精益模式下的自动化导入

近年来，由于国内人力成本与员工离职率逐渐增加，很多企业选择导入自动化来代替人工操作。富士康总裁郭台铭更是抛出豪言壮语：三年内投资至少1000个亿，引入至少100万只机械手。我们暂且不去评论这个梦想是否能照进现实。笔者曾作为工业工程人员支援过自动化部门，亲历了一些自动化项目的成功与失败，也在反思从IE或精益的角度来看，如何才能让导入的自动化设备更有效？如何才能让导入的自动化设备符合目前的生产环境？

Q1：工序是否有必要导入自动化？

我们可以把自动化设备导入分为两种情况：

• 一是现有设备能力不能满足需求；
• 二是在人工操作的工站导入自动化设备；

当现有设备能力不能满足需求时，首先要考虑能否通过设备改造来提升设备效率，例如，对于需要人工辅助操作的半自动化设备，可通过一些IE的分析和改善方法来提高效率；笔者曾通过增加一套治具的方法将一台压合设备的能力提高了一倍，改善前后的人机操作图如下，改善前操作者和设备都存在明显的等待浪费，改善后通过交替使用两套治具，消除了设备的等待浪费。如果购置一台原来的设备，购置费用高达10万人民币，而且还需额外配备一名作业员，而改造设备的费用不足两万人民币。

对于全自动化设备，可考虑消除设备循环时间中的浪费，如减少设备传送部件的距离和时间。

当工序的原有操作是人工操作时，同样也需要考虑是否可以通过一些改善方法来提升人工操作的效率和质量，以节省人力和成本。一般在以下情况下考虑导入自动化代替人工操作：

1.作业环境差，如喷涂和焊接作业等；

2.人工操作使产品品质不稳定或达不到客户要求；

3.产品较大或较重，人工操作困难。

对于仅仅以节省人力为目的的自动化，个人建议需审慎评估。

Q2：工序是否适合导入自动化？

笔者曾支持过的自动化部门，由于高层管理者在这个部门成立时定位的目标就是节省人力，因此部门负责人在选择导入自动化的工序时，首先考虑的就是那些人力比较集中的工序，如组装，检验等。个人认为这是个很大的误区，因为这些工序恰恰是导入自动化难度最大的工序。在评估工序自动化的技术可行性时，至少需要考虑以下因素：

1. 部件的稳定性 ：如果上游提供的部件差异较大，人工操作时由于操作者具有主观能动性，不仅可以判定部件的品质是否可以合格，还可以根据部件的差异灵活的调整自己的操作方法。但设备不具备人的灵活性，如果部件不稳定，设备加工出来的产品品质可能还不如人工，也可能会造成设备的频繁停机。

2. 部件的可定位性

3. 操作的复杂度 ：操作的复杂度越高，实现自动化的技术可行性越低。即使是工业机器人，复杂的组装作业也难以实现。

4. 部件的包装方式 ：如果想实现自动上料，需要更改原有的包装方式以能让上料机械装置可以抓取到部件，由于变更包装方式所带来的成本增加需计算到自动化成本中。

5. 部件的可分离性 ：如果想实现人工上料，需要评估部件的可分离性。尤其是对于一些小的零部件，比如螺丝等。
产品设计中有DFM/DFA（Design for Manufacture/Assembly）的理念，意思是指在产品设计阶段考虑加工和组装的效率和成本，比如尽量减少锁丝的数量和种类，尽量使用标准件等。如果想实现自动加工和组装，我们也可以从产品设计端来考虑如何满足自动化加工或组装的需求，但需要评估变更设计所带来的成本变化（如在原来不能定位的部件上增加定位柱，缩小部件的公差范围等）。
在自动化导入的经济可行性评估中，不能只计算设备的采购成本。

Q3：导入哪个等级的自动化？

按照自动化程度的高低，可以把自动化分为以下五个等级：

Level  1自动化不是指全人工操作，而是指在上料完成后的设备加工/操作循环时间内，作业员仍需要作辅助操作，如翻转工件或功能转换等操作 ；按照丰田生产方式的理念，要尽量将人力从设备上释放出来，让操作者能一人操作多台设备，而不是把操作者作为设备的附属。如果导入Level 1的自动化，一台设备仍至少需要一名操作者来，无法实现一人多机。

Level 2的自动化也被称为“one-touch 自动化”，是指当作业员完成设备上料和设备启动后，不需要在设备操作循环时间内看管设备，这就在很大程度上解放了操作者，减少了等待浪费。

在丰田生产方式中，Level 3的自动化也称为“着着化”，是指设备加工完毕后，可自动将工件弹出，只需将下一个工件放入即可。因工件的自动弹出不需要精确定位，因此Level 3的自动化一般成本较低。可以利用设备最后一个循环动作的动力来弹出工件。因为会产生噪音并且成本较高，不建议使用压缩空气吹出工件。当取放工件需要双手操作时，操作人员需要先将加工好的工件取下，然后再将新的工件放上，产生了等待浪费，这种情况下有必要导入Level 3的自动化。

从Level 3到Level 4或Level 5的自动化，技术难度和成本显著地增加。上料对于人工操作来说很容易，但实现自动上料，不仅需要专用的自动化技术，而且对来料的包装方式及放置方式也有要求。同样在不同设备或工序间传递工件，需要使用机械臂或者传送线，虽然看起来很有吸引力，但这会降低流程的可靠性和应对需求变化的柔性。

一般来讲，Level 3的自动化是最佳选择，与Level 1和Level2相比可以达成自动化带来的好处，与Level 4 和Level 5相比，在成本，采购周期，维修保养的难易度，可靠性和柔性方面更具优势。在某些情况下，如果想导入Level 4和Level 5的自动化，需要审慎的评估其投入与收益，以及技术的可靠性等。

Q4：自动化设计如何才能满足精益模式的要求？

传统的自动化设计时一般考虑的因素是：功能要求，良率或精度要求，可靠性要求，速度要求以及易于维护性，安全性等。目前的生产环境是多品种，小批量， 精益生 产 就是产生在这种环境下的生产模式，除上述传统因素外，自动化的设计还应考虑以下精益理念的要求：

小型化 ：大不是美，小而简单才重要。

1.使用单任务的小设备，而不是使用多任务的大设备；设备越复杂，成本越高，可靠性越差，而且应对需求变化的柔性也较低；

2. 不盲目追求高速设备，设备的效率应以满足需求为原则，并尽量与流程中其他工序的产能相匹配，盲目的追求高速设备，或者造成过量生产，或者会让设备以低利用率运行。此外，对于应对未来需求的增加，产能提升不能一蹴而就，应以适当的增量来增加，大型高速设备会让产能的增量过大；

3.尽量避免批量加工的设备，批量加工设备虽然在效率上具有一定的优势，但会阻碍流动，与创建连续流原则相悖，会造成过高WIP，使生产周期过长。

流动化 ：设备易于移动。现在市场环境中，唯一不变的就是变化。产品的变化和以减少浪费为目的的流程改进都会驱动我们调整生产的布局，因此精益模式下的设备布置有三不原则：不落地生根，不寄人篱下，不离群索居。“落地生根”是指设备被固定，移动成本很高。设备要像“快餐车”一样，具有机动性，管线要尽量使用长短易变动的软性管路。“寄人篱下”是指与其他设备共享附属设施，如吸尘系统或冷却系统，这样设备会像寄生虫一样，必须依附在其他的设施下，才能运转。“离群索居”是指设备按照功能分割开，除非由于生产环境的特殊要求（如涂装，电镀设备），设备应按照工艺流程布局，创建连续流。

柔性化 ：有弹性，改变附属机构即可作其他用途。现代工业产品生命周期短，技术更新速度快，如果设备专用化程度过高，可能会造成设备投资还未回收，就已经不适用了。因此柔性化是现在生产环境下自动化设备的一个重要考核指标。柔性化的自动化可通过泛用机的专用化（基本功能机械搭配专用生产某种产品所需的治具，模具，刀具）和模块化设计（更换某一部分机构件即可生产其他产品）来实现。郭台铭的机器人策略并非没有道理，机器人的优势一方面由于具有较多的自由度可以完成比一般设备复杂的操作，另一方面在于其高度的柔性，只要更换手爪模组并变更程序，机器人就可以用来做其他用途。

快速化 ：1.可快速启动，启动后不需要调试就可生产；2.可快速更换模具，刀具。基于减少生产批量以减少库存，丰田一直致力于追求快速切换，在自动化设备阶段就考虑快速切换的要求，从技术复杂度与成本角度，比在设备使用后再进行快速切换的改进要低得多。

自働化（Jidoka） ：赋予设备人的智慧，在设备作业时将人力解放出来。使用传感器以探测异常并发出异常信号，并在必要时自动停机。自働化是丰田生产方式的两大支柱之一，二战后，日本从美国购买了大批自动化设备，尽管是自动化设备，但每台设备前仍需配备一名操作者看管，在发生故障时关闭设备并找维修人员来修理，在 大野 耐一 看来，这是愚蠢的，于是他开始考虑如何做到不需要人监护，他想到了丰田创始人丰田佐吉的发明，以前的织布机在织造过程中，如果一根经线断了，或者是纬线用完了，必须靠人巡回检查发现停车处理，不然就会出现大量的不合格品。能不能给设备赋予类似人的“智能”，给它装上判断设备运行状态是否正常的装置，使之在出现上述情况时自动停车，从而提高劳动效率又减少不合格品？1901年，丰田佐吉开始研制这种自动跳闸的织布机。受这一启发， 大野 耐一 将传感器应用到设备上，当设备发生故障时，设备可自动停机并发出信号，这就是丰田生产方式中自动化（Jidoka）的来源。

结语

自动化不应该赶时髦，不应盲目的追求高科技也不能图便宜，需要具有长远的眼光。自动化导入之前合理化与标准化先行；自动化评估与设计阶段，IE/生产/维保部门与设计人员的良好沟通也很重要。总之，自动化之路任重道远。