基於精益生產的汽車總裝工藝規劃

摘 要：通過分析精益生產的衡量指標及價值創造理論，研究了汽車整車裝配工藝精益性開發的標準。結合汽車公司在產品開發階段及試生產過程中總裝工藝規劃存在的一些實際問題及詳細解決方案，提出將總裝工藝精益性開發標準貫穿於產品開發及批量生產前的各個階段，從源頭上減少批量生產中的浪費現象，實現總裝車間基於價值導向的精益生產模式。該方法對汽車企業的總裝工藝規划具有一定的參考價值和實際可操作性。

關鍵詞：精益生產；工藝規劃；總裝工藝

Abstract： Based on the analysis of lean production metrics and value creation theory, the standard of lean development for automobile assembly process is studied. Combined with some practical problems and detailed solutions for assembly process planning in product development stage and the production process in the automobile company, the assembly process of the lean development standards are used throughout the various stages of product development and production, reducing waste production in batch production from the source, realizing the mode of production based on the value orientation of lean assembly workshop. The method has certain reference value and practical feasibility for the assembly process planning of automobile enterprises.

Key words: lean manufacturing, process plan, assembly process

汽車工業是勞動密集型產業，產品的裝配成本約佔整個製造成本的30%～50%；因此，通過進行精益化的工藝規劃，縮短裝配時間，降低裝配過程人工成本，對於提高產品經濟效益，增強企業的市場競爭力具有重要意義，也是我國汽車工業發展的必然選擇。上汽大眾汽車有限公司一直致力於以最佳的生產系統為基礎，其「以創造價值為統一導向的核心內容」是精益生產在本公司的導入模式。面對大規模車型引進導致的更多車型混線生產的迫切需求，對於人工密集程度最高的總裝車間，如何高效率地完成大批量、多品種、多品牌的混線工藝精益化規劃是我們面臨的一大挑戰。

1 精益生產規劃的衡量指標及操作準則

1.1 精益生產規劃的衡量指標

哈勃工時(Hours Per Vehicle，HPV[1])即單車消耗工時，它是指一定時期內生產的車輛平均消耗的出勤工時。HPV=所有從事批量生產人員的實際工時/總產量。通過HPV，可以看到公司在人員上的總費用。

HPV由美國哈勃諮詢公司提出，它的創始人Jim Harbour曾經擔任美國克萊斯勒公司產品製造主管。從1989年開始，哈勃公司每年發布一份汽車行業報告，主要內容是在研究衝壓、整車製造、發動機和變速箱工廠的基礎上，根據各廠商生產一輛汽車所需要的時間來衡量其各生產環節效率的高低。自1991年起，HPV被視為汽車領域常用的績效考核指標，是很多汽車廠商和供應商衡量業績、調整發展策略以及改善經營手段的依據。

HPV的組成部分如圖1所示，其中，製造工時是其核心內容；因此，基於精益生產的總裝工藝規劃的工作重點主要體現在製造工時的優化，即降低產品決定的製造工時及過程決定的製造工時。

圖1 HPV組成部分

按照價值創造理論[2]，可以把總裝製造工時分為3個部分：產生增值的工作、隱含浪費的工作及明顯的浪費(見圖2)。

圖2 總裝製造工時分類

對於明顯的浪費，即對產品增值明顯不必要的外圍工作，例如返修、零件拆包裝，目標是完全消除；對於隱含的浪費，即不會帶來增值，但是在既定條件下必須要做的邊緣工作，例如，零件運輸、工具操作、零件放置和取料路線等，目標是降到最低；對於增值的工作[3]，即使產品增值的核心工作，客戶願意付費的工作，例如，擰螺釘、裝配、加液和產品要求的檢測工作等，目標是提高比例。

1.2 精益生產規劃的操作準則

為了更好地幫助員工理解總裝精益規劃的理念，從而實現以創造價值為導向的精益化混線生產規劃，在精益化總裝工藝規划過程中，需要建立一定的準則，使其更具操作性。基於精益生產規劃的操作準則包括減少浪費、集中在工作區域的工作、一觸一動、生產線平衡創造價值、考慮人機工程學。

1.2.1 減少浪費[4]

總裝工藝流程的每一個工序都包含創造價值和浪費兩部分，而減少浪費在工藝流程中直觀表現為製造工時的減少，由此降低HPV。可見，減少浪費的準則也是精益生產規劃的核心部分。減少浪費包括如下幾方面。

1)等待。在人或機器的工作過程，或在其活動的封閉環境中，會存在相互等待時間，包括人等人、人等機器。例如，等待前道工序的完成，等待維修或設備安裝調試和停工待料等。

2)不必要的移動/動作。工藝過程中由人員/機器提取部件/工具/資料均為耗費，應予排除或壓縮到最低限度。例如，零部件或工具不在工人能觸及到的20～50 cm內，導致其取料或工具行走距離過長，工人動作過多等。

3)不必要的過程。包括重複作業、多次檢查、返修和拆除零件包裝等。

4)缺陷/返工。缺陷/返工造成的浪費即意味著增加費用、等待時間。其使成本提高，令客戶失望。

1.2.2 集中在工作區域的工作

整車總裝的工作區域一般可分為5個部分：前蓋、後蓋、車身左側、車身右側及車內。在同一個裝配工位上，工人應在各自的工作區域內進行零件裝配，無互相干涉的操作。每個工人理想的工作區域數量為1，這樣有利於減少不必要的走動。

工作區域的理想劃分：前後2個相鄰節拍不安排同一工作區域的零件安裝。這樣做的好處在於，如果前一個工位出現故障不能在一個節拍內完成工藝內容，不會影響到後一工位的工藝內容。理想的總裝流水線工作區域安排如圖3所示。

圖3 理想的總裝流水線工作區域安排

在同一工位上出現2名工人的情況下，應盡量將他們的工藝內容安排在不同的工作區域，避免裝配過程中的互相碰撞和干涉。

如果1名工人的工藝內容包含數個工作區域，其零件安裝順序應與流水線方向相反，以減少不必要的走動(見圖4)。

圖4 單人多個工作區域的零件裝配順序

1.2.3 一觸一動

「一觸一動」的準則在零件設計上體現為：1)首次裝配後即無需抓住；2)無需後續定位和再次用力；3)零件造型適合一人手工操作；4)1名工人可以在1個節拍內使用1個工具完成此零件裝配；5)零件自身帶定位，無需調整；6)零件裝配無需使用輔助工具定位。

在工藝流程上體現為：1)工人直接拿起並裝配零件；2)在拿起和裝配過程中間無需再更改位置；3)零件在不能自行定位情況下，工具應帶有輔助定位功能，無需另加工具。

1.2.4 生產線平衡及創造價值[5]

生產線平衡是指生產過程中按照正確的裝配順序對工序進行調整；在既定的節拍時間內優化每個工位的勞動負荷率。創造價值是指通過人工、機械化或自動化工作/方法提升產品價值的行動。每個工人的勞動負荷率=工藝時間/節拍時間。

對於一條穩定的生產線，節拍時間是固定的，即每個工人在每輛車能夠裝配的時間是固定的。工藝時間是指工人根據工藝流程完成該工位安排的工序所需的時間，即工人在每輛車花費的實際裝配時間。

該標準的目標在於：1)生產線上所有車型在工位上的勞動負荷率[6]達到最大的100%；2)將同一工位上不同車型或同一車型高低配之間的工時不平衡現象降到最小；3)在工藝流程中減少浪費，增加增值部分的工作。

生產線平衡及創造價值是總裝精益生產規劃開展過程中非常基本和重要的準則。其操作步驟如下：1)按照零件的裝配順序說明各工位的工藝內容；2)按照增值部分和非增值部分分析車輛裝配的每一道工序；3)使用各類操作準則減少非增值部分；4)根據優化後的工藝內容及工時，進行工位之間的節拍調整，將柔性工序拆分安排到固定工序，目的是儘可能減少工位上不同車型之間的工時不平衡現象(柔性工序是無設備限制和裝配順序限制的工藝流程；固定工序是根據零件的裝配順序或者設備限制必須在特定工位完成的工藝流程，例如，需使用機械手安裝的零件、加液、底盤合裝等)。

1.2.5 考慮人機工程學

人機工程是藉助於工作系統的有效機構，在尊重人的工作效率和需求的同時，創造人、設備和工作對象的最佳協同作用。其目的如下：1)建立人性化的工作場地和流程；2)避免員工超負荷工作；3)通過人體工程學的工位設計提高負荷率。

符合人機工程的工藝流程應避免如下現象：1)不自然的體姿，例如，長期彎腰的體姿、高於身體的作業和強制體姿等；2)複雜的身體動作，例如，進出車身、彎腰、彎曲、拉伸和扭轉等；3)過大的用力，例如，需用力安裝悶蓋/卡扣等；4)高負載作業，例如，負載行走；5)符合人機工程學的裝配允許工人的站立作業高度在膝蓋和肩膀之間，必要時應提供座椅。

人機工程學標準在產品設計和工藝流程規劃期間都應予以考慮，並且在零件的實車模擬中進行評估。

基於精益生產的總裝工藝規劃貫穿於產品開發至批量生產前的各個階段，通過不同的工作重點體現。產品開發階段主要體現在如何降低產品設計決定的製造工時，即由產品(零件)設計決定生產一件產品所需的時間，只有通過改變產品的設計才能縮短時間，不受產地、產量和自動化程度的影響；對於產品數據凍結至批量生產之前，體現在降低過程決定的製造工時具體指工藝流程中的非增值時間。通過不同形式的精益生產規劃，最終獲得最優的製造成本。

2.1 產品設計同步工藝規劃

總裝工藝規劃以同步工程的形式介入產品開發階段，對生產系統進行同步開發，產品與工藝、工裝的開發同步規劃，使開發者從概念開始就考慮生產系統的需求，考慮產品後續的工藝性。通過在開發初期進行先期工藝評價和驗證，將生產過程中可能出現的問題儘可能地在造型階段和結構設計初期發現並解決，從而避免之後需要投入大量的人力成本解決由於零件設計導致的裝配問題，使投產更可靠和精益化，同時降低裝配成本。

這一階段的特點是以虛擬數據及模型為載體，進行零件的工藝流程分析，工作重點主要集中在如下幾點：1)降低由於產品設計所影響到的生產時間；2)考慮混線車型的零件特點，通過對零件的標準化設計，保證工藝流程的標準化和穩定性；3)確定零件的裝配順序；4)設計符合人機工程學的生產工藝；5)提高產品質量；6)降低原料成本。

案例1：對某車型輪罩的工藝分析，該車型規劃在60JPH車間生產。優化前、後輪罩固定方式如圖5所示。

圖5 輪罩固定方式

優化前，輪罩無法預先固定於車身。雖然輪罩邊緣可以掛在車身上，但是不能確保其不掉下來。需要2名工人才能完成固定裝配，而且工人1需要雙手操作，並且需要1輛隨行小車，保證工人1在一隻手定位輪罩的情況下，另一隻手可以從小車上夠取螺栓和充電槍進行緊固。優化後，輪罩可以通過卡扣固定於車身，無需用手定位。其優點體現在：1)更好地實現了直接抓取並安裝零件；2)更容易定位；3)節約1輛隨行小車；4)降低工時及人員成本。

輪罩固定方式優化分析見表1。

表1 輪罩固定方式優化分析

優化前優化後固定方式工藝流程固定方式工藝流程 使用7顆螺栓將輪罩固定至車身 工人1:一隻手扶住輪罩,另一隻手從輔助隨行小車上拿取第1顆螺栓預緊輪罩,之後用充電槍打緊,繼續固定第2顆螺栓 工人2:擰緊剩下的4顆螺栓 使用6顆螺栓+1個卡扣固定輪罩至車身 工人1:利用卡扣將輪罩固定於車身,擰緊剩餘的6顆螺栓

通過更改零件設計，降低產品決定的製造工時，並優化工藝流程，是在產品設計階段進行精益化工藝規劃的典型案例。

2.2 為生產準備的工藝規劃

這一階段的工藝規劃，通常以實車演練作為載體，推行工藝規劃的「規劃→模擬→優化」操作，主要包括如下4個環節。

1)模擬裝配流程。使用零件及工具，根據工藝規劃方案進行實物裝配，並對整個流程(1個崗位單節拍的工作內容)進行攝像。

2)IE(Industry Engineer)工程師進行工時分析。根據錄像中詳細的零件裝配過程，將工藝流程分解成動作要素，進行MTM(Methods-Time Measurement)分析[7]，創建每個零件的工時模塊及價值分類，得到每個工人的工時及勞動負荷率。

3)小組成員討論。利用各類精益生產標準，評估工藝流程，並對問題進行分類，提出解決問題方案。目標是減少浪費，優化工藝流程。

4)模擬最優裝配流程並拍攝視頻，用於培訓批量生產操作工。

在開展為生產準備的工藝流程過程中，通過實物拆裝模擬和流水線現場巡視，進行設備、工藝流程、工位布置、工時平衡、以及物料包裝及上線方案等的精益規劃。對產品設計階段同步建立的工藝規劃方案進行驗證及細化，規避潛在的風險，實現以創造價值為導向的精益化生產方式，改善混線生產的工時不平衡現象；同時提高混線車型起步生產階段的工藝穩定性，縮短起步生產時間，提高起步生產及批量生產之後車輛的裝配質量。

為生產準備的工藝規劃階段，其主要工作內容有如下幾點：1)在實車上對每一道工序進行實際操作的模擬；2)優化並確定以MTM為基礎的精益化工藝生產流程；3)設計工裝器具；4)改善工位布置及人機工程；5)降低混線生產車型之間的工時差異；6)定義所有零件的上線方式、位置及零件包裝方式。

案例2：通過對制動液加註、踏板力測試、雨刮安裝工藝的調整，減少非增值時間，優化人員。工藝優化前、後3名工人的製造工時如圖6所示，圖6中工時分類與圖2相同。工藝調整分析見表2。

圖6 工藝優化前、後的製造工時圖

表2 工藝調整分析

優化前優化後 工人1:插接電源,開起點火開關,制動液加註準備 工人2:踏板力測試,存在工人等待設備時間 工人3:插接電源,開起點火開關,雨刮零位調整,安裝雨刮 工人1:插接電源,開起點火開關,雨刮零位調整,制動液加註準備 工人2:踏板力測試,安裝雨刮

根據製造工時的價值理論分類及精益生產規劃的標準，優化之前工藝存在的問題如下：1)插接電源，開起點火開關分別是制動液加註和雨刮零位調整的準備工作，工人1和工人3操作重複；2)工人2在進行踏板力測試時，存在等待設備的時間，屬於明顯的浪費。

根據上述分析，雨刮零位調整作為柔性工藝，可以由工人1操作，從而避免了插接電源，開起點火開關在整體工藝流程中的二次操作，減少了非增值時間；工人2可以利用等待踏板力測試的時間，進行雨刮安裝工作，從而消除浪費。

通過上述工藝調整，降低了非增值時間，原本需要3名工人完成的總裝裝配及檢測工作可由2名工人完成，實現了總裝工藝的精益規劃，降低了HPV。

2.3 起步生產階段工藝驗證及優化

在新產品批量生產之前的試生產階段，需要在生產現場驗證之前的工藝規劃並做進一步的精益性優化。在試生產前期，要求流水線嚴格按照新產品混線工藝進行生產，在此過程中，評價工藝流程與流水線現場的匹配程度，通過對每個崗位的現場觀察發現問題。每一個問題都是改進的機會，針對每一個裝配流程問題的解決方案，就是對工藝流程的精益優化。

起步生產階段工藝驗證及優化的主要工作內容如下：1)結合現場情況進行工藝流程確認，並對問題提出解決方案；2)檢查流水線設備位置、操作方式及設備時間是否和為生產準備的工藝規劃一致，如不一致，需要調整工藝；3)匯總所有的產品更改信息，並在此基礎上調整工藝計劃；4)檢查工裝器具並根據現場使用情況進行優化；5)檢查每個工位的物流上線方式及包裝形式並根據現場情況進行優化。

案例3：根據現場實際生產問題，製作特殊工具，優化工時，降低費用。工藝優化之前使用膠帶固定線束，存在工時和材料費用的雙重浪費，而且膠帶的使用是伴隨車輛生命周期的長期投入。優化之後使用夾頭固定，不僅降低了製造工時，而且由於夾頭是一次性投資，平均到每台車的費用幾乎可以忽略不計。優化前、後線束固定方式如圖7所示。具體工時及費用優化見表3。

圖7 優化前、後線束固定方式

表3 線束固定方式優化工時費用分析

固定方式製造工時/s·車-1膠帶費用/元·車-1優化前 由於車輛底部線束過長,如不處理,會在底盤合裝時出現夾住的現象,因此工人使用膠帶固定至吊架9.810.6優化後 使用夾頭固定線束至吊架,節約了用膠帶固定的工時,並消除了膠帶的使用,降低了成本5.600

綜上所述，基於精益生產的汽車總裝工藝規劃是一個系統性的工程，它貫穿於產品開發至批量生產前的各個階段。在進行工藝的精益規劃之前，應掌握精益生產的操作準則，才能對總裝工藝的精益性進行有效的評估。本文所介紹的方法都已在實際的項目中運用，期望隨著更多項目的開展，可以積累詳實的數據和經驗，促進汽車總裝工藝的精益化及標準化發展。

參考文獻

[1] 黃悅. 汽車裝配標準工時在面向成本設計中的應用[D].上海：上海交通大學，2009.

[2] 詹姆斯P·沃麥克，丹尼爾T·瓊斯.精益思想[M].北京：機械工業出版社，2015.

[3] 劉旭澤.精益生產在K公司的應用研究[D].天津：天津大學，2012.

[4] 傑弗瑞·萊克，戴維·梅爾.豐田汽車：精益模式的實踐[M].北京：中國財政經濟出版社，2006.

[5] 劉樹華，魯建廈，王家堯.精益生產[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[6] 周海磊.汽車排氣系統精益生產線布局規劃和設計[D].上海：上海交通大學，2010.

[7] 彭陽.自動轉換開關精益生產與生產線平衡研究[D].上海：上海交通大學，2008.

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