设备管理_机械加工设备布局方法及其仿真技术研究

大连理工大学 硕士学位论文 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 姓名：刘弟新 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：贾振元 20061201 大连理工大学硕士学位论文 摘要 合理的机械加工设备布局对于确保车间物流畅通、方便设备操作及提高场地面积使 用率等都起着至关重要的作用，进而对降低生产成本，减轻工人劳动强度，提高生产效 率、零件加工质量、车间安全文明精益生产程度等具有现实意义。因此，无论是建立新 车间，还是改造原有车间，设备布局设计都是必需的。针对大连冷冻机股份有限公司机 械加工设备布局不合理导致生产效率低下的现状，在推行精益生产项目过程中，进行了 机械加工设备布局研究，本文研究了机械加工设备布局方法和布局方案的仿真技术，主 要研究解决了以下几个方面的问题： ( 1 ) 应用面向对象技术，分析归纳了各类设备的属性和行为，通过对设备属性行为 的抽象，采用标准化查询语( S t r u c t u r e d Q u e r y L a n g u a g e ，S Q L ) 建立了相应的设备库和工 艺流程数据库等，为车间设备布局设计提供了有效的建模和分析基础。 ( 2 ) 阐述了设备布局的相关理论，分析了设备布局的影响因素，将机械加工设备布 局设计分为相互联系的三个阶段，首先根据生产计划、工艺流程以及所建立的数据库等 建立系统抽象模型。然后通过启发式算法求解设备布局模型。最后通过仿真系统，对设 计的布局方案进行仿真和评估，进而对布局方案进行改进。 ( 3 ) 对设备布局仿真技术进行了初步研究，在V i s u a lC + + 和S Q LS e r v e r2 0 0 0 平台 上开发了设备布局原型系统。系统可以根据用户输入参数给出较优的设备布局方案，并 可通过布局方案性能指标对比，对布局方案进行直观的验证和评价。最后以大冷冻机股 份有限公司机械加工车间汽缸套生产线设备布局为应用实例，设计了一种平衡优化算 法，给出了优化的设备布局方案，并制定了标准作业。应用结果表明系统是可用的。 关键词：机械加工；设备布局；仿真；汽缸套生产线 大连理工大学硕士学位论文 T h eR e s e a r c ho nM e c h a n i c a lF a c i l i t i e sL a y o u tM e t h o d sa n dS i m u l a t i o n T e c h n o l o g y A b s t r a c t A na p p r o p r i a t em e c h a n i c a lf a c i l i t i e sl a y o u tp l a y sak e yr o l ei ne n s u r i n gt h ec o n t i n u i t ya n d s m o o t h n e s so ft h ef a c i l i t yl o g i s t i c sa n dm a t e r i a lh a n d l i n g ，f a c i l i t a t i n gt h eo p e r a t i o no ft h e f a c i l i t i e sa n di m p r o v i n gu s i n gr a t i oo fw o r k s h o pa r e a I tt h e ns h o w ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a l m e a n i n gi nr e d u c i n gt h em a n u f a c t u r i n gC O S t , l a b o r s a v i n go p e r a t i o n ，i m p r o v e m e n to ft h e p r o d u c t i v i t ya n dt h eq u a l i t yo ft h ep a r t s ，e n s u r i n gt h es e c n r ea n dl e a np r o d u c t i o n T h e r e f o r e ， t h ef a c i l i t i e sl a y o u td e s i g ni sn e c e s s a r yw h e t h e ri nt h ef o u n d a t i o no f an e w w o r k s h o po ri nt h e r e b u i l d i n go fa no l dw o r k s h o p C o n s i d e r i n gt h ei n e f f i c i e n tp r o d u c t i o nr e a l i s t i ci n a s m u c ht h e u n r e a s o n a b l em e c h a n i c a lf a c i l i t i e sl a y o u ti nm a n u f a c t u r ew o r k s h o po fD a l i a nR e f r i g e r a t i o n C o ，L t d ，f a c i l i t i e sl a y o u tb a s e do nl e a np r o d u c t i o ni sr e s e a r c h e d n l ea r t i c l es t u d i e dt h e m e c h a n i c a lf a c i l i t i e sl a y o u tm e t h o d sa n ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 l em a i np r o b l e m ss t u d i e d a r ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) A p p l i e dO O ( O b j e c t - O r i e n t e d ) t e c h n o l o g yi na n a l y z i n g ，i n d u c i n ga n da b s t r a c t i n go f t h ea t t r i b u t e sa n db e h a v i o r so f t h ef a c i l i t i e s n ed a t a b a s eo f e q u i p m e n ta n do p e r a t i o np r o c e s s i Sb u i l tu t i l i z i n gS Q L ( S t a n d a r dQ u e r yL a n g u a g e ) I tl a y sf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n g m o d e l i n ga n da n a l y z i n go f t h em e c h a n i c a lf a c i l i t i e sl a y o u ts y s t e m ( 2 ) E x p a t i a t e dt h eC O n c e r n e dt h e o r i e so f t h ef a c i l i t i e sl a y o u ta n da n a l y z e dt h ef a c t o r st h a t a f f e c tt h ef a c i l i t i e sl a y o u t ，1 1 1 ed e s i g no ft h em e c h a n i c a lf a c i l i t i e sl a y o u ti Sd i v i d e di n t o3 i n t e r r e l a t e dp h a s e s F i r s t l y ，b u i l dt h em o d e lo ft h el a y o u ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h eb u i l t d a t a b a s e ，t h ep r o d u c t i o np l a na n dt h eo p e r a t i o np r o c e s s S e c o n d l y ，f i g u r eo u tt h el a y o u tm o d e l u s i n gh i e r a r c h i ca l g o r i t h m T h i r d l y ，e v a l u a t et h el a y o u tm o d e la n dt h es y s t e mb ys i m u l a t i o n a n dC O n t r a s tt h eo p t i m i z e dl a y o u tw i t ht h er e a l i t y ，w h i c hh e l p st oi m p r o v et h el a y o u td e s i g n s c h e m e ( 3 ) T h ea r t i c l el a s tp r e l i m i n a r i l ys t u d i e so ns i m u l a t i o no ft h em e c h a n i c a lf a c i l i t i e s l a y o u t Ap r o t o t y p es o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fV i s u a lC 抖a n dS Q L S e r v e r2 0 0 0 1 r t 圮s y s t e mp r o v i d e sa no p t i m i z e dl a y o u ts c h e m ea c c o r d i n gt ot h ei n p u t p a r a m e t e r I tC a na l s oo f f e rad i r e c tv e r i f i c a t i o na n de v a l u a t i o no ft h el a y o u td e s i g nt h r o u g h t h eC O n t r a s tb e t w e e nt h es i m u l a t i o no f t h eo r i g i n a ll a y o u ts c h e m ea n dt h eo p t i m i z e do n e T h e s y s t e mh a sb e e na p p l i e di nc y l i n d e rl i n e rf a c i l i t i e sl a y o u t , w h i c hi si nm e c h a n i c a lw o r k s h o p ， D a l i a nR e f r i g e r a t i o nC o ，L t d ab a l a n c i n go p t i m i z e da l g o r i t h mi ss t u d i e da n da l lo p t i m i z e d 机械加工设备布局方法及其仿真扯术研究 l a y o u ts c h e m ei sd e s i g n e d ，w i t ht h a ta l lo p e r a t i o ns t a n d a r di sd e s i g n e d ，T h ec u ep r o v e dt h a t t h el a y o u td e s i g ns y s t e mi sp r a c t i c a b l e K e yW o r d s ：M e c h a n i c a l ；F a c i l i t yL a y o u t ；S i m u l a t i o n ；C y l i n d e rl i n e rP r o d u c t i o nL i n e I I I 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：室：i 益堑I E I 隽J ：丝丑：f 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 储躲刭弛 导师签名 6 8 缎一 颦4 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 机械加工设备布局概述 从一般意义上说，布局设计就是将些物体按一定的要求合理地放置在一个空间 内，它是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、信息处理、优化、仿真等技术的交 叉学术领域，实践证明它还是一个复杂的组合优化问题。存在于现实生活的许多行业和 许多方面： ( 1 ) 航空航天工业中，航天器上各种仪器的布局摆放问题。 ( 2 ) 造船、汽车等交通工具内不同形状、大小物体的放置问题。 ( 3 ) 集成电路设计中，各种元件的合理布置问题。 ( 4 ) 建筑设计中，各房间的合理布置及厂房、设备等布局问题。 ( 5 ) 机械设计及机械制造领域中，各厂房和车间的合理布置以及车间内设施布局问 题。 布局问题具有广泛的应用背景，布局结果的好坏对整个行业生产的合理性、经济性、 安全性等都具有重大影响。本文主要研究机械加工设备布局方法及仿真实现。所谓机械 加工设备布局就是将制造系统重新组织成自治和协作的机械加工单元，在本研究中，零 件和一组机床设备、操作人员一起构成机械加工设备单元，具有自治性，协同性，柔性 等特征。由于市场需求的不断变化，从而导致机械加工承担的加工任务也是动态多变的， 这种多变性使得设备资源和设备负荷也是动态变化的。机械加工的引入，可以让生产制 造系统具备可重构制造的基础，从而系统具有柔性，进而提高系统的市场响应能力。 本文所开发设计的布局系统就是按照一定的原则，合理地确定车间内各机械加工 ( 工段、班组及工作地，设备) 之间的相互位置，从而使它们成为一个有机整体，实现车 间的具体功能和任务。 由于机械加工设备布局决定了以后车间的物流方向和速度，从而从结构上限定了车 间的功能潜力，因此设备布局是构造一个有效车间系统最为重要的环节，相同车间地址、 相同的人员、相同的技术和设备，仅仅由于布置方式的不同，生产系统的功能可产生天 壤之别。高效率的设备布局作为提高企业生产效率和效益的手段之一，越来越受到人们 的重视。 I 1 1 制造系统中生产物流设计与设备布局 “物流”是指实物从供给方向需求方的转移【l 】，这种转移既要通过运输或搬运来解 决空间位置的变化，又要通过存储保管来调节双方在节奏方面的差别。制造系统要完成 原材料到产品的转变，其目标在于使生产效率达到最高。在转变过程中，原材料经过运 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 输、贮存、加工、装配形成产品，产品又经过贮存、运输，最终到达用户手中，形成了 生产物流。生产物流系统实际是整个机械加工车间设施布局的一个重要部分，也是本文 考虑的问题之一。制造系统的设施形成了工厂的静态空间结构一布局，机械加工车间设 施布局的最优化实质上是考虑了生产物流基础上的制造系统结构的最优化。 机械加工车间设施布局的实质就是对制造资源( 包括人、机具和物料) 在空间上密切 有机结合，时间上适当连接、减少物料搬运工作量，减少自制零件和外购件的损坏，节 省费用。在布局设计的过程中考虑物流因素，不仅能降低其过程中的运输成本而且还能 加快生产流程，最终达到提高生产能力和降低企业生产成本的目的。 在工业发达国家，除了降低原材料和能源消耗外，已把改进物料搬运、改善工厂中 的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的“第三源泉”【2 1 ，这是值得我们研究和 挖掘的现代生产管理理论减少企业内部生产物流的具体途径嘲可以概括为以下三点： 第一，通过最优的工厂布局，建立顺畅的物流线路，或者采用加工中心，实现工序 集中，减少运输次数，缩短物流距离。 第二，成组搬运，直接减少搬运次数。 第三，确定最优的运输路线和运输速度，建立连续短捷的运输路线，减少运输的停 顿、路线交叉和倒流现象。 本文研究开发的系统除按照产品的生产纲领正确选择生产工艺和机器设备外，还进 行了物流分析和设计，因为合理的物流设计能够大大提高生产率，降低生产成本。 1 1 2 机械加工设备布局综述 ( 1 ) 设备布局设计的原则 为了达到车间设施布局的目标，现代机械加工布局设计应遵循如下原则I 刀： 第一，减少或消除不必要的作业，这是提高企业生产率和降低消耗的最有效方法之 一。只有在时间上缩短生产周期，空间上减少占地，物料上减少停留、搬运和库存，才 能保证投入的资金最少、生产成本最低。 第二，以流动的观点作为设施规划的出发点，并贯穿在规划设计的始终。因为生产 系统的有效运行依赖于人流、物流、信息流的合理化。 第三，运用系统的概念。系统分析的方法求得系统的整体优化。 第四，重视人的因素，运用人机工程理论，进行综合设计，并要考虑环境条件包括 空间大小、通道配置、色彩、照明、温度、湿度、噪声等因素对人的工作效率和身心健 康的影响。 第五，设施规划设计是从宏观到微观，又从微观到宏观的反复迭代、并行设计的过 程。要先进行总体方案布置设计，再进行详细布置；而详细布置设计方案又要反馈到总 体布置方案中，对总体方案进行修正。 一2 一 大连理丁大学硕士学位论文 总之，设备布局设计就是要综合考虑各种相关因素，对生产系统或服务系统进行分 析、规划、设计，使系统资源得到合理配置。 ( 2 ) 设备布局设计的原则 机械加工设备布局的目标一般可分为两大类，一类是以提高工作效率为导向的，另 一类是以鼓舞士气为导向的。 第一，以提高工作效率为导向的目标是为了高效率地完成生产任务，它包括： 使物料运输成本最小，它要求运输路线尽可能短、尽量增加生产的连续性，减少 装卸，防止物料被堵塞和延误； 使空间、设备和人员等资源的利用率提高，进而降低成本，增加利润； 使系统具有尽可能大的应变能力，表现在扩展的余地和高柔性等方面。 第二，以鼓舞士气为导向的目标主要是通过激发生产人员士气来实现组织的目标， 同时使生产者在工作中有更加良好的心理感受，包括： 增强生产安全性，包括采取各种安全措施，如防火、防潮、防止工伤事故，也包 括增进职工职业健康的各类措施，防噪、防震及有害气体、污染物的处理等； 减少工作的单调感，包括建立趣味盎然的班组园地以及干净整洁的休息区，以赋 予工人更多、更广泛的任务和自主性，加深工作中其独特性、责任性的心理体验。 ( 3 ) 机械加工设备布局的评价 ； 机械加工设备布局设计是影响深远的一项工作，一个良好的设施布局可以用埃普尔 ( A p p l e ) 的“良好布局标志”来衡量1 4 】。本文所研究的机械加工车间机械加工设备布局系 统是一个有机的整体，由相互关联的子系统组成，布局设计总的目标是使人力、物力、 财力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即要确保规划 的布局系统能以最小的投入获取最大的效益无论是新设施的规划还是对现有设施的再 规划，其典型的目标是：简化加工过程；有效利用设备、空间、能源和人力等资源； 最大限度地减少物料搬运：缩短生产周期：力求投资最低；为职工提供方便、 舒适、安全和职业卫生的条件。 本文所作的机械加工设备布局优化设计，是属于对现有设施的再规划。目标具体阐 述为：在现有设备的基础上，保持最低限度的后退倒行；有关作业紧靠在一起；生产时 间可以预测并尽可能地短，最少量的在制品，实际加工时间与生产总时间之比最大，材 料搬运距离最短，无不必要的材料重复搬运，作业之间的搬运最少，较少的操作工人， 有秩序地搬运和储存材料，工人能高效率工作。各种目标根据侧重点的不同，占有不同 的权重，于是，归结为多目标优化问题。系统将能够量化的目标以数据的形式输出，并 根据设施规划优化设计结果制定标准作业。 一3 一 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 1 2 课题提出的背景与意义 1 2 1 设施布局的发展历程及研究现状 制造系统中设施布局的创立及发展脉络贯穿于工业工程发展实践中，联系工业工程 的发展史，归纳制造系统中设施布局研究的发展大体如下： ( 1 ) 二十世纪初至三十年代一以泰勒的科学管理方法和福特的流水线生产方法为标 志的工业工程学科的萌芽期。人们开始认识到工厂设计和物流管理在生产中的意义，但 对工厂设计的研究还局限于“工作研究”。该时期的设施规划还主要凭经验和感觉。 ( 2 ) 二十世纪四十年代至六十年代一设施规划学科的快速发展时期。对工厂设计的 研究由“工作研究”拓展至物料搬运方法( M a t e r i a lH a n d l i n g ) 与工厂布置( P l a n tL a y o u t ) 研究1 5 l 。设旌规划成为具有独立的学科方向和技术体系的学科。1 9 6 1 年美国的缪瑟提出 了极具代表性的系统布置设计理论；随着计算机技术的发展，以删摩尔等为代表的一 批设施规划与设计学者，研究应用计算机技术进行平面布置及其优化的问题，并产生了 许多用高级语言写成的平面布置程序，如用于新建设施的C O R E L A P 、A L D E P 程序和 用于改建布置的C O F A D 、C R A F T 程序，形成了计算机辅助设施布置方法，为生产系统 的设施新建和重新布置提供强有力的支持和帮助，节省了大量人力财力。国内在8 0 年 代以后引进缪瑟理论，收效显著。 ( 3 ) 七十年代后，计算机在生产管理中的应用标志着设施规划进入现代发展阶段。 计算机仿真学和图形学的发展，使一些仿真软件公司推出了三维布局和仿真软件来进行 车间布局设计规划，如D e l m i a 公司的D e n e b Q U E S T ，T e c n o m a t i x 公司的e M - P l a n t 、 e M - P o w e r 和R O B C A D 等。这些商用软件使车间设施规划开始向智能化方向发展。 K o t w e l i se 1 a l 尸曾指出生产设备的位置是制造系统需要解决的最关键的问题之一 到目前为止，归纳研究人员已提出的解决制造系统布局问题的公式和规则、采用的方法 和技术手段，可以将制造系统布局设计问题抽象为以下几类：二次分配问题 Q A P ( Q u a d r a t i eA s s i g n m e n tP r o b l e m ) 模型，二次布置占有Q S P ( Q u a d r a t i cS e tC o v e r i n g P r o b l e m ) 模型，线性整数规划模型，混合整数规划模型和图论模型。 从以往的研究成果来看，设旋布局问题的求解一包括城市规划、计算机控制面板布 局以及配线布局等大多是利用Q A P 方法，但Q A P 方法适合的情形是一个的特例，因为 它假定所有的布局实体都是具有相互关系的等面积实体，并且所有可能的放置点都是事 先指定的。1 9 7 6 年，S a h n i 和G o n z a l e z n 证明设施布局问题是一个N P 完全问题，此后 人们I s 叫采用了许多启发式的手段来获得问题的近似最优解，即近似优化方法，这些方 法可以大致归纳为以下基本类别：构造法、改进法、图论法和模拟退火法、混合法、遗 传算法等。布局问题得到越来越广泛的研究，近年来，尤以智能优化算法和三维仿真技 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 术实现最受业界关注。S z y k m a n 和C a g a n 等【1o 】将二维超大规模集成电路技术扩展到了 三维空间内，在考虑了容器和其他布局物体约束的前提下，提出了一种适用于具有空间 约束的布局物体和布局容器的布局问题。这种方法在理论上是通用可行的。但他们的工 作还只是局限于简单几何形状的物( 例如矩形块和圆柱体) 的布局方面。T i z i a n a C a l a m o n e r i 等1 提出了互联网的三维布局优化问题。G i n d y t ”l 等提出了一种用于产生三 维电子模块矩形体自动布局结果及线性域估计的集成方法。L o f t s F a i n a 介绍了一种三维 布局问题的全局优化几何模型。 国内自9 0 年代后，开始广泛关注设施规划布局研究。许多高校和研究所就制造系 统设备模型、模型求解算法和仿真实现等方面展开研究。在设备布局问题抽象建模和算 法研究方面的代表性探索有：邱英汉I l3 l 用二叉树结构来表示三维实体布局问题；王金敏 I l4 】提出了一种适合三维实体布局的优化算法：北方交通大学针对柔性制造系统设备布局 问题的鲁棒性分析l l ”，北京工业大学王伟等基于设备可重组布局的研究1 1 6 】，南京理工大 学基于脑模型联接控制器的车间布局多目标优化技术研究1 1 7 1 。长春理工大学针对可重构 制造系统设备布局研弹博2 0 1 。对遗传算法及混合智能优化算法方面进行研究 2 1 - 3 3 1 的主要 有华中科技大学李世其、竺长安等，南京航空航天大学陈希，王宁生等，中国科学技术 大学柏甫荣，秦永法等，浙江工业大学周根贵，武汉科技大学应保胜等，广东工业大学 吴永明等，长春理工大学李占国、上海理工大学杨敏，张树仁等，大连交通大学王秀伦， 北京理工大学，上海交通大学，西安光学精密机械研究所，兵器工业第五研究所，扬州 大学，中国科学院沈阳自动化所。 对于不同应用领域的设备布局问题研究，代表性机构和人员如下：腾鸿飞0 4 - 3 5 1 等研 究了具有行为约束的三维布局问题，提出了一种位于旋转容器内的物体的优化布局方 法。何大勇等则在集装箱布局问题中提出一种利用三叉树结构来表示三维矩形布局状态 空间的方法。陈宇晓等将功能单元布局法应用于数控加工设备布局 3 6 1 。南京航空航天大 学开发了面向汽车装焊车间设备布局优化自动布局系统1 3 7 】。上海理工大学俞静等研究了 半导体制造车间设施规划问题【3 8 1 。华中科技大学钟毅芳等研究了具体的单向环型设备布 局设计问题。武汉理工大学针对汽车拨叉零件的精益生产设施规划研究【3 9 J 。吉林大学和 浙江大学关于丰田生产方式及T P S 理念在设备布局中的应用研究 4 0 - 4 3 J 。 国内针对布局仿真技术的研究主要有：广东工业大学制造单元的三维可视化重构及 仿真技术研究 4 4 4 5 。东南大学薛天然等基于仿真的单元化制造系统柔性布局研究1 4 6 1 。 由于布局问题属于N P 问题，所以求解比较复杂。从商业应用来看，至今尚没有成 熟的用于制造企业设旌布局的商品化软件，各高校和团体研究多集中于规则物体的布局 问题，要实现任意形状的布局问题，至今尚无成功的通用布局方法。虽然已经有很多非 线性技术应用到布局问题中，但这些方法大多数因物体的几何形状、方位及问题复杂程 机械加工诊婿布局方法及其仿真技术研究 度的不同而施加不同的限制。除此之外，对于布局问题大多数研究是在运筹学领域完成 的，一个局限是因为般都是启发式的算法，从而只能应用于某一专门的问题之中，另 个局限是运筹学中只能使用相对简单几何形状的物体。有鉴于工程实际中待解决问题 的要求和目标的多样性和复杂性，欲找到一种通用于所有问题的方法几乎是不可能的。 1 2 2 课题提出的工程背景及研究意义 本文所做的研究是大连理工大学与冰山集团大连冷冻机股份有限公司合作的精益 生产项目的一个重要组成部分。精益生产方式是丰田汽车公司创立的以“彻底杜绝无效 劳动和浪费，持续改进和精益求精”为理念的生产方式，是推动世界生产率提高的新引 擎1 4 J aI n d u s t r yW e e k s 分析从1 9 9 1 到2 0 0 0 年期间的优胜企业，大多数都是采用精益制 造方式获得成功的。正如英国观察家报题为“创新的精益时代”一文所预言的：二 十一世纪是精益的时代，同对手竞争的最好方法是在第一线进行的生产过程创新【矧。生 产过程创新中，随着加工技术和装备水平的提高，车间设备布局的设计和创新就显得尤 为重要。 冰山集团作为东北老工业基地制造企业的典型代表，在公司发展过程中，生产计划 的调整、新设备的添加、旧设备的报废或淘汰等都不断造成车间设备布局的调整，因为 布局不科学产生的问题日益突显。而且由于城市规划需要，原有厂房需要搬迁，设施规 划与车间设备布局的研究势在必行。在此背景下，公司制定了推行精益生产的战略部署。 该精益生产项目采用分阶段，逐步深入的方式逐步推进。首先在大连冷冻机股份有限公 司( 以下简称大冷) 机加事业部( 机加事业部承担着活塞压缩机和螺杆压缩机主要部件的 机械加工任务，是大冷最重要的生产部l q ) 进行试点推行。其次，对车问设备布局，加 工工艺，人员管理，物料搬运等方面进一步研究，制定可行性方案。本文所做的研究是 在机加事业部初步完成精益生产5 s 管理基础上，配合铸造事业部搬迁及机加、螺杆装 配事业部重建的战略计划，依据精益生产思想对机械加工设备布局规划设计进行研究。 在项目调研阶段，我们对大冷公司机加事业部现状进行了深入考察。发现该事业部 存在的亟待完善的问题很多，概括如下： ( 1 ) 生产流程长，倒流、交叉多，如曲轴生产加工在车间内的流程距离长达5 0 0 余 米；而回流或倒流约4 2 0 余米，占总流程距离的8 2 ( 2 ) 设备忙闲不均，部分设备空闲，部分设备前面物料积压严重，设备整体利用率 偏低。 ( 3 ) 物料搬运手段单一，搬运方式方法不规范，存在安全隐患且导致人力和电力资 源的严重浪费。 ( 4 ) 车间内在制品数量多。 大连理工大学硕士学伊论文 ( 5 ) 设备操作者状态闲散，好多工序设备开动后，操作者不需干预一考虑一人多机， 精简人员。 本文通过对该事业部存在的问题进行分析，查找问题产生的根源，继而有针对性提 出解决问题的具体措施，将其融入该事业部机械加工设备布局研究中，以减少浪费，提 高效益为目标，提出机加事业部机械加工设备布局方案。 1 2 3 本文的研究意义和目的 在制造企业竞争激烈的市场竞争环境下，一个优良的生产系统对于增强企业的竞争 力而言至关重要，机械加工设备布局作为生产系统重要组成环节，其优劣直接决定着产 品质量、生产率和经济效益。因此，无论新系统的形成还是旧系统的改良，布局研究都 是重中之重。 本文在对布局设计方法和虚拟仿真技术深入研究的基础上，从应用的角度提出了一 种基于虚拟仿真的车间设备布局方法，设计实现了优化设备布局的框架，并以大冷机加 事业部设备布局研究为实例，分析了虚拟环境下车间设备布局的优化过程。所做的研究 旨在探索合理的机械加工设备布局的方法和手段，从而对机械加工车间设备布局优化设 计起到一个参考和引荐作用。 本文所做的车间设备布局和仿真研究是依托于大冷机加事业部设施规划的项目，体 现了精益生产消除浪费、降低成本、提高效率的理念i 可以提高生产率，改进质量，消 除或减少间接劳动生产成本，简化物流，仅需要更少监督，并可提高员工的自我成就感。 大冷公司作为东北老工业基地制造企业的典型代表，它所呈现的问题某种程度上是该区 域传统制造企业代表性问题的缩影。该项目在大冷的推进能够在东北老工业基地产生以 点带面的作用。因此，探求科学的机械加工设备布局方案具有重要的战略意义。 1 3 本文的研究内容和文章结构 本文以大冷公司机加事业部开展精益生产项目为背景，设计了车间设备布局系统。 论文主要研究车间设施布局设计的相关理论、方法及仿真实现问题，最后以机加车间气 缸套生产线改造为应用实例，验证了所设计实现的优化布局方案，具体包括以下几个方 面内容： 第一章绪论 首先对机械加工设备布局及生产物流对布局问题的影响进行了概述，其次分析了布 局问题发展阶段与制造企业设施规划发展现状，最后阐述了本论文研究的背景及研究的 意义和目的。 第二章机械加工设备布局规划设计 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 简要分析了车间设备布局形式与类型，分析了产品信息、生产作业管理和生产物流 等设备布局影响因素，探讨了设备布局设计方法，提出了设备布局系统的开发。 第三章车间设备布局系统 对车间设施布局系统进行需求分析，研究制定了机械加工设备布局系统的概要设计 与系统的详细设计过程，对生产线设施布局模型进行了初步探讨。 第四章车间设备布局仿真 阐述了系统仿真与建模的关系，设计了系统模型和仿真器，通过离散事件仿真主流 程图、事件到达流程图和事件离去流程图来表征机械加工离散事件的仿真过程。 第五章车间布局系统应用示例 研究开发了机械加工设备布局系统，通过气缸套生产线的应用实例，测试和验证系 统实现的布局方案。 第六章系统开发的技术简介 简单介绍了系统开发过程中采用的关键技术及解决关键问题的方法。 最后是对研究工作的总结与对进一步研究的展望。 1 4 本章小结 本文从车间设备布局的定义、发展阶段和发展现状等出发，将传统规划设计方法和 现代虚拟仿真技术相结合，提出了一种基于虚拟仿真的车间设备布局优化设计方法，研 究和开发了可视化车间设备布局系统。本课题旨在通过将二维仿真技术应用于车间的布 局设计，达到把生产设备、工件、生产计划、物流管理等有机组织在车间设备布局系统 中，并动态显示车间生产加工过程的目的。开发实现的布局设计系统。最后以机加车间 气缸套生产线改造为应用实例，验证了所设计实现的优化布局方案。本文对制造系统的 布局和优化有一定的借鉴和指导作用。 大连理工大学硕士学位论文 2 机械加工设备布局设计 2 1 设备布局形式与类型 2 1 1 设备布局分类 设备布局形式取决于生产类型和生产组织形式，因此设备布局形式与组织车间一 致。在机械制造车间，我们一般把设备布局基本形式可分为：工艺布置、产品布置、固 定工位布置和成组布置1 4 9 1 。 ( 1 ) 工艺布置又称功能布置，是同类设备和人员集中放置在一个地方的布置形式。 如按车床组、磨床组、电镀组等分区，各类机床组之间也保持一定的顺序，按照大多数 零件的加工路线来排列。 ( 2 ) 产品布置又称流水线布置，这种布置是为特定的产品或服务对象所设计的。产 品布置的基础是标准化和作业分工。 ( 3 ) 固定工位布置，指加工或服务对象位置固定，而加工或服务围绕着该固定位置 移动的一种布置方式。这种布置方式主要用在制造业中大型或特大型产品的生产，这类 产品很大很重不易移动，如船舶制造、飞机的总装配等。 ( 4 ) 成组布置，是按成组技术的相似性的原则，将中小批量的产品及零部件根据其 工艺分成不同的工艺族，然后按照不同的工艺族来布置设备。 现在出现一种较新颖的提法一结合实际情况的特定情形布置【5 0 1 ，按照设备摆放形状 可将布局类型作如下划分： ( 1 ) 单行布局：单行布局又分直线线形布局、U 型布局和环形布局等几种形式。如 图2 1 中的a 、b 、c 所示。 图2 1 单行布局 F i g 2 1n es m g l e r o wl a y o m 在单行布局中，加工设备按照零件的加工顺序依次排放。单行布局的主要优点时工 件始终沿着一个方向运动，工件传输的时间和费用较小，延迟也较低、且易于控制并可 一9 一 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 使用传送带来传输工件。然而，当多数零件具有不同的加工顺序时，一般零件不是沿单 方向运动，此时单行布局的效率大大降低。单元布局一般用于成组制造单元中或实施准 时生产制的企业中，偶而也用于柔性制造系统中。 ( 2 ) 多行布局，如图2 2 所示。 多行布局通常时线形结构的。在多行布局中，不仅同一行中的加工设备发生相互作 用，而且不同行之间的加工设备通常也互相关联。当多行布局中的行数为2 ，并且行与 行之间没有物流的交换时，多行布局就变成了因为某种原因( 如共用物料传输设备) 而 相邻放置的两个单行布局。多行布局适用于柔性制造系统。 ( 3 ) 环形布局，如图2 3 所示。 环形布局同样也适用于柔性制造系统。在这种布局中，机床沿着半圆弧或椭圆排列 并且工件通常向同一个方向单向运动。环形布局的主要优点时给物料传输带来了很大的 柔性。国内对环形布局进行深入研究的是华中科技大学钟毅芳1 3 9 】，针对制造系统中的单 向环型设备布局问题提出一种优化建模与虚拟现实技术相结合的求解策略。 一销 图2 2 多行布局 F i g 2 2T h em u l t i - r o wl a y o u t 图2 3 环形布局 F i g 2 3T h er i n gl a y o u t 根据不同的影响因素，我们可以采用其中的布局方法来进行模型研究，本文是采用 U 型布局来为研究模型。 2 1 2 设备布局定量分析 传统的布局方法采用定性的方法较多，如做模型、对砂盘、摆样片、绘制图片等静 态的布置方法，后来逐步采用数字分析的方法和图解的技术，但总得来说是主要依靠个 人经验和简单分析，偏重直观判断，缺乏科学依据性。当工厂组成单元数量较多，关系 比较复杂时，这些方法往往无法满足要求。定量技术【5 ”在设备布局中的应用应运而生。 定量技术融于工作研究的两个分支一方法研究和时间研究中。典型定量分析方法和技术 有工艺流程图、从至表以及作业单位相互关系图等，这些方法在设施布局中有非常有效 的分析效果，以工艺流程图作为示例分析如下。 ( 1 ) - r 艺流程图 大连理_ f = 大学硕士学位论文 工艺流程图是采用物流标准符号来表示每一个工艺过程将各种产品整个加工工艺 中的各种物料搬运全部列在一起，分析统计各项活动的次数比例，时间比例，以寻求提 高物流效率的关键嗍。如表2 1 所示为工艺流程图。 物流标准符号如下： o ：加工表示工艺过程中主要步骤，操作中要对物料作物理或化学变革。 一：搬运表示物料由一处移向另一处。 ：贮存表示受控制的储存，如保持生产连续性的库存。 口：停放表示在事件顺序中的等待，如工序间的在制品积压。 ：检查表示对物料品质或数量的检查。 表2 1 工艺流程图 T a b 2 IT h ep r o c e s sf l o wc h a r t 在表2 1 中，我们从零件的第一道加工工序开始记录，加工工艺的每一步流程，把 它记录下来，为以后加工流程分析和标准化作业制定作出可靠的依据。从零件加工工艺 流程图的可看出，我们可以对零件加工过程进行合理有效的改进工艺流程措施，如取消、 合并、变更、简化等，并对改进措施说明的简要说明。 2 。2 设备布局影晌因素 当车间的零件设计、工艺流程设计、车间的生产组织和物料搬运等条件的变化，都 会影响车间的加工设备布局结果的影响，具体分析如下所述。 2 2 1 零件设计 零件设计的内容包括决定要生产那种零件和每种要生产零件的详细设计信息两部 分的内容。在进行零件设计的过程中，需要确定公司要生产的零件的加工工艺的柔性， 这个对设备规划人员极为地有用。在用C A D 软件进行零件设计时，产品的零件图需要 完整的视图、尺寸、材料、公差和表明粗糙度等各项制造技术条件。因为可能仅仅其中 机械加工设备布局方法及其仿真技术研究 项变更就会迫使这个加工工艺的变更，而加工工艺的变更会影响其他所有的工艺过程 的布置。在设备布局中，要求尽量地增加布局和设备规划的柔性。但柔性是不能无限制 地提高的，因为随着柔性的提高，进行设备规划布置所要追加的成本也会成指数上升， 所以柔性应该根据零件加工工艺等需要确定。 2 2 2 零件工艺流程 零件工艺设计要综合考虑各种零部件的加工工艺、制造设备、车间布置布置和生产 组织等各类问题，为提商产品质量，降低消耗，取得良好的经济效益奠定基础。 工艺设计应该以质量和成本作为参考的主要因素。如果采用的工艺能够保证质量但 是成本很高，或者工艺十分的现代化但企业效益不高，这种工艺就是不可取。相反，如 果成本很低但不保证质量，也不是恰当的选择。 2 2 3 车间生产组织 通过工艺选择和生产能力规划整个生产的工序和设备的具体规格，以及设备之间的 物料传递关系，为布局设计提供原始数据。 车间的生产纲领决定了车间的生产规模和生产方式。由于各个车间在产品结构、生 产方法、设备条件、生产规模和专业化程度等方面，都具有各自不同的特点，这些特点 都直接影响企业的生产过程的组织。生产过程组织就是要根据顾客需求的特点和生产类 型的性质，对加工过程中的各种要素，包括加工设备、搬运设施、工序、工作中心、在 制品存放地点等进行合理的配合，使得产品在生产中的行程最短，通过时间最快和各种 耗费最小，有利于提高生产过程适应环境变化的柔性。 本项目的开展就是在精益生产的生产方式下面进行的，精益生产方式( L e a n P r o d u c t i o n ) 是在S I T 生产方式基础上于1 9 9 0 年提出的一种较完整的生产管理理论。主要 特征是：以人为中心，把员工看作是比设备更重要的生产要素；生产过程中实行准时制 和全面质量管理：以“顾客需求驱动”为产品开发点；创造和谐的外部环境。 在精益生产模式下，它要求设备不是按机床类型来布置，而是根据加工工件的工序 顺序来布置，即形成相互衔接的生产线。从作业人员的角度考虑，由于实行一人多机、 多工序的操作，布置设备时还应该考虑到使作业人员的步行时间合理。此外，还应注意 场地利用的合理性。 2 2 4 生产物流 对于制造车间之内或车阃与车间之间的物流我们称为生产物流。对车间设备规划布 局时，我们一般考虑的是车间内的生产物流的研究与分析。我们对工厂或者车间的物流 分析，都可以按图2 4 分析模式来进行分析【5 2 1 ( 1 ) 物流分析原则 大连理工大学硕士学位论文 通过物流分析原则可以使设备布局合理化。我们考虑到产品从原材料到成品