（材料加工工程专业论文）基于单元化制造的设备布局及仿真研究.pdf

中文摘要 摘要 科学技术的发展以及客户需求的日益多样化，使得产品寿命周期不断缩短，产品开发呈 现出多品种，小批量的特点，迫使制造企业采用更加柔性的方式生产产品，以适应市场需求。 单元化制造系统是基于成组技术的一种生产方式，它能减少物流成本、缩短生产时间，是满 足客户化需求的有效生产模式 论文以单元化制造系统布局研究为目标，主要内容包括： 1 分析单元化制造系统的定义和分类，阐述单元化布局模型，总结已有的单元化布局 方法及其特点为设备布局研究做出铺垫。 2 采用模糊综合评价法对设备布局进行评价。基于单元化制造系统的柔性，提出模糊 综合评价因素集，建立了权重集，隶属度函数以及综合模糊评价模型。采用模糊综合评价方 法，完成单元化布局方案柔性的评价。 3 通过对单元布局方式柔性的比较和改进，提炼提高布局柔性的可行途径。阻改变设 备布局为手段，通过仿真实验研究提高单元设备布局柔性的方法，并采用模糊综合评价法对 布局的柔性做出评价。 4 采用遗传算法研究分布式布局问愿，分析部分影射杂交与边重组杂交对分布式布局 遗传算法的影响，确定了遗传算法的染色体编码以及选择算子、交叉算子、变异算子，并对 分布式布局的目标函数做出改进。 5 在分析自动布局系统发展过程、总结自动布局软件应当具有功能的基础上，完成设 备布局软件的结构设计和数据库设计，并采用c + + 语言实现了软件的基本功能。 关键词；单元化制造；设备布局；仿真；柔性；遗传算法 英文摘要 a b s t r a c t d u et od e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dd i v e r s i f i c a t i o no fc u s t o m e rr e q u i r e m e n t ，p e r j o do f p r o d u c tl i f e - s p a nb e c o m es h o r t e ra n ds h o r t e ra n dp r o d u c t i o nd e v e l o p m e n tt e n d st ob es m a l l q u a n t i t ya n de x c e s s i v ev a r i e t y i tm a k e sc o m p a n yc h o o s em o r ef l e x i b i l i t yp r o d u c t i o n m o d et o s a t i s f ym a r k e tr e q u i r e m e n t c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sa l le f f e c t i v ea n dc u s t o m c r - o r i a n t e d p r o d u c t i o nm o d eb a s e do ng r o u pt e c h n o l o g y b yu s i n gs u c hs y s t e m ，l o g i s t i cc o s ta n dp r o d u c et i m e a r e d u c e d 1 1 1 i sp a p e ri sf o c u so l lc e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e ml a y o u tr e s e a r c h ，a n dm a i n c o n t e n tj sa sf o i i o w s 1 d e f i n ea n dc l a s s i f i c a t i o no f c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sa n a l y z e dd e t a i l e d l y c e l l u l a r l a y o u tm e t h o d sm s u m m a r i z e da n dt h e i rf e a t u r e sa r ea n a l y z e dt og u i d ee q u i p m e n tl a y o u tr e s e a r c h 2 f u z z yc o l l i g a t i n ge v a l u a t i n gi su s e dt o a s s e s sl a y o u td e s i g n f i r s t , f u z z yc o l l i g a t i n g e v a l u a t i o nf a c t o r sa r ea d v a n c e db a s e do i lf l e x i b i l i t yo fc e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；t h e nw e i g h t a n dg r a d eo fm e m b e r s h i pa d e f i n e da c c o r d i n gt or e a ls i t u a t i o n ；a tl a s t , f u z z yc o l l i g a t i n g e v a l u a t i n gm o d e li sb u i l dt op r o v i d ep r e c i s ee v a l u a t i o nf o rf l e x i b i l i t yo f c e l l u l a rf a c i l i t i e sl a y o u t 3 b yc o m p a r i n ga n di m p r o v i n go f c e l l u l a rl a y o u t sf l e x i b i l i t y , a v a i l a b l em e t h o d so f e n h a n c i n g f l e x i b i l i t ya r ea b s t r a c t e d 1 1 w a yo fe n h a n c i n gc e l l u l a rl a y o u tf l e x i b i l i t yi sr e s e a r c h e db y c h a n g i n gf a c i l i t yl a y o u ta n du s i n gs i m u l a t i o n l a y o u tf l e x i b i l i t yi se v a l u a t e db yf u z z yc o l l i g a t i n g e v a l u a t i n g 4 g e n e t i ca l g o r i t h m sa r eu s e dt od e a lw i t hd i s t r i b u t e dl a y o u t p m xa n de xa r ec o m p a r e df o r i n f e c t i o nt og e n e t i ca l g o f i t h r a so fd i s t r i b u t e dl a y o u t m e a n w h i l e ，c h t o m o s o f t c o d e ，s e l e c t b n o p c r a l o r s ，c r o s s o v e ro p e r a t o r sa n dm u t a t i o no p e r a t o 鹉o fg e n e t i ca l g o r i t h m s a r cc o n f i r m e d , o b j e c t i v ef u n c t i o no f d i s 研b u t e dl a y o u ti si m p w v e da sw e l l 5 p r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e mo f a u t o m a t e dl a y o u ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ef e a t u r e so f m o d e ma u t o m a t e dl a y o u ts o f t w a r ea r es u m m a r i z e d b a s e do oa b o v er e s e a r c h , s t r u c r f f ea n d d a t a b a s eo ff a c i l i t y l a y o u ts e t , w a r ea r ed e v e l o p e da n db a s i cf u n c t i o n so fs u c hs o f t w a r ea r c i m p l e m e n t e db y c + + k e y w o r d s ：c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；f a c i l i t yl a y o u t ；s i m u l a t i o n ；f l e x i b i l i t y ；g e n e t i c a l g o r i t h m l l 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：茗 盔豁 e t 期：翌z ! 益。f 兰 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：奁兰坞导师签名： 砖咿限e t 期：! ! ：! ! ! ! 第一章绪论 1 1 设备布局介绍 1 1 1 设施规划及设备布局概述 第一章绪论 设施规划是为新建、扩建或改建的生产系统或服务系统，综合考虑相关因素，进行分析、 构思、规划、论证、设计，做出全面安排，使资源得到合理配置，使系统能够有效运行，以 达到预期目标“。 设施规划发源于早期的制造工厂设计最初的工厂设计，主要包括调查、试验、测定等 环节，依靠经验和定性的方法实现。第二次世界大战以后，运筹学、统计数学、概率论等理 论开始应用到生产建设、系统工程中，设施规划运用系统工程的概念和系统分析的方法，日 益显示出现代化的特征”1 。2 0 世纪8 0 年代以后，我国开始引进设施规划技术，并在实践中 有所应用，取得了一些成果。例如，某汽车发动机厂，经某设计院进行了物流系统规划，调 整厂内车间布局，使得当时的物料搬运量减少了4 6 7 ，自制件和外购件的搬运距离大大缩 短，同时节约了用地“。 据统计，一个产品在生产周期中，传输和等待时间所占比例达到9 0 9 5 5 ，真正用于产 品加工的时间很少，并且制造过程中近2 0 5 0 的运转费与物流设施有关”。1 9 5 5 年起，美 国约8 的g n p 用于建设新的设施”1 到2 0 0 1 年，全世界用于设施规划的投资达两万三千亿 美元”。由此可见，一个合理的设施布置将对节约生产时间、提高生产效率、减少产品成本 起到很重要的作用 制造业的设施规划包括厂区布局和设备布局。设备布局是对车间物流、人流、信息流进 行分析，对机器设备、运输通道和场地进行合理配置，达到车间内部布置最优化。它是设 施规划的重要组成部分，也是本课题研究的主要内容。 1 1 2 设备布局方式的研究 设备布局方式会直接影响产品生产的效率、质量、成本、安全、生产管理等问题。目前 比较典型的布局方式有产品原则布置、工艺原则布置、定位布置、u 型布置和单元布置”。 各种布局方式适用于不同的生产方式，一般来讲，产品原则布置适用于大批量流水生产方式 工艺原则布置适用于间歇加工，定位布置适合于不易移动或者有特殊要求的加工方式，u 型 布置适合中小批量的生产单元布置适用于多品种小批量的生产方式。下面对各种布局方式 进行详细描述： ( 1 ) 产品原则布置 产品原则布置是按照产品及其零件的生产工艺过程来排列设备如图卜1 所示它们使 用重复性的加工方式，加工对象按照同样的顺序加工，采用固定线路的物料运输设备，使加 工过程形成一种流的工作方式。生产线上工作单元紧密地连接在一起，这种生产方式使得人 力和设各得到充分利用，降低了设备费用，同时由于加工对象的移动很快使得在制品数量极 少。 东南大学硕i _ 学位论文 7 l ! = 厂一i 二竺ii 竺! ：ll ! ：! i 7 圆卜回 一广= = 一厂= = 一r _ = = 一厂= = 一 目1 - 1 产品原则布置示意图 ( 2 ) 工艺原则布置 将同一加工类型的设备布置在一起，加工对象按各自加工顺序依次流经各个加工单元， 如图卜2 所示。适合于多品种小批量，且工艺不是同一类型的生产方式。此方法在工艺比较 复杂时，加长了生产路线和物流路线，也加大了生产管理的难度。 圈卜2 工艺原则布置示意图 ( 3 ) 定位布置( f i x e dl a y o u t ) 根据体积或重量把产品保留在一个位置上，设备、人员、材料都围绕着产品而转。通常 用于重量、体积较大的加工对象，如飞机、轮船等。 ( 4 ) u 型布置 如图卜3 所示，设备按生产顺序捧列成u 型。适合中小批量的生产，u 型布置时，工人 容易掌握从毛坯到成品的全过程，可以减少多余动作，易于操作和管理。 图卜3u 型布置 ( 5 ) 单元布置( g r o u pl a y o u t ) 将机器依据零件加工工艺分组，形成一个制造单元，每个单元对应一组工艺相似的零件 加工。如图卜4 所示。成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，g t ) 是单元制造的基础，它将零件按工 艺特征分组，同时在加工单元中使州柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 提 2 第一章绪论 高系统的效率和加工柔性。 仓仓 库1 坠h 堡悃叫囤库 盛丑至舳眄司眄习 圈卜4t 艺原则布置与单元布置 以上几种布局方式只是概念上的分类，不是绝对的划分，在现实中也有很多混合布置的 实例。例如，在单元布置中，单元内的设备可以按照u 型布置方式布局。 1 1 3 仿真技术在车间布局中应用的研究 当前市场的快速变化和全球的激烈竞争，要求大幅度缩短产品上市周期由于现代制造 和服务系统的复杂性及各种随机因素的影响，即使是具有丰富经验的工程师作最认真细致的 规划和设计，在规划和设计过程中也常容易产生错误。因此要对布局进行优化，主要有如下 几种方法： ( 1 ) 数学规划法在不违背一组规定的约束条件下，优化一个可量化的目标函数 ( 2 ) 排队和排队网络方法模拟顾客排队的过程，减少零件在制造系统中排队的时间和 排队的长度，这种方法主要用于减少库存量，优化进程。 ( 3 ) 仿真方法对实际系统建立一个模型，该模型对现实系统中一定时间内发生的事件 产生影响。这种方法是一种验证技术，可以对系统的性能做出分析。 布局问题属于组合优化问题且具有n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 完全属性，解空间 极为庞大，运用数学规划法或排队论方法很难获得优化解。同时排队论方法在分析过程中有 定的局限性，难以得到如设备利用率、生产能力等方面的分析数据。通过仿真是减少失误 的较好办法。2 0 世纪7 0 年代后随着计算机软硬件的飞跃发展计算机仿真逐步在设施规划 和物流中开始运用。如今计算机仿真在制造业中，已经成为规划和决策不可缺少的一个组成 部分 应用仿真技术，主要可以在以下几个方面对设备布局进行研究： ( 1 ) 设备布局的可行性分析；在布局规划设计后，通过对设计的系统模型进行仿真分析， 对规划方案的优劣做出评价，及时进行调整和修改，使生成达到平衡，减少系统实施的风险 ( 2 ) 设备布局的柔性分析：通过对制造系统生产状态进行仿真，动态地模拟设备运转、 物料传输等实际状况，通过计算分析制造系统的柔性，对制造系统的性能进行评估。 ( 3 ) 制造系统成本的评估：制作系统的流程是一个复杂的动态过程，系统仿真技术通过 对整个生产过程的模拟准确便捷地计算出生产系统的成本，由此可以对设各布局做出评价。 为了实现仿真，晟初用高级语言编制仿真程序，不仅要求使用者能够建模，还要求掌握 仿真算法，精通高级语言。2 0 世纪6 0 年代后开发出专门的仿真语言，不仅仿真的功能较为 齐全，同时使用方便，进一步提高了仿真工作的效率。2 0 世纪8 0 年代，又出现了功能更强、 东南人学硕l 学位论文 使用更方便的仿真软件，如w i t n e s s 、f l e x t i m e 、p r o m o d e l 、a r e n a 等。这些软件都是由事件 驱动，故属于离散事件仿真。对研究变化大、系统内部元素间相互联系复杂的系统语言而言， 离散事件仿真是特别有效的。它们可以针对某一目标，对设施规划的方案进行仿真，结合仿 真输出的结果将一些参数进行修改优化，并检验设计方案的好坏。在投产之前对设计方案 进行模拟，对出现的问题进行修正，由此避免了投产之后因问题而造成巨大的资源浪费。 1 2 车间布局国内外现状与发展趋势 设备布局问题的研究由来已久，优良设备布局可以均衡设备负荷。使物料的流通更加顺 畅，减少在制品的滞留，加快物料处理的效率，使这一费用减少l o 札3 傩。最初的设备布局 设计主要凭借经验和感觉，到了5 0 年代，设备布局从传统的只涉及较小系统发展到大而复杂 的系统设计，显然，凭经验已难以胜任于是，在综合各学科发展的基础上，1 9 6 1 年由美国 的m m h e r 教授提出了极具代表性的系统布置设计( s l p ) 理论，进而以j m 摩尔为代表的一批 设施规划与设计学者，较为系统的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，如用于新建布局的c o r e l a p 、a l d e p 和用于改 建布局的c o f a d 、c r a f t 等，形成了计算机辅助设施布置方法。威廉等学者在其基础上做 了进一步的发展和完善，并于9 0 年代提出了战略设施规划( s f ps t r a t e g i cf a c i l i t i e sp l a n n i n g ) ， 把设施布置设计提升到了战略高度，通过再聚焦以及精益原则来提高企业整体生产能力。同 时，该方法融合了计算机辅助设施布置方法，实现了设施布置的快速响应，布局信息的计算 机化和较为丰富的设计方案。 国内在年代以后引入了s l p 理论，产生了很大的社会价值，收效非常显著。而计算 机辅助设计布局方法利用计算机的强大功能，帮助人们解决布局中的复杂问题，为生产系统 的布局新建和重新布置提高了强有力的支持，节省了大量人力、物力和财力 目前，人类正由工业化社会向信息化社会转变，知识经济快速发展，制造业也发生了很 大变化。就生产方式而言，已从大批量生产方式向准时制( j u s t - i n - t i m e ，j 1 t ) 及精益生产方 式，并进一步向计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，c i m s ) 及敏捷 制造方式迅速演变。这种生产方式带来的变化必然促使设备布局的研究和发展。随着大量先 进生产管理理念、技术的引进和应用，在对企业进行生产组织重构时，传统的车间布局方式 逐渐显示出自身的不足，在新的环境下，需要高柔性的、模块化的以及易于重组的车间布局 ”。，于是，动态环境下的设备布局和柔性布局成为研究的热点。美国下一代布局协会提出了 四种布局策略： ( 1 ) 分布式布局将大的机群式单元分解成小的子单元。并将它们分布在整个车间。在 高度动态的环境中，重复配置单元，有助于从车间的不同位置对其进行访问，从而改善物流。 ( 2 ) 模块化布局将不同工艺路线中的工序子集所需要的机床进行分组并排列成经典的 布局配置，使运输成本最小这种布局的一个前提假设是在短期内，产品需求己知且稳定。 ( 3 ) 可重组布局实际上是多阶段布局问题，在每个生产阶段求得物流费j j 以及重构费 用之和最小的车间布局。该布局方式在资源搬运轻便，易于布置的前提下实现。 ( 4 ) 敏捷布局打破经典的布局设计，以运作性能作为设计指标，研究出任意类型的布 局方式。该方法基于仿真的基础之上，应_ 仿真优化的策略。 4 第一章绪论 针对这些发展人们进行了广泛的研究，取得一定的进展。国内，上海交通大学、同济大 学，华中科技大学等，针对车间布局开展了研究。同济大学提出了敏捷制造的车间布局形式， 阐述了基于该模式下的车间布局应不断变化和调整，在其整个生命周期中、在不清楚生产数 据的情况下，利用模糊生产数据的方式进行车间布局并提出基于敏捷制造的分布式布局思 想”1 。上海交通大学则将精益生产的哲理应用于车间的平面布局之中，提出了生产线车间布 局的数学模型和拓扑模型，并根据设备的特点提出车间设备的分类方法，提出了基于设备分 类的定序算法和定位算法”1 b h a b ar s a r k e r 提出了单元构建中较常用的一种方法，就是将单元构建看成是一个二进 制块对角化矩阵问题( b l o c kd i a g o n a l i z a t i o np r o b l e m ，b d p ) ，然后用数学的方法解决这个问 题。目前，解决这一问题的数学方法有效率功效分组法、退化法、指数法等，作者对它们的 性能进行了比较。随后提出了重量法，比较成功地借鉴了前面几种方法，同时又克服了它们 的不足之处。不过还可以在路线变换方面做进一步的研究“”。 t y w a n g 针对单元制造系统( c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c m s ) ，考虑在产品生命周 期中需求量根据市场变化的特殊情况，建立相应的优化模型，采用退火算法求解设备布局问 题，该算法具有较快的搜索速度1 。 对于单元布局性能的评价，马玉敏针对其特点，提出了一个完整的评价指标体系，从成 组性、动态性、柔性和敏捷性对单元化制造系统进行综合评价，并构造了基于单元生命周期 的单元化制造体系评价模型该模型采用了模糊层次分析法对系统进行综合评价“ 在算法方面，现代的布局研究多侧重于遗传算法，模拟退火算法等算法的研究上。目前 的趋势是融合s a 、t s 和g a 形成各种混合的算法这些布局方法依据不同的优化目标。实 际问题的不同种类，不同的设计阶段旱现多样性。由于设备布局问题具有非线性，n p 难题 等特性，无法用传统方法求最优解，现代的布局理论多集中在启发式算法的研究上，包括一 些诸如模拟退火算法，遗传算法等优化算法的应用。 j o s ef e r n a n d o 和m a u d c i og c r e s e n d e 将启发式算法和遗传算法结合得到新的单元化布 局模型，使得生产均衡化。在实际应用中。与传统的单元构建方法相比，效率提高了5 “” 1 3 课题背景及主要研究内容 1 3 1 课题背景 生产系统中，除了需要进行工艺设计和设备选择之外，设备在车间中的物理布局是在车 间层上对生产系统设计的重要内容。一个合理的设备布置将对节约生产时间、提高生产效率、 减少产品成本起到很重要的作用。 随着科学技术的发展以及客户需求的多样化，产品寿命周期不断缩短。产品的生产方式 趋向于适应市场多变需求、便于更新换代的小批量多品种、柔性高效的生产方式。各种柔性 制造技术的发展，形成了不同于传统的设施布置方式，出现了越来越多的柔性加工组织：柔 性生产线、柔性制造系统和柔性制造单元等。这些布置设计给设施规划人员提出了新的课题。 如今，成组技术、单元化制造已成为相对比较成熟的技术，但单元化制造系统先天缺乏柔性 或灵活性，常常成为生产发展的瓶颈，使设施适应市场的反映过慢。本文将在详细讨论一般 的单元化布局问题的基础上，针对小批量多品种产品生产存在的问题，设计合理的布局模型 东南人学硕l 学位论文 和布局方法。 1 3 2 课题主要研究内容 针对多品种、小批量的单元化生产系统，所需加工的产品组合、数量以及产品的加工计 划在设备布局设计的初期都不能完全确定。因此，对生产系统的柔性提出了要求。本文在总 结单元化制造系统定义和布局模型的基础上，应用仿真的方法分析单元化制造系统的柔性， 通过制造系统柔性的模糊综合评价证明分布式布局可以很好地改善布局的柔性，同时提出具 体的分布式布局模型，并基于此模型开发交互式系统软件为设计者提供决策支持主要分为 五个部分进行研究： ( 1 ) 总结单元化制造系统设备布局定义及其它要素，对单元化布局问题进行概念性分 类：回顾近代单元化布局中出现的布局模型和方法，对主要的布局模型进行分析，分别阐述 各种布局方法的特点。 ( 2 ) 根据单元化制造系统的柔性，提出模糊综合评价因素集结合实际情况，建立权 重集和隶属度函数，最终建立基于单元化制造系统的柔性综合模糊评价模型。 ( 3 ) 分析改善单元化制造系统柔性的几种布局方式，总结出通过布局提高制造系统柔 性的几点要素；研究系统仿真的方法，以改变设备布置为手段，通过仿真实验，总结出改善 单元化制造系统柔性的有效方法。 ( 4 ) 阐述分布式布局基本原理及其优点；根据小批量多品种产品生产方式，建立分布 式布局模型，并结合生产实际，对布局模型进一步加以约束；通过遗传算法求解分布式布局 模型 ( 5 ) 根据工业软件系统的需要，进行自动布局系统的特性定义和模块化设计；应用v i s u a l c - h - 开发自动布局原型系统，依照交互式框架给设计者提供决策支持。 综上所述，本文的总体框架如图卜5 ： 布局 著 实现 鞋 霹 鹱 各茗 的 图卜5 论文总体框架图 6 第二章单元化制造系统布局模式的研究 第二章单元化制造布局模式分析 2 1 单元化制造简介 m i t r o f a n o v 于1 9 5 9 年创立了成组技术，它是辨别和发掘一组目标特征之间相似性的一种 方法，其应用的领域包括分类和编码，加工计划，零部件族群和机器制造单元设计，成组技 术布局和成组计划等。单元化制造( c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n g ) 是运用成组技术组织机器单元来 加工一组零部件。柔性制造( f l e x i b l em a n u f a c t u d n g ) ，计算机集成技术( c o m p u t e r - i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ，简称c i m ) ，准时制生产( j u s t - i n t i m e ) 都是自动化单元的常见例子“。单元 制造主要包括：零部件编码；制造单元的构建；单元布置。除此之外，还需要对短期 生产的合理作业计划，流程控制以及高效的组织结构进行计划和安排“。在近年来的自动化 制造环境里，单元结构是研究的重点。 传统的功能性生产方式下，加工零件需要在整个车间进行传送，使得物料运输量增加： 由于生产品种的多样性，导致设备调整时间的增加：由于品种的数量以及资源共享，造成作 业计划难度的增加；同时，操作的优先权也很难控制，生产主管通过零部件大量库存，来保 证车间有效正常工作单元化制造系统将单个零件的生产放在某个单元中，物料控制和作业 计划安排都变得简单多了：单元化制造系统中，对操作人员进行比较全面的培训，可以让一 个工人完成从开始到结束的整个操作过程；此外，相似产品的生产减少了设备调整的时间， 从而减少了整个产品的生产周期“”。综上所述，单元化制造系统的主要优点在于“： 减少总的生产时间 减少加工作业( w o r k - p r o c e s s ) 产品的库存 提高零部件或产品的质量 减少顾客订单的响应时间 减少移动时间 据报道，佳能公司近年来采用单元化制造系统，产品生产周期由原来的六天减少到六个 小时，工厂的生产成本减少了1 5 亿。同时，单元化制造系统减少了生产车间，降低了库存量， 减少了仓库，使得佳能在固定资产上的投资减少了2 7 9 亿“。 单元化制造系统的优势是显而易见的，但同时，也带来了一些缺陷。一方面，单元化导 致生产路线的柔性受到很大的限制，因此静态产品的组合以及平衡单元之间的负荷导致生产 周期增加；另一方面，一旦所生产的产品发生变化，现有的单元结构就失效了。尽管有很多 假设假定产品需求在一个较长时期内是固定不变的，但事实上在市场经济的动态环境下，产 品的更新很快。据统计，h p ( h e w l e t t p a c k a r d s ) 公司有7 5 的收入来自于新产品模型，并且 这个比例呈上升趋势。h p 公司应用专业方法预测它们所生产的短周期产品，通过对1 5 个工 厂的3 2 个制造单元生产周期的研究发现，设备布局的变动虽短会发生在单元开始投产的前六 个月内，它们不得不因为产品的更新而对布局作新的规划“。因此发展新的单元化制造系 统来解决单元化制造系统的柔性问题成为单元化制造系统面临的新问题。 7 东南大学硕士学位论文 2 2 单元化制造分类 随着产品多样化的需求在机械制造系统中多品种、单件小批量生产的比重越来越大， 此类系统具有较大的柔性，但其生产效率低、管理难。为了提高系统的生产效率，人们提出 了多种现代制造的新模式，如精益生产( l e a np r o d u c t i o ns y s t e m ) 、独立制造岛、单元制造系 统( c m s - c e l l u l a r m a n u f a c t u f i n g s y s t e m ) 等等。这些系统具有分布化的结构特点，采用系统生 产技术，显著提高了多品种、单件小批量生产的柔性和效率。 由于各企业的生产水平、生产对象、管理水平等有较大的差别，c m s 的类型也有较大差 别。关于c m s 类型的定义目前还很不明确，从物流的角度将c m s 的单元形式分为四种类型： ( 1 ) 流水成组单元；( 2 ) 封闭成组单元；( 3 ) 准成组单元：( 4 ) 虚拟成组单元：从自动化程 度的角度将c 邺的单元形式分为五种类型：f m s ，f m l ，f m c ，加工中心以及普通机床。c m s 的类型模型如图2 - 1 所示 圈2 - 1 单元制造系统类型圈 以上两种分类方式是提高多品种小批量生产效益的两种重要方法。前者强调生产的合理 组织；后者则从提高自动化水平着手。随着自动化程度的提高，对生产的组织形式的要求也 相应提高，因为柔性不是无限的，f m s 等也都是针对某一类零件设计的。另一方面为了提高 效率，需要将那些在加工中使用相似夹具，工具等的零件进行成组。 下面对各种单元类型作简要说明。 ( 1 ) 虚拟成组单元：将相似零件成组加工，但设计按功能布置，只是将与零件族对应 的机床组看作是一个逻辑上的单元。美国国家标准局c i m 发展战略中的单元级控制就是采用 这种动态的生产管理结构来提高生产的柔性。这种虚拟单元的缺点是物流路线没有缩短，管 理比较复杂，后一个问题随着计算机管理水平的提高容易得到解决。 ( 2 ) 准成组单元：这是指比较粗放的单元组织，包括两种形式：当某些工厂产品类 型变换和市场供销情况难以估计时，单元可以设计大些，零件族的相似性水平可以低些。一 方面可以节省设计所需的时间、精力；另一方面使之有可能更适应今后的发展；开放式单 元。一些零件可以在单元间流动，或者允许一些机床为一些单元所共用。这样可以达到平衡 机床负荷，解决单元建立中的一些困难，又能在尽可能大的程度上获得成组加工带来的好处。 ( 3 ) 封闭成组单元：这是一种典型的成组单元，在一个工作地上集中加i - - 类零件所 需的全部机床完成零件从毛坯到成品的全部加工。 ( 4 ) 流水成组单元：这也是一种封闭成组单元，它要求所加工的零件的流向一致即同 工艺顺序，但并不要求严格的生产节拍。 对于以自动化程度高低来划分的单元说明如下： ( 1 ) 普通机床( 包括数控机床) ：既可以单机形式完成单一工序或少工序零件的成组加 工，又可与其它一些机床组成单元。 8 第二章单元化制造系统布局模式的研究 ( 2 ) 加工中心：是台具有多轴( 4 轴及以上) 数控( n c ) ，能自动调换工具和工件的 数控机床，可以完成多工序加工，对于许多零件经一次装夹即可完成几乎全部的加工。在针 对机床特点所选择的零件族中，常需要划分零件的工装族，以便提高生产效率。 ( 3 ) 柔性制造单元( f m c ) ：在加工中心的基础上增加了工件自动装卸装置和工件中间 存贮库，从而可实现较长时间的无人化工作。 ( 4 ) 柔性生产线( f m l ) ：可以看作是流水成组单元的高度自动化形式，常用于零件产 量较大、零件间相似性较高的场合 ( 5 ) 柔性制造系统( f m s ) ；由多台n c 控制的加工机床或加工中心所组成配有能自动 调节和控制信息流和物流的物料搬运与储存系统，整个单元系统高度自动化、柔性化。能适 应较大一类零件的加工所需调整时间极短，但系统的投资较大。f m s 可以看作是成组单元 的自动化形式。 各种类型单元的特点如表2 一l 所示 表2 - 1 各类型单元的特点 单元内机单元内完零件工艺 生产 单元类型 器负荷均成所有加顺序一致控制方式柔性对应的自动化系统 塞 衡的约束工的约束的约束 虚拟单元无 无无车间级控制最大较低f m c 、m c 、n c 准单元有无无单元控制为主大较高 f m c 、m c 、n c 封闭单元有有无单元内控制较大高f m c 、f m s 、m c 、n c 流水单元有有有单元内控制较小最高 f m l 在实际的工厂环境中，在一定的投资及生产条件下。常常是多种不同类型的单元同时存 在。这是因为：首先，即使对于同一种类型的产品，其各种零件的批量也有很大不同，而批 量大小对单元类型选择有很大影响：其次，零件的相似性程度是不一致的，相似性程度高的 零件族可以选择较高级的单元组织形式；此外，零件族的加工特性不一，加工质量要求高的 零件族就可能需要用加工中心或f m c 进行加工。因此，即使在未来的c i m s 中，也不可能 全是f m s ，没有一台普通机床。 2 3 单元化布局模型 2 3 1 单元化布局的目标 布局问题的优化目标是整个布局过程的核心和最终方案的选择评判标准，在己有的单元 布局方法中出现的布局目标包括： 最小化总物料流动耗费( m a t e r i a lh a n d l i n gc o s t ) ： 最小化总物流路径长度； 有效使用空间； 最小化设备投资； 最小化生产时间； 布局方案的易用性、安全性和舒适性； 9 东南大学硕士学位论文 保持设备放置与操作的柔性，等等。 在这些目标中最为重要的，也是研究晟多的是物流耗费的最小化目标。这里的物流耗费 是指车间中加工设备之间进行物流作业的物料搬运设备工作总最的大小。对车间物流进行优 化可以减少搬运设备负载、减少在制品库存和保持车间物流顺畅等功能。 通常的定量描述方式为 ：，= z 。 其中厂称为设备间的物流强度，通常由两台设备间单位距离的物流量表示。物流强度一 般的计算方法是将一定时间内所搬运的物料件数乘以计量单位，通常这一计量单位用重量表 示但当物料的性质和特性非常不同时，或者缺乏通用的搬运器具时物流强度的衡量比较困 难，为解决这一问题曾提出“马格计数”，它表示用于任何物品在任何情况下的可搬运性。同 时物流强度也与搬运系统有很大的关联。使用不同的搬运设备搬运同种物科的强度是不同的， 所以物流分析通常要与搬运系统分析相关联。 d 表示两台设备问的距离，在布局问题中设备间距离的衡量方式包括直线距离( 连接两 台设备直线长度) ，也称为欧氏距离( e u c l i d e a n d i s t a n c e ) ：以及坐标距离( r e c t i l i n e a r d i s t a n c e ) ， 设备问距的计算，沿着坐标轴或相互垂直的通道的方向计算。相对而言这种方法具有更高的 精度，因为搬运过程总是沿着通道进行的。在计算距离时，可以选择设备的中心点之间的距 离( c 1 ) ，更精确的做法是计算两台设备物流i o 点之间的距离。 2 3 2 单元化布局的约束 布局求解过程是对问题不断细化求精的层次迭代过程。在设计初期，设计的需求说明可 通过一系列的约束来表示；在概念设计阶段，约束被转化为一些建立在基本设计概念下的约 束：在详细设计阶段，这些约束被转化为更加详细的约束并通过约束求解来获得布局设计方 案。当问题无解时，设计者可放松或放弃某些约束来重新进行设计由此可见约束在布局 问题求解过程中起着非常重要的作用；布局问韪的求解过程，其本质就是约束的处理和使用 约束主要分为如下几类“”： 目标约束，即布局目标，是对布局方案好坏评价的依据 模式约束，是对布局模式的约束，包括布局物体之间的摆放顺序、位置，布局物体的数 量及组合方式，布局容器的数量等关系的限定。模式约束既可以是硬约束也可以是软约束。 例如两个设备放入车间的前后顺序由于工艺要求必须符合要求就属于这类约束。这类约束关 系可以细分为包含、依赖和互存。 形状约束，对布局容器、布局物体形状的约束，因为不规则物体的布局问题会增加布局 问题的复杂性。通常车间布局中的布局容器和布局物体的形状为矩形。通常的形状约束为硬 约束。 尺寸约束对布局物体和布局容器具体大小的限定，即车间大小和设备尺寸的约束，为 硬约束。 几何约束，形状约束和尺寸约束的组合例如在车间布局中各设备形状相同，尺寸不同 的摆放；以及点对点摆放中各设备尺寸由于工作区域划分考虑为相同的组合方式。 位置约束，是对布局物体之间相对位置关系和相对于布局容器位置关系的限定。有些布 局物体的位置由于支撑或其他原因必须同定，就是一个硬约束。而两物体由于工艺要求应尽 1 0 第二章单元化制造系统布局模式的研究 量远离就属于软约束。 特性约束，由于布局问题本身属性所产生的约束。 派生约束，由其它约束产生的约束。 导向约束，在启发式算法中描述的求解策略和数值方法的约束。 一个布局设计不可能涵盖所有的这些目标和约束，通常的解决问题的模型是在约束框架 下求得一个主要的目标函数的优化解。 2 4 制造元设计 单元化制造系统中，将机器和零部件组成制造单元的过程称为制造元设计( m u 舭t u r i n g d e s i g n ，简称m c d ) 。制造元设计是单元制造系统设计的基础，在过去的二十年中产生了 许多方法解决这个问题，下面详细描述几种典型方法“” 2 4 1 聚类算法 聚类算法是根据输入数据相关的计算相似性、距离函数或者产品等级，按照一定的规则 将它们分开例如，相似系数法( s i m i l a r i t yc o e f f i c i e n tm e t h o d s ) 利用每对物体的相似系数和 某个指定的阈值把他们组合成一些单元。该阈值是两个或两个以上的串结合在一起的相似水 平机器，j 间的相似系数为= 丙了蒜其中，分别表示访问机器，j 以及共同访问机器f ，的零部件数量。 m c a u l e y 首先使用单一链聚类分析( s l c a ) 方法，这种分析方法基于相似系数组合零 部件和机器。这种系数定义为：访问两台机器中任何一台机器的零部件数量除以共同访问两 台机器的零部件数量。此后，s e i f o d d i n i 和w o l f e ，g u p t a 和s e i f o d d i n i 提出了修改和改进的相 似系数计算方法。这些方法为用于提供分层次的解决方案，以便从中选择晟好的解决方案。 2 4 2 基于数组的方法 基于数组的方法( a r r a y b a s e dm e t h o d ) 将零部件和机器关联矩阵作为输入，重复地重新 排列矩阵的行和列，以形成最终的组合。m c c o r m i c k 等人提出一个基于二次指派问题的成组 方法，称之为连接能量算法( b o n de n e r g ya l g o r i t h m ) 。联结能量定义为关联矩阵中任何两个 邻近元素间的键力总和，目标是使矩阵的联结能量最大化，如果存在的话，就产生一个块对 角矩阵。b h a t 和h a u p t 扩展了联结能量模型来提高该方法的计算效率。 k i n g 提出了一种基于数组的秩捧列聚类法( r o c ) ，这种方法可以描述如下： 第一步：对关联矩阵的每行每列赋予二元权重 第一步：将关联矩阵每行每列的二元权重转化为等价的十进制值 第三步：交替地重新排列行和列以减少数量级直到形成晟好地机器和零部件的分组。 k i n g 和n a k o m c h a i 提出了一种扩展的秩排列聚类法用于解决大规模地问题。随后，c h a r t 和m i l n e r ，c h a n d r a k h a r a a 和r a j a g o p a l a n ，k u s i a k 和c h o w 也对秩排序聚类法进行了一些改 东南大学硕士学位论文 进。 基于数组的方法是一