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上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车问布局设计与仿真 发动机厂车间布局设计与仿真 摘要 车间布局设计是制造系统设计的重要内容之一，车间布局的优劣直接决定着产品 质量、生产率和经济效益。论文阐述了设施布局设计的基本原则、理论及方法。结合 加工工艺设计加工流水线，根据工厂生产纲领，计算出生产节拍、设备数量，分析加 工产品的机械加工工艺，合理分配加工步骤，使流水生产线平衡。设计车间布局以及 车间物流系统，介绍了生产物流的仓储系统、运输系统等。根据实际的厂房结构与生 产线特点，设计生产线布局与仓储、运输系统等物流系统。基于0 p e n g l 技术，开发 车间布局三维仿真系统，运用本仿真系统，模拟出生产加工车间设备布局、车间物流， 便于管理生产设备，在此基础上，结合机械加工仿真系统，实现生产车问仿真系统的 集成。 关键词：车间布局，流水生产线，物流系统，仿真，o p e n g l 技术 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 l a y o u td e s i g na n ds i m u l a t i o no fe n g i n ew o r k s h o p a b s t r a c t t h ed e s i g no fw o r k s h o pl a y o u ti so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n ti nt h ed e s i g no f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n dag o o dw o r k s h o pl a y o u to rn o td e c i d e dd i r e c t l yt h e p r o d u c t sq u a l i t y , t h ep r o d u c t i v i t ya n dt h ee c o n o m ye f f i c i e n c y t h i sp a p e re x p a t i a t e s t h eb a s i cp d n c i p l e ，t h e o r ya n dm e t h o do ft h ef a c i l i t yl a y o u td e s i g n c o m b i n i n g w n ht h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n da c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o np r o g r a mo fe n g i n e f a c t o r yt h ef l o wl i n e sa r ed e s i g n e d p r o d u c tt i m ea n dq u a n t i t yo fm a c h i n e si sp l a n e d t h i sp a p e ra n a l y s e st h em a n u f a c t u d n gp r o c e s s e s ，t h e nd i s t r i b u t e sm a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e st om a k es u r et h a tt h ef l o wi i n ec a nb eb a l a n c e d t h es t o r a g es y s t e m a n dc o n v e y a n c es y s t e ma n dt h eo t h e rp r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m sa r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef r a m eo fw o r k s h o pa n dt h ef l o wl i n e s ，t h ef l o wl i n e sa n ds t o r a g e s y s t e ma n dc o n v e y a n c es y s t e ma r ed e s i g n e d b a s e do no p e n g lt e c h n o l o g y , w e d e v e l o pt h e3 dw o r k s h o pl a y o u ts i m u l a t i o ns y s t e m u s i n gt h i ss y s t e m t h e w o r k s h o pl a y o u ta n dt h es i t u a t i o no ft h ew o r k s h o pl o g i s t i c sc a nb es i m u l a t e da n d m a n u f a c t u d n gs i m u l a t i o na n d c a nb ei n t e g r a t e di n t ot h i ss y s t e m y a n gz a i l o n g ( m e c h a n i c a ld e s i g na n d t h e o r y ) s u p e r v i s o r ：m aj i e k e yw o r d s ：w o r k s h o pl a y o u t ，f l o wl i n e ，l o g i s t i c ss y s t e m ，s i m u l a t i o n ， o p e n g lt e c h n o l o g y 论文独创性声明 本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。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：妣日期：剐，必 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 1 1 车间布局的意义 第一章绪论 1 1 1 车间布局的定义 车间布局是在满足必要约束的前提下，将指定设备合理地摆放在指定布局空 间中，从而达到某种最优指标的设计话动”，。 对于制造企业的车间布局规划，应该包含下列含义阁： ( 1 ) 、对于各种设施设备与人员的数量需求寻得一组最佳组合，以达到最恰 当的生产结构。 ( 2 ) 、决定各种设备( 包括生产设备、物料搬运设备、存取设备、辅助设备 等) 、物料及人员操作与活动所需的空间需求。 ( 3 ) 、分析各活动的关系，以求得各活动空间的相关位置。 ( 4 ) 、分析物料的接收、制造、储存、出货等整体过程，安排其流程、路径 与时序，以期获得良好的物料搬运及人员流通成效。 ( 5 ) 、调整各活动位置与空间，以使人员、物料、机器等获得最有效经济 的位置关系与操作方法。 ( 6 ) 、通过各项设施的妥善安排与规划，不仅减少对环境的负面影响，且能 对长期的环境与组织发展有更积极的影响和效益。 1 1 2 车间布局的实体 ( 1 ) 、厂房( 车间) ： 一生产车间是制造系统的基本组成部分，直接承担着企业的加工、装配任务， 是将原材料转化为产品的部门。所谓车间布置就是按照一定的原则，合理地确定 车问内部各组成单位( 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。车间布置一般包括：基本生产 部分、辅助生产部分、仓库部分、过道部分、车间管理部分、生活福利部分等【3 l 。 ( 2 ) 、机器设备 设备是企业进行生产的基本单元，合理的设备布局对均衡设备能力，保持物 流平衡、降低生产成本起着至关重要的作用。研究表明：大约2 0 - 5 0 的加工 费用用于物料运输，而合理的设备布局至少能节约1 0 铲3 0 9 6 的物料运输费用1 4 】。 设备布局是指按照一定的原则，在设备和车间内部空间面积的约束下，对车间内 各组成单元、工作地以及生产设备进行合理的布置，使它们之间的生产配合关系 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 最优，物料运送代价最小。制造系统的布局设计方法可分为两类：图论法和定量 分析法。图论法是基于对输入数据及对生产活动的作用及其关系的理解，进行材 料流及活动关系分析，形成空间关系图。然后再根据实际可用的面积做出几种布 局方案，进行评价择优。定量方法中基本的目标函数是车间内零部件物流量与运 输距离的乘积最小，以减少物流搬运费用。 ( 3 ) 、物品物料： 对于生产企业来说，物品物料时车问规划中必须要考虑的重要部分。在生产 系统中，规划布局时要对物料的形状特征、移动路线移动方式、移动量等因素加 以分析，避免物与物、物与人、物与设备之间的干涉碰撞。在生产车间中，只有 做到物流畅通，才能保证生产的顺利进行。 ( 4 ) 、工作人员： 工作人员是生产活动中起主导作用的一环。现代自动化生产系统是由人和设 备构成，人是管理者和控制者。在生产系统中人和机器必须能够充分发挥各自作 用，就需要给人员提供一个安全、可靠、健康、舒适的环境，最大限度发挥人员 的主导作用。 1 1 3 车间布局的目标 车间布置的目标一般分为两大类，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。 1 、以提高工作效率为导向的目标：该目标主要是为了高效率的完成生产任 务，它包括： ( 1 ) 使物料的运输成本最小，它要求运输路线尽可能短、尽量增大生产的 连续性，减少装卸，防止物料被堵塞、延误。 ( 2 ) 使空间、设备、人员等资源的利用率提高，有助于降低成本、增加利 润。 ( 3 ) 使系统具有尽可有能大的应变能力，表现在扩展余地、高柔性等方面。 2 、以鼓舞士气为导向的目标：该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，它包括1 5 1 ： ( 1 ) 增强生产安全性：包括采取各种安全措施，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旌，防噪、防震及有害气体、污染物的处 理等。 ( 2 ) 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，加深工作中的独立性、责任性 的心理体验。 2 上海海事人学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 1 1 4 车间布局的形式 制造工厂一般按照工作流形式分类可以分为四类基本形式：产品原则布置、 工艺原则布置、成组原则布置和定位布置咧。 ( 1 ) 、产品原则布置( p r o d u c tl a y o u t ) 根据产品制造的步骤安排各组成部 分。从理论上看，流程是一条从原料投入到成品完工位置的路线。固定制造某种 部件或某种产品的封闭车间，其设备、人员按加工或装配的工艺过程顺序布置， 形成一定的生产线，适用于少品种、大批量的生产方式。图1 1 为产品原则布置 示意图。表1 1 为产品原则布置优缺点。 在接下来的第二章，本文将详细论述这种布置方式。 _ 竺竺厂i 竺堡 _ 一 j 7 悃一 丽。田 图1 1 产品原则布置示意图 产品原则布置 优点缺点 l 、由于布置符合工艺过程，物流顺l 、设备发生故障时将引起整个生产线 畅中断 2 、由于上下供需衔接，存放量少2 、产品设计变化将引起布置的重大调 3 、生产周期短整 4 、物料搬运工作量少3 、生产线速度取决于最慢的机器 5 、可做到作业专业化，对工人的技4 、相对投资较大，因为在生产线上游 能要求不高，易于培训的机器负荷不满 6 、生产计划简单，易于控制5 、生产线上重复作业，易使工人感觉 7 、可使用专用设备和机械化、自动单调乏味，产生厌倦 化搬运方法6 、维修和保养费用高 表1 1 产品原则布置的优缺点 ( 2 ) 、工艺原则布置( p r o c e s sl a y o u t ) 又称机群布置，同类设备和人员 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 集中布置在一个地方的布置形式。如按车床组、磨床组等分区，各类机床组之间 也保持一定顺序，按照大多数零件的加工路线来排列。适用于多品种小批量的生 产方式。图1 2 为工艺原则布置示意图。表i 2 为工艺原则布置优缺点。 图1 2 工艺原则布置示意 工艺布置原则 优点缺点 l 、机器利用率高，可减少设备数量1 、由于流程较长，搬运路线不确定， 2 、可采用吊用设备费用高 3 、设备和人员的柔性程度提高，更改2 、生产计划与控制较复杂 产品品种和数量方便 3 、生产周期长 4 、设备投资相对较少4 、库存量相对大 5 、操作人员作业多样化，有利于提高5 、由于操作人员从事多种作业，需要 工作的兴趣和职业满足感较高的技术等级 表1 2 工艺布置原则优缺点 ( 3 ) 、成组原则布置( g r o u pl a y o u t ) 这是实施成组加工的布置形势，介 于产品原则布置和工艺原则布置之间。适应于中小批量生产。其布置示意图和优 缺点见图1 3 和表1 3 。 4 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 图1 3 成组原则布置示意图 成组原则布置 优点缺点 1 、由于产品成组，设备利用率较高1 、需要较高的生产控制水平以平衡各 2 、流程通顺，运输距离较短，搬运量单元之间的生产流程 少2 、如果单元之间流程不平衡，需要中 3 、有利于发挥班组合作精神间储存，增加了单元之间的物料搬 4 、有利于扩大工人的作业技能 运 5 、兼有产品原则布置和工艺原则布簧3 、班组成员需要掌握所有作业的技能 得优点4 、减少了使用专用设备的机会 5 、兼有产品原则布置和工艺原则布置 得缺点 表1 3 成组原则布置优缺点 ( 4 ) 、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。如飞机制造厂、造船厂就是这种布局 方式。其布置示意图和优缺点见图1 4 和表】4 。 图1 4 固定工位布置示意图 5 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 固定工位布置 优点 缺点 1 、物料移动少1 、人员和设备的移动增加 2 、当采用班组方式时，可提高作业连2 、设备需要重复配备 续性3 、需要较高的工人技能 3 、提高质量，因为班组可以完成全部4 、会增加面积和工序间储存 作业5 、生产计划需要加强控制和协调 4 、高度柔性，可适应产品和产量的变 化 表1 ，4 固定工位布置优缺点 1 1 5 车间布局的要素 做好布置设计，要考虑众多因素。影响布局设计的最基本要素是产品、数量、 生产路线、辅助服务部门、时间。这五项基本要素是设施其他特征或条件的基础， 是设施布置必不可少的基础材料。为了便于记忆，相应地用5 个英文字母来表示： p ( p r o d u c t ) 、q ( q u a n t i t y ) 、r ( r o u t e ) 、s ( s u p p o r t i n gs e r v i c e ) 、t ( t i m e ) f 7 l 。 ( 1 ) 、p ( 产品) 指规划设计系统所产生的产品、原材料、加工的零件、成品或提供服务的项 目。这些资料由生产纲领( 工厂的和车间的) 和产品设计提供，包括项目、种类、 型号、零件号、材料等。产品的这一要素影响着设施的组成及其相互关系、设备 的类型、物料搬运的方式等。 ( 2 ) 、q ( 数量) 指所生产、供应或使用的商品量或服务的工作量。其资料由生产统计和产品 设计提供，用数量、重量、体积或销售的价值表示。数量这一要素影响着设施规 模、设备数量、运输量、建筑物面积等因素。 ( 3 ) 、r ( 生产路线) 这一要素是工艺过程设计的结果，可用设备表、工艺路线卡、工艺过程图等 表示。它影响着个作业单位之间的关系、物料搬运路线、仓库及堆放地的位置等。 ( 4 ) s ( 辅助服务部门) 指公用、辅助、服务部门。包括工具、维修、动力、收货、发运、铁路专用 线、办公室、卫生站、更衣室、食堂、厕所等，由有关专业设计人员提供。这些 部门是生产的支持系统，在某种意义上加强了生产能力。有时候，辅助服务部门 的总面积可能大于生产部门所占的面积，必须给与足够重视。 ( 5 ) t ( 时间) 6 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车问布局设计与仿真 指在什么时候、用多长时间生产出产品，包括各工序的操作时间、更换批量 的次数。在工艺过程设计中，根据时间因素可以求出设备的数量、需要的面积和 人员，并平衡各工序的生产能力。 要完成布置设计，还必须在掌握5 项基本要素的基础上，收集和分析其他有 关因素，包括城市规划、外部协作条件、交通运输条件、地质水文条件、自然条 件以及职业安全和卫生、消防、环境保护、建筑、道路、通道等方面的技术规范、 规程和标准等。 1 1 6 车间布局的原则 ( 1 ) 、确保设备布置形式合理 根据车间的生产纲领，分析产品一产量关系，确定生产类型( 大量生产，成 批生产，还是单件生产) ，由生产类型确定恰当的设备布置形式( 流水线式，成 组单元式，还是机群式) 。 ( 2 ) 、确保车间其他组成部分位置合理 车间布置时，除了给主要生产设备外，还需要给其他组成部分( 在翎品暂 存地、检验试验地、工人工作地、通道、辅助设施如办公室等) 安排合理的位置。 ( 3 ) 、确保工艺流程要求满足 车间布置应保证工艺流程顺畅、物料搬运方便，避免或减少物流往返交叉 现象。 ( 4 ) 、确保建筑形式合理 根据工艺流程的要求和产品的特点，选择恰当的生产加工设备，并进一步 确定建筑物的尺寸和形状。 此外，还需考虑通风、照明、防尘、防噪等要求，并使布置具有适当的柔性， 有利于生产的扩大和设备的补充，以适应生产变化的要求。 1 2 车间布局的发展现状 设施的布局设计己不是新问题，即使在原始的小作坊里，工匠们也要根据工 序流程和物件移动的需要来合理布置他们的工作间。随着生产复杂性和生产规模 的目益增强和扩大，各种布局方案应运而生，如工程布局，功能布局，作业线布 局等方案。m u t h e r 提出了系统布置方案s l p ! 川( s y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n g ) 。 由于设备布局设计问题的复杂性及其实用性，从六十年代开始，有学者着手研究 计算机辅助设计问题。随后产生了一系列计算机辅助布局设计和分析的商用软件 包，如c o r e l a p ，p l a n e t ，s h a p e ，c r a f t 等，它们在布局设计建模、布局求解 7 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 算法及系统交互式等方面做出了卓有成效的工作。k u s i a k 和m e l l e 等人对制造 设备布局问题进行了全面的回顾并着重研究了柔性制造系统( f m s ) 环境下的布局 设计捌【1 0 1 。b a d i r u a 和a r i f 开发了一个设备专家布局系统，并在其中采用模糊 逻辑方法来实现关系代码，以反映未来生产设备需求的不精确性1 1 1 j 。m o n t r e u i l 提出了基于人工智能、优化、仿真和c a d 于一体的集成的布局方案，在此基础上。 迸一步对基于物流的布局问题提出了并行布置和网络布置的设计方法。 1 2 1 设施布置的定量分析方法 进行设施布置，通常有以下几个基本步骤：首先，搜集相关信息和数据， 如各生产单元所需空间的大小、各个单元之间的相互关系以及其他约束条件；然 后，做出初步的平面布置方案，并用定量分析方法进行评价；最后，综合分析， 制定最终的布置方案。下面对设施布置的定量方法做一简单介绍。 l ，作业相关图法 作业相关图i 馏( r e lc h a r t ，r e l 是r e l a t i o n s h i p 的缩写) 是由穆德提出的， 它定性描述单元之间相对位置的重要性。首先，它将相对位置的重要性分成 a ( a b s o l u t e l yn e c e s s a r y ) 、e ( e s p e c i a ll yi m p o r t a n t ) 、i ( i m p o r t a n t ) 、 0 ( o r d i n a r yc l o s e n e s s ) 、u ( u n i m p o r t a n t ) 、x ( u n d e s i r a b l e ) 六个等级，其含义 见表1 5 ： 代号密切程度代号密切程度 a绝对重要o 一般 e特别重要u不重要 i重要 x 不予考虑 表1 5 作业单位相互关系分类及代号 作业相关图可以把诸如物料搬运、柔性、工作环境等多个因素考虑进去，给 出个综合的相关重要性的度量。有时为了便于不同方案之间的比较，或者需要 用计算机辅助计算时，可以通过赋值，把代号转化成数字，如给a 、e 、i 、0 、u 、 x 六个等级分别赋值6 、5 、4 、3 、2 、0 。其中x 赋值为0 ，表示二者关系不予考 虑。这些数值用来计算生产单位的关系密切程度积分。 2 、从至表法 物料从至表法1 1 司是一种常用的设施布置方法。它给出每两个单元之间的物 料运输情况，可以是搬运的次数、重量、距离或单位成本等，这些数据通过历史 记录估计、预测、或参考现场管理人员的意见而获得。通过物料从至表，可以直 观地看到某些单元之间的运输成本很高，据此调整设施布置，使得总运输成本降 3 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 低，从而获得满意的设施布置方案。这种方法适用于多品种、小批量生产。 3 、系统化布置设计方法 理查德缪瑟( r i c h a r dm u t h e r ) 于1 9 3 7 年提出了系统化布置方法 ( s y s t e m a t i cl a y o u tp l a n n i n g ，s l p ) i 州，该方法的提出了使设施布置由原来 的定性阶段发展到定量阶段。采用s l p 法进行布置的首要工作是对各作业间的相 互关系做出分析( 物流和非物流的相互关系) ，然后根据各作业间的相互关系密切 程度，确定作业之间距离的远近，安排各作业单元的位置。结合实际的约束条件 对布置方案进行逐步的调整，通过对调整后的布局方案进行定量的分析，在各个 方案都己证明是合理、可行的情况下，从经济角度对方案进行比较择优。 j 2 2 计算机辅助设施布置 计算机的广泛运用，使得解决一些复杂设施布置问题成为可能。目前，应用 于设旌布置方面的计算机程序很多，在此仅介绍处理定量化标准问题的c r a f t 和处理定性化标准问题的a l d e p l “。 ( 1 ) 、c r a f t ( c o m p u t e r i z e d r e l a t i v ea l l o c a t i o no ff a c i l i t i e st e c h n i q u e ) 是1 9 6 3 年由阿默( a r m o u r ) 和布法( b u f f a ) 首先开发，后由雷凡、阿默、和沃 尔曼改进的一种计算机设施布置程序。它以物流成本最小化为原则，通过迭代方 法进行运算。其规则为：每次互换两个单元的位置，判断物流成本是否降低了， 如果是，则确定下来，继续进行下一步迭代，直到所得的布置方案的物流成本不 能再降低为止。c r a f t 最多可解决4 0 个车问的布置问题，不超过l o 次迭代就能 得到最终结果。c r a f t 已被实际应用于大量不同的设施布置问题，如飞机厂、汽 车公司、生产厂、医院的布置改进等。 ( 2 ) a l d e p ( a u t o m a t e dl a y o u td e s i g np r o g r a m ) 是1 9 6 7 年i b m 公司开发的， 有斯豪夫( s e e h o f ) 和埃文斯( e v a n s ) 最初描述的自动化布置设计程序。a l d e p 程序只处理定性化标准布置问题。其步骤为：输入单元间的关系矩阵( 如作业 相关图等) ；随机选择一个单元，并将与其关系最密切的第二个单元布置在最 靠近它的位置；在第二个单元旁边布置与其关系最密切的第三个单元；依此 类推，直到确定所有单元的位置。a l d e p 程序可以用于处理多达6 3 个部门的三 层建筑的设旄布置闯题。 1 2 3 车间布局的数学优化方法 l 、遗传算法 遗传算法【( g e n e t i ca l g o r i t h m ，缩写为g a ) 是一种有效的解决最优化 问题的方法。它最先是由j o h nh o l l a n d 于1 9 7 5 年提出的。从那以后，它逐渐发 展成为一种通过模拟自然进化过程解决最优化问题的计算模型。 9 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 利用遗传算法解最优化问题，首先应对可行域中的点进行编码( 一般采用 二进制编码) ，然后在可行域中随机挑选一些编码组成作为进化起点的第一代编 码组，并计算每个解的目标函数值，也就是编码的适应度。接着就像自然界中一 样，利用选择机制从编码组中随机挑选编码作为繁殖过程前的编码样本。选择机 制应保证适应度较高的解能够保留较多的样本；而适应度较低的解则保留较少的 样本，甚至被淘汰。在接下去的繁殖过程中，遗传算法提供了交叉和变异两种算 子对挑选后的样本进行交换。交叉算子交换随机挑选的两个编码的某些位，变异 算子则直接对一个编码中的随机挑选的某一位进行反转。这样通过选择和繁殖就 产生了下一代编码组。重复上述选择和繁殖过程，直到结束条件得到满足为止。 进化过程最后一代中的最优解就是用遗传算法解最优化问题所得到的最终结果。 2 、退火算法 模拟退火算法1 17 l 来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐 冷却，加温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子 渐趋有序，在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。 根据m e t r o p o l i s 准则，粒子在温度t 时趋于平衡的概率为e ae ( k t ) ，其中e 为温度t 时的内能，e 为其改变量，k 为b o l t z m a n n 常数。用固体退火模拟组 合优化问题，将内能e 模拟为目标函数值f ，温度t 演化成控制参数t ，即得到 解组合优化问题的模拟退火算法：由初始解i 和控制参数初值t 开始，对当前解 重复“产生新解一计算目标函数差一接受或舍弃”的迭代，并逐步衰减t 值，算 法终止时的当前解即为所得近似最优解，这是基于蒙特卡罗迭代求解法的一种启 发式随机搜索过程。退火过程由冷却进度表( c o o l i n gs c h e d u l e ) 控制，包括控制 参数的初值t 及其衰减因子t 、每个t 值时的迭代次数l 和停止条件s 。 1 3 本课题的研究思路 本课题是上海海事大学物流研究中心与某汽车制造有限公司发动机厂合作 的机械仿真项目的一部分。要求对机械加工过程做出模拟仿真，避免在实际应用 中浪费入力和物力。在虚拟的环境中模拟出实际的效果，可以预计出实际的状况， 避免重复劳动，还能避免一些不能挽回的损失。 1 3 1 项目课题要求 本项目是在参考原有加工车间的基础上，对加工厂房进行全新的布局设计， 在设计中要满足以下： 1 、要求有利于车间生产的顺利进行和生产技术的提高 l o 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 ( 1 ) 、单一流向原则：工件流动方向应该符合工艺路线，始终沿着单一方向 流动，尽量避免交叉或倒流的现象； ( 2 ) 、物料搬运距离最短原则：所有产品和材料的移动都应当是必要的和直 接的，应该尽量使搬运材料的距离达到最短。避免不必要的中转和储存，在一个 地点搬运到下一个地点时应尽量不在中问位置作长时间的停留和储存； ( 3 ) 、尽量减少装卸次数原则：尽量减少装卸次数，可以利用工序集中的方 法减少装卸次数，应尽量避免不必要的装卸； ( 4 ) 进出方便原则：摆放设备时应注意为设备维修、工人操作、物料的搬 运等留出足够的空间，设备不应太靠近墙壁或者电源设备，摆放设备还应充分考 虑到生产安全的因素； ( 5 ) 、灵活性原则：车间布置的对象不是静止的，而是处于动态之中，处于 发展变化之中。当引进先进设备或者产品的工艺结构发生改变时，设备布局就要 作相应的调整。 2 、有利于加强车间管理： ( 1 ) 、协调配合原则：车间设备布置应便于各个工作地点之间的协调配合。 多个工作地的共用设备应摆放在这些工作地的交界处，使生产能够顺利进行； ( 2 ) 、物流路线畅通原则：布置时应当明确流通路线，如果可能，应清楚地 加以标明。车间的运输通道不能用来存放工件； ( 3 ) 、可见性原则：所有的人员和材料应当安排在明处，大家都看得到的地 方。 3 、要保证生产安全和职工的身心健康。 ( 1 ) 保证生产安全原则：为了保护国家财产，在进行设备布局时，应当作好 放火、防潮、防止设备碰撞等的保护设施。为了保证职工的人身安全，应该正确 安装设备、电缆线等，不应使操作人员招致危险。此外，对过路人的安全也应该 加以关心，过路人可能需要在设备的后面走过，所以设备后面的安全一定要注意。 工厂应当提供充分的医疗设施和及时的服务。 ( 2 ) 良好的环境：为了保证车间中的良好环境，设备布置必须认真考虑切 屑、粉尘、噪音、振动等的处理。 1 3 2 本论文的思路与构架 因为本文依托项目是解决实际生产中的问题，并且生产车间是以流水线形 势，加工比较固定单一的产品。我们在安排车阃设备布局时，对具体的产品加工 流程进行分析，从加工工艺、加工工件物流以及实现车间虚拟仿真的仿真系统几 方面来考虑整个布局流程。 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 l 、重点对某款发动机缸盖的工艺流程进行详细分析，安排控制每道工序的 节拍，做到节拍控制最优。发动机缸盖在外形上具有许多相似性，可以按照成组 技术，找出各款发动机的异同点，进行归纳和总结。经过加工工艺分析，能够找 出节拍平衡，根据加工纲领合理配置机械加工设备以及各种辅助设备。 2 、运用物流系统设计方法理论设计机加工车间和装配车间。机加工车间和 装配车间的布置均需要参考旧厂房的方案，我们在做新的布局方案的时候，要充 分继承原有的布局优点，并且改进原有不合理的地方，这样，既可以节省大量的 人力物力，又能达到技术进步的目的。 3 、利用我们薪开发的布局仿真软件，对车间进行虚拟仿真。基于o p e n g l 技术，利用三维造型工具，做出真实厂房的虚拟效果，模拟出加工过程、物料流 肉。对设备设定安全位置与工艺位置，在系统中检测设备与设备、设备与厂房、 工件与夹具、设备与人员等要素之间是否干涉，检测各要素的位置是否满足安全 距离。实现虚拟现实，模拟车间实际运行状态，将大大提高实际车间的布局与调 整效率。 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 第二章发动机缸盖力u - r - 流水生产线的设计 2 1 生产组织形式 企业在组织生产过程时，必须根据自身的特点来进行，才能做到合理性和有 效性。工艺性质不同的企业，其生产过程及生产过程组织的形式和方法是各不相 同的。不同企业在生产技术的各个特点中，一个重要特点就是生产类型。不同生 产类型的企业，其生产过程的组织形式和方法是不一样的1 1 研。 生产类型是用来表明工作地专业化程度的标志。工作地专业化程度是按照工 作地负担工序数目的多少来判断的。工作地负担的工序越少，工作地专业化程度 就越高；相反，工作地负担的工序越多，则工作地专业化程度就越低。工作地的 类型一般可分为三大类：大量生产、成批生产和单件生产。 不同的生产类型，工作地专业化程度不一样，所以，对企业的管理工作、生 产过程组织工作以及生产活动的经济效果都有很大的影响。一般来说，在大量、 大批生产条件下，由于工作地专业化程度高、产品品种少、生产过程比较稳定， 因而在工艺技术方面可以采用专用设备和专用工具，并可使管理工作做得细致精 确；在生产过程组织方面，便于采用流水线生产的形式组织生产；在计划方面， 可以做比较精确的安排；在劳动组织方面，可以进行细致的分工，有利于提高工 人的技术熟练程度1 1 川。 汽车发动机缸盖和缸体的机加工线产品比较单一，所用设备专业化程度非常 高，加工自动化程度也非常高，适合组织成批大量生产的生产类型。并且，在生 产组织上，是以采用流水线的组织形式。 2 1 1 流水生产线的特征 流水线1 2 0 1 是一种先进的生产组织形式。它是按照产品( 零部件) 生产的工 艺顺序排列工作地，使产品( 零部件) 按照一定的速度，连续地和有节奏地经过 各个工作地依次加工，直到生成成品。这种生产形式一般具有以下特征： ( 1 ) 工作地专业化程度高。在流水线上固定地生产一种或几种制品，每个 工作地固定地完成一道或几道工序； ( 2 ) 工艺过程是封闭的，工作地按工艺顺序排列。劳动对象在工序间作单 向移动； ( 3 ) 每道工序的工作地数量同各道工序的加工时间比例相一致： ( 4 ) 每道工序都按统一的节拍进行生产。所谓节拍是指相邻两件制品产出 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 的间隔时间。 流水线的上述特征，决定了它有以下优点： ( 1 ) 整个生产线过程平行连续，协调均衡： ( 2 ) 有利于机械设备和人力的充分利用； ( 3 ) 最大限度缩短生产周期； ( 4 ) 缩短运输路线，工序间的在制品数量很少； ( 5 ) 由于工作地专业化程度高，能采用专用设备、工具，有利于提高劳动生 产率。 2 1 2 流水线生产的形式 流水线的具体形式多种多样，可按不同标志予以分类。 ( 1 ) 按生产对象是否移动，可分为固定流水生产线和移动流水生产线。前 者指生产对象固定，工人携带工具顺序地对生产对象进行加工；后者指工人和设 备的位置固定，生产对象顺序经过各道工序的工作地进行加工。 ( 2 ) 按在一条流水线上生产品种数量的多少，可分为单一品种流水生产线 和多品种流水生产线。前者指固定地生产一种制品；后者生产两种或两种以上的 制品。 ( 3 ) 按生产连续程度，可分为连续流水生产线和间断流水生产线。前者是 制品在一道工序上加工完毕后，立即转到下一工序上继续加工；后者是制品完成 一道工序或几道工序后，在下道工序开始前，存在停放等待时间，使生产过程有 一定时间的中断。生产间断的原因，主要是由于流水生产线上各道工序的加工时 间不相等或不成倍比关系。 ( 4 ) 按实现节奏的方式，可分为强制节拍流水生产线和自由节拍流水生产 线。前者是准确地按节拍生产制品的流水生产线，它靠机械化运输装置来保证固 定的节拍。在自由节拍流水生产线上，不要求严格按照节拍生产制品，节拍主要 靠工人的熟练程度以及责任心来保证的，因而生产过程可能产生波动。 ( 5 ) 按机械化程度，可分为手工、机械化、和自动化三种流水生产线。手 工流水生产线一般用于装配：机械化流水生产线的工件传输采用机械自动方式， 工序( 含工位) 也匹配适量机械装置，其效率高，运用最广；自动流水生产线是 流水生产线的最高形式，其加工或装配主要采用自动形式进行。 ( 6 ) 按运输设备种类，可分为无专用运输设备的流水生产线、具有非机动 专用运输设备的流水生产线和机械化运输设备的流水生产线。 以上流水生产线的分类归纳为下图1 2 1 i ，见图2 1 ： 1 4 上海海事人学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 图2 1 流水线的分类 2 1 3 组织流水生产线的条件1 2 2 1 l 、产品的结构和工艺应相对稳定。在产品的结构方面，要能反映现代化科 学技术成就并基本定型，有良好的工艺性和互换性，以保证加工时间的稳定。在 工艺方面，要求工艺规程能稳定地保证产品质量，采用先进的经济合理的工艺方 法、设备和工具。产品的结构和工艺的先进性是稳定性的前提。产品结构和工艺 落后，很快被淘汰，所组成的流水生产线也会随之淘汰，造成浪费。 2 、制品要有足够大的产量。以保证流水线各工作地有充分的负荷。般地 说，组织流水生产线的产量应该是： t q 丝 。t 式中：q 为年产量( 件年) 或计划期产量；效为多数工作地一年( 计划期) 内有效时间( 分年) ；t 为多数工序的工时定额( 分1 牛) 。 3 、制品加工的各工序能细分和合并，各工序的时间定额应与流水线节拍相 等或成倍数关系，即工序同期化。工序同期化是保证连续生产、充分利用设备和 人力的必要条件。 2 1 4 单一品种流水线生产线的设计 流水生产线设计的正确与否，对它投产以后能否顺利运行和取得良好经济效 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 益关系极大。流水线生产的设计，包括技术设计和组织设计两个方面。在研究车 间布局时，主要研究流水生产线的组织设计。组织设计的内容一般有：流水线节 拍的确定，设备需要量和负荷系数的计算，工序同期化工作；工人配备；制品传 输方式的设计：流水线的平面布置；流水生产线的工作制度和标准计划图表的制 定等倒。 1 、确定流水生产线的节拍 流水生产线的节拍是指流水生产线上连续产出两个相同制品的问隔时间。他 是流水线最重要的工作参数，是设计流水生产线的基础。 流水生产线节拍的计算公式为： 个 r ：塑 o 式中：r 为流水生产线节拍；瓦为计划期内有效工作时间；q 为计划期制品 产量。 有效工作时间是计划生产的时间，它可以根据制度工作时间和时间有效利用 系数求得。计划制品产量包括计划产量和预计的废品率。 2 、进行工序同期化 工序同期化是使流水生产线各个工序的单件时间等于节拍或节拍的整数倍。 这是保证各工序按节拍进行工作的重要因素。 在机器作业中，实现工序同期化的方法主要有：采用更完善的设备和工具、 改进工艺方法、提高工人熟练程度以及改进劳动组织等。 3 、计算设备( 工作地) 数量和设备负荷系数 为了保证制品在流水生产线上连续移动，每道工序的设备( 工作地) 数量应 等于工序时间与流水生产线节拍之比，即： 墨= i t i 式中；l s ，为第i 道工序所需设备数；为第f 道工序的单件时间定额。 计算出的设备需要量若不是整数，则采用的设备数置；，应去接近于( 大于) 计算数s ；的整数倍。 设备负荷系数是表明设备利用程度的指标，其计算公式为 k ：兰l 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 其中：墨为第i 道工序的设备负荷系数。 工序数为m 的流水生产线的总设备负荷系数e 为： x 。= 设备负荷系数决定了流水线的连续程度。当e 值在0 7 5 以下，宜组织间断 流水生产线；当置。值在0 7 5 以上，宜组织连续流水生产线。 4 、计算工人人数 在以手工劳动为主的流水线生产线上，工人人数可按下式计算为： 霉= & g w 式中：只为第f 道工序工人人数；g 为每日工作班次；w 为第i 道工序同时工 作人数。 整条流水生产线的工人人数是所有工序工人人数之和。 在以设备加工为主的流水生产线上，工人人数可按下式计算为： p ：( 1 + 6 ) 妻孥 百，i 式中：p 为流水线工人总数；b 为考虑缺勤等因素的后备工人百分比；z 为 第i 道工序每个工人的设备看管定额。 5 、确定流水生产线节拍性质，选择运输方式和运输装置 ( 1 ) 根据流水生产线的节奏性程度确定节拍性质1 2 4 l 强制节拍：流水线工序同期化程度高，连续性好，可以严格按照节拍生产。 自由节拍：不能严格按照流水线节拍生产，节拍主要靠工人的熟练程度进 行调节，工序同期化和连续性较低。 粗略节拍：流水线工序同期化程度低，连续性差，允许有一定在制品作为 缓冲。 ( 2 ) 选择运输方式和运输装置 强制节拍：般采用传送带，如分配式传送带、连续式传送带和间歇式传 送带。其中分配式传送带适用于允许有少量在制品的流水线；连续式传送带适用 于严格按照节拍进行生产的流水线：间歇式传送带适用于工序时间长、加工精度 1 7 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 高的流水线。 自由节拍：一般采用连续式传送带、滚道、滑轨等运输装置。 粗略节拍：一般采用滑轨、手推车、叉车、吊车等传送工具。 6 、进行流水线平面布置设计 流水线应根据经工序平衡后的工序( 畲工位) 顺序安排其在流水线上的分布， 在设计具体工位时，涉及工位间距离( 一。) 的确定、预留空工位、流水线实体 占地面积的确定、，流水线所需操作平面面积和产品流动通道等内容的确定。 工位间距离( ) 确定：小制品生产的流水线工位闯距按1 2 2 m 计；中等 体积制品生产的流水线工位间距按2 4 m 计；大制品生产流水线工位间距应根据 具体制品的外形尺寸而定，如轿车装配线的工位间距可达4 6 m 。 流水线实体的占地面积根据流水线的具体宽度尺寸( 常用流水线的宽度己标 准化) 和具体的工位数及适当的放长量而得到确定。 含流水线所需操作平面面积以及人员和产品流动通道等在内的占地面积可 取( 3 5 ) 倍的流水线所需操作平面面积。 流水线的平面布置应根据各个工序的特点，充分考虑工人操作的方便性、制 品运输的距离、工作地面积的利用等因素。 流水线的布置有如下几种形式：直线式、直角式、u 形、山形、环形、s 形 等，如图2 2 。同时每一种形式的布置由分为单列式和双列式，如图2 3 。 口己 直线形直角形 u 形山形环形 s 形 图2 2 流水线的布置形式 传送带 单列布置 双列布置 图2 3 流水线的布置形式单列式、双列式 上海海事大学硕士学位论文：发动机厂车间布局设计与仿真 2 2 机加工产品的工艺分析 在发动机厂的机加工车间内，分为缸体加工线和缸盖加工线，就目前的产品 结构来讲，缸体和缸盖各有k 4 与k v 6 两个型号产品。以缸盖加工为例，两个型 号轮换加工，且两种型号发动机缸盖工艺非常相似，可以将此看作单一产品的加 工：缸盖加工的工艺相对固定，并且全采用先进加工加工中心加工，采用先进的 工艺和工具，可以保证工艺的稳定和产品质量。所以，产品结构和加工工艺的稳 定性满