火花塞压装自动化与成本优化

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#自动化 # 质量 # 成本降低 # PDCA # 人机工程

火花塞压装系统中的自动化与成本降低进展

摘要

本研究针对火花塞导线压接过程中为确保标准、消除因电缆接触不良导致的低功率故障和意外问题等质量缺陷，从而实现质量和成本降低的收益。主要目标是研究汽车市场中的最佳实践，以确定固定火花塞导线的标准方法，并与当前方法进行比较，通过分析部署成本、减少人工时间来指出潜在收益，并将结果应用于生产线，确保火花塞导线正确安装。为了理解此项工作，研究并探讨了一些关键点，如世界级制造（WCM）体系、FMEA、PDCA循环和改善等质量工具。这些工具被应用于火花塞导线压接过程，突出了各自的优缺点，寻求最佳使用方式。结果表明，采用自动化方式进行火花塞导线压接相较於操作员手动操作具有积极影响。该自动化方案于2014年被公司采纳并投入使用。在生产区域布局方面，工位的循环时间有所减少。此外，还观察到操作员循环时间的缩短，为企业带来了相应的成本节约，并改善了人机工程操作。结论表明，主要目标——确保火花塞导线压接标准并消除质量缺陷——已达成，这从成本分析中得到了验证，同时实现了岗位去饱和化，使操作员得以承担新的任务。

关键词 ：方法时间测量（MTM）；质量；持续改进

1. 引言

人们对质量的更大关注始于第二次世界大战之后—当时参与战争的国家急需物资，而日本是最早关注其生产质量的国家之一，因为他们竭尽全力重返市场（Barbosa，2006）。在经过一段时间适应质量管理体系并内化该理念后，现代企业 increasingly emphasis to the role 其产品和服务的质量。这是因为全球化日益影响着企业和客户日常生活，导致他们变得越来越苛刻（Juran and Gryna，1991）。

始终致力于降低成本、提升质量和缩短时间，Alpha公司（¯虚构名称）以及制造业和装配业的多家企业已将世界级制造（WCM）作为主要目标和日常运营理念。WCM是一种提高生产标准并消除浪费的生产体系，其原则从持续改进的角度应用于工厂和质量维护系统的各个方面（Hino，2009）。

该问题并非在特定时间发生，而是在整个班次中所有操作员和火花塞导线作业时均出现，可能与班次结束后因高强度体力劳动导致的操作员疲劳有关。

根据这些原则，Alpha公司的火花塞导线被识别出来，但安装到发动机时并没有统一的标准。每位员工用锤子敲击时的用力强度不同，导致操作不一致。

对发动机生产线上的当前火花塞导线进行了研究，以解决火花塞导线压缩不良的返工问题，因此需要更高效且安全的系统来确保产品的最终质量。由于该操作完全由人工完成，操作员难以（几乎不可能）保持施力的一致性以及锤子与火花塞导线之间的接触点一致，因此与火花塞导线之间未发现逻辑关联。

为了纠正差异并实现Alpha公司在压装作业中的持续改进以及产品质量提升，该操作需要一个更高效且可靠的系统，以确保最终产品的质量。

在这项工作中，仅能发现由于火花塞导线在发动机中压接不良而引起的与劳动力相关的问题，而不涉及供应链其他部件的相关问题，仅考虑两个出发点：交易中的质量问题以及缩短工位循环时间以实施工作场所的新活动。

本文考虑了精益生产的理念，以协助开展活动和实施所用设备。装置制造过程中使用的设备由公司培训的人员生产。这意味着所有装置的成本以及质量水平均由Alpha负责。

2. 文献综述

在企业内部的工作组中，它们是持续改进过程中最基本的要素（Brewer等人，2011）。培训、团队建设和工作场所改善是建立一种环境的重要因素，在这种环境中，员工能够成长、更加胜任，并为企业的更高质量做出贡献。

可以设立奖励，但前提是必须明确员工的绩效将得到奖励，并且是否真正提供了实现该目标所需的工具。除了改进流程和协助新产品设计外，还必须确保工作团队的实施对于生产过程的灵活性至关重要（Wellins等人，1994）。

一个建议的质量管理模型应包含组建具有员工积极参与的工作团队的步骤，以满足客户期望（Oakland，1994）。

工作组应具备的一些特征如下：对团队的共同目标做出承诺，保持团结，分配责任并应对可能出现的挑战（Goldbarg，1995）。此外，员工之间应具有真正的相互依赖性，以便在工作组任务中承担风险（Parker，1994）。

为员工提供团队培训至关重要，以便他们能够解读绩效指标，并根据过程实际数据情况确定应采取的行动阶段。通过这种方式，质量信息不仅可供高层管理团队获取（Martins and Neto，1998）。

以下章节给出了部分与竞争力、生产控制、质量水平及持续改进相关的文献综述与讨论。

2.1. 竞争力和控制

各个行业领域的企业之间当前的竞争形势促使它们不断寻求更具竞争力的优势，例如成本降低和员工培训。这些优势通过采用各种策略和精益制造工具来实现，所有这些都聚焦于产品、质量、成本和±效率（Basso等人，2006）。竞争力正日益被视为组织在市场环境中成败的关键。争取更广阔的运营空间要求企业采取一定的标准化态度（Coltro，1996年）。质量（Paixão，2005）是决定组织生存的不止一个因素。如今，质量是一种投资。要塑造每个组织，管理标准必须聚焦于客户满意度。这是企业得以在市场上生存的首要条件。

因此，了解和衡量面向客户的服务或交付产品的绩效非常重要（Belohav，1993）。可以进一步指出，质量管理不仅使企业具备市场竞争力，还为战略上的选择提供了更多选项。当达到高质量标准时，这种能力便不再具有差异化特征。同时，它还能形成一种以低成本维持运营的领先战略。与许多企业家和外行人的看法相反，有观点指出（Skinner，1986）低成本和高质量可以同时体现在同一产品上，而无需在两者之间做出取舍。根据 Koga和Oliveira（2006）在一家大型装配厂进行的案例研究，当企业及其员工的文化发生改变时，提升公司的质量指标是可能的。每个人都必须接受每位员工在改进特定过程中发挥关键作用这一理念。作者认为，受过培训且技术娴熟的个人对于推动创新至关重要，此外，以创新为重点的变革有助于标准化质量，从而实现全球生产系统的实施。这使得公司更具竞争力，并能更深入地参与争夺更大市场份额的竞争。全面质量控制在生产中影响的一些方面包括（Coltro，1996年）无缺陷产品的持续增加、安全快速地交付，以及公司将重点放在持续改进和客户满意度上。

全面质量（Campos，1992）是一种在某种程度上影响消费者满意度和需求的概念，涵盖多个领域，其中包括质量、成本、交付、道德价值观和安全性。因此，当一个组织希望实现全面质量时，首先需要评估其先决条件，然后才能确定是否能够达成清晰的目标愿景。一个提出的质量管理模型（Oakland，1994）必须包含一个步骤，即组建由员工积极参与的工作团队，以满足客户所提出的期望。

强调（Las Casas，1997）整体质量不是一个项目而是一个过程。一个项目有开始和结束，而过程是持续的，不受时间空间的限制。

2.2. 质量水平和持续改进

一些企业，尤其是在汽车行业，采用自动化、质量工具、精益生产、全面成本管理（WCM）、丰田生产方式（TPS）等工具，以实现更高品质、更高效率、更低成本以及持续改进其工厂的生产。因此，关注可用于改善生产成果的主要基础和工具具有重要意义。

在改进方面，存在不止一种情绪。它不仅仅是抵制变革的情绪，还有发明者非常强烈的情绪（Goldratt，1990）。

有必要将质量概念与人类本身相比较（Shewhart，1988），因为两者是同时出现的。自第一批产品问世以来，无论好坏，“质量”一词已成为人们词汇的一部分。质量是一个主观术语，没有普遍接受的定义。

质量在（Campos，1992）产品或服务满足完美、可靠性、安全、可及性以及客户需求时产生。这一概念中的另一个重要因素是产品交付给客户。

根据产品/过程的可靠性（Campos，1992），质量应满足消费者的需求，在感知的质量期望下，当存在偏好时对于特定产品而言，这种偏好显而易见。这种偏好通常是由于低成本，或因为消费预期已大规模得到满足所致。

与费根鲍姆（1983）的观点非常相似，强调需要对工业中涉及的各个部门进行监控，并整合与市场营销、工程、生产及维护相关的产品 ^¯ 和服务。

推动一个无人愿意追随的变革方向也是毫无意义的（里亚和克尔兹纳，1997）。

可以说，适当的质量 ^¯ 也是田口玄一 ^¯ 所衡量的概念，因为他专注于项目中的实验，以提高生产力和产品 ^¯ 质量，但他不仅关注质量 ^¯ 所带来的舒适性，也注意到其可能给整个社会带来的成本 ^¯ 。

田口玄一也关注规格的实现，因为如果没有这些规格，就会存在风险和损失，这是不满的一部分（阿奎拉诺等人，1997）。

工作组（Brocka，1994）是持续改进过程中的最重要要素。有必要参考多种不同的研究、模型和当前最佳实践。无论组织、组织规模或行业如何，若干共同或相似的因素都应被视为有效竞争情报的关键（Fleisher and Blenkhorn，2001）。

培训、团队建设和工作场所的改进是构建员工能够成长、获得培训并为提高公司质量做出贡献的重要因素。

在这种持续改进的情境中，重要的是要知道，错误是指有益之处未能转化为优势的事件（Wellins等人，1994）。

2.3. 工具

KAIZEN: 改善（Paniago，2008年） 的历史始于丰田生产方式（TPS），并被认为是日本管理体系中的一个关键要素，是精益生产的一项基本原则。这一理念起源於丰田汽车公司工厂车间，由于资源匮乏和市场竞争而发展起来。工作重点在于消除浪费，并开发了准时制、看板（带标签的箱子）和防错装置（防错设备）等工具。该概念最初局限于丰田内部，直到人们意识到这一问题是全球性的，而丰田在管理问题上已远远领先于其他企业，所有人都应效仿其改进方式。改善是一系列旨在提升工厂环境与运营的活动。它始终坚实地进行，持续追求质量与±效率的提升。其应用极为隐性，以至于员工常常在未意识到的情况下就遵循了这一理念。改善是应用于产品生命周期制造阶段以降低成本的持续改进过程。除了改善工具外，另一种名为快速换模（SMED）的工具则基于现场圈活动进行换装改进，以优化过程、节省时间、提高质量并减少损失（Shingo，1985）。

PDCA ：计划、执行、检查、处理方法（Shewhart，1988）（PDCA），也称为戴明环，是一种管理质量方法，可实现对流程的控制，使企业认识到任何活动都没有绝对的起点或终点，而是一个实现持续改进过程的循环。PDCA循环（Martins and Laugeni，1998）是戴明开发的问题排查方法，用于构建由四个步骤组成的戴明轮：计划（P）、执行（D）、检查（C）和纠正措施（A）。此外，PDCA循环（Marshall Jr.，2008年）是一种旨在维持和改进流程的工具，其每个阶段的应用都使用文献中的多种工具，这些工具具有多种不同目的和不同命名。

在计划阶段，公司设定目标并制定行动计划以实现这些目标。请观察需要解决的问题，分析现象并找出问题的原因。在执行阶段，相关人员接受适当培训，然后实施行动计划，并收集数据以提供关于达成目标的信息。在检查阶段，对上一阶段收集的数据进行评估。最后的行动阶段取决于检查所获得的结果，即可用的信息（事实、数据和知识）越多，实现预期目标的机会就越大。如果目标已经实现，则有必要建立某种方式来传达所取得的成果；如果没有实现，则启动新的 PDCA循环，以寻找其他途径获得预期结果。

例如，请参见图1 PDCA循环。

全面成本管理 ：全面成本管理（Barros，2012）是一套用于管理企业运营流程的技术、概念和原则。

WCM模型是第二次世界大战后日本制造业中采用的多项活动的结果，经过对西方背景的适应后，于1982年首次引入多家美国公司（Schonberger，1986）。

该模型基于TPS，即丰田生产模式，其源于一种不同的理念，这种理念基于亨利·福特和泰勒的装配序列，其基本思想是通过消除损失和浪费来“用更少做更多”（Barros，2012）。

基本上，全面成本管理（Schonberger，1986）是通过应用基于精益生产的理念和工具来追求卓越，而精益生产本身基于丰田生产方式。参见图2。这一新范式基于对日本、美国和德国企业实施的实践分析，这些企业在各自行业中表现出色（Hayes 和 Pisano，1996；Hayes 和 Wheelwright，1984；Schonberger，1986）。

该模型的演进使得可以应用准时制方法、质量控制和全面生产维护，它们分别是：每个组件在所需的确切时间到达装配线，且仅提供装配所需的数量；采用方法和控制手段以实现

示意图0

示意图1

以零缺陷和维护为中心，致力于实现最高质量，并以打破零故障机器和避免非计划性生产中断为目标的生产流程（Barros，2012）。

根据WCM模型的原则，首个准时制工具集允许生产批次仅减少一个单元，从而实现不同生产型号之间的轮换理念，能够根据客户需求制造多种产品。

质量控制 ¯概念适用于在首次生产中无需返工即可制造出高质量产品。另一种方法基于全面生产维护，其中维护管理必须高效，从而减少设备故障次数，实现连续生产并遵守生产计划（Dennis，2008年）。

还有一项全面成本管理原则：操作员工作文化的改进、公共数据可视化、联盟供应商、全员培训以及员工与公司管理的共同参与，以使所有人都¯都参与到快速且持续的变革中（Hino，2009）。

WCM带来了另一项创新（Barros，2012），即通过成本分摊方法关注生产成本。

全面成本管理的主要目标是持续快速地改进成本、质量、生产时间以及客户服务，始终以所有指标运行，追求持续改进（Hino，2009）。

石川图：由石川馨于1943年在东京创立，石川图或又称鱼骨图，是一种常用于分析生产过程的技术，其主要目的是识别导致某种结果的最具影响力的因素（Las Casas，1997）。在流程启动初期（Kock等人，1999）使用该图是最佳时机，以便识别各种可能产生的影响。¯。图表示例见图3。

示意图2

失效模式与影响分析：失效模式与影响分析（FMEA）是一种用于确保在整个过程之中已考虑并解决潜在问题的分析方法论。其最显著的成果是多职能团队解决问题的集体知识文档（通用汽车公司，2008年）。

成功实施失效模式与影响分析最重要的因素之一是时机。为了实现最大价值，必须在产品或过程的潜在失效模式出现之前进行失效模式与影响分析。

失效模式与影响分析过程中的行动阶段可以减少或消除实施变更时引发更严重问题的可能性。理想情况下，应在项目的早期阶段启动失效模式与影响分析过程。

失效模式与影响分析可以在设计和制造过程的每个阶段不断发展，也可用于解决问题（通用汽车公司，2008年）。

5W2H工具：5W2H工具是一种以提问方式来明确执行人员的行动和责任的系统化文档，能够指导应实施的各项行动。该¯工具必须进行结构化设计，以便识别出项目实施所需的各项要素（罗萨托，1996年）。

它是一种非常简单的分析工具，如果以下任何问题回答错误，也很容易出错。

这些元件可以描述为：做什么：应当完成什么？不同的步骤以及可能的步骤；为什么做：为什么必须完成此任务？原因和依据；在哪里做：任务将在何处进行？地点；何时做：任务（或各项任务）应在何时完成（附时间线）；谁来做：由谁负责执行并取得成果？如何做：每个步骤应如何完成？需明确方法和/或方法论；需要多少成本：为获得成果，考虑总体投资的情况下，需要花费多少资金？

为了成功实施该系统，有必要实施计划中的行动阶段并对活动进行持续监控。

3. 方法论

本工作所采用的技术和方法如下所述。该研究通过观察某些员工在工作站的工作情况进行。

3.1. Alpha公司简介¯

经过两年的技术投资，Alpha公司于2010年在拉丁美洲启动了中型发动机的生产单元。该工厂以精益生产理念进行设计，是一个独特的工厂，涵盖了诸如

生态、质量、高级专业员工、管理，以及高自动化程度和高技术集成的产品与工艺。该工厂拥有四条机加工生产线：缸体、曲轴、连杆和缸盖，共54台设备。其主要优势之一是通过龙门系统实现装配线的自动化供料（空中供料）。该技术使得单元在生产过程中无需叉车即可完成物料供应。该工厂位于库里蒂巴大都会区（巴拉那a，BR），负责生产1.6升16气门和1.8升16气门系列推进系统，支持灵活燃料和汽油。生产始于2010年2月，初始年产能为33万台发动机。该工厂的启用源于该公司于2008年3月收购了此前为Gamma和Beta等车型提供发动机的供应商。

自那时起，这家跨国公司进行了近9500万美元的投资，使工厂更加现代化，并实现产品与工艺的卓越水平。随着新工厂的建成，公司在南方共同市场内的装机产能提升了约20%，达到年产250万台推进系统的生产能力。新工厂启用前，该工厂的生产专门用于出口，这体现了其全球化特征。如今，公司不仅能够满足巴西和南美市场的需求，还能供应集团内外的大洲市场，这是公司战略的一大进展，主管表示。

装配线还配备了对100%机加工零件进行测量和评级的先进控制设备，并采用自主式和专业维护模式的样板设备，结合最先进的维护理念，旨在实现零故障目标。机加工零件的优良品质还通过一系列控制措施得以保障，确保符合质量检验要求。这三条装配线包括缸盖预装配、主线以及发动机终装线，配备机器人辅助装配衬套和77个装置、17个测试工位、12个自动工位、17个半自动工位和31个手动工位。这些设备能够对100%的发动机进行带正时模拟、负载和振动以及密封测试的冷试。

3.2. 场景

该案例研究的应用是对一项工作的分析，该项工作存在零件装配超出标准的情况，并且有改进其自动化系统的机会，同时还涉及火花塞导线的压装。存在非标准零件装配、检查以及最终装配的可能性。压接力由员工体力施加，会因身体疲劳、注意力不集中、接触点调整不良等因素导致差异。由于此类问题性风险，增加了一个检查点操作，以每年约3400美元的成本对最终产品的质量进行检查，从而确保最终产品的质量。

在这种情况下，由于操作的员工必须通过施加力来锤击火花塞线，并执行这一活动，因此需要物理力。

每天一小时，总计每小时320个循环。由于现有活动和新发动机进入，工作站已经饱和，需要安装新组件，因此需要将去饱和工作站用于接收新产品。唯一可以转移到另一个工作站的活动是火花塞压装，该活动可实现完全自动化，达到质量零缺陷、零人机工程学问题，并能够在作业中获得更多的装配部件。

3.3. 问题

该问题在任何班次均会发生，且并非发生在特定时间，这一点在最终检查中已发现。检查通过控制对100%的零件进行，但未事先验证控制措施是否具备防错功能。

该问题独立地源于操作员或随机班次，可能与工位上的操作员疲劳有关，因为该工位需要高强度体力劳动。

在图4中，您可以看到缺陷问题及其产生原因，由此得出结论：该工具的概念无法保证用力强度，完全依赖于操作员。

通过分析问题以检查失效模式及其可能原因，得出结论：在发动机中固定火花塞导线时没有标准，因为每位员工使用锤子敲击时的用力强度不同。

图5显示了操作后已安装和未安装的¯tted和非¯tted火花塞。

增加了一项检查点操作，导致每年质量检验成本接近3400美元。

示意图3

示意图4

由于没有类似防错的检查点，且问题并非在特定时间发生，而是在所有操作员和火花塞导线的整个班次中均出现，因此发现该问题与高强度体力劳动导致的操作员疲劳有关。由于该操作完全由人工完成，操作员难以始终保持锤子与火花塞线之间施力的大小和接触点的一致性。

图6显示了操作过程中的工效学努力。

在为期六个月的跟踪期间，发现了一系列未¯t的火花塞导线结果：每个月对应的数量分别为8、3、5、5、6和17。

示意图5
以零缺陷和维护为中心，致力于实现最高质量，并以打破零故障机器和避免非计划性生产中断为目标的生产流程（Barros，2012）。

根据WCM模型的原则，首个准时制工具集允许生产批次仅减少一个单元，从而实现不同生产型号之间的轮换理念，能够根据客户需求制造多种产品。

WCM带来了另一项创新（Barros，2012），即通过成本分摊方法关注生产成本。

全面成本管理的主要目标是持续快速地改进成本、质量、生产时间以及客户服务，始终以所有指标运行，追求持续改进（Hino，2009）。

示意图6

成功实施失效模式与影响分析最重要的因素之一是时机。为了实现最大价值，必须在产品或过程的潜在失效模式出现之前进行失效模式与影响分析。

失效模式与影响分析可以在设计和制造过程的每个阶段不断发展，也可用于解决问题（通用汽车公司，2008年）。

它是一种非常简单的分析工具，如果以下任何问题回答错误，也很容易出错。

为了成功实施该系统，有必要实施计划中的行动阶段并对活动进行持续监控。

4. 实施

测量（Brewer等人，2011）可能仅仅是为了确定一项活动的规模。这种情况最常出现在公共数据的收集过程中。

本章节的主要目的是说明系统如何从分析到结果进行改进和优化。

4.1. 故障排除

为了解决这一问题，应用了PDCA循环的方法论，并通过实施改善逐步取得成果，直至利用本工作所应用公司的特定形式完成整个系统。

经过分析，进行了过程自动化设计。为此，使用负荷测力计来确定每根火花塞线压接时的用力强度，得出以下结果（平均数值）：

线1：28.4千克力/次压接
线2：27.8千克力/次压接
线3：26.8千克力/次压接
线4：29.3千克力/次压接

为了确保因压缩空气管网压力下降而产生的不合格零件，安装了一个压力开关，如图7所示，用于控制最小和最大压力。如果超出规定限值，将显示为失败，并重新执行操作。

经过此分析后，应用了PDCA的方法，并逐步实施改善循环直至完全完成，使用了项目实施公司的特定表格形式，结果开展了过程自动化项目（图8），并使用负荷测力计确定压接每个火花塞线所需的用力强度。

示意图7

5. 结果与观察

该设备设计旨在实现快速搭建、易于安装和低成本，以实现自主维护。设备的设计已得到全面优化。

分析后，通过自动化改进了电缆压接过程，此前该过程由操作员手动完成。基于这些改进，公司提高了其产品的质量。

根据主要思路，火花塞线压接装置的实施没有任何限制。

通过设计自动化火花塞线压接装置，工位循环时间减少了3.88的总时间，从35.08（表1）降至系统修改后的31.2（基于方法时间测量（MTM）—方法时间测量），如表2所示。通过缩短后循环时间并重新分配作业活动，员工的绩效也得到了提升。

表1. 操作员在¯xture安装前的方法时间测量（MTM）

之前	活动描述	总计（秒）
A	拾取零件（螺钉、阀门等）。	2.82
B	预装/设置部件到发动机上。	2.84
C	取用工具（螺丝刀、笔、钳子等）。	1.37
D	锤子。	2.24
E	归还/取回工具（螺丝刀、钳子等）。	0.61
F	在发动机上安装/组装部件。	5.40
G	检查。	3.25
H	拾取零件（螺钉、阀门等）。	2.56
I	取用工具（螺丝刀、笔、钳子等）。	3.03
J	在发动机上安装/组装部件。	4.57
K	归还/取回工具（螺丝刀、钳子等）。	0.64
L	取用工具（螺丝刀、笔、钳子等）。	1.28
M	对发动机上的螺丝进行扭矩紧固。	3.65
N	归还/取回工具（螺丝刀、钳子等）。	0.83
总结		35.08

表2. 操作员在安装¯xture后的方法时间测量（MTM）

之后	活动描述	总计（秒）
A	拾取零件收集器（螺丝、阀门等）	1.41
B	将收集器放置在发动机上。	1.92
C	在塔上连接电缆1和2并进行检查程序。	6.03
D	获取热力阀，获取2个螺丝，检查并返回发动机。	3.78
E	获取自动螺丝刀。安装热力阀并归还螺丝刀。	8.28
F	获取扭矩起子。对泵进行扭矩紧固。	4.35
G	归还扭矩起子并返回收集器。	1.05
H	手动压装4个火花塞。	4.38
总结		31.20