運用約束理論進行汽車焊裝生產線瓶頸工序改善研究

趙帥，王樸，王欣

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 研究背景

2010年以來，汽車消費需求迅猛增加，市場需求擴大促使制造廠商不斷提升制造產能，產能提升需要不斷引進新的生產設備，但持續的設備引進會增加企業的運營成本，如何解決產能提升同成本降低的矛盾，通過最小的成本投入，實現最大的產能輸出對于提升企業的競爭能力至關重要。相對于增加新設備及廠房用于擴充產能，基于原有生產線技術改造是一種更為經濟有效的手段。基于原有生產線改造可以通過較低的經濟成本，較短的停產窗口期，在滿足當前產量需求的前提下實現產能提升。對原有生產線進行改造擴能需要運用精益生產的思想，結合約束理論的方法對工藝平衡、工藝邏輯進行深入探討研究，通過瓶頸分析，優化均衡使其適應產能最大化的要求。

奔馳MRA焊裝車間是北京奔馳汽車有限公司單一產能最大的車間，車間主要進行車身金屬鈑金零部件的拼接工藝，包括焊接、鉚接、涂膠及螺接等制造工藝，車間設備種類繁多、工藝邏輯復雜、自動化程度高。

本文擬以焊裝車間AS61車身總拼內板生產線為例，從精益生產角度出發，基于Iportal系統(奔馳公司生產制造執行系統)進行產能及節拍數據分析，運用約束理論部分內容找出制約生產線節拍的關鍵因素。結合現場實際生產及設備運行狀態，對現有瓶頸區域工藝制造邏輯進行優化改善，提高車間產能、降低企業成本、提升車間整體經濟效益。

2 理論基礎

2.1 約束理論的概念

約束理論（TOC）又稱為制約理論或瓶頸理論，是由以色列物理學家高德拉特博士在1987年基于優化生產技術（OPT）的基礎上發展起來的管理理論。TOC理論的目的是要找出各種條件下生產的內在規律，提供科學有效的方法，最終解決在生產過程中遇到的問題。TOC 技術在項目管理領域，特別是項目進度的管理中發揮巨大作用。

2.2 約束理論基本原理

TOC理論源于局部的最優并不是全局最優以及優化，是一個不斷改進的過程的思想。約束理論認為，每個項目都存在約束，有約束就意味著存在改進的空間，制約系統的因素不是系統中的全部資源，而只是其中某些“短板”資源。可以通過改善約束（即瓶頸）改進新的約束環節，提高系統的效率，增加產能。

2.3 約束理論的應用步驟

TOC理論極力改善了企業生產管理的思路，將管理者關注的重點轉移到了有資源約束的部分，從整個系統角度出發，避免了過去毫無針對性的對所有生產環節逐一優化的過程。而在實際的項目中，約束不會只有1個，也不會固定出現在某一個環節，必須要確定重點，分清主次，著重解決瓶頸工作。約束理論的實現步驟如圖2所示。

圖1 AS61焊裝車間總拼內板生產線工藝布局圖

圖2 約束理論實現步驟

3 問題的提出與分析

3.1 問題提出

焊裝車間總拼內板生產線為線體運行關鍵區域，區域主要工藝為車架側圍內板同車架底板拼接合成。該區域主要包含前縱梁零部件拼合及電阻焊接，側圍內板涂膠粘接，側圍內板同底板機械搭扣拼合，側圍內板同底板定位工裝拼合及電阻焊接等工藝工位，每個工位由多道作業工序組成，每個工位作業任務由多臺自動機器人完成，每個工位具體工藝如圖3所示。

圖3 焊裝車間總拼內板生產線工藝

約束理論認為，對于整條生產線來說，生產線中最薄弱的環節即關鍵制約因素，也就是瓶頸工位。瓶頸工位的產出數量對于整條生產線的產出起到決定性作用。所以基于原有生產線改造擴能首先需挖掘出線體瓶頸。

計算生產線的理論加工周期：

通過Iportal制造執行系統收集月內生產線各工位實際加工周期的中位數，經過生產線數據的采集與分析，基于工位的有效輸出節拍進行分析計算，識別確定拼裝生產線的瓶頸工位，經計算及統計各工位的實際及理論加工周期如表1所示。

表1 各工位的實際及理論加工周期統計表

表1 （續）各工位的實際及理論加工周期統計表

通過對拼裝生產線各工位實際及理論加工周期計算統計，繪制生產線工位平衡墻，對平衡墻進行對比分析，識別瓶頸工位，并根據理論公式計算該裝配線的平衡率現狀。

根據工位平衡墻分析，如圖4所示，影響AS61生產線整體輸出的瓶頸工位為ST050工位，目前瓶頸工位節拍中位數為56.1S，嚴重限制整線產能輸出。由此，基于原有生產線進行擴能改造，需要對瓶頸工位ST050整體工藝進行分析優化及解決。

圖4 拼裝線AS61實際加工周期

該工位整體工藝流程為車身側圍內板外部抓取、側圍內板工裝臺定位涂膠及工件轉運至ST060與車身搭扣拼合，工位包含4臺抓放件機器人，4臺涂膠機器人及4臺外部銜接轉運的抓放件機器人，工藝邏輯復雜，項目外部調試需花費高額調試費用及時間成本。

3.2 抓手機器人026RB_100抓件啟動邏輯分析

抓手機器人026RB_100由A車型切換B車型時的抓件啟動邏輯為B車型到達ST030工位且ST040工位焊接工藝完成。當ST050或ST060無車空位狀態下，B車型將從ST030直接傳輸到ST050（B車型在ST040無焊接工藝，僅進行傳車工藝），從ST040到ST050傳車時間約6s，機器人026RB_100抓放件時間約43s，機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件時間約7s，機器人050RB_800在此過程中將產生約44s的節拍等待，造成ST050工位整體節拍變慢。

圖5 抓件啟動邏輯節拍損失分析

3.3 機器人050RB_700及800抓件啟動邏輯分析（以050RB_800為例）

抓手機器人050RB_800需等待涂膠機器人050RB_200及050RB_400涂膠檢測合格后啟動前往工裝胎040ABS222上執行抓件動作，抓手機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件到工裝胎050GST112放件過程時間相對于抓手機器人050RB_600從工裝胎050GST112取件時間多出8s，該過程每次均會導致工裝胎050GST112等待抓手機器人050RB_800放件，造成節拍的8s等待損失。

圖6 抓件機器人050RB_800抓件邏輯節拍損失分析

4 問題解決

4.1 抓手機器人026RB_100抓件啟動邏輯優化

優化抓件機器人026RB_100抓件啟動邏輯，將B車型到達ST030工位同時ST040工位工藝完成后啟動026RB_100機器人抓放件程序邏輯優化為當B車型到達ST030工位后開始啟動026RB_100抓放件時序，由此可在車型切換且后續工位缺件狀態下減少44s的上料等待。

4.2 機器人050RB_700及800抓件啟動邏輯優化（以050RB_800為例）

基于后續工藝邏輯存在涂膠檢測判斷程序，取消當前工藝涂膠檢測判斷，增加提前啟動邏輯，當ST040同ST050車型一致條件下，在涂膠機器人050RB_200及050RB_400涂膠過程中提前啟動機器人050RB_800從工裝胎040ABS222抓件，減少等待時間浪費，提升線體運行節拍約8s。

原抓件機器人050RB_800啟動邏輯條件為機器人050RB_700、工裝胎050GST111及抓手機器人050RB500或060RB100 3個設備最多同時存在2個工件（本文簡稱：“1+1”模式），通過對啟動邏輯條件優化，將抓件啟動邏輯更改為抓件機器人050RB_800啟動邏輯條件為抓件機器人050RB_700、工裝胎050GST111及抓件機器人050RB500或060RB100 3個設備可以同時存在3個工件（簡稱：“1+1+1”模式），優化邏輯結果如表2所示。

表2 抓手機器人抓件邏輯優化

5 研究意義

本文以焊裝車間生產線為研究對象，從精益生產的角度出發，運用約束理論部分內容及線平衡方法識別影響生產線節拍的關鍵因素。結合現場生產實際及設備運行狀態，主動識別線體瓶頸，針對瓶頸工位分析制定改善方案，通過要因確認、改善加工工藝，提升瓶頸工位的最大產能和生產效率，消除線體瓶頸，提升區域產能。

5.1 理論意義

（1）本文利用現有資源進行生產線改造，主動識別線體瓶頸，有效提升拼裝生產線的生產產能、制造效率及設備利用率。對今后焊裝生產線改造擴能具有一定的借鑒意義和參考價值。（2）本文改造方法中將區域多車型抓放件原“1+1”提前啟動抓件模式邏輯優化為“1+1+1”模式，在不增加硬件成本情況下通過邏輯優化提升線體運行速度。（3）本文的研究思路、創新點和小投入大產出的效果對其他項目具有重要的參考及啟發意義，充分利用停線、停產等時間在小投入情況下進行設備改造及節拍優化，時間效率大幅提高，為后續節拍優化與產能提升積累了豐富的改造經驗。

5.2 實踐意義

（1）通過本次瓶頸識別及線體改造，ST050瓶頸工位節拍降低2.3s，AS61區域線速整體提升1s，整線單日可多產出15輛車，單日可多增加產值約500萬元。（2）在生產期間充分利用部門內部技術資源進行設備改造，在無外部資源支持下開展設備改造及調試，大幅度降低設備改造成本支出，可節省人員調試費用4萬元，每年可節省直產人員工時成本約6萬元，在低成本條件下進行產能提升，進而提升經濟效益。（3）本次改造利用車型切換間隙在線進行邏輯程序編輯及測試，降低程序調試對停產時間的依賴，為日后的設備提產改造模式積累調試經驗。