（控制理论与控制工程专业论文）基于flexsim和混合算法的车间优化与仿真.pdf

1 1 1 1 1 吣 ly 17 6 1 6 0 1 w o r k s h o p so p t i m i z a r r i o na n d s i m u l a t i o nb as e do nf l e x s i ma n d h y b r i da l g o r i t h m s at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y y u x i a o g u a n g s u p e r v i s e db y p r o f y a nh o n g s e n s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：期：坐2 杉 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：! 盒塑塾圭，j导师签名： 摘要 基于f l e x s i m 和混合算法的车间优化与仿真 硕士研究生：余晓光导师：严洪森教授 东南大学 摘要 随着信息技术的发展，工厂信息化程度越来越高。车间中也广泛采用生产信息管理 系统进行生产规划与管理。文中使用f l e x s i m 和智能优化算法对相关车间进行了优化与 仿真研究，同时论述了计算机集成制造环境中，n e t 平台下基于c s 三层体系结构的 仿真模型管理系统开发。 首先，针对第一类装配线平衡问题，本文提出了一种禁忌搜索遗传混合算法，并且 通过对经典问题的求解验证了禁忌搜索遗传算法在收敛性和计算效率上都较遗传算法 好。然后，又成功地将该算法应用于实际某型摩托车装配线平衡。另外，又将禁忌搜索 遗传算法修改后应用于一类流式生产车间调度问题中。 其次，使用f l e x s i m 软件对摩托车包装线的物流转运、摩托车装配流水线、流式生 产车间进行虚拟现实建模和离散事件动态系统3 d 动画仿真。研究了f l e x s i m 数据库连 接技术，在f l e x s i m 中建立的模型中嵌入c + + 数据库操纵程序，实时采集生产数据。通 过f l e x s i m 仿真，对生产浮动性影响下的包装线物流转运、摩托车装配流水线进行了仿 真分析，得到了一些对实际生产有价值的结论；对车间调度策略进行了分析比较，指导 了实际车间中生产规划的选择。 接着，进行了仿真模型管理系统的u m l 建模、总体架构设计和数据库设计，给出 了设计过程中的部分用例图、类图、时序图、协作图以及数据库模型。 最后，对全文内容进行了总结，并展望了有待进一步研究的问题。 关键词：f l e x s i m 仿真，装配线平衡，离散事件动态系统，禁忌搜索， 遗传算法，混合算法，u m l a b s t r a c t w o r k s h o p so p t i m i z a t i o na n d s i m u l a t i o nb a s e do nf l e x s i ma n d h y b r i da l g o t h m s m a s t e rc a n d i d a t e ：y ux i a o g u a n g s u p e r v i s e db yp r o f y a nh o n g - s e n s o u t h e a s tu n i v e r s l t y a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , e n t e r p r i s e sh a v eah i g h e ra n dh i g h e r i n f o r m a t i o n i z a t i o nd e g r e e t h em a n u f a c t u r em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m sh a v ef o u n d 、析d eu s ei nw o r k s h o p st od om a n u f a c t u r ep l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t n ea p p l i c a t i o no f f l e x s i ma n di n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s t or e l a t e dw o r k s h o po p t i m i z a t i o na n d s i m u l a t i o ni ss t u d i e di nt h et h e s i s 1 1 l ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o nm o d e lm a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nc st h r e e - l a y e r sa r c h i t e c t u r ei s i m p l e m e n t e do n n e tp l a t f o r mi nc o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g f i r s t l y , at a b us e a r c ha n dg e n e t i ch y b r i da l g o r i t h mi sp r e s e n t e dt os o l v ef i r s th n d a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ( a l b p i ) m o r e o v e r , t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s o fs e v e r a l c l a s s i cp r o b l e m sp r o v et h a tt h et a b us e a r c ha n dg e n e t i ch y b r i da l g o r i t h m sa r eb e t t e rt h a nt h e g e n e t i ca l g o r i t h mi ns e a r c ha b i l i t ya n dc o n v e r g e n c ep e r f o r m a n c e a f t e rt h a t ，t h et a b us e a r c h a n dg e n e t i ch y b r i da l g o r i t h mi ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oar e a lm o t o r c y c l ea s s e m b l yl i n e b a l a n c i n gp r o b l e m a d d i t i o n a l l y , t h et a b us e a r c ha n dg e n e t i ch y b r i da l g o d t h r n i sm o d i f i e da n d a p p l i e dt oa k i n do ff l o wp r o d u c t i o nw o r k s h o ps c h e d u l e s c c o n d l y ，f i e x s i ms o f h a r ei su s e dt ob u i l dv i r t u a lr e a l i t ym o d e l so fm o t o r c y c l ep a c k i n g l i n e s t r a n s p o r tl o g i s t i c s ，m o t o r c y c l ea s s e m b l yl i n ea n df l o wp r o d u c t i o nw o r k s h o pa n dt o i n n d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ( d e d s ) s i m u l a t i o ni n3 da n i m a t i o n t h ef l e x s i md a t a b a s e l i n km e t h o di sb e e nd i s c u s s e d ，a n ds oi st h ef l e x s i mm o d e li nw h i c hi se m b e d d e dt h e d a t a b a s eo p e r a t i o nc + + p r o g r a mt h a tc a l la c c e s sp r o d u c t i o nm a n a g e m e n td a t a b a s ei nr e a lt i m e t h r o u g ht h ef l e x s i mm o d e ls i m u l a t i o n , t h ee f f e c to fp r o d u c t i o nv a r i a b i l i t yo nm o t o r c y c l e p a c k i n gl i n e s t r a n s p o r tl o g i s t i c sa n dm o t o r c y c l ea s s e m b l yl i n ei sa n a l y z e dt od r a ws o m e v a l u a b l ec o n c l u s i o n sf o r t h e a c t u a lp r o d u c t i o n ，a n dd i f f e r e n tm a n u f a c t u r i n gp l a n sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e dt og u i d em a n u f a c t u r i n gp l a nc h o i c eo fr e a lw o r k s h o p s t h i r d l y , t h eu m lm o d e l i n g ，t h es t r u c t u r ed e s i g no ft h es y s t e ma n dt h ed a t a b a s ed e s i g n a r ea d d r e s s e dh e r ef o rt h es i m u l a t i o nm o d e lm a n a g e m e n ts y s t e m s o m eu s ec a s ed i a g r a m s ， c l a s sd i a g r a m s ，s e q u e n c ed i a g r a m s ，c o l l a b o r a t i o nd i a g r a m sa n dd a t a b a s em o d e l so ft h es y s t e m a x ep r e s e n t e d f i n a l l y , t h et h e s i si ss u m m a r i z e da n dd i s c u s s e da b o u ts o m ea s p e c t st h a ts h o u l db e s t u d i e di nt h ef u t u r e i i k e yw o r d s ：f i e x s i ms i m u l a t i o n ， s y s t e m ( d e d s ) ，t a b us e a r c h ，g e n e t i 东南大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 目萄乏i v 第一章绪论1 1 1 课题背景l 1 1 1 车间生产调度概述l 1 1 2 现代车间生产控制技术概述1 1 1 3 智能优化算法概述2 1 1 4 离散时间动态系统仿真概述3 1 2 课题介绍3 1 3 论文结构4 第二章装配线平衡研究。5 2 1 装配线平衡简介5 2 1 1 装配流水线。5 2 1 2 装配线的分类5 2 1 3 装配线平衡的基本概念6 2 2 装配线平衡研究概述9 2 3 第一类装配线平衡问题优化10 2 3 1 数学模型1 0 2 3 2 优化算法设计与实现1o 2 3 3 仿真实验。16 2 3 4 应用1 9 2 4 小结21 第三章车间调度研究2 2 3 1 车间调度问题一2 2 3 1 1 车间调度问题描述2 2 3 1 2 车间调度问题分类2 2 3 1 3 车间调度问题特点2 3 3 1 4 车间调度问题算法2 3 3 2 使用禁忌搜索遗传算法求解流式车间调度2 5 3 2 1 流式车间调度数学模型2 5 3 2 2 车间调度算法设计2 6 3 2 3 车间调度问题2 7 3 2 4 禁忌搜索遗传算法调度求解2 7 3 3 小结2 9 第四章基于f l e x s i m 的车间仿真3 0 日录 4 1 离散事件动态系统仿真3 0 4 1 1 离散事件动态系统概述。3 0 4 1 2 离散事件动态系统仿真31 4 2f l e x s i m 软件3 2 4 2 1 简介3 2 4 2 2f l e x s i m 仿真流程3 3 4 2 3f l e x s i m 连接数据库技术。3 4 4 3 车间仓储物流仿真3 5 4 3 1 仿真需求3 5 4 3 2 建立虚拟模型。3 6 4 3 3 调度策略与仿真结果分析3 7 4 4 装配线平衡仿真3 9 4 4 1 仿真需求3 9 4 4 2 建立虚拟模型3 9 4 4 3 仿真结果分析4 0 4 5 车间调度仿真4 1 4 5 1 仿真需求。4 1 4 5 2 建立虚拟模型一4 1 4 5 3 调度策略与仿真结果分析4 2 4 6 月、结一4 2 第五章仿真模型管理系统的设计与实现4 3 5 1u m l 建模一4 3 5 1 1u m l 概述。4 3 5 1 2 系统的用例模型4 4 5 1 3 系统静态建模。4 5 5 1 4 系统动态建模4 7 5 2 系统分层设计与实现4 9 5 2 1 数据访问层的设计5 0 5 2 2 业务逻辑层的设计5l 5 2 3 用户界面层的设计51 5 2 4 组件之间的调用关系5 3 5 3 数据库设计5 4 5 3 1 需求分析5 4 5 3 2 概念数据设计5 5 5 3 3 业务逻辑设计5 5 5 3 4 物理数据设计5 6 5 4 小结。5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 全文总结5 8 v 6 2 工作展望 致谢 参考文献 作者发表论文列表 东南人学硕上学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 车间生产调度概述 第一章绪论 “制造( m a n u f a c t u r e ) 一词来源于拉丁语“m a n n ”( 意为“用手工”) 和“f a e e r e ( 意为“制作”) 【l 】，组合起来为手工制作的意思。随着时代的发展制造工具在不断进步。 从手工制作和使用简单的生产工具，到第一次产业革命时蒸汽机发明。以蒸汽为动力的 机器化生产极大地推动了生产的发展。第二次产业革命又以“电气化”为契机将工业化 推向深入，产生了以重工业为主导的工业体系和以英、美、德、日为代表的工业化国家。 上个世纪中叶以电子技术发展为依托的第三次浪潮1 2 j 来袭，电子信息技术、自动控制技 术、计算机网络的蓬勃发展带动一系列新兴科技领域的发展，工业化与信息化相结合产 生了现代制造业。从上述产业革命的历程可以发现制造的概念从原始的手工到机械加工 再到成套电子自动化设备，其中的变化是翻天覆地的；但是这只是制造工具的进步，如 何有效地利用先进的制造工具是一个值得研究的问题。 1 9 1 1 年泰勒( t a y l o r ) 在：科学管理原理( p r i n c i p l e so f s c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ) 中 提出了科学工时研究的思想，奠定了现代生产管理的基础；1 9 1 3 年美国福特( f o r d ) 公 司的t 型车生产线开启了流水线生产的序幕；1 9 5 4 年约翰逊( j o h n s o n ) 对两台机床的 f l o w - s h o p 调度问的研究成果标志着车间调度研究的开端；1 9 8 5 年戴维斯( d a v i s ) 又将 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 成功应用于车间调度问题。相关研究人员试图在不改变 或较少改变生产设备的状况下通过使用先进的生产组织方式来提高生产率，提高制造的 效率。 现代制造企业随着技术进步，管理水平提高，在面对多样化的市场需求的情况下， 逐步形成了多品种、小批量、高柔性的生产模式。借助生产控制技术的发展和信息系统 在制造业中的广泛应用，形成了一系列先进的生产制造模式如：敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、精益生产( l e a r np r o d u c t i o n ) 、准时生产( j u s ti nt i m e ) 、绿色制造( g r e e n m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、计算机集成制造( c i m s ) 等1 引。现 代制造企业力图通过结合先进的生产管理模式与先进生产设备，快速、高效、灵活的完 成不断变化的生产任务，使产品在工艺路线不发生变动的前提下进行合理地规划生产资 源，达到最大的综合效益。 1 1 2 现代车间生产控制技术概述 车间是生产制造的具体执行部门，车间生产组织对于制造企业来说非常重要。采购、 物流、仓储、营销等一系列环节都可以看作是车间生产的辅助环节，是车间生产的前导 和延展。生产车间的主要任务是将原材料、半成品、零配件加工、组合成为产成品。因 此车间生产是制造企业活动的中心，而车间生产控制是车间生产的重要环节。在相同生 产条件和工艺路线下，使用先进有效的生产控制手段，运用科学的生产控制策略，通过 第一章绪论 周密的生产计划与安排结合恰当的管理与培训可以提高车间的生产效率，取得更好的经 济与社会效益。 现代车间生产控制有着信息化、科学化和虚拟化的特点。 生产控制的信息化具体表现为现代车间中广泛应用了生产信息管理系统f 4 j 。生产信 息管理系统将计算机管理技术与网络通信技术结合，对生产的各个环节进行计划与管 理。由此车间可以更加明确生产制造的准备、执行、库存情况。 生产控制的科学化表现为对生产能力的科学规划安排。特定车间在一定的时间、人 员和技术条件下生产能力是有限的。结合企业的实际状况合理地规划车间生产能力是目 前研究的一个热点，通过合理的生产能力规划可以提高设备利用率，缩短生产周期，减 少物流仓储费用，提升企业效益与订单执行能力。研究中，生产车间被典型化流水车间 ( f l o w - s h o p ) 、作业车间( j o b - s h o p ) 等模型。针对这些模型有诸如解析法、线性规划 法、启发式算法、禁忌搜索算法、遗传算法等一系列方法进行优化。生产实践证明，科 学地生产能力规划方法是有效的，并且在工程中得到大量应用【够 4 】。 生产控制的虚拟化表现为通过仿真的方法在实际生产前对生产进行模拟。主要有数 值仿真分析，排队网络法分析，摄动分析，p e t r in e t 方法，3 d 虚拟环境仿真分析法等【5 】。 特别是3 d 仿真分析法应用非常广泛，目前已经有w i t n e s s 、e m p l a n t 、a u t o m o d 、f l e x s i m 、 a l n a 等许多成熟的离散事件动态系统仿真商业软件提供生产、物流、仓储等环节的3 d 虚拟现实仿真。 现代生产车间控制中信息化是科学化和虚拟化的基础，它们之间又有相辅相成的关 系。现代生产车间控制体现了计算机集成制造( c i m ) 的思想。计算机集成制造是 h a r r i n g t o n 、m e r c h a n t 、b j o r k e 在2 0 世纪7 0 年代提出地概念【l l 将整个制造系统的各 部分抽象成为一个数据的收集、传递、加工、利用的过程，最终的产品仅是数据物化表 现。总体而言现代车间生产控制运用了多品种、小批量、高柔性、准时生产等先进的生 产模式，是现代生产理念实际运用的典型代表。 1 1 3 智能优化算法概述 智能优化算法( i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ) 又称超启发式算法 ( m e t a h e u r i s t i c s ) ，是一个主程序迭代地指导、评价、修改下级启发式方法产生的解， 从而得到高质量解的算法；每一次迭代的对象是一个或一组解；下级启发式方法有多种 可能，比如：简单( 或复杂) 的程序、局部搜索、随机构造等 7 1 。车间生产控制中常用 的智能优化算法有：禁忌搜索、模拟退火算法、遗传算法、蚁群算法、神经元网络以及 这些算法的混合算法i ，一。 智能优化算法通常借助计算机软件编程实现，对于复杂的组合优化问题具有普遍适 用性。和传统的数学规划、普通启发式方法相比，智能优化算法1 具有一般性且易于 应用；2 搜索最优解的速度快且易于获得满意的结果：3 算法的鲁棒性较强，能够获 得较为稳定的优化结果；4 算法原理直观容易理解，易于编程实现。 车间生产控制中，工作站数( m ) 大于等于3 的n 工件的生产调度问题一般是n p 困难( n p h a r d ) 问题 5 , 8 , 9 1 。对于n p - h a r d 问题，目前暂时没有解析方法和通用的有效算 法进行求解；而使用智能优化算法可以在较短的时间内求得满意解，所以智能优化算法 在解决生产调度等n p h a r d 问题时得到了广泛应用。 2 东南大学硕十学位论文 1 1 4 离散时间动态系统仿真概述 仿真是以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系 统进行实验，并借助于专家经验知识、统计数据和系统资料对实验结果进行分析研究， 并做出决策的一门综合性和实验性科学 9 1 。仿真包含三个基本要素：实际系统、模型、 仿真，模型是从实际系统简化、抽象得到，对模型进行仿真后结果用于对实际系统的分 析和判断。使用仿真的方法研究实际系统有很多优点，比如：1 安全性好，一些实际 系统中实验涉及到人身或设备安全，采用仿真分析可以保证安全性；2 成本低周期短， 仿真基于虚拟技术、计算机技术，并不实际完成模拟的系统，所以花费小、完成时间短： 3 重复性好，可以对一个问题系统建立不同模型进行仿真且结果具有可重复性；4 比 较成熟，目前已经有了各种商业仿真软件，并且在实际中得到大量应用。 仿真可以根据对象特点从几个方面进行分类：1 静态( s t e a d y s t a t e ) 和动态 ( d y n a m i c ) 系统仿真：2 连续( c o n t i n u o u s ) 和离散( d i s c r e t e ) 时间系统仿真；3 确 定( d e t e r m i n i s t i c ) 和随机( s t o c h a s t i c ) 系统仿真。本文研究的生产车间是离散时间动 态系统【l l 】( d i s c r e t e e v e n td y n a m i cs y s t e m s ，d e d s ) 。 离散时间动态系统目前有g p s s 、a r e n a 、s i m s c r i p t 、s l a m 、e x t e n d 、s i m e v c n t s 、 f l e x s i m 、w i t n e s s 、e m p l a n t 、a u t o m o d 等建模仿真工到1 2 , 1 3 j 。其中f l e x s i m 是美国f l e s x i m 公司开发的一种基于对象( o b j e c t s ) 建模的3 d 仿真软件，具有有建模简单，三维模型 和实际车间布局相同，可设置参数多，具有高级语言二次开发能力，可以与数据库连接， 仿真形象直观，具有数学统计工具等优势。目前财富5 0 0 强企业中已经有一半的企业采 用f l e x s i m 对生产和物流系统进行仿真 9 1 。 1 2 课题介绍 本课题是国家8 6 3 计划先进制造技术领域现代制造集成技术专题探索导向类课题 ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 1 2 ) 和国家自然科学基金资助项目( 5 0 8 7 5 0 4 6 ，6 0 9 3 4 0 0 8 ) 。 课题主要研究了智能优化算法和三维动画仿真软件f l e x s i m 在现代车间生产控制中 的应用。综合广泛调研结果，结合企业个案的应用，本课题主要研究下述3 个方向： 1 基于混合算法的车间优化 针对装配线平衡问题( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，a l b p ) 建立数学模型，并 且根据模型特性设计两种特殊的禁忌搜索遗传混合算法进行装配线平衡。 使用禁忌搜索遗传混合算法( t a b us e a r c ha n dg e n e t i ch y b r i da l g o r i t h m ，t s g a ) 对 实际车间作业调度问题进行数学建模与数值计算仿真。 2 基于f l e x s i m 软件的车间生产和调度仿真 考虑生产浮动因素影响，分析摩托车装配线在平衡算法平衡后受到的影响，及对应 策略。 结合摩托车包装线与物流转运，分析车间布局与物流规划。 建立可与数据库连接的车间调度虚拟现实模型，通过模型对生产方案进行比较。 3 车间生产控制与仿真平台搭建 采用n e t 平台和s q l 数据库开发c s 结构的仿真模型管理系统。通过此系统维护 仿真数据，实时修改f l e x s i m 模型调度。平台开发中界面使用c 撑语言和a d o n e t 编写， 算法部分采用v c + + 7 0 编制动态链接库，3 d 仿真中采用c + + 和b d e 对f l e x s i m 仿真 3 第一章绪论 脚本进行二次开发实现连接数据库和模型参数设置等功能。 本课题研究中结合使用了禁忌搜索遗传混合算法和3 d 仿真软件f l e x s i m 进行车间 优化。针对作业时间确定和作业时间服从概率分布( 生产浮动性) 的不同问题分别仿真， 可以获得更符合实际情况的仿真结果。并且在3 d 仿真中将装配线与物流仓储仿真配合， 使仿真优化针对整个生产车问进行。 1 3 论文结构 本文研究主要内容作如下安排： 第一章绪论：概述了课题研究背景、车间生产控制技术、智能优化算法、离散事件 动态系统仿真的相关内容。 第二章装配线平衡研究：针对a l b i 问题提出了2 种禁忌搜索遗传算法，并且使用 一系列经典算例对算法进行了验证。最后将算法应用于实际生产线平衡问题。 第三章车间调度研究：采用禁忌搜索遗传算法对实际流式车间调度问题进行了算法 设计、实例计算。 第四章基于f l e x s i m 的车间仿真：采用f l e x s i m 软件对摩托车成品物流转运、装配 线平衡后的生产浮动性、车间调度进行了离散事件动态系统3 d 仿真建模研究。 第五章仿真模型管理系统的设计与实现：介绍了仿真模型管理系统的u m l 建模、 组件及层次结构设计与实现、数据库设计。 第六章总结与展望：对本文研究进行了小结，并对未来的研究工作进行展望。 4 东南大学硕l - 学位论文 第二章装配线平衡研究 装配是将零部件加工、组合成为产成品的过程，现代装配车间通常采用流水线的方 式进行装配生产。本章讨论混合算法在装配线平衡优化中的应用。 2 1 装配线平衡简介 2 1 1 装配流水线 流水线装配的成功始于1 9 1 3 年美国福特公司t 型车生产l l 引。采用装配流水线这种 先进的生产组织方式可以极大地提高劳动生产率。原先一个工人在固定工位上装配一个 t 型汽车底盘耗费1 2 5 小时；装配流程化后，每个t 型车底盘装配只需9 3 分钟，劳动 生产率提高了8 倍多；另外福特公司还通过零件标准化、生产程序化、大幅提高工人待 遇、8 小时工作制等方法、稳定产品质量减少返工率，进一步发挥流水装配的优势i l 引。 福特汽车得益于流水线生产，逐步发展成为当时美国第一大汽车公司。 目前，装配流水线是一种普遍的生产组织方式，广泛应用于车辆、电器、机械、电 子产品等生产制造领域。装配流水线是工件按照工艺路线从一个工位向另一个工位顺序 流动，每个工位固定完成一项或几项装配任务，最终组合成为产成品的生产组织方式。 装配线流水线具有如下特征1 1 5 , 1 6 ： 1 工作站专业化程度高，每个工作站固定完成一道或少数几道工序，作业分工较 细，对工人技术要求不高； 2 工作站按照产品的工艺路线顺序流动，工件在工作站见单向流动； 3 各工作站作业时间基本相同，以保证生产的并行，生产流程平滑； 4 所有的工作站按照统一节拍进行生产，生产节拍大于任何工作站的作业时间。 当然装配线这种生产组织方式和零件的标准化、工序流程标准化、生产设备通用性 ( 柔性) 、工人操作标准化、管理科学化、生产批量化等辅助措施是分不开的。 2 1 2 装配线的分类 根据工件流动方式、装配设备、装配产品种类、装配线布局，装配线有多种分类方 式【1 ”7 1 。 根据工件流动方式，装配线可以分为固定装配线和移动装配线。固定流水线是指装 配对象固定，人员和装配设备固定的一类装配线，主要用于飞机、船舶、大型机器设备 等不易移动产品的装配。移动装配线是指装配对象移动，人员、工具固定位置的装配线， 大多数装配流水线式对象移动式的。 根据装配设备，装配线线可以分为自动装配线和人工装配线。自动装配线是指主要 工作站由工业机器人和其它无人操纵自动化设备进行装配，装配时间稳定的装配线。人 工装配线是手工或人操纵机器工作的装配线，由于人因素的存在装配时间存在波动性。 根据装配产品的种类，装配线可以分为单一产品装配线( s i n g l e m o d e ll i n e ) 、多产 品批量装配线( m i x e d m o d e ll i n e ) 、多产品混流装配线( m u l t i m o d e ll i n e ) 。单一产品 5 第二章装配线、f 衡研究 装配线是指装配线只装配一种产品，一般用于生产的产品数量大，需求稳定。多产品批 量装配线是指装配线轮番装配多种产品，每种产品成批量地进行装配，不同批次产品间 有一定的换型间隔。多产品混流装配线是指装配线可以灵活地装配不同种产品体现了柔 性制造的概念。 根据装配线布局，装配线可以分为直线型装配线( s e r i a ll i n e ) 、u 型装配线( u s h a p e d l i n e ) 、并行装配线( p a r a l l e ll i n e s ) 。直线型装配线是工作站按顺序排列为一条直线， 顺序地进行装配作业。u 型装配线是将直线型装配线弯曲成u 型，使部分工作站可以两 次进行装配作业，提高了装配线的灵活性。并行装配线是将瓶颈工作站工作并行化分配， 以提高装配效率的方法。 吲 田c e 口田( 口佃匦 。 贫。贫，贫，贫贫，贫 。 直线型装配线 臣辞 l 叫例例 贫。贫：贫，因庶 触目日囡- u 型装配线 嗲寨絮 2 1 3 装配线平衡的基本概念 - 田c e 嗲 贫，贫。 田贫， 图2 1 三种类型装配线 装配线平衡( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g ，a l b ) 是将装配任务尽可能均匀地分配给每 个工作站，使装配线平滑的完成装配操作。装配线平衡的前提是装配流程固定、装配作 业细化、单元作业时间稳定、装配零件具有互换性、装配动作标准化。在上述前提下， 合理地对装配线进行平衡，可以有效地提高装配线效率，提升产品质量，培养熟练的产 业工人。 平衡的装配线中有固定的生产节拍，每个工作站的作业时间小于生产节拍，并且根 据装配关系( 优先图) 来完成装配作业。下面介绍装配线平衡中的一些概念： 工作站( w b r ks t a t i o n ) ：操作者为了完成指定的装配作业在生产线上的工作位置。 一般一个工作站只配备一个操作者，但也有根据实际情况分配两个或两个以上的操作 者。有时也把工作站称为作业工位或作业工序。常用m 表示工作站数。 周期或节拍( c y c l et i m e ) ：从整个生产线来看，周期或节拍就是装配线上装配一个 制品所需要的时间。即相当于从生产线上出来成品的时间间隔。通常用c 表示节拍。生 产线节拍由生产产量确定，其公式为： c ：曼：盟 f = 一= o q q 6 ( 2 1 ) 线 帑圈霖一 东雨入学帧十字位论文 式中：c 为流水线节拍；f 为计划有戏工作时间；9 为计划期内产品产量；凡为计 划期总工作时间；，7 为有效时间利用系数( 有效时间利用率) 。 作业元素( e l e m e n t a lt a s k ) ：不能再分或最小的自然作业单位称为作业元素。例如 一个作业元素可能包含以下一些动作：递过一把扳手，握住它，走到某机械制品前，躬 身，拧紧一个螺丝。实际上，这个作业是不考虑再细分的，这项作业己经不必要分配给 两名操作者去干。通常用f 表示第f 个作业元素，刀表示作业元素数。 作业元素时间( e l e m e n t a lt a s kt i m e ) ：完成一个作业元素所需要的标准时间。经常 采用“动作时问”分析法获得1 1 9 j 。通常用如示第f 个作业元素的时间。 工作站时间( w o r ks t a t i o nt i m e ) ：完成分配给一个工作站的全部作业所需时间，通 常用t ( s o 表示分配给第七工作站的作业时间。假设分派至一个工作站的作业元素集为& ， 则该作业站时间为： t f s d = ( 2 2 ) 把墨 总作业时间( t o t a lw o r kt i m e ) ：装配一个制品的所有作业元素所需的总作业时间。 通常用t 表示总作业时间： 一 r = f j j = l ( 2 3 ) 平衡延迟时间( b a l a n c ed e l a yt i m e ) ：由于作业元素的不可分，要使各个工作站的 工作量完全相等是非常困难的。因为装配作业没有均匀分配给各工作站而产生的线上空 闲的作业量，称为“平衡延迟时间 。需要注意的是，实际上那些被分派了较少作业量 的工作站工人，在每个生产节拍结束时，并没有真正的闲着，而是在以较慢的节奏在连 续工作着。不过，从劳动成本大小来说，这种状况与他空闲一段时间而在其余时间以正 常的较快的节奏工作是等效的。 通常以s r r ( k ) 表示第七( k = - i ，2 ，3 ，历) t 作站的平衡延迟时间。第k 个工作 站的平衡延迟时间可由下式求得： 工作站的平衡延迟时间= 周期该工作站的作业时间 即 s r r ( k ) = c - t f s ) ( 2 4 ) 这种平衡有可能发生在装配线上的若干个工作站，整个生产线的平衡延迟时间 ( l i t ) 定义为各个工作站的平衡延迟时间之和，它是测量流水装配线效率的基本尺度。 生产线平衡延迟时间： 三刀= s t ( k ) k = l ( 2 5 ) 平衡延迟率( b a l a n c ed e l a y , b d ) ：平衡延迟或者平衡滞后定义为平衡延迟时间或总 空闲时间，与它自始至终以运动方式逗留在装配线上的时间之比。可以用下式计算： b d ：丝1 0 0 刀c 圭( h ( 最) ) q 石) ：丝 1 0 0 7 第二章装配线平衡研究 平衡延迟越低，平衡越好。 均衡指数( s m o o t h n e s si n d e x ，s i ) ：装配线的负荷平衡使用均衡指数作为评价指标。 如果s i 为0 ，意味着装配线绝对平衡。均衡指数定义为： s =( 2 7 ) 优先图或先后关系图( p r e c e d e n c ed i a g r a m ) ：是执行每一个作业元素f 、，( f 、j = l ， 2 ，3 ，刀) 可能顺序的一种直观表示法。它给出一个制品装配过程的可能步骤之间 明晰的内在逻辑关系。图中通常以圆圈表示作业元素，圆圈内数字表示作业元素的先后