工业工程单元制造论文.docx

武汉理工大学武汉理工大学课题名称 单元制造理论与方法 姓 名 李帅 院 系 机电工程学院 班 级 XXXXX1301班 指导教师 XXX 2016年05月18号Application case study of parts grouping and optimization摘要随着社会的发展,人类的消费需求呈现越来越多样化的形式，诸多企业也日益趋向于多品种、小批量的柔性生产方式。这种区别于大批量快速生产的方式给目前以流水线作业为主的企业带来许多困扰，无法适应这种生产方式的企业开始在竞争中处于劣势。本案例基于125种产品，33台设备的实际情况展开研究，通过对生产人员，设备和流程进行分析，找到问题的突破点，并应用针对多品种、小批量生产方式企业最有效的成组技术和单元生产理论展开研究。首先通过应用“生产流程分析法”和“分枝-聚类法”对该案例的产品进行成组分析并最终再聚类得到10个产品组；然后针对设备的利用情况和物流量进行分析，建立满足相应单元内设备和人员配置生产平衡的车间布局；最后，通过给定条件进行最终的成本分析与收益分析，实现利润与市场匹配后的最大化。该实际案例的研究对于柔性生产方式以及成组技术的实现具有十分重要的意义，同时对于市场上多品种、小批量生产企业也具有一定的借鉴意义。关键词：成组技术；单元生产；分枝-聚类法；系统优化目录1、案例背景简介- 4 -2、分组- 4 -2.1成组技术- 4 -2.2单元生产- 5 -2.3聚类- 5 -3、优化过程及方案比较- 6 -3.2原方案- 6 -3.2.1原方案成本分析- 7 -3.2.2原方案收益分析- 7 -3.2.3原方案方案小结- 8 -3.3优化方案- 8 -3.3.1布局优化- 9 -3.3.2员工优化- 10 -3.3.3优化方案成本分析- 10 -3.3.4优化方案总收益- 11 -3.4优化方案前后对比及小结- 11 -4、总结- 12 -5、致谢- 13 -1、案例背景简介目前伴随着人类社会化进程的进一步推进，以及各种高新技术、生产设备的诞生，人类的生产力被极大的释放出来，以往那种单一、固定的生产模式已逐渐式微，人类已经走入个性化、时尚化的消费时代。如今客户的需求呈现极大的多样化乃至个性化，并且对交期提出了更高的要求。与此同时目前市场上的大多数企业所生产加工的产品，主要以客户订制为主，属于面向订单的生产型企业。缘由客户应用的多样性，产品的种类和批次也就产生了相应差异，这就导致了公司在准备订单生产的过程中需要花费大量的时间为每一张订单编写生产工艺，确认试用的设备以及每台设备的产能情况。而有时因为排产和工艺人员的负荷过重，订单不得不长时间停留在这几个部门。在订单进入生产部门以后，因为现场已经存在大量的在制品，订单又必须在各个工位之间排队，等待加工。在生产现场，会出现各种杂乱的情况，生产过程难以管理。本文从多品种、小批量企业生产方式入手，通过应用成组技术对现有125种产品进行产品的成组研究，设计成组工艺。然后应用单元生产的理念对各成组产品进行单元设计与厂区布置。2、分组2.1成组技术成组技术的核心是成组工艺，它是把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族（组），按零件族制定工艺进行加工，从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。零件的相似性是广义的，在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性，以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性或派生相似性。成组工艺实施的步骤为：零件分类成组；制订零件的成组加工工艺；设计成组工艺装备；组织成组加工生产线。2.2单元生产单元生产是指一种精益生产方式，通过此手段，公司可以尽可能小的成本来制造出一系列的满足顾客需要的产品。在CELL化生产中，设备和厂房被以特定的顺序安排，通过这种安排，材料和零件能够以最小的搬运或延误完成流程。单元生产是精益生产方式中最主要的组成部分，精益生产方式是有利润地生产出满足顾客要求的各种产品的主要方法。精益生产方式通过减少生产中的浪费使得公司更加先进和更加有竞争力。这里指的浪费特指生产过程中额外的在成品中没有丝毫价值体现的任何部分。单元生产的名字来源于单词“CELL”，精益生产CELL由生产流程中按设备排列的人力、设备以及工作站等组成所有这些都是为了完成流程或流程的一段所要求的。譬如：如果某个特殊的产品需要在钻孔和最终完成前进行切割，CELL化就包含着完成按照此顺序安排的设备。2.3聚类设计初期采用SPSS软件进行聚类分析，参考成组技术课本内聚类分析法选取的组数，最初聚类形成十二组和十四组。经过比较分析，十二组中第一组的零件数目内含70个，超过了总零件个数125个的一半，加上另外第四组的19个零件已经几乎达到90个，而其他10组加起来仅有34个，仅占到总零件数的27.3%，聚类分组体现的意义并不十分明显；而选择十四组的聚类，发现第一组内含44个零件，第二组和第三组分别是27个和19，其他组除了空出的几个零件之外较为平均，分组意义明显，有利于设施规划布局。另外通过聚类分析的结果可以看出，由于第11组和14组所使用机床在第8组内均有使用，不需要额外添置机床，所以我们将第11组和14组归于第8组；同时将零件数目相对较少的第2组、12组、13组聚成新的一类。最终集聚成10类。3、优化过程及方案比较3.1案例预设条件此处我们先将案例给定条件罗列出：(1) The workshop has 1 shift & 8 hours per day, 250 days per year;120000min。(2) The annual overhead cost of this company is ￥100000；(3) The annual overhead cost of each machine will be ￥10000；and the cost to add a new machine will be ￥20000；(4) The annual cost of each operator will be ￥50000；(5) The profit of product which need processes less than 5 (include 5) will be ￥500, the profit of product which need processes more than 5 will be ￥1000;(6) The maximum utilization rate of each equipment is 90%;(7) The machining time in each machine is 5 min except the following machines: (C720F6; C616JC; CZJBD; X920; M115; M131W; ZSKW; YBXHJX)The machining time in these 8 machines will be 10 min.（8）Due to the enterprise to accept customer orders on the Internet, so the customer may request on one of the 125 parts, therefore, companies must be ready to process each part in advance, that is to say, the existing equipment must be able to support processing 125 parts of each parts.我们可以提炼出以下信息：1、总的有效工作时间是8*250*60*0.9=108000（分钟）；2、总成本=公司的运营成本+机床成本+员工成本；3、车间必须具备生产125种零件的能力。3.2原方案依据SPSS聚类并最终调整后，集聚的十组共需要机床89台，以此方式看，成组后每组都有相应的机床满足不同批次和种类要求的产品，综合起来能满足所有产能的需求且厂区仍有大量可用空间。对员工技能要求不高，以一人一台机床进行计算。我们将此确定为车间布局的原方案。3.2.1原方案成本分析机床成本=89*（1W+2W）=267W员工成本=89*5W=445W总成本=公司的运营成本+机床成本+员工成本=10W+267W+445W=722W；3.2.2原方案收益分析公司在已经满足了拥有所有产品生产能力的情况下，零件的生产加工分为两种，工序在五道或者五道以下的，每件产品收益是500元；工序在五道及以上的收益是1000元。关于工序时间和种类我们不妨按照以下模型计算：模型一：为了充分占领市场，尽量满足市场的多样化需求，广泛为客户提供优质且种类齐全的产品；同时满足经济性原则，最大限度减少产品成本的情况下。我们将公司生产的零件按照比例制定相应的生产计划，一道工序，两道工序，三道工序，四道工序，五道工序，六道工序，七道工序，八道工序（实际加工产品过程中工序最多包含14道，但超过八道工序的产品非常稀少，此处超过八道工序及以上我们统一按照八道工序计算）的比例8:3:2:1:1:3:1:1，也就是将108000的可用工时分为20分，其中八道工序的零件按照一定的比例进行划分确定相应的年度总加工时间。由于内含8种机床的加工时间为十分钟，总机床为33台，所以加工时间为五分钟和十分钟的机床占总数分别为25/33和8/33，以一道工序产品的加工时间计算为例：一道工序=10*8/33+5*25/33=6.22min（此处取小数点后两位，加工时间只能往前进一）；同理可得以下： 两道工序=12.43； 三道工序=18.64； 四道工序=24.85； 五道工序=31.07；六道工序=37.28； 七道工序=43.49； 八道工序=49.70。计算收益：一道工序：108000*(8/20)/6.22*500=347.27W；为了更加直观地表达出结果，这里作者制作了一张EXCEL表格方便分析：表一模型二：基于公司应对市场多品种、小批量的初始条件考虑，市场一整年自始至终完完全全需要125种零件，而且要求以案例公司的最大产量来进行生产的可能性相对较小。所以我们不妨这样假设，市场的需求是按照季度或者月份时间段来划分的，每次需要从一道工序到八道工序每类里面的三种产品，即每期总共24种产品，全年按照不同时间段几乎对所有产品都有需求,而企业在33种设备下，拥有所有产品的生产的能力。按照模型一来计算，总收益=收益*3=527.7W*3=1583.1W3.2.3原方案方案小结总利润=总收益总成本=1583.1W-722W=861.1W，这样的利润还是比较可观的，但是显而易见，初始的机床购置是按照每组产品加工所需来提供的，在实际多品种、小批量的条件下，会造成很大的机床闲置浪费；与此同时，一人一台机床制不仅会随着机床的闲置造成人员操作时间的不均衡，也会增加固定成本的投入。针对以上情况我们从两方面进行优化：其一，减少机床数量，因为在设备实际操作过程中，组间有很多机床是可以共用的，对于那些生产量不大而且设备闲置时间很长的机床，我们可以通过组间共用实现机床效率的提升，同时降低固定投入的成本；其二，通过根据合理选择单元生产的方式，减少操作人员的使用，也可以很大程度减少操作人员的成本。3.3优化方案3.3.1布局优化为了量化机床的数量参数，作者另外在此处制作了一张总表直观反映机床的使用情况。设计思路如下：将每组内包含机床的种类列出，并以不同的背景标识出机床的使用频率（下表二已经说明，黄色部分代表本组使用频率相对较高的机床，由于此处前三组总共可生产90个零件，占总零件数目的72%，后来的组数即使使用频率较高，但数量较小，而且使用相对分散，在此我们先主要针对前三组进行研究），最后统计计算出每种机床在组间的使用情况（下表二），然后根据机床的数据结构进行相应机床数目的评估，并依照机床使用频率和组间联系情况进行布局。具体见下表：表二表三为了更好地理解这个表三（由于篇幅原因，其他未表示出来的机床设备，设计机床个数均为一个），我们以C616号机床为例，使用组数为9，表明C616号机床10组聚类内包含9组使用了该机床，再对照表一，发现C616号机床在前三组里面使用频率都很高而且数量巨大，所以在布置组数里面1、2、3组里面都有布置，另外两台C616号机床在具体布置中依据组间共用关系进行布置。具体的布置方案见附件内的CAD图。由于前三组涉及的机床数目较多，而且使用频率高，为了最大限度节约整体物流量，我们优先布置前三组使用频率高的机床，实现大部分零件的生产，并且将前三组布置在厂区的中间。其他仅在一组内使用的机床我们围绕前三组进行布置。实现了125种零件全部生产的能力，并且可以根据市场需求调整产品种类和批次。3.3.2员工优化单元生产方式种包含三种生产方式，分别是屋台式、逐兔式、分割式，三种生产方式分别有其对应的优缺点。以下用表格展示出：表四 通过表三可知共有14台机床是仅处于一组内的，对于这类机床，我们可以采取屋台式的单元生产方式，可以让一个操作员处理两台机床，但是由于分组三内的FJDMX号机床和YBXHJX号机床处理零件种类多，所以我们仍按照一人一台机床处理，另外由于其他机床存在组间共用的关系，所以此时对于这类机床，我们仍按照一人操作一台机床处理，最后统计可知，单组单台机床为12台，另外还有31台，员工人数为12/2+31=37人。3.3.3优化方案成本分析依据附件中的CAD图：（1）机床成本：机床数目：43台，其中包括33类机床外，额外添置了4台C616号机床，M115号、M131W号、M1080号、X62W号、X51号、M1332号各一台机床。机床成本=43*（1W+2W）=129W；（2）员工成本：员工人数：同上述模型二中的分析可知，员工人数为37人。员工成本=37*5W=185W。（3）总成本：总成本=公司的运营成本+机床成本+员工成本=10W+129W+185W=324W。3.3.4优化方案总收益同上采取对应设置的模型，可得其总收益是1583.1W。利润=总收益总成本=1583.1W324=1259.1W.3.4优化方案前后对比及小结优化方案前后对比表：表五从上表可以看出，无论是设备台数还是员工人数均有很大幅度的优化，从数据来看，设备台数从原方案的89台优化为最后的43台，减少46台，相当于减少了一半以上的设备投入；员工人数从89人减少至37人，减少了52人，极大地减少了固定成本的投入，总计节省固定投入398W，在原方案的固定成本722W上相当于实现了超过一半的大优化。由于收益模型无论是原方案还是优化方案均是在作者自己设定的模型下进行的，本身兼顾了市场的多品种、小批量的需求和企业的经济效益的最大化。其中多品种、小批量体现在每次生产的产品仅在一道到八道工序内分别选取的三种产品；企业的经济效益最大化是通过有倾向性选择订单，导致产品不同的工时分配来实现的，比如对于一道工序即可完工的产品和六道工序完工的产品，我们优先选取此类订单，设置的权重系数分别是8/20和3/20，而四道工序和五道工序我们设置的是1/20。从总利润来看，主要由于设备、员工等的固定投入大幅度减少直接导致利润的增长，而其中又经历了优化布局、组间共用、单元生产等方式的操作来实现最终利润提升的结果。利润由原先的861.1W提升至1259.1W，几乎在原数据的861.1W上提升了50%。这些新产生的利润正可以帮助企业进一步拓宽市场或者引进新的机床制造新的产品，加之于车间仍有很大一部分可用空间。由此可见，案例优化产生的巨大效益与对实际企业的借鉴意义。4、总结多品种、小批量生产方式下的市场需求问题，是目前很多企业正在面临的困扰。本文针对案例中125种产品，33台机床设备的