北京航空航天大学生产与运作管理作业-卡特皮勒重卡车架焊接生产线分析

卡特皮勒重卡车架焊接生产线分析
摘要
自从有了生产活动，就开始了生产管理的实践。

生产运作与管理是研究如何将企业的生产要素合理配置、使用，并高效地创造出产品和服务。

随着发展的脚步，生产运作与管理也在不断进步完善。

本文根据实际案例卡特皮勒重卡车架焊接生产线的情况，运用生产运作与管理的基本理论知识，主要分析了企业生产类型选择、制造资源计划、质量管理等方面的内容。

在此基础上，使用BPwin软件，运用IDEF0建模思想建立了系统内部各模块的功能模型。

关键词：生产运作与管理；卡特皮勒重卡；IDEF0；功能模型
目录
1.绪论 (3)
1.1引言 (3)
1.2生产与运作管理的发展 (3)
1.3生产与运作管理的内容 (4)
2.企业生产类型 (5)
2.1按照产品特征划分的生产类型 (5)
2.2按照需求特征划分的生产类型 (5)
3.制造资源计划 (6)
3.1引言 (6)
3.2物料管理的方法 (7)
3.3 MRP原理和逻辑 (8)
3.3.1原理 (8)
3.3.2处理逻辑 (9)
3.4 闭环MRP (10)
4. 企业质量管理 (11)
4.1引言 (11)
4.2工序能力 (12)
4.3六西格玛管理 (13)
5. 卡特皮勒重卡车架焊接生产线分析 (14)
5.1卡特皮勒焊接生产线 (14)
5.1.1生产线工作流程 (14)
5.1.2焊接线理论分析 (15)
5.2 IDEF建模方法 (16)
5.2.1简介 (16)
5.2.2 焊接生产线的IDEF0建模 (17)
总结 (20)
参考文献 (21)
1.绪论
1.1引言
人类有史以来就开始从事生产活动，创造财富，历史在进步与发展，人类创造财富的生产方式也在不断发展。

有生产就自然会有生产管理，18世纪70年代西方产业革命之后，生产管理理论研究与实践开始系统展开。

生产与运作的实质是一种生产活动。

人们习惯称提供有形产品的活动为制造型生产，而将提供无形产品即服务的活动称为服务型生产。

经济的发展扩大了的生产概念，将两者都看做“投入—转换—产出”的过程。

由于输入不同于输出，因此需要转换，转换的过程就是生产与运作。

1.2生产与运作管理的发展
伴随着人类历史的演变，人类生产出现了多次革命性的变革，生产与运作管理也在不断发展，主要可以分为4个阶段：
1.19世纪末以前的早期管理阶段
第一次工业革命前，产品是手工作坊生产的，生产少量的定制产品生产效率低，成本高，亚当斯密的劳动分工理论的提出，系统阐述了劳动分工对提高生产率和促进国民财富的巨大作用。

2.19世纪末到20世纪30年代
泰勒提出科学管理原理，其精髓是利用科学管理原理确定工人一天的劳动定额，管理者的责任是发现这些原理并应用到生产系统的管理中，而工人的责任则是无条件的执行管理者的命令。

科学管理的主要特点是以提高生产率为目标，以科学求实的态度进行调查研究，强调以个人为研究对象，强调规章制度的重要性。

3.20世纪30年代到20世纪40年代中期
以梅奥的人际关系理论和巴纳德的组织理论为代表的中期管理思想阶段。

4.20世纪40年代中期以后
随着计算机在生产管理中的应用越来越普遍，出现了如物料需求计划（MRP）、制造资源计划（MRPⅡ）等工具。

制造资源计划把企业生产经营管理
过程的销售、生产、库存、成本、车间作业、采购等业务活动统一起来，形成一个有机整体，是企业能够按物料转化组织生产。

20世纪90年代的企业资源计划（ERP）从更广泛的资源空间进行资源优化，即从供应链范围去进行资源优化，ERP的应用是企业在资源管理、响应市场方面的能力增强。

20世纪80年代日本丰田公司逐渐形成准时化（JIT）生产方式，其核心是零库存、零缺陷。

到90年代，准时化生产进一步演变成精细生产，并且和全面质量管理思想相得益彰。

精细生产和全面质量管理共同构成了日本管理模式。

除以上典型的管理思想，在最近的20年，先后出现了约束理论与最优生产技术、供应链管理、敏捷制造、大规模定制等有代表性的生产管理思想与管理方法。

1.3生产与运作管理的内容
1.生产与运作战略的制定
生产与运作战略决定产出什么，如何组合各种不同的产出产品，为此需要投入什么，如何优化配置投入资源要素，如何设计生产组织方式等。

其目的是为产品生产提供满意有效的技术文件，缩短开发周期，降低费用。

2.生产与运作系统的设计管理
主要包括设施选择、生产规模与技术层次决策、设备购置、系统总平面布置等。

目的是以最快的速度、最少的投资建立起适宜企业的生产系统主体框架。

3.生产与运作系统的运行管理
对生产与运作系统的正常运行进行计划、组织和控制。

其目的是按技术文件和市场需求，充分利用企业资源条件，实现高效、优质、安全、低成本生产，最大限度满足市场销售和企业盈利的要求。

它主要包括三方面：计划编制、计划组织和计划控制
4.生产与运作系统的维护和改进
只有通过正确的维护和不断的改进，才能适应市场的变化。

其主要包括设备管理与可靠性、生产现场和组织方式的改进。

随着不断的发展，生产管理与运作的内容也越来越丰富，本文内容与其他同学配合，最终选定了三个方面进行了分析，包括企业生产类型，制造资源计划及质量管理。

并在此基础上，对卡特彼勒焊接生产线进行了分析。

2.企业生产类型
针对生产类型的分类研究，从不同的角度存在多种划分方法，以便区别管理需求的不同和对MRP管理软件适应不同生产类型的解决方案，下面主要介绍两种划分方法。

2.1按照产品特征划分的生产类型
1. 单件生产
产品的生产从客户订单开始，包括：按订单设计、技术准备、生产、安装、售后服务等。

产品很复杂，生产周期一般都很长，一般情况都是按项目进行跟踪和管理，如重型机械、造船/飞机等。

一般的单纯MRP方法不能全部解决生产管理问题，其中项目设计、技术准备、网络计划、关键资源排序、报价、项目预算和结算等很重要。

2. 批量生产
产品是标准的或选配的，产品的需求来源是预测/订单，这种企业一般具有固定的供应链体系，具有明显的上下游之间的协作关系。

生产组织按工艺特征进行，具有传统的专业加工和装配车间等。

生产计划的特征是典型的MRPII和配置控制。

3. 大量生产
产品是标准或少数选配，需求主要靠预测/订单，面向直接消费者的产品大都属于这种类型。

生产设备是以部件或者产品为对象组成一条条流水生产线，具有较高的自动化水平，生产节奏是稳定和均衡的。

生产计划的特征是将传统MRPII与JIT混合制造。

2.2按照需求特征划分的生产类型
1. 备货型生产（Make To Stock，MTS）
备货型生产是按照预测来安排生产任务，维持一定库存来满足客户需求。

MTS比较适合于产品已经有一定销路、有相对稳定的销售量等情况，其生产组织管理比较简单，有利于生产系统的持续改进，提高生产率，同时交货期较短。

大量生产方式一般是MTS。

2. 订货型生产
订货型生产的特征是先有订单才组织生产，其生产品种与数量波动比较大，生产组织复杂性增加，生产计划调整频繁，生产调度工作任务重。

订货型又可以进一步划分为几种类型：
（1）按订单装配（Assemble To Order，ATO）
产品区分序列，在一个产品系列中，客户可以有限制地选择零部件。

根据市场预测事先生产一些标准零部件，客户定单到达时进行快速装配，以满足客户的个性化的需求。

要求产品具有标准化、模块化的特点，一般采用装配线的生产方式组织生产，采用有限能力安排计划。

（2）按订单加工（Fabrication To Order，FTO）
产品区分序列，在一个产品系列中，客户可以有限制地选择零部件和材料。

通过预测事先生产或采购一些标准件，占用一定量的库存资源。

客户定单到达时进行生产，以满足客户的个性化的需求，一般要跟踪生产订单。

生产计划的特征是典型的MRPII和配置控制。

（3）按订单设计（Engineer To Order，ETO）
每个客户的需求各不相同，只有接到客户定单时按客户需求进行产品设计（产品结构和工艺）和技术准备，并按新设计和工艺要求组织生产，这种客户产品不具有重复性。

3.制造资源计划
3.1引言
制造资源计划是一种出现于20世纪70年代末期的，以企业资源优化配置，确保企业连续、均衡地生产，实现信息流、物流与资金流的有机集成和提高企业整体水平为目标，以计划与控制为主线，面向企业产、供、销、财的现代企业管理思想和方法。

制造资源计划是在物料需求计划上发展出的一种规划方法和辅助软件。

它是以物料需求计划MRP为核心，在考虑企业实际生产能力的前提下，以最小的库存保证生产计划的完成，同时对生产成本的加以管理。

实现企业物流、
信息流和资金流的统一。

其发展从MRP 开始，以后逐渐完善，形成了MRPII ，ERP 等，其发展及关系如下图3.1所示。

由于制造资源计划以物料需求计划MRP 为核心，因此本章重点对物料需求计划进行了详细的分析与研究。

ERP
MRPII
MRP
物料信息
集成
面向企业
面向供需链
物料/资金
信息集成
需求市场/制造企业/供应市场
信息集成70年代
80年代90年代
图3.1 制造资源计划发展及联系
3.2物料管理的方法
1.物料管理的订货点方法
当领料使一物料库存下降到预先确定的订货点水平时，就发出补货订单。

这是一种按照过去的库存经验来预测未来的物料需求方法。

它的核心问题是订货点，当库存量低于订货点时，物料需求就产生了。

订货点法只适用于独立需求物料项目。

2. 物料管理的MRP 方法
物料需求计划（Material Requirement Planning ，MRP ）是20世纪60年代发展起来的一种计算物料需求量和需求时间的系统，根据产品结构各层次物品的从属和数量关系，以每个物品为计划对象，以完工时期为时间基准倒排计划，按提前期长短区别各个物品下达计划时间的先后顺序，是一种工业制造企业内物资计划管理模式。

物料需求计划最初只是一种计算物料需求的计算器，是开环的，没
有信息反馈，后来发展为闭环物料需求计划。

3.3 MRP 原理和逻辑
3.3.1原理
物料需求计划是在产品结构与制造工艺基础上，利用制造工程网络原理，根据产品结构各层次物品的从属和数量关系，以物料为对象，以产品完工日期为时间基准，按照反工艺顺序的原则，根据各物料的加工提前期制定物料的投入出产数与日期。

物料需求计划原理的逻辑关系可以用下图表示： 主生产计划
（生产什么）
物料需求计划（物料分解）产品结构
（用到什么）库存信息（现有什么）
采购计划订货日期
到货日期
数量加工计划
开工日期完工日期
数量
图3.2 物料需求计划的逻辑原理
（1） 主生产计划
主生产计划是把综合生产计划转化为具体的产品（或独立零件）生产进度计划，它是综合生产的具体化与细化。

主生产计划在综合生产计划与物料需求计划间架起一座桥梁。

主生产计划要满足两个约束条件：一是保证生产总量等于综合生产计划确定的生产总量；二是决定产品批量、生产时间时必须考虑资源的约束。

（2） 产品结构文件
产品结构文件（Bill of Materials ，BOM ）也叫物料清单，在物料分解与产品计划过程中占有重要地位，是MRP 的控制文件，也是制造企业的核心文件。

在产品结构文件中，用层次码表示处于不同层次的零件。

产品的层次码为最高层，
用0表示，其他部件、零件的层次码依次按照测次分解的方法，分为1层、2层……有时一个零件同时在不同的部件上使用，为了计算机处理方便，采用低层码，即把同一零件集中表示在它们的最低层次上，提高计算机的运行效率。

下图的产品结构树形象表示出产品的结构层次关系。

图中的产品A由三个零部件构成：B、C、D。

其中B同时作为A和F的下级元件。

作为A的下级元件，B应该和C、D处在同一层，但为了方便计算机处理，统一采用低层码，把它放在F下面的B 物料同一层次上（第3层），取同一层次码3。

A
C(1)D(3)
E(4)F(4)M(5)
B(2)
G(5)H(4)K(2)B(4)
1
2
3
4
结构层次图3.3 产品结构树
（3）库存状态文件
库存状态文件是MRP的操作文件，MRP所有数据的操作与存储状态通过库存状态文件进行。

其数据主要有两部分：一部分是静态的数据，在运行MRP之前就已经确定，包括物料的编号、描述、提前期、安全库存等；另一部分是动态的数据，在MRP运行时不断变更，包括总需求量、预计到货量、净需求量、计划接收订货量等。

3.3.2处理逻辑
MRP采用自顶向下、借助低层吗逐层次处理的方法。

即先处理所有产品的零层，然后处理第1层，…一直到最低层，而不是逐台产品自顶向下地处理。

物料需求计划的运算逻辑基本遵循如下过程：
（1）计算总需求量
总需要量＝父项计划发出订货量×BOM表中的单位需求量
（2）计算净需要量
先计算各个时间段上的现有数：
现有数＝前一时间段的现有数＋预计到货量－总需要量－已分配量；
当某个时段上的现有数小于0时，再产生净需要量
（3）确定计划发出订货量与订货日期
利用批量规则确定计划发出订货数量，一般计划发出订货量大于或等于净需要量；利用提前期确定计划发出订货日期，一般发出订货的时间要提前一段时间。

在计算机中MRP的计算是以矩阵的形式展开，其工作流程如下图：
开始
准备物料需求计划的输入
将MPS计划订单作为确认订单下达给MRP计算
逐层处理各个项目
决定毛需求
决定净需求
编制订单计划
采用订单计划下达来计算下一层的毛需求
是否有更多的项目需要处理
停止是
否
图3.4 MRP的工作流程
3.4 闭环MRP
基本MRP能根据有关数据计算出物料需求的准确时间与数量，对制造业物资管理有重要意义。

但它还不够完善，如没有解决如何保证零部件生产计划成功实施问题，缺乏根据计划实施情况的反馈信息对计划进行调整。

因此在基本MRP
的基础上，引入资源计划保证，安排生产、执行监控与反馈等功能，形成闭环的MRP 系统，其处理过程如下图所示。

生产规划需求信息
主生产计划（MPS ）
产能负荷分析（RCCP ）
可行
物料需求计划（MRP ）
能力需求计划（CRP ）
作业计划与控制（采购、车间加工）
投入与产出控制（I/O ）
可行
修改修改必要时修改调整能力数据
Y
Y
N N
图3.5 闭环MRP 的工作流程 闭环MRP 理论认为主生产计划与物料需求计划（MRP ）应该是可行的，即考虑能力的约束，或者对能力提出需求计划，在满足能力需求的前提下，才能保证物料需求计划的执行和实现。

4.企业质量管理
4.1引言
质量是企业的生命线。

在市场竞争中，企业产品质量的好坏直接影响企业的声誉与竞争力。

因此，在生产管理过程中，企业不仅仅要控制产品出产的进度，同时要控制产品的质量，保证按照顾客要求的质量出产。

质量管理的发展是伴随着管理科学、生产技术的发展而发展的。

从历史上看，主要经历了四个阶段：质量检验阶段、统计质量管理阶段、全面质量管理阶段、新时期质量管理阶段。

ISO9000:2000对于质量管理的定义为：指导和控制组织的与质量有关的相互协调的活动。

4.2工序能力
一个生产工序（或服务过程）的质量好坏可以用一个能力指数来评判，这就是过程能力指数。

制造的过程能力指数也叫工序能力指数。

理解“过程能力指数”的概念，首先要搞清楚什么是“过程能力”。

制造业的工序能力指的是工序处于正常状态下稳定加工某种质量的产品的能力，也叫加工精度，用B 表示。

通常用加工尺寸的分布密度函数的6倍标准房差来表示，即6B σ=。

工序能力指数是指公差范围T （质量标准）与工序能力B 的比值，它表明某工序加工精度的程度：
66p T T T C B s
σ=== 当实际的分布中心与公差中心有偏差E 时，则应对p C 进行修正，在用修正工序
能力指数：
2(1)(1)/26pk p p E E T C C k C T s T
==-=- 根据工序能力指数水平可以判断工序能力的不足或过剩，从而采取相应的措施进行质量改进，如下表所示。

表4.1 工序能力指数 p C
工序能力判断 处理 备注 1.67p C > 特级加工
工序能力过剩
考虑放宽管理或降低成本 1.67 1.33p C ≥>
一级加工
工序能力充裕 如果不是重要工序可放宽检验减少抽样的次数 1.67p C =时，不合格率为百万分之六 1.33 1.00p C ≥> 二级加工
工序能力尚可
工序必须严加管理，否则易产生不合格品 1.33p C =时，不合格率为万分之六 1.000.67p C ≥> 三级加工
工序能力不足
已经出现不合格品，需做全数检查，改进工序控制 1.00p C =时，不合格率为千分之三 0.67p C ≤ 四级加工
工序能力严重不足 停止加工，采取紧急措施提高工序能力
0.67p C =时，不合格率为千分之五
一般质量标准是越来越严格的，企业不宜放宽质量标准去提高工序能力指数，因此提高工序能力指数的主要手段应该是降低质量特性分布的标准差，减少质量特性分布中心与标准分布中心的偏移度。

4.3六西格玛管理
六西格玛（six sigma）概念作为品质管理概念，最早是摩托罗拉公司的比尔·史密斯于1986年提出，其目的是设计一个目标：在生产过程中降低产品及流程的缺陷次数，防止产品变异，提升品质。

它真正流行并发展，是在通用电气的实践，杰克·韦尔奇于20世纪90年代发展起来的6σ（西格玛）管理是在总结了全面质量管理的成功经验，提炼了其中流程管理技巧的精华和最有效的方法，成为一种提高企业业绩与竞争力的管理模式。

该管理法在摩托罗拉、通用电气、戴尔、惠普、西门子、索尼、东芝等众多跨国企业的实践证明是卓有成效的。

国内一些机构大力推6σ管理工作，引导企业开展6σ管理。

西格玛（σ）是希腊字母，指标准偏差。

企业可以用西格玛的级别来衡量在商业流程管理方面的表现。

如果企业达到6西格玛，就几近完美地达成顾客要求，为达到六西格玛的质量性能，需要一组专门的质量改进方法和统计工具。

将这些方法和工具教给一小群称为六西格玛黑带的人，他们全职负责定义、测量、分析、改进和控制过程质量。

黑带领导跨职能的员工团队（每个人称为六西格玛绿带）来实现过程质量的突破。

图4.1 六西格玛示意图
从过程能力管理的概念理解六西格玛，其能力指数标准是： 2.0
C ，
p
1.5
C≥。

在这样的情况下，产品的不合格率水平时百万分之三点四，即pk
6
⨯，不合格率水平大约是特级加工精度的不合格率的一半左右。

六西格玛3.410-
不仅仅是一种质量改善的方法，已经成为更广泛意义的管理方法论，一般来讲，包含以下三层含义：
（1）是一种质量尺度和追求的目标；
（2）是一套科学的工具和管理方法，运用DMAIC（改善）或DFSS（设计）的过程进行流程的设计和改善；
（3）是一种经营管理策略。

6 Sigma管理是在提高顾客满意程度的同时降低经营成本和周期的过程革新方法，它是通过提高组织核心过程的运行质量，进而提升企业赢利能力的管理方式，也是在新经济环境下企业获得竞争力和持续发展能力的经营策略。

5.卡特皮勒重卡车架焊接生产线分析
卡特彼勒是全球最大的建筑工程机械和采矿设备、柴油和天然气发动机、工业用燃汽轮机以及柴电混合动力机组的生产企业。

卡特彼勒拥有全球首屈一指的采矿与建设装备，全球顶尖的巨大倾卸卡车797B制造枢纽。

企业生产200种车辆机具，服务于近200个国家。

5.1卡特皮勒焊接生产线
5.1.1生产线工作流程
倾斜卡车的支撑结构非常重要，是机具的骨干，关系卡车运载的耐用度，应当韧性非常，同时车架应当要有弹性。

因此实现车架连接的焊接技术至关重要，以下是卡特彼勒焊接生产线的工作流程：
1.制造倾卸卡车的9段车架部件从外部的制造厂送至焊接车间；
2.部件从供应商送来时很粗糙，必须对铸件表面切削处理，并由工人处理金属
结合处，为实现超平滑焊接做准备；
3.焊接生产流程：
（1）车架的安装固定：车架放进专用的夹具，使用遥控起重机进行移动。

（2）工人小组焊接铸造钢件，成为车架的精准形状。

（3）21轴的机器人进行焊接，由9部电脑控制。

运作方式如下：两个机器焊接头处理车架接缝，一个感应器精准计算出每个焊接缝的宽度和深
度。

此机具花上20小时把整个车架接合妥当。

（4）下一个建造站为翻滚站，技师处理不易够到的焊接位置及需要额外强度的高压力区（人工完成）。

（5）品质检查：组装车架结束后进行质量检查，技师使用超声波探伤器检查关键的焊接缝，原理类似声纳，可发出高频声波穿透特制的传导胶，
由连接的电脑侦测依反弹的声波加以转换，产生颜色不同的影像反应
着强度和焊接密度。

5.1.2焊接线理论分析
因本文内容与其他同学配合，又基于前面章节的理论基础，最终选定了三个方面对焊接生产线进行了分析，包括生产类型，MRP分析及质量管理，在此基础上进行了建模分析。

1. 焊接线MRP分析
卡特彼勒是全球最大的倾卸卡车制造商，车架又是卡车的关键部件，通过上述的分析也可知道车架通过焊接线成型，由于企业生产的类型众多，其车架类型也会很多。

因此，卡特彼勒对于车架的生产会采取批量生产，在同一条焊接生产线上生产不同型号的产品。

同时根据市场的变化，采用订货型的生产的方式组织生产，这样一来，生产计划频繁调整，生产调度工作任务重。

产品的多样性和生产的性质要求要有良好的物料需求计划。

针对焊接生产线，可以开发一个运作系统，系统每天都可进行生产线物料、人员等信息的更新。

首先，物料需求计划必须满足主生产计划的需求和生产设施的能力要求。

在制定焊接线主生产计划时，应根据需求订单、市场预测和生产能力等来确定，通常按一定周期计划生产量。

其次，保证尽可能低的库存水平，有效地分期物料交货、寄售库存和经常复审采购方法降低库存投资。

再次，必须按照设计严格执行计划，及时取得生产所需的原材料及零部件，。