（机械电子工程专业论文）面向大规模定制的生产线优化设计系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 大规模定制( m a s sc u s t o m i z a t i o n ，婀) 的核心思想是以批量生产的效率和成本满足 市场对产品的个性化需求。除了合理的产品族规划设计以外，制造系统的柔性和市场 响应速度是实现大规模定制的基础和保障。如何满足大规模定制的要求进行制造系统 的优化设计及重组是一个重要的研究课题。本文从这个角度出发，探讨m c 生产模式对 制造系统的要求，从系统模块化、系统布局形式、及系统物流等方面进行了分析；并 针对生产线车间的优化设计方法展开讨论，研究面向m c 的生产线车间优化的特点，具 体地论述了生产线平衡和多生产线车间的设备布局问题。 本论文以大型制鞋行业的制造生产线为研究对象，结合面向大规模定制生产模式的特 点和相关理论，开发出相应的生产线优化设计系统。该系统包括4 个模块：生产数据管理 模块、资源需求计划模块、生产线平衡设计模块和设备优化布局模块。生产数据管理模块 负责基础生产数据的管理，包括制鞋基本工序的管理、标准部件和变型部件的典型工序流 程管理、设备和人员数据的管理等等；资源需求计划模块根据企业对产品族各个产品的市 场需求预测信息以及产品族各个部件对生产能力的需求数据，进行企业资源需求计划，为 企业提供制造资源能力的中长期规划分析；生产线平衡设计模块是根据企业的具体产品定 单，对产品各个部件的流水生产线进行平衡设计，以提高资源的利用能力：设备优化布局 模块则根据各条生产线的工序要求和设计结果，进行厂房的设备优化布局，降低物流强 度，提高流水线的生产效率。该系统的应用提高了企业制造系统的市场反应能力，同时降 低生产制造成本，为企业实现大规模定制奠定了基础。 本文还针对多生产线布局问题提出了一种新型的遗传算法家族保护遗传算法 ( k p g a ) ，该算法针对传统遗传算法的制约因数加以改进，采用跨家族选择和家族内选择 相结合的选择方式。对比其它遗传算法，它具有更良好的全局搜索能力和计算性能。该算 法应用于多生产线设备布局问题上，取得良好的效果。 关键词：大规模定制，生产线平衡，设备布局，能力需求计划，遗传算法 a b s t r a c t t h em a i n t h o u g h to f m a s sc u s t o m i z a t i o n 叫c ) i s t os a t i s f yv a r i a n tc u s t o m e r sd e m a n d s u n d e rt h es a m ec o s ta n d e f f i c i e n c y a so f m a s sp r o d u c t i o n b e s i d e t e c h n o l o g yo f p r o d u c tf a m i l y d e s i g n ，t h ef l e x i b i l i t ya n dr e s p o n s ea b i l i t yo f t h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m a r eb a s i cr e a s s u r a n c eo f m c d e s i g n a n d r e c o n f i g u r a t i n no f m a n u f a c t u r i n gs y s t e ma c c o r d i n g t om c r e q u i r e m e n t si sa u n i q u er e s e a r c ha r e a f o r o w i n g t h i sl i n e ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e m a n do f m ct 0m a n u f a c t u r i n g s y s t e m , s u c h a ss y s t e m m o d u l i z a t i o n , l a y o u tp a t e n t , a n ds y s t e mt r a n p o r t a t i o n t h ea p p r o a c h o f m u l t i l i n ep r o d u c t i o n s y s t e m u n d e rm ci sa l s os t u d i e d t ob ec o n c r e t e ，p r o b l e m so f l i n eb a l a n c i n g a n d f a c i l i t yl a y o u ta r et h e nd i s c u s s e d t h er e s e a r c hi sa i m e d 砒t h e p r o d u c t i o n l i n e sp l a n ti ns h o ei n d u s t r y ad e s i g ns y s t e mf o r p r o d u c t i o n l i n e so p t i m i z a t i o ni sd e v e l o p e du n d e rt h e p r i n c i p l eo f m c ，t h es y s t e m c o n s i s t so f f o u r m o d u l e s ：p r o d u c t i o nd a t am a n a g e m e n t , c a p a b i l i t yr e q u i r e r a e n tp l a n n i n g ，l i n eb a l a n c i n g , a n d f a c i l i t yl a y o u t p r o d u c t i o n d a t am a n a g e m e n tm o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rt h em a n a g e m e n to f b a s i c m a n u f a c t u r i n gd a t a , i n c l u d i n g b a s i c p r o c e s sd a t a , t y p i c a lp r o c e g s f l o wd a 饥e q u i p m e n ta n dw o r k e r d a t a , e t cc a p a b i l i t yr e q u i r e m e n tp l a n n i n gm o d u l e i sr e s p o n s i b l ef o rt l l ep l a n n i n go f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sa c c o r d i n g t oe s t i m a t eo f m a r k e td e m a n d s ，s u p p l i e st h ec o m p a n yw i t hd a t a f o rr e s o u r c 2 p l a n n i n g l i n eb a l a n c i n g m o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rp r o d u c t i o nl i n eb a l a n c i n gb a s e d o nt h ed e t a i l e do r d e r s ，i no r d e r t o i m p r o v e t h eu s eo f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s a n df a c i l i t yl a y o u t m o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rf a c i l i t yl a y o u ta c c o r d i n g t ot h er e s u l to f l i n eb a l a n c i n ga n dt h e m a n u f a c t u r i n gd a t a t h er e s p o n s ea b i l i t yo f m a n u f a c t u r e r i si m p r o v e dt oal a r g ee x t e n tb yt h i s s y s t e m t h u st h e b a s i so f m a s sc u s t o m i z a t i o ni sf o u n d e d a l s o ，m u l t i 1 i n eb a l a n c i n gp r o b l e m i sd i s c u s s e d , a n dan e wv a r i a n t g e n e t i ca l g o r i t h m e a u e d k p g a i sp r o p o s e d i to v e r c o m e st h ed r a w b a c k so f t h et r a d i t i o n a lg a sa n da d o p t st h e s o - c a l l e d c o s s - k i n d r e ds e l e c t i o n t h ea l g o r i t h mi sv e r i f i e d t ob em o r ee f f i c i e n tt h a nt h et r a d i t i o n a lg a a n d o t h e rv a r i a n tg a s i ti su s e d t os o l v et h em u l t i - l i n eh y o u t p r o b l e m d i s c u s s e da b o v e ，a n d s a t i s f a c t o r y r e s u l ti sa c h i e v e d k e y w o r d s ：m a s sc u s t o m i z a t i o n , p r o d u c t i o n l i n e b a l a n c i n g , f a c i l i t yl a y o u t , c r p ，g e n e t i c a l g o r i t h m 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及研究意义 1 1 1 生产模式的转变 随着现代市场竞争的加剧，企业之间的竞争开始转向基于时间的竞争和基于客户需求 的竞争。为顾客提供定制化的产品，全面提高顾客的满意度，己经成为现代企业追求新的 竞争优势的一种必然趋势。 面对新的市场需求，人们在设想：如果能够以大规模生产的效益( 包括低成本和短交 货期) 进行定制产品的生产，势必能够满足新环境对制造业的要求。要实现这一没想。意 味着必须将大批量生产和定制式生产这两种完全不同的生产模式有机地结合起来 ”，形成 一种新的生产模式，这在过去是不可思议的。但是今天，由于人们对新型生产模式和相关 技术的研究的深入以及信息技术的长足发展为实现这一设想提供可能：一种全新的生产模 式大规模定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n , m c ) 模式被提了出来，并且被认为是信息时代 制造业的主要生产模式之一1 2 】。 1 1 2 大规模定制生产模式理论( m c ) 大规模定制的概念最早由戴维斯( s u md a v i s ) 于1 9 8 7 年提出的。其核心思想就是将 定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组转化为或部分转化为批量生产问题，以规模 生成的效益成本满足个性化的市场需求，因此m c 综合了定制生产和大规模生产的优点。 大规模定制生产是适合买方市场需要的一种崭新的生产模式 3 】，对客户而言，所得到 的产品是定制的、个性化的；对企业而言，该产品是采用大批量生产方式制造的成熟产品 【4 】。大规模定制是一种在系统工程思想指导下，用整体优化的观点，通过对企业的产品结 构和制造过程重组，充分合理利用企业的内外部资源，最终实现根据每个客户的需求，以 大批量生产的效率和成本提供定制产品的生产模式【5 1 。 大规模定制生产方式得以实现的十分重要的原因是，人们对产品功能的需求尽管有差 别，但也有共性因素。实现的关键在于，企业首先真正从根本上弄清顾客的个性化需求和 共性需求，并从产品的设计、制造、装配、供应以及销售服务等环节上进行总体规划。只 有这样，才能满足客户个性化需求和一定规模下的低成本二者的统一。 1 产品的设计阶段：( 1 ) 参数化产品设计。企业采用这种方法设计产品，使产品本身 具有许多可供顾客选择的参数 6 1 ；( 2 ) 模块化产品设计。企业通过零部件和产品模块的组合 来满足顾客对产品的个性化需要：( 3 ) 顾客参与式产品设计。具体实现的方法可以采用虚拟 现实i m l a lr e a l i t y ) 技术或面向顾客的计算机辅助订货系统，而且这些系统可以安放在分 销商的店铺里，也可以通过因特网让顾客参与设计。 2 零件制造阶段：( 1 ) 制造流程重组：延迟制造( p o s t p o n e dm a n u f a c t u r i n g ) 是典型的方 式之一，它是指只有到最接近顾客需求的时间和地点才进行产品多样性生产；( 2 ) 模块化、 参数化生产系统：建立模块化、可插接、可重构的生产线以及快速换模技术等，都是实现 大规模定制生产的重要手段； 3 产品装配阶段：模块化、参数化的装配工具和生产线是装配阶段实现大规模定制 生产的重要手段； 4 销售阶段：客户化有时是在产品的销售服务阶段完成的，即将有些工序放在顾客 购买时根据顾客的需要来完成。 大规模定制生产方式对企业的产品开发、生产制造、装配供应、销售服务等环节提出 了更高的要求。其中在零部件生产和装配阶段最关键的问题是如何解决因产品定制要求而 引起的对制造系统差异需求问题闭。企业必须结合产品族设计结果，对产品所有标准和定 制的零部件生产、装配的工艺流程进行重组和整体优化，以此对生产系统进行规划设计， 同时要求系统具有可重构性，能够针对具体的市场需求进行重组。 1 1 3 本课题的研究意义 企业通过转变生产模式，引进先进的设计和制造技术来改变生产的被动局面。企业根 据中长期的市场调研进行市场细分和客户群体需求分析，利用面向m c 的产品设计方法和 技术对新的产品族进行规划设计，对工序相似的部件进行工序标准化调整，并确定该产品 族的标准部件和配置部件，以及相应部件的工程特性和配置参数。然后根据相应的产品族 设计以及各部件的生产工艺流程综合规划生产系统，并进行生产系统优化设计，改善企业 第一章绪论 制造系统的市场反映能力，提高生产资源( 设备和员工) 的利用率，当企业接到具体的定 制产品订单时，根据该产品的定制要求，进行生产系统的局部调整和重组。 企业通过柔性的组织、设备和过程，快速地以大批量生产的成本制造多种产品。大规 模定制对传统的大批量生产企业的制造系统提出了挑战，具有柔性和快速响应能力是大规 模定制制造系统的主要特点，企业必须根据变化的需求和市场机遇快速重组制造系统【3 】。 因此，如何提高大规模定制生产模式下的制造系统的柔性及市场响应能力，是企业实 现大规模定制的基本条件。本论文结合广东省制鞋企业生产线车间的设计和重组问题，开 发出一套生产线优化设计系统，并对大规模定制生产模式下的制造系统设计和重组进行了 探索性研究。 1 - 2 国内外研究现状 l _ 2 1 大规模定制( m c ) 自1 9 9 3 年p i n ei i 提出大规模定制生产的概念以来，西方很多学者开始了对大规模定 制生产的研究，尤其是美欧日等工业发达国家，兴起了一股研究大规模定制生产的热潮， 很多著名的大公司，如m o t o r o l a i s 、删、n a t i o n a 1 0 1 、l u t r o n i n 都在采用不同的方式实施 大规模定制生产，以提高其国际竞争力。 迄今为止，国内外众多学者对大规模定制的实现方法和关键技术进行了研究，研究的 内容包括客户群需求分析和转换、产品族规划设计方法、制造系统的柔性设计技术、大规 模规摸定制的生产管理、制造系统重组等。需要指出的是，现在许多研究的重点都集中在 对于面向大规模定制的产品开发上，并形成许多较为成熟的技术和理论。如d a v i d m a n d e r s o n 【8 蝽论述了实现大规模定制的原理、实现大规模定制环境下敏捷产品的开 发策略以及降低产品多样化成本的方法与策略；j i a n x i nj i a o ，m i t c h e l l 等 1 2 _ 1 5 】等提出通 过功能视图、技术视图、物理视图的映射构成产品族体系结构，进一步为产品族设计 提供了理论框架，祁国宁等”6 1 从合理化工程的角度阐述了产品标准化与规范化的意 义、内容与实施步骤；m e y e r 和u t t e r b a e k t l 7 1 提出的产品族映射图，反映了产品族的演 化过程；另外，z a h e ds i d d i q u e t l 9 1 、t h o r nf r u h w i r t h t 2 0 1 、d e b o r a h l 2 1 等众多学者也对产品 ! ! = ! ! ! = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! 呈奎三些奎堂堡圭鲨堕苎 族规划设计技术进行了定性的研究。这些研究目的都是在产品族设计过程中，通过最 小的产品更改设计来满足产品族内一定范围的性能需求。 企业制造系统的柔性和市场相应速度是实现大规模定制的基础，然而国内外学者对面 向大规模定制的制造系统研究较少，并没有形成较为成熟的研究体系，许多相关的研究都 局限于各种先进加工方法和柔性的制造技术上。如何使产品族设计过程和制造系统设计相 结合是企业必须重点考虑的问题。 1 2 2 可重构制造系统( r m s ) 大规模定制要求企业根据变化的需求和市场机遇快速重组制造系统，在生产系统设计 的初始阶段，必须考虑系统的可重组性，运用模块化设计和成组技术，提高生产系统的柔 性。 可重构制造系统( r m s ，r e e o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 是继承2 0 年代的自动 化流水线、5 0 年代的n c 机床、6 0 年代的f m s 和8 0 年代的c m s 之后，由国外一些实旌 先进制造的企业首先创造的新型可变制造系统。其目的在于：大大缩短适应产品品种变化 的制造系统的规划、设计和建造时间，大幅度地压缩系统建造的投资、降低生产成本、保 证质量、合理利用资源、提高企业的市场竞争力和利润率嗍。 制造系统中的关键问题是：如何快速设计与配置新的变型产品生产的系统，使企业适 应市场变化，满足市场对产品多样化的要求，同时保证较低的生产成本鲫。在2 0 - 6 0 年 代，刚性的自动化流水生产( 大量生产) 帮助先进的企业和国家形成制造竞争力的优势。7 0 - 8 0 年代以丰田生产方式为代表改进了大量生产的制造系统，由n c 与c n c 机床和f m s 、 f m c 实现中小批量生产的优势。但在8 0 年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物 市场上，它们均不能满意地解决上述问题。一些先进的企业为了实行更大的设备系统柔性 进行了多种探索。日本对化工生产设备小型化和数控可移动化进行了成功地探索：美国一 些先进的制造企业利用弹性支撑，抛弃了单独地基的不变制造系统布置，成功实现制造系 统的可移动组合布置。美国相当多的制造企业平均每年对制造系统进行l - 2 次的重组布 置，以适应产品的变化；英国有的公司达到每周1 次的重组布霞频率。在工业界和政府的 推广下，发达国家从9 0 年代中开展了可重构制造系统的基础与应用研究，并已推广应 4 第一章绪论 用。1 9 9 4 1 9 9 9 年以美国密执安大学为中心的r m s 课题获得了n s f 与工业界3 0 8 0 万美元 的支持，进行了“制造系统重构方式对系统性能的影响”，“产品装配过程的变流理论与 建模”等方面的研究。与此同时，美国依阿华大学和麻省理工学院的研究人员对这类系统 的设计进行了研究。 在国内，北京机床研究所和清华大学在f m s 和c i m s 研究的基础上，从8 0 年代以来 进行了“制造系统组态( 重组) 的研究”、“机床弹性支持的试验研究、“随机优化布 置”、“质量监控与质量工程”等基础性的研究。在1 9 9 8 年开展了国家自然科学基金重 点项目快速重组制造系统理论与方法的研究，对r m s 的科学基础、规划、设计、建 造和运行理论与方法等开展了深入地研究。 1 2 3 生产线设计及设备布局 生产线系统规划主要确定生产线系统的规模、构成和布局，降1 氐维护费用和运行成 本，提高设备利用率，对生产系统的长期高效运作具有十分重要的意义。生产线系统规划 阶段的任务包括生产线总体方案的设计、生产线能力平衡、生产线布局、生产线评价等， 各设计任务之间是紧密关联的。 解决生产线平衡问题本身是一个复杂的优化问题，p a t r i c k 和k 啪c k 【嘲借助于启发 式的优化算法来解决这一问题。h p i e r r e v a l 等人t 2 6 1 贝u 采用遗传算法求解生产线的平衡问 题。j o h nm i l t e n b u r g 2 7 采用动态规划算法研究了j r r 生产模式下u 形生产线车间的平衡和 再平衡问题。m a n i a sa m e n 口8 1 采用一种精确回朔优化方法研究了面向成本的装配线平衡。 在国内，宋华明鲫针对基于u 型布局的生产线的特点，设计了一种基于遗传算法的平衡优 化方法，这种遗传算法以分配作业元素到工作站的先后顺序为问题的编码，按照最大分配 原则进行译码，算法能够适应不同约束条件和优化目标的需要。万志琴t 3 0 等对服装缝制生 产线的负荷平衡问题进行了研究，分析了服装缝制生产线机械组合数量对生产效率的影 响，通过实践对比分析提出了合理地安排服装机械组合数量可以降低服装生产的起步损 失，有效地提高服装生产效率。 对生产布局优化问题的研究从5 0 年代就己开始，1 9 5 7 年k o o p m a n s 和b e c k m a n 1 将 生产系统内设备的安装费用和系统内物料的运输费用之和作为目标函数，通过解析方法进 行布局优化。自此以后各国学者不断提出了各种新模型和新解法，从近十年来的文献资 料来看，这方面的研究大致上可以分为以下三种类型：( 1 ) 注重算法的研究，其模型与 文献 3 1 j 提出的基本布局模型类似，但其求解策略各有不同，d i l i pc h h a j e d 等人嗍利用二 次规划方法对模型进行求解；m m d h a s s a n 等1 3 3 l 利用图论方法对模型进行求解i s s h e r a g u 等学者则采用混合整数规划方法。( 2 ) 对基本布局模型进行扩展，这些模型都 是根据实际生产情况，在基本模型的基础上加入了一些限制条件。b m o n t r e u i l 等 3 习研究了 动态布局优化问题( 在基本模型的基础上同时考虑了时间问题) ；m j r o s e n b l a 牡【婀讨论了随 机布局优化问题( 在基本模型的基础上同时考虑了生产系统的不稳定因索) ；b m a l a k o o t i 等 人口7 】讨论了多目标布局优化问题( 目标函数有多个评价指标) 。( 3 ) 特定问题的布局优化， 这些模型是根据特定问题而建立的，a l a n g e v i n 等人p 8 】讨论了流水线的布局问题； p a n a g i o f i sk o u v e l i s 等人口9 】讨论了单元化生产系统的布局设计问题。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题研究的目的就是针对大规模定制生产这一新兴的生产模式，研究面向大规模定 制的生产线优化设计和设备布局问题。根据产品族规划过程得到的产品定制信息、各个标 准部件和配置部件的加工要求、工艺路线，以此作为生产线优化设计的依据，当企业接到 具体的定制产品订单时，进行生产线车间重组，包括生产线平衡设计和设备布局设计，从 而提高企业的市场反应能力，提高生产效率和生产资源的利用率。本文还提出了一种新型 遗传算法，将它应用于系统中的设备布局问题上，并取得良好的效果。 本课题的研究内容紧密结合大规模定制生产的关键技术，就根据大规模定制生产模式 的要求进行生产线车间的优化设计问题展开研究。研究背景以广东省大型制鞋企业生产线 车间设计为依托，开发面向大规模定制的生产线优化设计系统。 本课题的研究内容包括如下几点： ( 1 ) 面向m c 的生产线优化设计和布局 ( 2 ) 新型遗传算法解决生产线车间设备布局问题的研究 6 第一章绪论 ( 3 ) 面向m c 的生产线优化设计系统的研究与开发 本文的结构如下： 第一章主要介绍课题的研究背景、国内外相关研究现状、课题的研究意义和研究内容 等。 第二章主要研究面向大规模定制的生产系统设计的理论，以及对相应的生产线平衡和 设备布局问题进行探讨。 第三章提出了一种新型遗传算法k p g a ，并应用于传统设备布局问题中，分析和探 讨该算法的求解性能。 第四章介绍了系统的设计和开发过程，并针对系统开发的主要问题进行阐述，包括对 系统的实例演示。 第五章对本论文进行的总结和展望。 第二章面向m c 的制造系统设计 本章探讨m c 生产模式对制造系统的要求，研究面向m c 的生产线车间优化设计方 法，具体地论述了生产线平衡和多生产线车间的设备布局问题。 2 1m c 生产模式下的制造系统 2 i 1m c 生产模式对制造系统的要求 定制的产品通常要求制造系统具有一定的专用性，但是市场需求变化的加快又希望制 造系统具有一定的通用性，因此大规模定制对制造系统提出一定的要求。企业必须具有柔 性的制造系统。柔性的制造系统才能适应动态的市场需求和敏捷的响应速度要求。柔性包 括三个方面：能力的柔性；容量的柔性；系统适应内部变化的柔性。能力的柔性指制造系 统适应市场对产品种类需求变化的能力，表现为生产多样化的产品。可以划分为以下几种 类型：在条生产线上生产同一个产品族的产品；在一条生产线上生产不同产品族的产 品；在生产线上生产不属于生产线设计范围的产品。容量的柔性指制造系统对市场对于产 品数量变化的反应能力。通常，市场对产品的需求量最初很低，然后经过一个成长期，到 成熟期时数量要求最高，衰退期数量又随之减少。系统适应内部变化的柔性是指在设备故 障、紧急订单或其它方面扰动的情况下，系统能够快速恢复运行的能力。可用在有干扰( 如 机器出现故障) 情况下系统的生产率与在无干扰情况下的生产率期望值之比来衡量。 大规模定制对传统的大批量生产企业的制造系统提出了挑战，企业根据变化的需求和 市场机遇快速重组制造系统。大规模定制制造系统的首要目标是具有柔性和快速响应能 力，这一目标的实现以低成本和满足质量要求为约束条件，因此大规模定制的实现需要若 干关键技术的支持【柏】。这些关键技术有以下儿项： 1 生产制造系统的模块化设计 和模块化的产品设计相似，模块化的生产单元具有标准的接口，良好的可替换性。当 用户需求变化或出现意外故障时，可以通过模块间的替换满足动态的需求变化，使制造系 统具有柔性和快速响应能力，从而满足大规模定制的要求。模块化制造系统的关键问题是 模块之间的接口，包括硬件接口和信息接口。如果构造模块之间的接1 ：3 是标准的，那么， 就可以把来自不同供应商的设备集成到一个制造系统中。 模块化系统的优点在于，提高了系统的可重组性和可扩展性。当产品类型变化时，通 过更换相应的工艺模块，调节系统的适应能力。当产品需求量变化时，增加( 减少) 某些关 键模块单元或提高( 降低) 系统的自动化程度来增加( 减少) 产量，同时保证一定的经济性【4 1 】。 另外，模块化的生产线也使管理得到简化。 2 动态连接的布局方式 大规模定制制造系统规划的目标，除包含传统的制造系统规划目标外，更重要的是要 保证制造系统的动态组合和调整能力，以满足大规模定制要求的柔性和快速响应能力。 实现上述目标，要求制造系统在模块化的基础上，将不同模块适当组合，以满足不同 产品对制造系统的不同配置要求。丰田的生产系统提出将传统的汽车装配生产线按照功能 分解成小型生产线模块【4 2 】，即表达了这种思想。另外，文献【4 3 提出如图2 1 所示的可动 态组合的生产线布局方式。 功能模块 圈2 i 动态组合的制造系统布局方式 n g 2 1d y n a m i cl a y o u to f m a n u f a c t u r i n g 生产线按功能被分成若干个c 形的功能模块，功能模块之间通过耦合关系构成整个生 产线。这种生产线采用模块化战略，将传统的对象专业化布置的生产线，尽量按照功能进 行模块化划分，在每个功能模块内部融入工艺专业化的布置特点，各个模块之间采用耦合 的形式。这种模块化强调的是功能的不同，即各个模块之间的功能尽可能不重叠，功能差 异越大，满足用户需求的能力越大。在每个模块内部，采用一种c 形的布置方式，c 形线 上是具有一定节拍的传送装置。在c 形线周围，以满足功能目标为主，尽量按照工艺专业 化的原则，布置资源与人力，最大限度地发挥每个模块的自主功能。 9 对于这类模块化生产线布置，生产线的平衡是在宏观的各个模块之间规划，接个生产 线的生产要保持一定的节拍。在每个模块内部，采用自由节拍的方式。充分发挥模块内部 的自治功能。模块可以独立定义子工作流，并相对独立地执行子工作流。每个工件的加工 时间由操作者掌握，在遇到紧急任务的情况下，操作可进行局部调整或并行执行工作流 程。但是，必须保证单个模块的生产节拍符合整个制造系统的生产规划。 这种布局结构具有动态调整的潜力，每个模块可以看作动态网络中的一个节点。当系 统出现扰动时，如果只需要做局部调整就可满足加工任务时，就在每个模块内部进行调 整，不影响整个制造系统的布局；如果需要做出较大的调整，甚至引入新的资源时，按功 能划分的模块，可以按照任务的要求，对模块进行内部调整和外部重组，由控制系统实现 各个模块之间的无缝连接与功能重组。 3 柔性高效的物流系统 大规模定制对物流系统的期望特性为：1 可以传输任何体积、重量、形状的物品；2 不需要轨道；3 没有路线约束；4 提高传输速度；5 减少安装时间；6 增加智能化导向能力 和自恢复能力。 目前提出的一些物料传输系统和装置，在柔性和可重组方面都进行了一定的考虑a 模 块化的传送带将模块分为线性传送带模块和连接传送带模块。通过这些模块的组合，可以 形成不同形式的传送带。通过改变模块的方向和位置，可以快速调整传输路线，并且通过 二维传送带和三维传送带的组合，可以形成各种类型的空间运输路线。 另外，先进的柔性物料处理系统通常都具有开放的、可熏组的、柔性的控制软件结 构。可重组的硬件系统和可重组的软件系统相互配合，形成了柔性的物流处理系统，为大 规模定制制造系统的物流处理提供了良好的基础。 2 1 - 2m c 生产模式下生产线系统设计 在大规模定制的生产模式下，生产线系统方案设计不仅需要追求最高的生产率，而且 也要求系统具有较大的柔性，考虑企业对市场需求变动的应变能力的要求，以及制造资源 的可重组性。结合大规模定制生产模式的特点和要求，生产线系统设计过程可大致描述如 图2 2 所示： 1 0 第二章面向m c 的制造系统设计 图2 2m c 生产摸式下生产线系统设计 f 妞2 2p r o d u c t i o n l i n ed i 印f o rm c 大规模定制生产模式下的生产线系统设计步骤分为： 步骤1 ：市场需求分析及产品族规划； 步骤2 ：产品族工艺分析，确定总体工艺流程： 步骤3 ：生产线平衡设计； 步骤4 ：系统总体柔性布局； 步骤5 ：系统评价及实施； 步骤6 ：生产系统局部重组。 1 市场需求分析及产品族规划 市场需求是m c 的原驱动力，对产品族的规划和产品的模块化有重要的指导作用。实 施大规模定制的企业能够以外部多样化而内部标准化和模块化的多品种、多系列产品响应 不同层次的客户需求。产品的开发策略由传统的面向单一产品的开发转向基于产品平台的 系列产品开发。与一次只开发一种产品的单一产品开发策略相比，基于产品平台的系列产 品开发策略强调一次开发一族产品，通过开发产品平台和基于产品平台的衍生变型，派生 出一系列的产品，实现面向产品族的开发设计。 大规模定制生产是面向客户订单的生产模式，为了快速响应客户订单，满足客户的个 性化需求，企业必须采取不同于传统方式的敏捷产品开发方式，具体的设计方法要结合产 品的性质综合考虑产品族的设计，产品模块化设计、后延设计以及标准化、规范化等方 法。面向m c 的产品设计理论正日趋完善，设计过程分为两部分：新产品的开发和变型设 计。面向m c 的设计过程基于产品平台上，规划出布局良好，可变型性强，能最大程度包 容客户需求变动的产品族模型，其设计模式如图2 - 3 所示。 图2 3 大规模定制的产品设计模式 喇p r o d u c td 始咖m o d e l f o rm c 2 产品族工艺分析，确定总体工艺流程 在生产系统设计的初始阶段，需要对与生产线设计的相关因素进行分析、确定产品生 产工艺流程。相关因素分析的内容包括： ( 1 ) 对产品族进行市场分析，确定产品族中所有标准部件和变型部件对生产资源的需 求； ( 2 ) 对产品族各个标准部件和变型部件进行工艺分析，确定标准部件和变型部件的没计 参数、加工要求等； ( 3 ) 结合前两点的分析结果，综合考虑市场需求和企业制造成本的限制，规划产品族各 个部件的总体工艺路线。 m c 要求柔性的生产线，它是适应中、大量生产，高效率而又具有一定柔性的自动化 加工系统，对于产量不定且结构相似的少品种零件加工来说，柔性生产线是比较经济的生 产手段。柔性生产线设计的技术基础是成组技术，成组技术的基本思想是按照零件的制造 相似眭来组织生产，由于同一产品族中，各个变型产品的部件生产以及装配流程都具有一 定的相似形，根据加工相似性准则( 结构相似、工艺相似) ，柔性生产线系统应被设计成 面向产品族中尽可能多的部件加工的生产系统，从而达到兼顾柔性和提高生产率的目的。 工件的相似性就是能合并成可供柔性生产线加工的一组零件的一些主要相似性，一般 可从结构相似陛原则和工艺相似性原则两方面着手。以梭柱类零件为例按重要性排列其相 似性原则，如表2 。l 所示。 表2 _ 】梭柱类零件相似性原则 t a b l e 2 - 1s i m i l a r i t yp r i n c i p l eo f c y l i n d e rp a r t s 结构相似形原则工艺相似形原则 l 外型尺寸毛坯材料 2 各待加工面的空间分布材料的硬度 3 各待加工单元蔟在各待加工面分布加工基准 4 各待加工单元在各待加工面分布零件运送面的参数 5 各待加工单元的内容待加工表面的精度和粗糙度 6 各待加工单元上各形状要素的联系待加工表面的尺寸 7 各待加工面的轮廓加工方法 8 切削用量 9 其它特殊要求 3 生产线平衡设计 在确定产品族的所有标准部件和变型部件的总体工艺路线以及对生产资源的能力需求 后，接下来就要对生产线进行平衡设计。 大规模定制是企业使用先进的生产技术和管理手段，通过柔性和快速响应提供定制产 品和服务的过程。其目标是以大批量生产的成本来满足客户的需求。根据大规模定制的目 标，生产线需要具有混流、小批量、多品种及快速响应等特点。因此对生产线平衡就提出 了新的要求：多生产线平衡以及混流生产线平衡问题的解决。有关生产线平衡设计我们将 在后续章节具体分析。 4 系统总体柔性布局 总体布局原则是：先粗后精，粗精分开。应首先保证加工工艺流程及加工要求，同时 考虑生产线系统物流强度以及可操作性( 清洗、检查) ；总体布局应考虑减少辅助装置， 尽量提高设备利用率。根据车间的场地及选用的设备，设计机床的位置，物料输送路线， 毛坯运进与成品运出路线：设备的负荷平衡及人员分配，并确定机床的“互替”或“互 补”程度， “互替”设备指的是可以互相替代的设备，“互补”设备指设备功能上的相 互补充，设备之间不能互相取代。“互替”设备和“互补”设备的特征见表2 - 2 ；最后绘 制生产线布置图。 表2 - 2 “互替”设备和“互补”设备 t a b l e 2 - 2i n t e r c h a n g a b l ee q u i p m e n ta n di n t e g r a t e de q u i p m e n t 特征“互替”设备“互补”设备 简图 骨 _ 兰玉荭) - 吒重匿h 气p a 匿一 柔性较高较低 工艺范围较宽 较窄 时间利用率较高较低 生产率较低较高 价格较高 较低 系统可靠性增加 减少 1 4 5 设计评价及实施 设计评价的主要目的是通过专业开发人员对设计方案进行多层次、多角度评价分析来 发现设计中存在的错误，从而防止错误沿设计链传递下去。总体方案仿真与优化是一个反 复评价与再设计的过程。对多个总体方案的对比和筛选，需要确定评价指标，确定各个指 标的评分标准，按总分评优。评价指标应该包括：生产系统对产品多样性变动的柔性；系 统保证产品加工要求的能力；生产可靠程度；设备的利用率：所需制造资源数量等。必要 时要对选定的总体方案进行模拟仿真实例，例如输入生产需求变动和制造资源的原始数 据，计算设备的利用率等。最后进行总体方案设计总结及信息反馈。 6 系统局部重组 尽管生产系统设计阶段的目的是尽量提高系统的制造柔性，但由于大规模定制的生产 模式属于面向定单生产，因此同样要求企业能随时结合具体的定单进行生产系统的局部重 组，使生产系统能针对具体定制产品要求分配生产资源和组织生产。生产重组的重点主要 有两个，一是根据变型部件的需要重新分配生产资源，二是根据变型产品的生产和装配特 点进行生产线的调整。 面对大规模定制存在的问题，企业必须通过转变制造模式，引进先进的设计和制造技 术来改变生产的被动局面。企业根据中长期的市场调研进行市场细分和客户群体需求分 析，利用面向m c 的产品设计方法和技术对新的产品族进行规划设计，对工序相似的部件 进行工序标准化调整，并确定该产品族的标准部件和配置部件。然后根据相应的产品族设 计结果以及各部件的加工要求和工艺路线来设计生产系统和规划生产线，充分考虑产品族 设计过程中的市场需求分析，调整产品平台中标准部件的工艺参数和工艺路线，规划变型 部件的能力需求，提高生产系统的柔性，改善企业制造系统的市场反映能力，提高生产资 源的利用率。 2 2m c 模式下生产线系统平衡设计 2 2 1 生产线平衡设计概述 根据工艺设计所得的加工顺序工作分解为可由技术不高的工人或专用机器快速而机械 完成的一系列基本作业，这些基本作业的操作时间有很大的不同，如果不通过生产线平衡 进行资源的分配，会造成整条生产线上加工时间较短设备或人员的闲置，而加工时间较长 的设备则会成为生产线上的瓶颈工位，降低生产线效率。 生产线平衡决定如何将设备和人员等生产资源分配到各个工作站这一过程。生产线平 衡的目标是使分配到各个工作站的作业的所需时间大致相等。如果各个工作站作业时间完 全相等得到的是一条完全平衡的生产线，这时由于线上各活动同步进行实现了工人和设备 的最大利用，工作流极为顺畅。 在实际工作中达到生产线的完全平衡是有困难的，由于对设备要求不同或一些活动的 不相容，基本作业时间的差异，以及作业顺序的顺序约束等都是造成障碍的原因。解决生 产线平衡问题本身也是一个复杂的优化问题，近年来的许多研究借助于启发式的优化算法 来解决这一问题m 。 2 2 1 生产线平衡设计方法 生产线平衡理论是以节省制造资源和提高生产效率为目的。假设生产线共有k 道工 序，第i 道工序的单件标准时间为h ( i - 1 ，2 ，3 k ) ，单件标准总加工时间为t ，生产线节 拍为p ，则h 与p 在生产中有下列三种情况：( 1 ) t i p 这意味着第i 道工序属超负荷运转， 通常把该工序称为“瓶颈工序”；( 2 ) t i = p ，这是最理想的状态；( 3 ) t p 时) ( 2 3 ) 或 e = t ( n p ) 1 0 0 ( 正p 时) ( 2 4 ) 式中：t 为标准总加工时间；n 为工作位数。 生产线的编制效率可预先设置，也可在生产线编制完成后用以检验编制效果。实际生 产中生产线的编制效率应掌握在8 5 以上。 生产线平衡方法： 在进行生产线平衡时，必须预先知道产品的种类、工序、标准时间、b t 作时间、作 业人员数以及预计的产量等。各个工序需要分配的设备数为： n a i 警= 丧= p t _ j ， i v = n o i = 唔】 ( 2 - 6 ) 其中 0 第i 道工序计算所得的设备数 f 第i 道工序实际采用的设备数 q 。计划期产量 瓦计划期有效工作时间 f 第i 道工序的作业时间 2 2 3m c 生产模式下的生产线平衡设计 大规模定制的目标是以大批量生产的成本来满足客户的需求。根据这一目标，生产线 需要具有混流、多模块、多品种及快速响应等特点。这对生产线平衡就提出了新的要求： 应用混流生产线加工产品族的不同变型。 1 7 广东工业大学硕士学位论文 混流生产线的原理是在产品族中，选择结构相似、工艺路线相同、可采用相同生产设 备的若干零部件或变型产品，使生产线能得到充分的负荷，提高生产资源的利用效，同时 提高生产线的生产效率，从而在保证产品多样性的同时，保证较合理的制造成本。 在混流生产线上生产的类似产品或部件，虽然结构相似，工艺路线基本相同，但也不 尽相同。为考虑各个具体加工产品或部件的工艺作业特点，必须绘制各个产品或部件的工 序先后顺序图f 4 9 1 。通过