在工廠生產中，經常會遇到需要在不同的品種間進行生產轉換。轉換就會產生停機或停線的損失。因此，縮短換型時間在精益生產中是一個重要的工具。如何縮短換型時間，這方面的論述已經很多，本文不是講述快速換型的方法和技巧，而是談一下快速換型在實際應用中的一些疑問點和管理策略。

01—為什麼要快速換型？

快速換型這個方法能夠為眾所周知，源於新鄉重夫先生的一本著作《製造業的革命：SMED》。在這本書中，新鄉重夫先生記錄了豐田汽車、松下電器、普利司通等公司的換模過程和改善方法。實際上，SMED這個方法並不是新鄉重夫發明的，而是他在擔任豐田公司顧問期間，將豐田為縮短換模時間所做的諸多嘗試和實踐經驗進行了很好的整理和歸納，並形成了系統性的方法，稱之為SMED。直譯為單分鐘換模（Single Minutes Exchange of Die），即10分鐘以內的換模。雖然SMED這個縮略語最初的研究對象是模具轉換作業，但是其研究方法適用於所有需要進行快速作業轉換（Job Change）或快速生產準備（Set-up）的過程，故而將其稱為快速換型。

對於接單式生產（品種多樣化、需求量少或多）的企業，生產準備時間或型號轉換的時間短、成本低，就意味著我們可以更快地響應顧客的需求，可以有更多的產能用於生產產品而不是浪費在轉換時間上。

對於庫存式生產（產品標準化程度較高，生命週期較長）的企業，生產準備或型號轉換的時間越短，意味著我們可以以更小的批量頻繁地補貨，這樣一來，既可以保持更低的庫存水平，又可以實現產品的快速流動，同時還減少了系統的波動。這正是豐田所提倡的平準化所追求的目標。實現更高水平的平準化需要具有更短和更穩定的快速換型能力。

02—換型的經濟生產批量

在生產系統中，換型時間是將一臺機器從生產一種產品切換到生產另一種產品所需要花費的時間。

怎樣看待這個換型時間？是把它作為一個不得不接受的約束條件，還是把它作為一個目標變量？對這一問題所持的不同觀點將導致我們做出不同的選擇。

長期以來，美國的工業工程或者運作管理的研究文獻中一直把換型時間作為約束，即，換型時間對於我們所研究的設備或子系統而言是一個給定的不容易改變的常量。由此，而發展出了各種複雜數學模型來確定“最優”批量，以平衡切換成本和庫存持有成本。如下圖1所示的經濟批量模型是由福特·哈瑞斯（Ford W. Harris，1913）基於對製造批量設置問題的研究而提出的。

圖1：經濟批量模型

在圖1中，單次生產的批量越大，平均來看，每個單位產品所分擔的生產轉換成本就越低，但同時，單次生產的批量越大，在製品庫存就越高，相應地，單位產品平均持有的成本就越高。我們陷入了一個增大批量和減小批量的衝突。作為生產一線部門，通常都是希望少換產和大批量生產，但是，不換產就不能滿足顧客對其它產品的需求。問題是，在花費了這麼多功夫完成作業轉換後，比如是2小時，我們應該生產多少件產品才“划算”呢？即，如何在更大批量和更小批量之間取得一個平衡？

圖1中所示的兩條線的交會點，清楚地告訴我們，對應此交會點的生產批量是最經濟的。因此，通過求解使得總成本最低的這個數學模型，可以得出經濟批量的計算公式如下：

為了計算上式中的經濟生產批量，模型做了諸多假設。例如，生產是瞬間完成的，沒有能力約束，並且整個批量是被同時生產出來的；期間（比如年）內的需求數量是一個確定的常數，即需求大小和時間不存在變異等。然而，實際上，上式中的三個參數，需求總是存在較大預測誤差和較大波動，存貨成本是一個粗糙的估計值，轉換成本更多指的是機會成本，即，換型時間的潛在損失往往大於換型過程導致的材料損失。對於多數設備或產線的換型，其轉換過程中，發生的材料損失，如機頭料，可能只佔很小一部分。這些因素，使得，我們辛辛苦苦計算出來的經濟批量很可能並不經濟。因為，如果前提條件不可靠，則結論必然可疑。

如果我們選擇的實際生產批量比通過模型計算出的經濟生產批量較大，對總成本的影響又會怎樣呢？筆者使用EXCEL模擬了生產批量相對於經濟批量的變動對於成本變化的影響，見下圖2。

圖2. 生產批量變動對總成本變動的影響

圖2中，橫軸為生產批量與經濟批量的比值，縱軸為批量變動後的總成本與最低總成本的比值。由圖中可看出，當採用一個比經濟批量略大的生產批量時，存貨成本和轉換成本之和的總成本變化不大。用量化的語言來解讀圖2的例子，批量上一個 100%的誤差可以導致成本上 25%的誤差。即，批量增加或減小100%，會導致總成本（持有成本+轉換成本）增加或減少25%。結論是什麼？持有成本和轉換成本對於批量大小的改變很不敏感。所以我們可以近似地計算一下經濟批量，但不必糾結於經濟批量大小的精確性。

與早期歐美公司將換型時間作為約束條件不同的是，日本的豐田汽車公司將換型時間或準備時間看作是一個變量，是一個通過巧妙使用治具、夾具和外部準備從而可以不斷降低換型時間的改善因子。快速換型（SMED）這樣的改善手法使得一些日本工廠相對於美國工廠而言得以顯著的縮短準備時間（Set-upTime），並且使得日本的汽車工業成為了世界上最具生產力的典範。這些工廠相對於他們的美國對手而言變得更易於管理，也更有柔性。如何理解快速換型方法在豐田生產方式中的作用和益處呢？我們還是借用經濟批量模型來說明吧，儘管經濟批量模型的實用性不高，但是用來解釋原理還是很有用的。見下圖3。

圖3. 動態的經濟批量

模型豐田汽車等公司應用SMED方法，降低了轉換時間，從而改變了轉換成本曲線。如圖3所示，轉換時間的縮短帶來的是更低的經濟生產批量（EPQ*）。當然，前提是，轉換成本主要是受到轉換時間的影響。所幸的是，這一前提多數情況下都是成立的。結論就是，縮短轉換時間，可以採用更小的生產批量，同時也能更經濟地生產。

03—換型的經驗生產批量

然而，我們還有一個問題沒有解決。

縮短轉換時間後，我們應當以多大的批量來輪番生產每個產品呢？

對於小批量的接單式生產（MTO，Make To Order）這個問題可能比較好回答。對於庫存式生產（MTS，Make To Stock）或需要平衡大訂單的MTO生產就需要多花費一些功夫了。

豐田公司是怎麼做的呢？門田安弘在《新豐田生產方式》一書（第7.4章節）中指出，“豐田選擇與縮短作業轉換時間成比例地縮小批量規模，即在縮小批量規模的同時，必須同時縮短作業轉換時間。一般地說，如果作業轉換時間縮短到當初時間的N分之一的話，批量規模就可以在該工序負荷不變的情況下縮小到當初的N分之一。”這種方式既增加了作業轉換次數，同時並不減少有效的生產時間。這在多品種交替生產時，尤其有好處，它可以大幅度縮短產品的加工時間，因為它通過減小批量從而減少了批次內的加工等待時間。考慮到設備類型和生產環境的不同，比如鑄鍛造設備與混合性流動生產線，其精益批量大小和EPE（Every Product Every interval）週期就有很大的不同。詳情可參考《新豐田生產方式》與《精益工具箱》。但是應當記住一個公式：單次換型時間x換型次數=常數。這個常數，包括豐田在內的一些工廠，通常定義為每日可用工作時間的10%，即每天拿出10%的時間用來進行作業轉換，其餘的90%的時間用於加工產品。單次換型時間下降以後，就可以將批量變小。一定要剋制通過SMED方法獲得更多產能的衝動，產能高不代表產出績效就好，我們應當以更快速地交付顧客所需產品為目標。

其他公司是怎麼做的呢？十多年前，筆者在一家外資汽車零部件工廠看到，他們的做法是，以換產時間的10倍來生產換型後的產品。請看如下圖4的實例。

圖4. 某工廠制定經濟生產批量的實例

從圖4中能看出，經濟生產批量=換模時間*10倍/生產週期時間。如第一臺2800噸的注塑機需要在三個零件之間換型生產，每個零件的生產週期時間不同，但更換模具時間的標準值相同，都是25分鐘，則每生產一個零件的經濟批量生產時間為250分鐘。以此時間生產不同的零件，可得到不同的經濟生產批量。筆者清楚地記得，在課程培訓期間，現場的一位工程師拿出換產作業的標準書和換產作業視頻，請教如何能夠將換產時間從25分鐘縮短到目標時間22分鐘。

關於換產作業的經濟批量，我們需要記住的一個經驗公式是，經濟批量生產時間=換型時間*K，K是一個介於8~20的係數。一般情況下，我們取K的值為10。使用10倍的換型時間用來完成一個經濟生產批量，就相當於以不超過10%的工作時間來支持換型（1/11=9%）。與前述豐田公司拿出10%的生產時間用來換產的思路是一致的。如果K=20，則該比率大約為5%（1/21=4.7%）。係數K越大，生產批量就越大，所以，除了一些特殊情況外，比如較高缺陷率的鑄鍛造等，係數K多數取值為10是比較好的。在圖2中有個結論，實際選擇的生產批量對比經濟批量的變化如果小於100%，對總成本的影響是較小的。

04—控制和降低換型時間的變異

變動性到處存在，你越是討厭它，它越是會在你不經意的時候出現。

工廠裡每次換型不會都是同一個人；每次換型不會在同一個時間點；白班換型和晚班換型可能會有區別；相同模具換到不同的設備上亦有差異，諸如此類的變化因素將導致換型時間發生變異。

在工廠裡，當你詢問生產主管或計劃管理人員，某個換型需要多少時間？他告訴你是40分鐘，你是否認為每次換型時間都是40分鐘？或者你理解的換型時間平均是40分鐘？有沒有一些時候30分鐘就可以完成換型，而另外一些時候需要60分鐘，甚至有幾次還花費了差不多兩小時？這就是我們所說的換型時間的變異。

統計學上，我們用標準差（表達離散傾向）來衡量某個特性指標（如換型時間）變異的大小，用平均值（表達中心傾向）來衡量該特性指標的平均表現程度。只不過我們在日常工作和生活中主要使用平均值來說事，經常忽視了標準差，即變異的影響。

低變異的影響不大，但如果高變異被忽視，麻煩就來了。因此，換型時間的變異總是和換型時間本身差不多一樣重要。如果換型時間變異量大，生產計劃則難以制定和控制。

我們怎麼知道自己工廠的換型時間和其變異的大小呢？先不說變異大小，很多工廠都沒有為換型時間建立記錄表，更有甚者都沒有建立換型作業標準，然後就幻想著能夠有效縮短換型時間。

首先需要建立換型時間的測量和記錄表。很多時候，換型時間僅僅因此就下降了。然後要做的是將換型作業的過程標準化（通過應用SMED方法）、目視化，並訓練換型作業的員工。

最後，跟蹤換型的主要步驟，並確定哪些步驟的時間變異大（通常是調整），然後將降低換型時間的變異作為一個改善專題來處理。

工廠裡可能有很多換型作業，不是所有的換型作業都應當引起我們同等的重視。但是，如下幾個因素是我們應當重點考慮和認真對待的。

1）瓶頸工序的換型作業。

2）換型時間最長的前幾位作業。比如換型時間最長的前5項（TOP5）作業。

3）換型時間變異比較大的作業。比如，換型時間超出標準時間30分鐘，或者變異係數大於0.75。

我們當然可以使用《工廠物理學》一書中所建議的區分變動性高低的衡量標準，那就是使用變異係數。變異係數=標準差/均值，例如，A換型時間的標準差為20分鐘，其平均值為40分鐘，則該換型作業的變異係數為0.5（20/40=0.5）。B換型時間的標準差為30分鐘，其平均值為30分鐘，則該換型作業的變異係數為1.0（30/30=1.0）。

高度變動（HV）：變異係數>1.33

中度變動（MV）：變異係數>=0.75，但小於1.33

低度變動（LV）：變異係數

不過，這似乎有些理論化。在實際的工作中，我們幾乎無需計算什麼變異係數就知道哪些換型時間的變動比較大，哪些對我們的影響比較重要，這就足夠了，在這一點上，經驗和直覺比數據更重要。

05—作業轉換的全局性思考

快速換型的目的是什麼？

為了增加產能還是為了改善流動？如果是為了增加產能，是為了增加局部工序的產能，還是為了增加工廠整體的產能？抑或是為了縮短週期時間、降低庫存成本、提升質量、縮減員工、減少維護，還是它們的組合？一般而言，很難兼顧。但是，對這一問題的清晰思考，可以幫助我們做出對公司整體目標更為有利的決策。

很明顯，換產次數越少，換產時間越短，因換產所導致的生產停機時間就越少。站在工廠的全局來看，某臺設備或生產線的停機損失就一定等於工廠的產出損失嗎？

工廠的產能是由瓶頸工序決定的。無論什麼原因，瓶頸工序停機1小時，就等於工廠的產出損失1小時。而非瓶頸工序因為其具有超出瓶頸工序的保護性產能，所以，非瓶頸工序包括換產在內的停機損失如果不是完全消耗掉它的保護性產能，是不會影響到工廠的產出的。由此看來，

對於瓶頸（客戶需求負荷最重的資源）工序而言，我們需要充分挖盡它的產能，所以，在瓶頸工序上發生的總換型時間（平均單次換型時間x換型次數）越少越好。因此，可以參考如下幾個策略：

除非絕對必要，儘可能減少瓶頸工序的作業轉換。所謂絕對必要，指的是必須充分考慮給客戶承諾的交期，或者是為滿足庫存式生產（MTS）或可得性生產（MTA）下的內部計劃交期。意思是，該換還是要換，但是，能不換就不換。理解或認同這一點或許會有些困難，尤其是如果對於豐田生產方式的概念浸淫日久卻又對其背後的原理原則未知其詳。所以恐怕還是需要辯證地看待這條建議的對策。不過，需要認識到，精益生產或豐田生產方式中的均衡排產指的就是對定拍工序（Pace Maker）的生產均衡化，而定拍工序就是我們通常所指的瓶頸工序或產能受限資源（CCR）。

適當合併瓶頸工序的作業批量。因為在大多數情況下，增加有效產出的貢獻遠大於減少庫存的貢獻。有效產出是約束理論（TOC）特指的一個名詞，指的是生產出來並通過銷售而從外部獲得的收益，而不是把庫存狀態從在製品轉化為產成品。

在瓶頸工序採用團隊來換型。比如將非瓶頸工序的工人臨時借調過來，或成立專門的快速換型小組。孰能生巧，這個最樸素的道理體現了學習曲線的原理。即，換型時間會隨著累計換型次數的增加越來越短，逐漸趨於平穩的低點。

優化瓶頸工序換型的順序。不同型號之間的換型時間往往是不同的，可以參照換型相依矩陣來制定最佳換型順序。例如，對於注塑來講，應儘可能避免從深顏色換到淺顏色，因為從深色換到淺色時，必須花費更多的時間徹底清理設備或模具的流道，以避免在下一個產品上產生色差。類似的還有機加工設備的刀具和刀具架更換，有的只需要更換刀具，有的還需要更換刀具架。換型相依矩陣的示意圖如下。

從上面的相依矩陣圖來看，我們應當儘量避免從A換到C（需要2小時），最好是選擇從A換到B和從C換到D（需要20分鐘）。同時也應該對比不同的換型作業，研究是什麼因素決定了換型時間的這種較大的差異，識別出的這些因素可否通過工裝、治具等方法的來加以改善和標準化。

對於非瓶頸來說，通過應用SMED方法大幅減少了換產時間，從而變相地增加了工序的產能。如何利用好這部分多出來的產能呢？

我們知道，跟瓶頸工序相比，非瓶頸本身就擁有比較富餘的產能，這部分富餘產能為非瓶頸工序提供了必要的保護性緩衝以抵禦各種墨菲的干擾，故稱之為保護性產能。保護性產能不需要太多，夠用就好，否則就是資源的浪費了。

現在，非瓶頸工序通過SMED改善又多增加了一部分額外的產能。這部分新增的產能如果被用於生產，就會導致過量生產（7大浪費之首）的浪費，如果用於增加換型次數，則可以降低每個產品的生產批量，從而既可以減少工廠內的在製品數量，又可以加快產品在工廠內的流動。瓶頸與非瓶頸應採用不同的做法，參見下面的示意圖。

但是必須要注意：非瓶頸所採取的任何行動都不可以妨害到瓶頸工序。也就是說，非瓶頸工序如果增加換產次數，必須要保證：

不讓瓶頸捱餓。非瓶頸在進行換產前必須確保不會導致瓶頸工序所需的工件短缺。

不讓瓶頸白做。

不讓瓶頸做錯。瓶頸前的非瓶頸工序的換產作業不應導致瓶頸工序違反既定的作業順序，也就是說，非瓶頸工序的作業提前時間和作業順序儘管可以有一定的彈性，但是必須要能保證工廠為瓶頸工序排定的加工優先順序不被破壞。

不讓瓶頸阻塞。與工廠的流動方式和緩衝區間的大小有關，有時候，瓶頸工序會因為後續的非瓶頸工序發生停機而不得不中斷生產。因此，瓶頸後的非瓶頸工序在進行換產作業或設備保養等工作的時候，要避免因此而阻斷瓶頸工序加工完成的產品向下遊流動。

一言以蔽之，非瓶頸工序要以瓶頸為中心，一切圍著瓶頸轉。

總結：

大批量生產因需要較少的生產切換而減少了準備成本，而小批量生產通過更加及時的生產來減少庫存。表面上看，經濟批量模型是在這兩個關注焦點之間找到的一種平衡的系統方法。實質上，經濟批量往往並不經濟，其模型所假設的諸多條件具有高度的變異性和不確定性。站在有利於工廠整體的績效目標的角度來看，對於作業轉換和快速換型，瓶頸和非瓶頸的處理方式應該區別對待。一個建議的做法是，儘可能增加非瓶頸的換產次數以減少在製品和加速流動，儘可能減少瓶頸的非必要的換產次數以充分利用瓶頸的產能。畢竟，無論是瓶頸還是非瓶頸，它們努力工作的唯一目標就是改善企業的盈利能力（以TIOE衡量），這是他們所能貢獻的價值所在。當然，無論是瓶頸還是非瓶頸，善用SMED減少換型時間總是必要的。

注：TIOE=有效產出（T）、存貨（I）、運營費用（OE）

【參考文獻】

《精益工具箱》

《新豐田生產方式》

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