基于VSM和TOC的汽车涂装生产系统改善

葛安华，刘昕蔚

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

基于VSM和TOC的汽车涂装生产系统改善

葛安华，刘昕蔚

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

在生产系统改善中，精益思想（Lean Thinking）和约束理论（TOC）作为有效的管理改善方法被越来越多的企业所接受。而价值流图分析技术（VSM）是精益思想中的有效工具。通过分析VSM和TOC各自的优势和在应用中单方面的局限性提出了两者相结合的改善方法，并以S汽车生产厂涂装车间为例，通过方案实施，达到了使系统增值率提升2%，生产周期减少1 693s，人员减少，质量提升的效果，以证明其应用的可行性。

精益思想；价值流；约束理论；汽车涂装

1 引言

随着社会经济和人民生活水平的不断提升，人们对汽车的认知和要求也不断提高。在日趋成熟且竞争十分激烈的汽车市场中，产品的价格由客户（市场）决定，企业若想扩大利润只能通过聚集成本优势来实现。生产系统是企业创造价值的最根本来源，从生产系统入手，通过先进的生产系统改善方法来降低成本、保证质量、缩短交货期，这对于企业的生存起着至关重要的作用。其中精益思想从降低成本的角度出发，认为客户定义产品的价值，一切客户愿意付费的过程才是增值的，其余非增值的活动都是浪费，而一切浪费都会导致成本的上升。因此精益思想的核心就是识别并消除浪费。在这一过程中，发展出了许多先进的精益方法和工具，价值流图析（VSM）就是其中一种。它将生产系统中价值流动的全过程透明化在一张图纸上，帮助管理者清楚地识别浪费的所在。精益思想主张凡是浪费就要事无巨细的予以消除，然而在改善的过程中，这种追求局部最优的方式往往可能忽视企业最根本的目标，就是盈利。相比之下，以色列物理学家高德拉特提出的约束理论则是以企业实现盈利目标为出发点，从全局的角度找出制约这一目标的约束条件从而定义改善活动的主次。然而约束理论常以定性分析为主，缺少定量分析和技术工具支持。因此，本文提出结合价值流图析技术和约束理论优势的生产系统改善方法。以S汽车厂涂装生产系统为研究对象，论述了其有效性和实用性。

2 价值流现状分析

价值流是产品通过基本生产过程从原材料转化为成品所发生的一系列活动，从精益思想的角度，这一系

列活动包含了增值活动和非增值活动。价值流涵盖了该过程中物料和信息的流动，起点为供应商，终点为客户。价值流图析（VSM）技术是通过一些特定的图形符号将产品生产过程中的物料流和信息流描述在图纸上，形成价值流图，从而了解当前价值流（VSA）的状态，识别系统中增值和非增值的部分并通过精益的方法消除浪费，提高系统增值率，降低成本，并绘制预期的价值流未来图（VSD），体现改善活动的目标[1]。

2.1 生产现状

S汽车厂是一家生产高档轿车和SUV的大型合资企业，其汽车生产主要有四大工艺车间：冲压、车身焊装、涂装和总装，由于国内外对价值流方面的研究较多针对于离散型装配制造生产过程，而汽车涂装则比较特殊，是一种相对来说高度自动化的流程型生产系统，对这方面的研究还比较少，因此选择涂装生产系统为例进行分析研究。

按照当前价值流图析（VSA）的应用步骤，首先选定产品族[2]。S汽车厂主要生产三种车型，SC、SD轿车和SX运动型多功能车，对于涂装车间的生产，三种车型生产工艺流程相近，各车型近三年的销量统计如图1所示。因此选择销量维持较高水平的SD轿车为分析对象。

图1 S汽车各车型销量统计图

S汽车涂装生产流程共包含7道主要工序，分别为前处理及电泳、PVC密封胶、电泳打磨、面漆喷涂、面漆打磨、注蜡、发泡。其中，白车身表面处理及电泳可以很好地提高车身表面附着力及防腐性能；PVC密封胶对车身焊缝进行密封以及空腔注蜡都能对车身起到良好的防腐密封作用；发泡工艺除防腐效能外还能起到一定的隔音降噪作用，而最增值的面漆喷涂则为客户提供各种颜色的车型选择。除此之外，对汽车表面质量进行检查并对缺陷进行打磨抛光等处理虽然为非增值环节，但为保证成品质量和客户满意度是不能取消的必要环节[3]。

2.2 价值流现状图

绘制价值流程图的首要环节是准确地定义价值。精益思想将所有的价值流活动分为三类：增值活动、非增值活动和必要非增值活动，为方便起见，之后将这三类活动分别用VA,NVA和NNVA来表示[4]。根据上一节的表述，对于S汽车涂装生产系统，除电泳打磨和面漆打磨工序外，其他工序都为增值环节，增加系统中工序间的缓存环节，将系统中所有价值流活动进行分类见表1。

表1 价值流活动分类及工艺顺序表

定义了涂装生产系统的价值后，通过现场调研，收集各工序的作业人数（HC）、工作节拍（CT）、总通过时间（TPT）、设备综合效率（OEE）、设备运转率（EA）、生产班次、工作时间、百台车缺陷率（DPU）等数据，绘制价值流现状图，如图2所示。

根据绘制出的价值流现状图计算出系统的增值时间、非增值时间、增值比等，结果如下。

增值时间

其中，Ti是第i个增值工序的加工时间。

非增值时间

其中，TI'是第i个非增值过程的通过时间，包括工序间的运输时间和非增值工序的加工时间。

通过价值流现状图并结合生产现状，用精益生产方式对S汽车涂装生产系统价值流现状进行分析，发现主要有如下影响系统增值率的潜在浪费问题：

（1）面漆打磨工序时间长,增加了非增值时间；

（2）PVC工段节拍时间长，工位间作业负荷不均匀，

线平衡率低；

（3）注蜡段沥蜡工艺过程浪费，工序时间长且质量较差；

（4）中间缓存区库存较大。

图2 S汽车涂装车间价值流程现状图（VSA）

3 约束理论下价值流改善方案

3.1 基于目标的改善活动排序

价值流图析（VSA）可以使研究人员清楚地识别出系统中的非增值环节，对于这些环节，精益思想主张必须予以消除或改善。然而，在开展并实施改善活动的过程中，企业需要投入各种资源，包括人员、时间、资金、物料等。如果对所有非增值环节冒进地不分主次地进行改善，而不考虑改善活动对整个生产系统和企业整体利益的影响便很可能造成事倍功半的效果。

约束理论（TOC）将制造系统的资源分为关键资源和非关键资源，指出只有基于对提高关键资源利用率的改善活动才是有利的，否则是不必要甚至会带来负面效果的[5]。其认为企业的终极目标就是在当前和将来获取更多利润，简而言之就是盈利。通过有效产出、库存和运营费用三个指标来评估企业所有活动是否围绕着这一目标而运营。有效产出不是一般的产出率，其强调的是产销率，即单位时间内生产并销售出去的产品量，体现出通过销售活动获取金钱的速率。库存是指为了满足未来需要而暂时闲置的资源，包括原材料、产成品、在制品、备件等。运营费用是企业在将库存转化为产销量过程中的一切直接和间接费用的总和。企业若想盈利，必须不断提高产销率、降低库存和减少运营费用。概括来讲，TOC就是从整个系统出发，以三个指标为导向，帮助企业识别并消除妨碍其目标实现的主要制约因素，也就是“约束”。TOC对约束进行改善的五大核心步骤为[6]：

（1）找出系统中存在哪些约束；

（2）深挖约束，寻找突破这些约束的办法；

有时候这会涉及到漫长的适应和调整过程，经常长达数月之久。身份的确定，家庭成员外出的膳食，必要的交通安排，与家庭成员的谈话和使他们理解现实的状况，以便赢得他们的合作。这种研究显示，有时候只能从事一些简单的工作，有时候则完全一事无成。慢性病必须经历一个漫长而乏味的治疗过程，为了实现让病人为他的治疗而定期复诊的目标，这可能涉及到需要从地理位置与经济的角度总体上重组病人的家庭。这常常包括教育病人，提醒患者虽然他的症状有所改善，但是他仍未完全痊愈的过程。

（3）迁就约束，使企业所有非约束活动服从于第二步提出的各种措施；

（4）突破约束，具体实施第二步中提出的措施；

（5）约束转移，在新的循环中寻找新的约束，防止惰性的产生。

因此，将表1中识别出的所有非增值价值流活动以及通过分析发现的影响系统增值率的问题，按照与约束理论三大指标的相关程度进行细分，找出制约目标系统的“约束”。应用的工具为价值流约束关联值表，由最熟悉生产系统运作的管理者组成专家团队，分析每一项非增值活动与三大指标的关系，并对每一个关联项进行打分，分值Kij表示第i项活动对第j个指标的影响程度，其中价值流活动序号i=1,2…,n；指标序号j=1,2,3(1为有效产出，2为库存，3为运营费用)。某项活动i对某个指标j的影响程度越大，赋予的分值越高，Kij=0,1,2,3(0表示没有影响，1为有影响，2为有较大影响，3为有很大影响)。通过分析得出的结果见表2。

表2 价值流约束关联值表

根据价值流约束关联值表可以得知各项潜在的浪费环节对该生产系统的目标制约程度，按总关联值从高至低依次为浪费活动排序，最终得出改善活动应该进行的主次顺序依次为：面漆打磨作业时间优化、PVC密封胶线平衡优化、沥蜡工艺优化、中间库存优化。

3.2 改善方案制定

为了对VSA和TOC结合分析得出的价值流活动进行改善，需要对各项活动潜在的问题进行分析并确定改善方案，具体如下：

（1）面漆打磨作业时间优化。由VSA可以发现面漆打磨工序作业通过时间长达1 320s，共有6个工位12名操作工，其中1-3工位为检查打磨工位，4-6工位为缺陷抛光工位，各工位操作节拍为CT=80s。根据现场随机抽样观测及质量控制站数据统计，平均每台整车缺陷打磨点数量为11.5个。按照标准作业指导，并通过IE的秒表时间研究MTM方法[7]得出面漆打磨工序标准作业内容及时间见表3。

表3 面漆打磨标准作业内容时间表

对此，成立问题解决小组，通过增强面漆喷涂设备维护保养和清洗效果、优化机器人仿形等行动措施改善面漆质量，并持续对质量进行监控，实现了质量稳定性控制在7个缺陷点的优化效果。如此，可以将面漆打磨工序工位数减少至4个，总通过时间减少448s，人员优化至8人次，减少4人次。该优化达到了增加有效产出，减少运营费用的效果。

（2）PVC密封胶线平衡优化。PVC密封胶工序包含增值工艺和非增值工艺，生产节拍长，工位多，造成生产系统总通过时间长，不利于有效产出的提升。通过秒表时间研究对PVC线各工位操作时间进行分析，得出结果如图3所示。

图3 改善前PVC各工位作业时间对比图

在11个工位中，后盖修胶、车门修胶和检查修胶为非增值工艺过程。由图3所示，3个修胶工位操作时间长，影响整个工段的生产节拍，为改善这种现状，需要对机器人进行仿形优化以及人工涂胶工具优化，提高涂胶质量，减少修胶点，并通过人员技能及标准作业培训，避免修胶过程造成的浪费。改善后修胶点减少情况为：后盖修胶工位由6点降至3点，车门修胶由4点降至2点，检查工位基本没有需要修胶的潜在漏水点。对改善后的各工位重新进行秒表时间研究，并通过ECRS原则，将各工位作业内容进行重新排布，得到改善后各工位作

业时间对比图如图4所示。工位数减少了2个，节拍时间减少5s，人员数减少了4人。

图4 改善后PVC各工位作业时间对比图

图5 S汽车涂装车间未来价值流程图（VSD）

（3）沥蜡工艺优化。车辆经过注蜡后，需要经过沥蜡工序使空腔内的蜡均匀地覆盖空腔内表面。将车辆置于T型沥蜡台上，通过倾斜和平置车辆使空腔内的蜡均匀流淌。现有工艺下沥蜡时间为68s，车辆倾斜时间为前倾和后倾分别24s，中间平置时间20s，通过测量分析，平置过程对于沥蜡效果增强作用不明显，则通过工艺调整，取消设备平置时间，同时调整倾斜速度，使沥蜡工序减少20s节拍时间，经多次抽样检测，改良后的工艺可以达到质量要求。

（4）中间库存优化。S汽车涂装车间中间缓存环节共有3个，分别为电泳高架库90u、选色区库存45u和面漆高架库95u。虽然库存在精益生产中被定义为浪费，但是根据约束理论，考虑生产系统的整体，这3个缓存区都有其必须存在的原因。其中电泳高架库和面漆高架库库存都是为了缓冲上下序产能不一致而存在的，由于电泳漆烘干炉和面漆烘干炉产能较低，根据现有的客户需求，考虑节能因素不建议增加新设备。因此，两个缓冲区的库存是必要的，并通过系统仿真的方法已调整至最小库存。而选色区库存是为了在车辆被下达颜色信息后，经过缓存环节重新设定颜色批次并排产，以减少面漆喷涂时设备换型换色的调整准备时间，同时有利于质量的稳定性。基于以上因素，考虑库存虽然造成成本增加，然而却有利于整个涂装系统的有效产出，在目前的产能和客户需求匹配下不进行取消或降低。

3.3 绘制未来价值流图

基于上一节提出的各项活动的改善方案，为了明确

改善目标和终点，并为下一个循环做铺垫，绘制出未来价值流图VSD如图5所示。

4 改善效益分析

对各项改善方案进行评估，改善效果主要有以下几点：

（1）减少系统总通过时间TPT。通过面漆质量提升，面漆打磨工序减少TPT 448s。通过PVC线平衡优化减少了2个工位，节拍时间降低5s，使非增值时间从1 327s降低至147s，减少了1 180s，整个工序减少1 225s。通过沥蜡工艺改善，节省TPT 20s。则整个涂装系统降低TPT 1 693s，提升了系统的有效产出。

（2）提高系统增值率。通过各项改善活动，未来价值流程增值比由原来的45%提高了2个百分点。

（3）降低运营成本。面漆打磨取消2个工位，PVC密封胶取消2个工位，共减少8人次的操作人员。

（4）提高产品质量。面漆打磨和PVC线的改善究其根本是工艺的改善、质量的改善。只有高质量的产品才能满足客户严苛的需求，有利于提高系统的产销率，增加企业的利润。

5 结论

本文以S汽车涂装生产系统为例，应用价值流图分析技术结合精益思想相关理论方法对其生产现状进行分析，识别系统中的浪费，提出改善的潜在点，并通过约束理论，从实现企业盈利目标的角度对潜在改善活动进行分析和排序，提出改善方案，达到了使系统增值率提升至47%，生产周期减少1 693s，人员减少，质量提升的效果，因而提升系统的有效产出，降低运营成本和库存，对涂装系统这类非离散型生产系统的优化提供一定的建议性。

[1]李文杰,徐克林.基于价值流图析的精益生产研究[J].机电设备,2009,26(1):41-44.

[2]迈克·罗瑟,约翰·舒克,著,赵克强,等,译.学习观察[M].北京:机械工业出版社,2013.

[3]余汉斌.汽车涂装工艺的发展[J].汽车工艺与材料,2006,(1): 41-45.

[4]詹姆斯P·沃麦克,丹尼尔T·琼斯,著,张文杰,等,译.精益思想[M].北京:北京商务印书馆,2005.

[5]Kevin J Watson,John H Blackstone,Stanley C Gardiner.The evolution of a management philosophy:The theory of constraints[J].Journal of Operation Management,2007,(25):387-402.

[6]王玉荣.瓶颈管理[M].北京:机械工业出版社,2007.

[7]易树平,郭伏.基础工业工程[M].北京:机械工业出版社,2007.

Improvement of Automobile Paint Line Based on VSM and TOC

Ge Anhua,Liu Xinwei
(School of Engineering Technology,Northeast University of Forestry,Harbin 150040,China)

In the efforts at improving production systems,the lean thinking and theory of constraint are becoming increasingly more popular among the enterprise management for their high effectiveness and value stream mapping is an effective tool in the lean thinking.In this paper,we developed a method to combine the strength and supplement the inadequacy of the VSM and TOC and in the case of the automobile paint line of a company S,demonstrated the validity of the method.

lean thinking;value stream;theory of constraint;automobile paint

F273.1;F407.471

A

1005-152X(2016)10-0138-06

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.032

2016-08-28

葛安华，男，教授，研究方向：工业工程；刘昕蔚，女，硕士研究生，研究方向：工业工程。