加工车间的精益管理

经典的精益生产管理被当作一种降低生产成本的福音，但对于低批量生产各种零件的制造商而言，其好处是难以预见的。该车间对精益生产管理采取了一种不同的方法，以软件作为辅助的方法，帮助在零件的加工路线选择过程中，确定一种更为有效的机床布局。

2007年，Jeff Gleich先生回到G&G制造公司董事会两年后，他的祖父Kurt Gleich先生希望他制订该车间实施精益生产管理的计划。为了提高主轴的生产运行时间，一个Kaizen精益生产管理的计划开始顺利执行，新建的团队已经准备就绪，5S和其他的精益生产管理计划帮助了该公司认识到并减少浪费的现象。然而，当该车间开始踏上精益管理之路并获得收益时，却遇到了困难。

要摆脱这种低迷的状态，需要对精益生产管理的实质有两个关键的认识，并且使其适用于该加工车间，而不是与生产环境对立（丰田公司的精益生产管理就是一个经典的例子）。首先应该懂得，绝大多数被人们普遍接受的精益生产管理的实践，主要应用于加工流程的优化，也就是说，如何使产品按照规定的路线通过各加工流程。其次，而且也是最关键的，应该认识到，在高混合和低批量加工操作中，简化生产流程的最有效方法是：按照工艺类别而不是零件类别来组织加工任务。

有了这些理念和一个有助于识别工作任务路线安排的软件分析工具作为武器，从而使G&G制造公司的生产效率和交货时间分别提高了25%和50%。当然，要实现Gleich先生所说的“柔性流水线生产加工单元”和与此精益生产管理思想有关的其他战略，说起来比较容易，但做起来比较困难。同样，上述见解也肯定不是从他的大脑中自发地迸发出来的。下面介绍一下G＆G制造公司精益生产管理思想的演变过程、其所面临的挑战以及相关的软件，促使它们转变成如何能够适应加工车间工作环境的一个例子。

俗话说：“千里之行，始于足下。”从1998年起，G＆G制造公司就开始向精益生产管理的计划迈出了第一步。Gleich先生的父亲Kurt Gleich先生向他介绍了一本叫做《精益管理思想》的书，该书主要向人们提出了“采用精益管理或其他方法”的要求。

图1 各种零件的样品，说明了G&G制造公司逐年加工
生产的多样性。根据他们的年产量情况，零件被划分
成“滚动零件”、“重复零件”或“不常见零件”

读完了这本书之后，Gleich先生收集了一些培训资料，并着手准备这一车间的精益管理之旅。G＆G制造公司撤离了按部门化管理的机床和其他设备，并按照类型开始实施其第一套单元化布局方案。该车间认识到了某些好处，但最终，其所实施的精益管理处于举棋不定的状态。他虽以尽可能高的效率组织了新的加工单元以完成特定的加工任务，但因为缺乏灵活性，不能适应不可避免的需求变化和车间内产品的混合结构。如果合同不重签更新，该加工单元就将变得毫无用处，只能解体处理。

加工车间之间的差异

这些为单元化加工生产所作的初步努力，说明将一种“以一顶十”的万能方法应用于精益管理实践存在一定困难。像G&G制造公司那样的高混合、低批量生产操作，与二次大战后丰田公司工程师们所采用的著名生产体系思路不完全一样，当时他们的目的是为了简化汽车的生产流程。丰田公司的生产体系（简称TPS）为今天的大部分精益管理思想奠定了基础，它主要面向专门从事大批量生产加工的大型组装厂，其加工的零件数量或零件类别是相对有限的。而与此相反，一个典型的作业车间则试图将“所有的事情适合于所有的人们。”Gleich先生说。

对于G&G制造公司来说，它以各种类型和各种大小的零件为各行各业提供服务。在这里加工的材料包括钢材和不锈钢、钛金属和因科镍一类的硬质合金、紫铜、青铜和塑料。除了一系列的铣床、车床、加工中心和螺纹加工机床以外，该车间还拥有一些用于二次加工的专用设备，如像磨床、研磨机和珩磨机。该公司大约生产1000多种不同的零件，其生产批量从几百个到几千个不等，与其正常来往的客户有120多家。

要完成这样的一种动态式混合型加工任务，可能会在实施精益生产管理中碰到许多障碍，对于一个大型的组装类操作加工厂而言，将是完全陌生的。许多部件只能共享相对较少的加工资源。设计变更是很常见的，需求在不断波动，合同可逐年变化。交货期、生产批量、设备要求和周期时间也会高度发生变化。由于这些原因和其他因素，专用的加工单元、以Kanban看板视觉辅助检查为基础的“拉动式”生产以及为连续流水线而设计的其他生产实践，简直不可能很容易地转换成这一工作环境。

因此，有那么多的工作车间企图为实施精益管理而努力奋斗是不足为奇的。这并不是说，精益管理的 “通过撤除不能为客户增加价值的所有工艺或实践来提高效率”的中心理念不适用于工作车间。相反，在高混合型低批量操作生产中，这个问题缺乏实施那种哲学理念的明确界定方法。

绘制加工车间的DNA图谱

俄亥俄州立大学集成系统工程系的副教授Shahrukh Irani博士，一直在试图改变这种状况。在他对加工车间的精益管理研究中，其最新的一个项目是关于“生产流程分析和简化工具包（简称PFAST）”的发展。PFAST是一个软件程序数据库，旨在评估和简化物流，以帮助制造商开发零件的系列和机床的组合方案。

图2 这种混合式加工单元，能够使车间较小的车削和铣削
加工件在任何一点上流动和进出，但这取决于不同的工件。
它包括同一型号的多台机床，而且所有的机床被安装在一
个紧凑的空间内。这可最大限度地减少车间内的步行时间，
如果其他的机床被占用，它有助于确保机床的开放式加工nextpage

在加工车间中，可能会出现这样的情况：就零件通过工艺链进行如何加工的问题而言，似乎没有两个零件是相同的。然而，归根结底，所有的零件都将通过相对有限数量的工位传送移动。PFAST将帮助确定这些加工路线的共同模式。然后配合相关作业的频率数据、它的体积及其所产生的收益，这些就能模式帮助制造商设计有效的车间布局，优化生产流程，将最重要的工作安排在优先位置。

Gleich先生将这一软件工具应用于G&G制造公司，帮助他们克服在精益生产管理旅程中所遇到的一个关键障碍。然而，如果他从本质上没有认识到车间为什么需要这样的一个工具，那么他绝不会有机会遇到Irani博士或发现PFAST方案。也就是说，当归结到实质性问题时，所谓精益管理实际上就是流程管理。如果工作车间是一个生动活泼的有机体，那么零件的加工路线就是它的DNA，即如何发挥其各项功能的基因蓝图。为了改变车间的基本结构和实施最有效的精益生产管理，如果没有最佳化的工艺路线，车间只能去寻找可提高效率的替代战略方案，这或许也能起到同样的有效作用。

达到融会贯通的境界

当然，Gleich先生已逐渐地认识到这是一条艰难的道路。1年后，公司聘请了Definity Partners公司的一名顾问，协助实施Kaizen综合性生产管理体系。该公司第一次开始对变革和变化产生影响的关键性做法进行跟踪和审查。设置减缩方案和5S组织对提高效益作出了进一步的贡献。起初，为这一切花费了很多时间。“我的目标是长达10年的时间，分2个阶段执行。”在实施精益生产管理方面，我们需要安排10年的努力奋斗时间，”Gleich先生解释说。在这一时期中，交货期缩短了40%，废品率和返工率也减少了一半。然而到2007年秋季，该车间已经基本上达到了高峰水平。然而，在获得这些重大的初步成果后，生产效率只是以2%左右的速度递增。如上所述，这一切又返回到原始流动状态。跟踪指标和流水线工艺对缓和矛盾及解决瓶颈问题所起的作用极小，其结果源于这样一个事实：车间内负责各种加工任务的机床，其工作负荷似乎随着需求而随时发生变化。

Gleich先生认为必定存在着某种简单的、承担车间全部工作的共性，它将为制订更为有效的零件加工路线提供一个基础。他开始觉得：也许工作业务并不是那么复杂，毕竟也不是不可预测的。事实上，整个操作可归结为8大核心工艺流程，其中涉及到各种铣削加工、车削加工及其它不同的加工顺序。但不是将成千个零件组织归结到数千个的零件系列之中，那么根据零件生产所要求的相对较少的加工工艺来组织加工任务，是否会具有更高的效率呢？

Gleich先生就是这么认为的。但是，即使约有100个零件的加工路线被输入到一个Excel电子表格之后，这是一项非常耗时的工作，至少可以说，他会对确定车间内机床的最好组织方法而感到困难。同时，他也可以对每台机床上不断发生变化的工作负荷以及零件在机床之间的流通情况有更深入的理解，在这么多不同的零件加工路线中要确定其相似性，似乎是一项无法完成的任务。

解密产品混合结构

这一关系的建立终于获得了回报。2008年2月，Irani博士曾多次访问G&G 制造公司，评价了该公司的生产操作情况和举办了精益管理研讨会。紧接着，该车间实施了PFAST方案，并开始将其机床组织成混合流水线加工单元，采用该生产工艺，确保各种零件的有效生产流程。PFAST方案有助于将这些零件按工艺类别进行划分，对重要的工件采取优先加工的方式，然后输出一系列的报告，帮助制订出一个有效的车间布局计划。其第一步工作是输入必要的数据，包括每一个零件的编号、加工路线顺序、年产量和年收益。

像G&G制造公司那样，在涉及到大量不同工作任务的情况下，PFAST将分析一个具有代表性的零件实例，确定最重要工件的优先加工顺序，而不是全部的混合零件。为了帮助选取这样的一个实例，软件将通过一个称之为PQ$的分析工艺对零件进行分类，其中字母“P”代表零件，“Q”代表年产量，“$”代表年收益。每个零件将在一个分散的图表上显示其适当的位置，图表中沿着X轴方向显示的为“数量”，沿着Y轴方向显示的为“收益”。该图表划分成四个象限，由此可了解哪些是高数量/高收益的零件，哪些是低数量/低收益的零件，以及其他等情况。每一组零件采用一种不同的布局和不同的生产战略。

图3 即使像G&G制造公司那样的工作车间，为了全年能够生产
足够高批量的零件，准备专用的资源是合情合理的。该车间传
统的“U”字形加工单元，由来自Miyano宫野公司和Mori Seiki
森精机公司的VMC立式加工中心及一台来自Intertec国际技术
公司的车床组成，专门用于G&G制造公司“滚动零件”的加工

然后，PFAST使用一系列的算法来比较样品内每个零件的加工路线顺序。软件将采用类似加工路线的零件按组别划分到潜在的加工工艺类别之中，使它们在一个加工单元的配置中，共同处于某些机床或工位上，以达到更加有效的加工生产目的。由这一分析软件生成的PFAST报告将会提出建议，车间是否需要通过传统的加工单元或混合式布局来提供最好的服务。如果在潜在的加工单元中存在着大量的重叠，如果这种重叠涉及到必须在他们之间共享的昂贵机床，那么采用混合式加工单元似乎是最好的选择。像G&G制造公司那样，对于高混合、低批量生产的加工车间而言，这是一个典型的案例。

将焦点集中在价值上

尽管如此，G&G制造公司中的某些加工任务仍有足够的频率，值得在传统的“U”字形加工单元上生产。然而，滚动元件的加工在G&G制造公司是极为罕见的。另一类是称为“不常见零件”的加工任务，其需求具有不稳定和不可预测的特点，不适于广泛地采用提高效率的加工方法。精益生产管理中的主要核心是“重复件”的加工，这类工作的需求相对比较正常，但不足以说明有理由定期采用专用加工单元。nextpage

因此，G&G制造公司借助于PQ$分析软件选择的绝大部分零件样品是重复件。该车间的混合式加工单元，是围绕样品中最频繁的零件加工路线组织的，然后对这些工件的加工工艺进行标准化处理。G&G制造公司特别强调提高重复件的工艺水平，这一事实说明了关键重要的一点：为PFAST分析选用的样品应该由代表该车间最高价值的零件组成。任何布局的变化应与生产利润最高的零件流水生产线挂钩。“有时候，精益生产管理实践可以促使你围绕所有错误的东西而做所有正确的事情，”Gleich先生说，“这不只是精益生产管理的问题，它关系到业务的运行以及为市场提供一个引人注目的报价。”

从表面上看，只以总体混合产品中的部分为基础的工厂布局可能似乎是违背常理的。难道不可以对所有零件的加工路线进行比较，产生一个在整体上具有更高效率的生产布局？但这个逻辑所没有考虑到的是这样一个事实：其所选择的高价值工件样品，通常代表其总产量与总收益所占的份额不成比例。这就是G&G制造公司的实际情况。况且，不包括在样品中的产品可能具有与其较高优先级同类产品相类似或相同的加工路线。

一种不同的加工单元

G&G制造公司对简化流水线所作努力的最终结果是：实施采用混合式加工单元的布局。这种安排，通过将类似型号的机床组合在一起，使工艺布局的灵活性与专用加工单元布局中的低产出时间和生产工艺中的工作水平结合起来。这种思想是为了发挥加工单元中PFAST所确定的系列化零件的生产优势，同时又可共享彼此精密联系的机型，保持生产加工的灵活性。G&G制造公司的操作包含其中的6套柔性加工单元，每一套加工单元的安排都可进行由PFAST确定的独立的系列化工艺操作。

应用于G&G制造公司高价值、中批量和大批量车削和铣削加工的这样一套加工单元，也许是一个最好的实例。这一加工单元与其更通用和专用的同类加工单元相比，其最明显的区别是：该加工单元不是采用“U”字形布局。相反，该加工单元而是由两条互相平行的机床生产线组成，每一条生产线包含同样的设备（从总体上来看，该加工单元包含两台相对匹配的VMC立式加工中心、两台相对匹配的车床，该工艺族系共享一套HMC装置）。它不是像大部分的专用加工单元那样，将各种机床捆绑连接在一起，而是按照足够远的间距排列，然后零件在各个加工点上自由地流通和进出。

这一设计背后的逻辑是为了避免大部分加工单元所共有的“进”、“出”点的设置。这可以使得各个零件的流水线生产能够共享类似的加工线路—但并不一定是相同生产线路。例如，一个零件可以从车床流动传送到铣床，而另一个零件则可以从铣床流动传送到车床。如果其中一台机床被占用，零件可以在该加工单元相对一侧的同样机床上进行加工。需要加工的工件可在任何一个点上进入加工单元，流向一侧或另一侧，必要时穿越过道，帮助确保各种零件及时、有效地进行生产加工，但只有一个共同的特点：即生产这些零件所采用的加工工艺。

图4 此处标牌所示并不是出现了事故，其后面安装在滑
轮上的框架也不是货架，它们的重量很轻，易于移动。
这说明了G&G制造公司混合式加工单元的灵活性，它可根
据特定工作的要求，让工件在任何一点上自由地流动和进出

另一个例子如图片所示，它描绘了一套用于较小工件车削和铣削加工的加工单元。这套加工单元由两台安装在两端的棒料进给车床、一台铣床和一台安装在中间的卡盘车床组成。与上述“镜面”加工单元相类似，工件可以从任何一侧进出，而且可以根据需要，创建各种微型加工单元。由于配置了多种型号的同类型机床，因此当一台机床被占用时，可帮助确保提供其它的选项。“我们无论是采用车削加工，还是铣削加工，凡是要求停工量达到最小的区域，各台机床之间的零件都设置成流水作业的方式，”Gleich先生说。

智能报价

根据零件加工线路的类似性，围绕工艺类别组织混合式加工单元，可使交货期缩短40%~50%，生产效率提高20%~25%，具体情况取决于不同的加工任务。然而，G&G 制造公司通过精益求精的重新组织，也使其获得了更多无形的利益。其中一个典型的例子是：该车间可以给予更大的保证，使其能够像长期工作所具有的高工作效率那样，来生产外来的加工件。

这是因为G&G 制造公司的混合式加工单元具有足够的灵活性来生产一系列的零件，这一点已在目前和过去工作中所显示的优越性得到证实。考虑到有限数量的加工操作，而这些加工单元建筑在这些加工操作的基础之上，因此现有的工艺类别可能都适合任何新的工作。考虑到这一点，该公司根据其所实施的精益管理系统，一直在努力教育其销售队伍，如何评价潜在的工作。除了帮助制订一项合适的报价以外，它可以为加工单元输送对客户来说似乎具有合适的价格和对于G&G 制造公司具有合适利润空间的工件，即使是在某些工艺类别中对工作需求下降的时候。

当然，这也保证了车间坚持它感觉到能够以竞争性优势进行生产的工作，同时仍然还应该具有能够提供多样化混合加工的生产灵活性。“在这些加工单元上，我们能够找到成功生产的工作机会越多，那么情况就会越来越好，“”Gleich先生说，“进一步认识你自己吧！对不适合自己的工作要善于放弃和不给予‘报价’，这一点是非常重要的，它可使我们将全部精力集中在我们做得最好的工作上。”

超越流水作业

按工艺类别组织零件的加工，并将混合式加工单元纳入到流水线加工路线之中，从而从根本上改变了G&G制造公司的业务，其他的合同制造商没有理由不能追求类似的精益管理实施战略方案。然而，优化流程是加工车间精益管理的基础，Ellison Technologies技术公司（在俄亥俄州的西Chester市）的Andy Glaser先生说，凡是愿意采取下一个步骤的车间都可进一步获得更高的效益。

Glaser先生说，下一步是实现自动化。乍一看，似乎只有大批量生产的类似零件，采用自动化生产才能显示出它的优越性。Glaser先生指出—与精益生产相类似—情况不一定就是这样。与一个大型组装类操作相比，其实施方式也许有所不同，但自动化工艺的核心目标仍然是适用的。“自动化并不一定要采用6轴机器人，”他解释说，“它可以是限制操作员干预的任何东西，如像连接于加工工艺中的零件检测探头，可以从手工夹紧变换到液压夹紧，或者在一台现有的车削加工中心上安装一套棒料进给装置，这里仅列举几个实例。”

然而，他强调说，流水作业应作为首要的因素考虑。在零件的生产中，如果零件在那个阶段来回的旅程中出现了瓶颈问题，那么工艺的自动化所提供的优越性将是十分有限的。这就是说，一旦当车间简化其零件的工艺流程时，它可以确定这样的一类加工任务：例如去毛刺、焊接、测量以及对自动化可能有好处的一类优秀选项。另一种选择可能是将多功能机床与独立机床上的操作结合起来。

就像G&G制造公司的Gleich先生那样，Glaser先生在OSU俄勒冈州立大学举行的一个工作车间的精益生产车间年会上，也遇到了Irani博士。他将结束与Irani博士的合作，将他有关实施自动化的思想作为后续行动，融入到未来会议的优化流程之中。

也许更重要的是，Glaser先生力图将工作车间的精益管理信息带给其在Ellison公司的客户，该公司分销来自Mori Seiki森精机公司和Fanuc Roboics机器人公司的设备和提供服务。它坚持核心原则，指导分销商的业务。“Ellison公司致力于为制造商提供有关战略方面的教育，在销售新的设备前，提高其生产效率，”他说，“一旦他们获得了基本的信息，那么我们将会探讨有关新的设备和自动化问题。”