面向航空制造业的单元化生产方式

面向航空制造业的单元化生产方式
中航工业综合所：姬学庄
摘 要
自上世纪90年代以来，随着波音、空客等欧美航空制造企业持续推进精益制造，以成组技术理论为基础的单元化生产方式得到迅速推广应用，取得了令人瞩目的成就。与传统的批量生产方式相比，单元化生产方式在缩短产品生产周期、提高产品质量、降低制造成本等方面具有明显优势，因此研究并引入单元化生产方式对国内航空制造业推进精益制造具有现实的指导意义。单元化生产方式包括生产单元和单元运行管理两个组成部分，本文针对生产单元的设计以及单元运行管理进行了研究，探索单元化生产方式在国内航空制造业的应用。
关键词：航空制造业 单元化生产方式 生产单元设计 从至表法 单元运行管理
一、航空制造业的零部件生产特点
与其他行业相比，航空产品零部件生产具以下显著特点：
1.典型的多品种、小批量生产。航空制造业按军方订单组织生产，由于军方需求的多样性和不确定性，每一品种虽有一定的批量，但批量都不会太大，因此形成了多品种轮番生产的局面。
2.零部件结构复杂、加工难度大，材料多样化，工艺要求高。加工此类零件需要多功能、高精尖的加工机床，要求设备具有优良的数控系统和强大在线测量功能，工位多，刀具库容量大，便于柔性化生产。
3.生产组织困难，生产周期长。航空产品按工艺专业化原则组织生产，加工过程复杂，难以组织生产，同时工艺路线长、周转环节多，产生大量的搬运和等待浪费，导致生产周期过长，难以适应市场需求的变化。
以上特点决定了航空制造业未来生产方式的发展方向。鉴于航空产品多品种、小批量的生产模式，零件结构复杂、生产周期长、大量使用高精尖机床的特点，按工艺专业化布局和流水线布局的批量生产方式均不利于提高生产效率，缩短生产周期。实践证明，以成组技术为基础的单元化生产方式更适合航空制造业，并已在世界各国航空制造业广泛采用。
二、单元化生产方式概述
单元化生产方式是适合多品种、中小批量生产的先进生产方式，它汲取了大批量流水线生产的高效率和机群式生产的高柔性优势，同时避免了大批量生产的过度刚性，能迅速适应产品品种和数量的变化，既有效解决了航空产品多品种、小批量的生产组织问题，又获得了大批量生产的经济效益。
㈠ 单元化生产方式的定义
单元化生产方式是基于消除浪费的理念，以生产单元为基本组成对人员、设备、物流进行合理配置，作业人员在单元内进行一人多工序、目标为“一个流”作业的高柔性生产方式。
㈡ 单元化生产方式的组成
单元化生产方式由生产单元和单元运行管理两部分组成。生产单元以产品为中心，把功能不同的设备按工艺流程集中布局在一起，设备布置紧凑，为实现连续流创造了硬件条件，生产单元一般有直线型、花瓣型、S型或U型等布局方式。单元运行管理改变传统以管人为中心的管理模式，以缩短产品交付周期和提升生产效率为目标，围绕生产单元的计划管理、人员管理、物料管理、设备管理、质量管理等进行一系列的管理优化或重构，保证生产单元高效运行。
三、生产单元的设计步骤
生产单元是单元化生产方式的重要硬件支撑，通常采用从至表法进行单元布局设计。从至表法是指运用各设备之间的相对位置和距离，先计算出零件（物料）在各设备之间的运输次数和运输总距离，再按照零件（物料）运输次数最少、运输距离最短的原则确定单元布局的一种数学方法。该方法主要适用于机械制造业多品种、中小批量生产的单元布局设计。利用从至表法设计生产单元的步骤如下：
第一步：选择零件族，确定典型工艺流程。首先运用成组技术将品种众多的零件按其相似性划分为种类不多的零件族，然后用PQ（型号-数量）分析法确定拟建生产单元的零件家族并确定典型工艺流程。由于航空制造业零部件结构比较复杂，即使同一家族的零件，不同零件间的工艺路线也有较大的差异，所以应依据工艺路线的长短选择6～9个具有代表性的零件工艺流程作为单元设计的典型工艺流程。
第二步: 收集基础数据，确定设备型号和数量。依据典型工艺流程收集设备型号、工序加工时间、换型时间、计量时间等数据，计算单元内所需设备型号和数量。
第三步：绘制工序“之”字图。也叫工序过程表，依据典型工艺路线以及单元内的设备型号及数量编制“之”字图，统计设备间的物料运输次数，为绘制物料运输从至表提供数据支持。
第四步：依据工序“之”字图绘制物料运输从至表，并统计设备间物料运输次数。
第五步：设计单元布局方案。依据设备间物料运输次数，按照运输次数越多设备间距越近的原则设计2～3个布局方案。单元布局方案常见的有直线型、L型、花瓣型以及U型等布局形式。
第六步：计算每个方案的物料搬运总距离，确定最佳单元布局方案。原则上搬运总距离最短就是最佳的单元布局方案，但确定单元布局方案还要综合考虑厂房的空间、零件的流动性、零件外形尺寸、重量等因素对单元布局的影响。例如：外形尺寸小、重量轻的采用U型布局，零件外形尺寸大的采用直线型布局；容易形成连续流的采用U型布局，不容易流动的采用直线型布局。
第七步：模拟单元布局，确定生产单元最终方案。在单元布局的设计过程中，很难综合考虑生产现场的所有因素对单元布局的影响，如：设备排屑方式、设备安全间距、地面膨胀缝等等，甚至厂房水电气的位置都会对单元布局造成极大影响，因此在生产现场按照1:1比例进行生产单元布局模拟就显得至关重要，同时必须由实践经验丰富的工程技术人员、设备管理人员和现场管理人员等组成生产单元模拟团队，因为模拟生产单元布局很大程度上依赖于专家团队的实践经验，专家的经验直接决定了生产单元布局的优劣，经过模拟后形成可以指导设备搬迁的最终生产单元布局方案。
四、生产单元的运行管理
生产单元的运行管理通常包括生产单元的绩效管理、计划管理、人员管理、设备管理、物料管理、质量管理六个方面以及围绕生产单元开展的持续改善。
㈠ 绩效管理。生产单元运行的效果体现在绩效指标的提升，传统生产方式重点管理产品的产量和交期指标，单元化生产方式注重对SQCDPT六大绩效指标的全面提升以及指标的日常管理，通过目视化的绩效管理板关注指标的变化，及时发现问题、解决问题，提升绩效指标。
㈡ 计划管理。生产单元实现了在一个或少数几个单元完成一类零件的整个加工流程，确定了生产单元的日班产量，使生产计划的准确性和完成率处于可控状态。计划管理的重点是将月交付计划细化到围绕生产单元的日排产计划，在排产过程中及时发现、解决生产中的瓶颈问题，并提前进行工艺、工装、刀具的准备工作；同时每月统计分析影响日计划完成率的各种因素，组织团队进行改善，提高生产计划的完成率。
㈢ 人员管理
单元化生产的突出特点是一人多工序操作和单元内所有成员形成一个团队，团队成员间的共同协作有利于提高产品质量和生产效率，因此人员管理的重点是多能工的培养和团队文化的构建。打破传统“定员制”观念，有计划地对员工进行多能工训练，才能实现一人多工序操作；强化团队考核理念，将考核方式由个人工时考核转变为按团队班产考核，并大力开展全体团队成员参与的团队改善活动，才能逐渐形成团队文化。
㈣ 设备管理
良好的设备状态是生产单元顺利运转的基本保证。设备自主维护不是制作设备点检表，让员工进行设备点检，而是培养员工进行设备保养的技巧和能力。因此设备管理的重点是为设备保养创造条件并用标准化的手段规范设备保养过程；同时用帕累托图、根本原因分析等工具对经常出现故障的设备进行预防性修理或改造。
㈤ 物料管理
在单元化生产方式下，将能创造价值的操作工当做外科医生来对待，为其准备好工作所需的所有工具和零部件，因此物料管理的重点是物料、刀具、工装、量具的配送，从而保证操作工不离开生产单元，实现标准作业。
㈥ 质量管理
单元化生产方式实现了人员、设备、技术文件的“三定”，并容易发现质量问题，因此质量管理的重点是预防质量问题的发生，具体措施包括以下三个方面：
1.单元开工条件点检及4M（人、机、料、法）变化的管理。质量问题的发生大部分是现有的生产条件发生了变化，例如：员工替岗、设备维修、材料的代料或工艺方法变更等，开工条件点检及4M变化管理就是要由单元长对变化点进行跟踪管理，确保生产合格品。
2.用QA网络图对生产单元质量保证能力进行定期评估。每半年一次用QA网络图对发生过质量问题的工序和关重工序进行过程保证能力评估，找出质量隐患，用防错、作业标准化等精益工具进行彻底解决和预防。
3.异常点的管理。每一个异常都可能带来质量问题，异常点的管理就是通过激励的方式鼓励员工发现生产过程中的异常点，并制定异常管理流程保证异常点得到重视和彻底解决。
㈦ 生产单元的持续改善。认为“单元布局调整后，单元的生产效率等指标就应该有大幅度的提升”是对单元化生产认识不足的表现。完成生产单元布局的调整，仅仅完成60%的工作量，还需要围绕生产单元开展大量的管理提升活动来提高生产单元的生产效率，因此生产单元布局的变化仅仅是改善的开始。生产单元的持续改善通过全员参与的改善提案活动和团队改善活动，围绕单元的连续流生产，从人、机、料、法、环、测等方面对生产单元进行持续改进，才能逐步提高生产单元的各项指标，真正建立起单元化生产方式。
五、结束语
单元化生产方式是精益制造的核心，是当代最新、最有效的生产方式之一。本文针对航空制造业经常采用的单元化生产方式从生产单元的设计以及单元的运行管理进行了全面阐述，为推行单元化生产方式提供了新的思路和方法。同时构建单元化生产方式并不仅仅是对现有设备布局进行调整，还必须围绕生产单元的计划管理、人员管理、设备管理、物料管理等进行全面优化或重构，是对目前制造模式的变革。所以航空制造业推行单元化生产方式必将为企业带来运营体系的变革，提高企业竞争力，助推企业跻身世界航空强者之林。