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某汽车配件案例:仿真软件在精益设计中的应用方法

2006-07-29 10:25
引言:企业在导入及应用精益生产的过程中,应牢牢把握精益思想的内涵。精益工厂设计的提出及应用可以打破人们在应用精益生产的实践中存在的种种误区,同时为企业进行改善活动提供了一个新的

 

 

  精益生产源于日本丰田管理方式(Toyota Production System,TPS),它的核心思想是消除浪费、持续改善。它融合了单件生产方式及大规模生产方式各自的优点,并同时避免了前者高成本的不足及后者低柔性的缺点。丰田公司正是凭借这种独特的管理方式取得了骄人的业绩。2007年,丰田的产量已超过通用,成为全球第一大汽车制造商,在全球170多个国家的年汽车销售量超过937万辆;2007年度,丰田的利润约合150亿美元,而通用、福特的利润均为负值。精益生产是一种被实践证明了的科学的管理理念,并逐渐被越来越多的企业所学习和借鉴。为提升竞争力,我国部分企业于上世纪80年代末开始学习丰田生产方式,一汽集团、上海大众、东风汽车等企业先后进行了精益生产的应用与推广。在20多年的摸索实践中,部分企业取得了明显的成绩,但仍有不少企业未能取得满意的效果,其主要原因在于不少企业在应用精益生产的实践中存在着理解上的误区,影响了精益理论在我国的广泛推广。

 

  实践中,部分企业仅仅将精益生产看作是企业改善的工具或手段,同时精益生产的应用也被局限在企业生产环节,即在强大的市场竞争压力下,对已经出现问题的生产系统、物流系统、设备布置等进行改善。这种意识及应用上的误区,从根源上讲是没有把握精益生产的内涵,这严重影响了精益理念在企业改善方面的应用。

 

  1、精益设计的提出

 

  精益生产从本质上讲是一种理念、一种精神,它的精髓是消除浪费、持续改善、追求卓越,所以它的应用范围不应仅仅局限于企业的生产环节。在生产环节应用精益生产进行改善活动,虽然也可以取得一定的改善效果,但这种改善所带来的效果提升有限。进一步说,这种改善是在企业的生产过程中已经出现浪费问题的情形下进行的,所以不能从根本上消除浪费发生的根源,只能起到“亡羊补牢”的效果。若想从源头消除企业浪费产生根源,应将精益思想扩展到企业的设计环节,设计环节不仅影响着企业固定资产的投资,也与企业在投产运行后能否适应环境变化及战略调整具有密切关系。从工厂设计阶段开始应用精益理念,这样可以起到“根治”浪费的效果,所以本文提出精益设计的理念,希望企业在精益生产的应用中摆脱误区的束缚,将精益设计的理念应用到企业管理的实践中,进而为提升我国企业的管理水平提供一个新的平台。

 

  精益设计就是将精益理念应用到工厂的设计阶段,从工厂的设计阶段或者工厂运行早期就尽可能杜绝企业将来运作过程中可能发生浪费的根源,避免带有明显缺陷的工厂设计方案被付诸实施。

 

  可以说实施精益设计是实现精益生产的基础,一个没有进行精益设计的企业若想在后期取得显著精益改善效果是相当困难的;另外,从工厂设计阶段或前期进行消除浪费的工作可以取得更加明显的效果。即精益思想应用的时间越早,实施改善活动的柔性就越大,改善活动成功的概率越大,系统所能得到的期望改善效果越显著。

 

  另一方面,早期导入精益设计的理念可以弥补设计院在工厂设计过程中的不足。当前设计院对工厂的设计仅涉及到工厂布局、场地规划、设备布置等粗线条的活动,而对于设备加工能力匹配问题、物流成本问题、中间在制品问题及设备的人员布置等问题没有给予足够的考虑,设计过程中存在的问题经过实际运行逐渐显现,有些问题会给企业造成巨额浪费,精益设计的实施则可在相当程度上弥补设计院对工厂设计工作的不足。

 

 2、精益设计的框架及特点

 

  2.1 精益设计的概念架构

 

  精益设计的核心理念就是将消除浪费、持续改善的观念引入到工厂设计领域,打破人们对精益生产应用范围存在的认识误区。通过精益理念与工厂设计的融合,借助先进的管理理念、信息技术及优化工具,可实现企业消除浪费根源的目的,从而为企业实施精益生产、提升竞争力奠定基础。精益设计的概念框架如图1所示。

 

  图1中,精益理念包括所有以消除浪费、持续改善为目的的精益手法,如在确定企业规模时,要使企业规模在满足企业当前需要的同时,适应环境的变化及企业战略规划的需要;在布置生产线时,要体现物流流动的一个流及同期化,员工的多工程化及多能工化等特征,充分考虑U型生产线及成组技术;人员配备方面要由传统的“定员制”生产向“少人化”方向发展;同时,实现体现精益思想的物流系统,将物流服务过程中的浪费和延迟降至最低程度,等等。

  图1精益设计概念构架

 

  工厂设计是指要充分利用传统工厂设计人员的知识和经验,与之进行密切沟通与信息交流,汲取当前工厂设计中的精华。实现精益思想与工厂设计的结合离不开先进的管理理念、优化工具及信息技术的辅助。设计开始阶段要成立工厂设计联合小组,成员包括具备精益思想的知识人员、企业内部管理人员、工厂设计人员等,联合小组成员实行团队式的合作,综合运用系统工程、并行工程的管理理念;设计方案评价过程中需要借助各种科学优化工具实现方案的调整优化;设计过程中应用仿真技术可实现设计过程的可视化,同时通过对设计参数的调整可以较方便地实现设计方案的优选。

 

  2.2 工厂精益设计的特点

 

  工厂精益设计是激烈的市场竞争环境下,企业为更好、更快地响应顾客多样需求的必然选择,信息技术的发展、各种先进管理理念的出现等等都为工厂精益设计的实现奠定了基础。作为先进的管理理念,工厂精益设计与传统的设计方式相比具有明显的优势,见表1所示。

  表1精益设计的特点

 

  3、仿真工具在工厂精益设计中的应用

 

  传统上工厂设计的理论方法可以分为定性方法与定量方法两类。其中定性方法主要有缪赛提出的系统布置设计(SLP)方法、Reed的工厂布置方法;定量化方法主要有作业单位两两交换法、CRAFT法、图论法、混合整数规划(Mixed Integer Programming,MIP)等。目前也有学者将智能化算法,如模拟退火、遗传算法应用到工厂设计当中。这些方法都从某种程度上为决策者进行科学的工厂设计、快速地选择设计方案起到了积极的作用,但这些方法也都有一定的不足,如当部门较多、部门形状非矩阵形等情况下难以得到理想解。

 

  实践中,设计院在进行工厂方案设计时多采用专家意见法,设计过程中的主要依据是设计人员的经验。这种方法主观性强,且静态的设计模式难以反映各部分之间的相互关系,同时设计方案的实际运行状况难以显示,不能适应环境变化及企业战略调整的需要。

 

  目前仿真技术凭借其在智能化、可视化等方面的明显优势,应用范围越来越广泛,将仿真技术应用到工厂的精益设计当中,不仅可以解决部门多、工艺复杂的设计问题,同时它还可以使工厂设计具有柔性,更好地在设计阶段发现问题、消除浪费。具体讲,仿真技术应用在工厂设计中具有以下优势:

 

  (1)直观、可视。通过一个三维的、直观的、可交互的仿真模型,使决策者清晰地了解各工厂设计方案的运行情况,为科学决策提供信服的依据。

 

  (2)能处理复杂的设计方案。通过参数的调整、实体的改变,可以较理想地处理部门较多、工艺复杂的设计方案。

 

  (3)良好的柔性。可以实现对诸如产品调整、订单变更、机器故障等各种动态的、难以预测的状态进行仿真,实现各种例外情况下对设计方案的分析与评价。

 

  (4)较强的数理统计功能。仿真技术可以提供各关键指标的统计数据、图表,为设计者进一步分析原有企业或设计模型存在的问题提供了便利。

 

  (5)合理的时间消耗。通过实体参数调整及仿真速度控制,可以在较短的时间内模拟工厂一个季度、一年及更长时间的运行情况,可以分析企业近期及中期的经营状况,为工厂设计者节约大量时间及资本投入。

 

  4、精益设计案例

 

  天津某汽车配件公司主要生产变速器,产品具有良好的市场销路,现制约公司发展的主要问题是产能不足,故欲新建一车间以缓解该厂变速器核心部件——轴及齿轮产能不足的现状。公司在实施设计方案之前决定应用精益设计的思想对现有设计进行评价,运用精益设计理念分析各设备加工能力的匹配问题,以合理安排各加工中心设备投资,找出浪费点,进行改善。

 

  4.1 确定工厂精益设计的主要任务

 

  在企业需求及任务目标指导下,进行数据的收集与整理,包括新车间现有设计方案的工艺流程、物流流程、各设备的加工能力、各工序的加工时间及主要产品的基本数据。图2为原始设计方案的车间布局及物流流程。

  图2原设计方案的车间布局及流程
 

 

  4.2 建立、运行及调试仿真模型

 

  根据收集的各种数据及各加工中心的相互关系,对原设计方案进行仿真,仿真模拟时间为一年。通过分析模型仿真的结果发现原设计方案存在以下浪费点:

 

  (1)热处理加工工序是加工能力提升的瓶颈

 

  仅有的一条热处理生产线的利用率为94.5%,已无再提升的空间,是制约整体产能提升的关键环节;而车加工中心六台设备的平均利用率仅为40.14%,没有得到充分利用,这严重影响了一个流程的实现。

 

  (2)单件产品加工时间长,增值时间比例低

 

  分析仿真结果可知,在该方案中平均每件产品的生产时间约为19天,非增值时间长,仅在热处理存放区待加工产品就需等待5.3天。

 

  依据通过仿真分析得出的关于原有工厂设计中存在的问题,进行如下调整:增加一条热处理生产线,以缓解热处理工序加工能力不足的问题;减少两台车加工设备,以解决车中心设备利用率低的问题。
 

 

  4.3 改善效果分析

 

  对改善后设计方案的仿真结果进行分析,可发现设备加工能力、产能等各项指标都有了明显的改善,车间产能可由原来年产70 000台上升28%提高为89 600台,各设备利用率趋于平衡,见图3所示。

 

  加工能力“瓶颈”的有效解决使单件产品的生产周期由19天缩短为12天,缩短36.8%;单件产品生产周期中增值时间的比例也有明显提升,如图4所示。

 

  经过应用仿真工具对原有车间设计方案进行精益设计,找出了原设计中存在的浪费点,改善后的方案满足了企业的需求。
 

  图3改善前后设备利用率变化

  图4改善前后增值时间比例变化

 

 

 

  企业在导入及应用精益生产的过程中,应牢牢把握精益思想的内涵。精益工厂设计的提出及应用可以打破人们在应用精益生产的实践中存在的种种误区,同时为企业进行改善活动提供了一个新的角度。从设计环节开始应用精益思想消除浪费环节,能够在相对可控的前提下避免浪费的发生,并提高设计方案对环境变化及战略调整的适应能力,进而提升改善活动的成功率,改善成效也会显著提升。精益设计在实践中的广泛应用,定能为我国企业提升绩效、消除浪费提供一个理想的平台。
 

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