成一個循環后停止，屬于D等級，為豐田常用等級;

④機器完成一個循環并由機器取下工件后停止，屬于C等級;

⑤機器完成一個循環、機器取下工件、安裝工件、啟動后停止，屬于B等級;

⑥機器完成一個循環、機器取下工件、安裝工件、起動機器并可以投料、搬運，屬于A等級，實現全自動操作。

2.3人機分離成本

在進行工序動作設計時，如不注重分離度與單元線節拍、作業組合的銜接，僅追求較高的人機分離程度（或水平），會導致設備投入成本提供、利用率減低。比如幾道工序一起實現自動化，看似生產效率提升，實則設備做成了專用設備。專用設備有兩大缺陷：一是成本投入高，二是生產柔性低，設備的重復利用率低。基于多品種、小批量、短周期的生產要求，大部分產品在未收回設備投入成本時生命周期就可能結束。比如：5M半自動生產線因人機分離度相對較低，設備經改造后已可用于其他產品生產，重復利用率相對較高。如圖1所示，為設備人機分離度與成本（重復利用率）關系。

2.4人機分離方式

1）為實現人機工作的分離，重點考慮：

a.按節拍策劃分離改進，不過度提高分離度;

b.監視和保持不增值動作盡量自動化，釋放人工。

2）在實現人機工作分離時要權衡投資和效果的關系，為控制成本，須考慮：

a.優先采用人機分離程度D等級;

b.只對有問題的部分實施自動化。

3單元線設計

蘇州華旃推進精益生產以來，一直將生產線單元化改造作為提升生產效率，縮短生產周期，改善過程良率的主要途徑。

3.1單元線定義

精益單元線是將生產全過程的設備、工位納入到一個生產單元，以生產節拍為前提，基于 “50s黃金法則”，通過提升線平衡率來實現單元線內部單件流的快速流動[1]。

3.2單元線設計

為實現少人化，提升生產效率，基于“50s黃金法則”將產品生產節拍時間拉長。在50s作業周期內進行工序動作和人機分離的工裝、設備聯合設計。

1）作業組合設計

如圖1，D等級分離度成本相對較低，重復利用率較高。因此，可在單元線工序設計中廣泛應用。具體應用方式：人工卸料（上一循環周期）、上料起動設備后，做其他工作，設備自動完成一個循環動作后停止。

依人機分離原理，對加工裝配工序的工裝、設備進行設計，對手扳沖床等低分離度的工裝、設備，按需進行改造。同時，基于工裝設計思路，評估每一個作業動作的時間和工裝、設備自動運行的時間的匹配度（如圖2）。當人工成本高于設備成本時，設備等人;當人工成本低于設備成本時，需人等設備。

2）線平衡優化

人機分離設計的過程，特別是在決定給現有設備進行改造前，必須充分評估線平衡。即：需要考慮整條線的綜合作業時間。設備作業時間不是越快越好（快了浪費，慢了成為瓶頸），同時，在工序動作、工裝設計時，需要考慮整體工序間的平衡。每個工站的作業時間應當小于且無限接近節拍時間。線平衡改善的過程中除“取消、合并、簡化、重排（ECRS）”等IE經典技術的應用外，在考慮線平衡基礎上，充分運用人機分離技術，利用盡量少的成本投入，實現生產效率的提升。

4人機分離技術推廣

人機分離技術不僅能在單元線的設計上有所應用，在其他通用工序也能起到提升效率的作用，可以廣泛應用。

4.1人機分離的優勢

在產品單元化改進中應用了人機分離技術，UPPH提升了70%以上，其中人機分離貢獻度超30%。具體原因是：未經過動作設計的生產線，作業人員既使操作設備有一點空閑時間，因沒有系統地策劃、未規定標準作業，未被充分利用，導致等待浪費。比如，絕緣耐壓測試期間，作業人員的等待浪費;手扳沖床壓配產品時，作業員的一只手需要不停地操作手板沖床手柄，停頓時間均自5s以內。

人機分離技術，就是通過針對作業人員的碎片化時間通過各種小的改進，使人員作業與設備作業相分離，使碎片化的時間得以整合，并安排其他作業動作。進而減少等待浪費，提高人員利用率，提升生產效率。

4.2人機分離的選擇

豐田為什么常用D等級的人機分離？而不是導入全自動化的生產線？原因是豐田需要柔性化的生產線。全自動生產線雖然人機分離等級高，生產效率高，但無法適應多品種、小批量、短周期的產品生產需求。隨著市場的變化，不論是汽車還是其他工業產品，其生命周期越來越短、種類越來越多、批量越來越小。因此，豐田選擇D等級的人機分離。這既是改善成本的需要，也是鍛煉改善團隊的需要。

一名合格的工程師，如果把改善的任務寄托在購買一臺設備，或請自動化部門投入一臺全自動化的專用設備上。那該工程師就不是一名合格的工程師。他把思考的過程丟給了別人，只想動“口袋”，不想動“腦袋”解決問題。這對工程師自身而言，能力得不到提高，對企業而言，工程師團隊也沒得到較好的鍛煉。只是投入了無法回收的成本，而專用設備使用一段時間后也因無法重復利用而閑置（如圖13）。

4.3人機分離的實施

人機分離技術既能運用于新產品的工藝設計，也可應用于對現有工藝過程的改進。

1）設備微改造

對現有裝配加工設備進行自動停止功能改造：以人手為動力源的手扳沖床等需組織更換成氣缸或電缸式壓鉚設備，熱縮管熱縮替代等（如圖14-15）。同時，以民品車間為對象，針對所有非單元線產品，將單線生產節拍拉長2-4倍（依據產品復雜程度，多能工培養條件定），進行簡單的標準作業組合，充分利用作業人員操作設備的等待時間。

2）設備標準化

在進行舊通用設備改造的同時，結合設備分類進行模塊化、柔性化設計。比如：激光標刻、CCD檢測、壓配工裝、點膠工裝、性能測試等。人機分離的柔性化需依托工裝設備的模塊化、柔性化。即：設計好通用化的模架，電控裝置的同時，對于不通用的上下模部分，制定標準化接口。產品換型時，更換上下模具，調試電控程序即可。

3）人機作業組合

隨著分離度的提高，人員空閑時間隨之增加。可考慮一人多機，機臺數量測算依據公式（1）：

N：工人可操作的機器數量

L：人工有效工作時間

M：機器工作時間

W：工人從一臺機器走到另一臺機器的時間

5結論

人機分離技術起源于豐田佐吉的織布機斷絲自動停機技術。其中D等級的分離度因投入成本低，改善收益明顯。我司前期經過單元改進的生產線，運用了人機分離技術后，在成本投入較小的情況下，生產效率取得了30%以上的提升。然而高度全自動化仍是工藝人員的首選，因此，低成本的人機分離技術應當成為多品種、小批量、短周期產品效率提升的關鍵技術加以推廣運用。以期在低成本投入的前提下，配合設備（工裝）標準化，在充分進行動作設計，人機作業組合分析，節拍優化的基礎上，快速提升生產效率。

參考文獻

[1]王東喬 著，《連接器單元線改造研究》，中國戰略新興產業出版社，2020。