机械加工车间设施规划设计.doc

机械加工车间设施规划设计机械加工车间设施规划设计 THE FACILITIES PLANNING AND DESIGN OF MACHINING WORKSHOP 专专 业 工业工程业 工业工程 姓姓 名 名 指导教师姓名 指导教师姓名 申请学位级别 学申请学位级别 学 士士 论文提交日期 论文提交日期 学位授予单位 学位授予单位 I 摘摘 要要 我国目前正处于扩大内需 加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期 对先进装备有着巨大的市场需求 加工车间作为企业的制造中心 设计合理的 车间设施规划 对高效生产起着重要作用 本文以江西荣成机械有限公司为对 象 探讨了机械加工车间设施规划的基本模型 进入 21 世纪以来 中国汽车产业飞速发展 同时带动相应的零部件产业迅 猛发展 差速器这一汽车核心零部件的生产和制造由于存在生产技术落后 产 品生产效率低 质量差 单位产品能耗高等缺点 从而成为汽车行业日趋关注 的焦点 本论文主要针对机械加工车间内存在的诸如物流路线不合理 运输时间长 设备布置混乱等若干问题 运用系统布置设计 SLP 方法进行改进 通过对 车间作业单位 典型产品的工艺流程的分析比较和产品的物流和非物流相关关 系分析 对机械加工车间生产设备进行重新布置 完成了对车间布局的优化 使物流效率得到较大的提高 本论文还应用Flexsim软件 建立了零件作业单元的仿真模型 对加工车间 的布局结果进行了仿真评价 关键词关键词 设施规划 机械加工车间 作业单元 仿真 II ABSTRACT China is now in the expansion of domestic demand the critical period of the accelerating infrastructure construction and industrial transformation So the huge market demand need a lot of advanced equipment Processing plant as the manufacturing center of the design workshop facilities planning the efficient production plays an important role From the Jiang Xi RONGCHENG Machinery Company Ltd for the object to explore the basic model of a machining workshop facilities planning Chinese automotive industry has developed very rapidly since the 21 century It leads to the rapid development of the corresponding parts industry Vehicle transmission production and manufacturing have many disadvantages such as backward production technology production low efficiency and poor quality high consumption of energy per unit of product and so on which are increasingly becoming the focus of the automotive industry In this thesis such as unreasonable logistics routes longer duration of transport equipment layout confusion a number of issues the use of the Systematic Layout Planning SLP method to improve the operating units of the workshop the typical products of the process in main memory for machine processing workshop analysis and product logistics and logistics related to re layout workshop layout optimization logistics efficiency is greatly improved machining workshop production equipment The thesis also application Flexsim software simulation model of the parts operating unit the layout of the results of the processing plant simulation Keywords Facilities planning machining shop operating unit simulation III 目 录 第一章 绪论 1 第一节 选题背景及研究意义 1 第二节 国内外研究状况及发展趋势 2 第三节 本文的主要研究内容 3 第二章 设施规划相关原理 5 第一节 车间生产组织方式 5 第二节 系统化布局设计 SLP 6 第三节 设施布置的基本要素 11 第四节 系统布置设计 SLP 流程模式 12 第三章 车间设施布置设计概述 14 第一节 车间设施的基本生产布置 14 第二节 车间设施的布置设计 16 第四章 机械加工车间设施布局设计 18 第一节 机械加工车间的产品简介 18 第一节 机械加工车间的设施布置设计 19 第五章 基于 Flexsim 的系统布置设计 36 第一节 系统建模与仿真的简介 36 第二节 基于 Flexsim 的系统建模与仿真 39 第六章 总结和展望 46 参考文献 致 谢 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 1 第一章 绪 论 第一节 选题背景及研究意义 随着市场经济的发展 为适应卖方市场向买方市场的转变 企业的生产模 式发生了变化 即从大批量少品种向多品种小批量或大规模定制生产转换 从 20 世纪末开始到今后一段时间 制造业竞争的焦点将不仅仅是价格的竞争 而 是适应市场需求 客户快速反应 准时供货等方面的竞争 然而据统计 在工 厂的生产活动中 从原材料到成品出厂 物料真正处于加工检验的时间只占生 产周期的 5 10 而其余时间都处于停滞和搬运状态 在制造业中 总经营 费用的 20 50 都是物料搬运费用 而优良的工厂布置可使这一费用至少减少 10 30 设施规划设计是工业工程的一个重要组成部分 其任务是对建设项目的各 类设施 人员 物质进行系统规划与设计 优化人流 物流 信息流 从而有 效 经济 安全到达建设项目的预期目标 1 从其定义可以看出 设施规划设 计的对象是整个制造系统或服务系统而不是其中一个环节 包括设计规划的前 期工作 确认设施位置 总体规划设计 详细设计 施工组织设计等 设施规 划设计的目的是使设施得到优化布置 支持系统实现高效的运营 以便在合理 的经济投入下获得最大的产出 设施规划设计被认为是科学管理系统的开端 决策者和领导者关于系统管理的各种设想都要体现在设施规划与设计中 一个建设项目 资源利用是否合理 工厂布置是否得当 工艺设备是否先 进适用 能否取得好的投资效果 能否实现企业的科学管理 能否发挥企业的 经济效益和社会效益 规划设计起着决定性的作用 因此 设施规划与设计被 认为是整个建设工程的灵魂 是工程项目在建设过程中首先需要解决的问题 从而提高生产力 减低成本 提高运作效率 避免不必要的改扩建 提高对客 户的服务能力 提高企业间合作能力 2 美国知名的设施规划专家理查德 缪瑟 和李 海尔斯在其专著中指出 工业设施规划就是设计或确定怎样具体把一个工 厂建造出来 使之运行或生产 设施规划人员的工作 是为一个工业公司有效 实现其产品的设计程序 制造或改装及分发其产品 提出所需的工厂面积 构 筑物 机器和设备 3 因此 高效的设施布局被看做是企业提高生产率 缩短生前提前期 降低 生产运作成本的关键 工厂布局是设施规划与设计的核心 也是物流系统设计 分析的重要环节 从工业工程的角度考察 设施规划由场址选择和设施设计两 个部分组成 设施规划切实在企业中起到了它应有的作用 它使企业的人力 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 2 财力 物力和人流 物流 信息流得到合理 经济 有效的配置和安排 尤其 机械加工车间是企业生产的主要生产车间 它直接影响到整条生产线的效率 如有差错便会造成产品交货延误 无形中增加了企业的成本 所以进行设施规 划与仿真业务 各车间的设置与物流进行完善 通过对企业生产流程的现状调 查 发现企业内存在设施规划方面的问题需要改善 一般认为设施规划的范围指实体建筑完成之后 在厂房或建筑内所作的布 局 此种看法仅能视为厂内布局 并非整体的设施规划 因设厂建厂后的布局 会受既定空间的限制 往往不能配合实际需要 为求勉强适应 其布局难免有 削足适履之嫌 且也大大减低了工厂功能 所以 良好的设施规划 除了既定 的建厂目标和生产项目外 对所使用的机器设备 动力系统 人力资源 法定 限制等都需要通盘考虑 然后才设厂建厂 从事厂内布局 根据调研及查阅到的文献资料 在工厂设施规划及物流系统分析领域中 对生产线上的工序间微观物流研究较多 采用系统仿真方法对工厂总体布局及 物流运输体系合理性的研究较少 近年来 我国制造业发展很快 新建厂区和 旧厂区的改扩建项目均较多 但缺乏有效的手段对物流系统进行全面分析和方 案比选 本课题拟以中盐物流企业为例 综合考虑各种相关因素 对生产系统 或服务系统进行分析 规划 建模和仿真研究 设计 使系统资源得到合理的 配置 具有重要的理论意义和实用价值 第二节 国内外研究状况及发展趋势 当今世界正从工业化社会向信息化社会飞速发展 国外先进科学技术的引 进对我国企业的各个方面产生了极其深远的影响 目前 制造业的生产方式发 生了很大的变化 由传统的大批量生产方式向准时化生产 大规模定制等生产 方式演变 生产方式的变化使得原有设施布置不够合理 这一现象引起人们对 设施规划技术的重视 在我国 生产设施规划与设计的发展十分不平衡 在大中型企业中 生产 设施规划和设计比较合理 但是 在小型企业中生产设施的规划与设计还停留 在工厂设计的初级阶段 依靠工厂设计的经验总结来规划工厂的布置 这样大 大加大了企业的生产成本生产效率难以提高 产品质量难以把关 20 世纪初 分工理论引发 工厂设计 操作法研究 工厂布置和物料 搬运 20 世纪 40 年代 设施规划 取代 工厂设计 广泛采用运筹学 统计 学和概率论 20 世纪 70 年代 计算机辅助工厂布置 成组技术 CRAFT 位置配 置法 CORELAP 相互关系法 PLANET 分析评价法 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 3 20 世纪 80 年代 系统布置设计 计算机仿真 研究柔性问题 专家 系统 多目标优化 20 世纪 90 年代 结合先进制造技术 CIMS JIT 进入 21 世纪 随着市场需求的多样化 竞争已经从质量 成本转向快速响 应市场 并由此出现了新的管理模式 全球供应链管理 虚拟企业 精益生产 等 网络化成为制造全球化的基础 未来的设施规划设计将呈现出新的发展趋 势 1 研究并提出更通用 更完整 更快速 更准确的新算法 如作业单位 对两两交换法 图论法 CRAFT 法 MCRAFT 法 BLOCPLAN 法 LOGIC 法 MUTIPLE 法等 2 将以上算法与人工智能算法相结合 提高优化质量和优化效率 如模 拟退火算法 SA 遗传算法 GA 蚁群算法 ANT 禁忌搜索算法 BA 等 3 基于以上算法开发并完善相应的计算机辅助设施布置软件 如 Factory CAD Factory FLOW Factory PLAN OPT Factory VIEW Lay OPT Factory Modeler eM Work place PLANOPT PLANET 4 研究适用于多层设计布置的设施规划方法 使之能解决现实中具有普 遍需求的多层设施布置问题 5 研究适应变化的柔性设施布置方法 使之能对外部环境变化作出快速 响应 6 研究对象与应用范围逐步向第三产业扩展 7 重视人的作用 强调可持续发展意识 第三节 本文的主要研究内容 本文以江西荣成机械加工车间设施布局与物料搬运系统优化为对象 探讨 机械加工车间设施布局与物料搬运系统合理设计的一般流程和原则 在研究过 程中以经典的SLP 模型为基础 详细分析了影响车间设施布局的基本要素 综 合考虑了先进的制造技术 基础工业工程原理以及精益生产思想 并把影响车 间布局的物料搬运系统贯穿始终 本文研究的主要内容有 1 首先论述了本文的选题背景和课题研究的理论与工程意义 对国内外 设施规划的研究现状和方法进行了综述 指出当前理论研究和方法存在的不足 并引出本文的研究方向和主要工作 2 介绍了车间设施规划的基本原理 包括车间生产组织方式 物料流动 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 4 模式以及经典系统化布局设计模型 即SLP 模型 并以SLP 模型为基础 整合 车间布局与物料搬运系统 提出了系统化综合设施布局综合模型 3 产品 产量 产品加工的工艺路线 工序工时定额等基本因素是影响 车间生产组织方式和布局的主要因素 文章对机械加工车间产品加工车间现状 进行描述 确定企业生产组织方式 制定与生产组织方式相适应的产品加工工 艺路线 通过作业单元间物流 非物流相关和综合相互关系分析 结合车间物 流模式 物料出入口的选择 物料搬运系统优化 绘制作业单元面积相关图 初步确定作业单元间布局的若干可行方案 并应用点评估评价备选方案 寻求 最优布局 作业单元内设施的详细布局 4 系统的建模与仿真简介 基于Flexsim仿真软件的应用 建立物理模 型和逻辑模型 运行仿真 评价仿真结果 5 总结和展望 绪论 相关原理 车间规划概述 车间布局设计物流系统仿真 总结与展望 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 5 第二章 设施规划相关原理设施规划相关原理 设施规划是一项大的系统工程 设施规划需要综合考虑多方面的因素 本 研究中主要涉及到以下基本原理 第一节 生产组织方式 生产过程中人 机 料三者的组合方法和形式 通称为生产组织方式和劳 动组织方式 生产组织方式侧重研究设备 原材料等物的方面 即设备如何布 置 原材料 半成品如何流动 劳动组织方式侧重研究人的因素 研究生产工 人的劳动分工和协作以及如何发挥劳动者的效率问题 合理组织生产过程 就 是要对各工艺阶段和各工序的工作进行合理的安排 使生产过程在时间和空间 上很好地结合起来 使生产在生产过程中行程短 时间省 耗费小 效益高 生产过程的空间组织 就是要正确地确定产品生产过程在空间的运动形式 即生产过程的各阶段 各工序在空间的分布 原材料 半成品的运输路线等 研究企业内部应设置哪些生产单位和按什么形式来组织生产的问题 生产过程 的空间组织要确定生产单位的组成 各生产单位的专业化形式及生产单位合理 布局等问题 制造工厂一般按照工作流形式可分为五类基本形式 产品原则布置 工艺 原则布置 定位布置 U 型布置 单元式布置和其它新型布置等 1 产品原则布置 产品原则布置是根据产品制造的过程安排各组成部分 机器设备 人员及 物料按产品的加工或装配的工艺过程顺序布置 形成一定的生产线 适用于小 品种 大批量的生产方式 2 工艺原则布置 工艺原则布置又称机群式布置 是指同类设备和人员集中布置一个地方的 布置形式 如车床组 磨床组等 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 适合于多品种小批量的生产方式 3 定位布置 由于产品的体积或重量太大或太重把产品保留在一个位置上加工 设备 人员 材料都围绕着产品而转 如飞机制造厂 造船厂就采用这种布局方式 4 U 型布置 U 型布置就是设备如 U 字型的生产线 其特点是把传统的直线形流水线改 成 U 字线 实行一人进行多个过程的加工生产 单元加工的零件虽所用设备相 同 但具有不同的工艺路线时 为了缩 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 6 短零件的运输距离和便于组织多机床看管适宜采用 U 型布置 设备在 U 型线 中按零件族的典型工艺过程排列 按 U 型布置 设备比较集中便于管理 也便 于不同零件在 U 型线上跳跃 迂回流动 以最短运输距离完成各自的工艺过程 5 单元式布置 单元式布置是实施成组加工的布置优势 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 6 新一代的车间布局形式 新一代的车间布局形式主要是为了应对市场快速多变的需求 增加车间柔 性而产生 主要有分布式布局 模块式布局等 第二节 系统化布局设计 SLP 工厂布置的程序和方法 以1962 年缪瑟提出的系统布置设计SLP 最为著 名 应用十分普遍 这是一种条理性很强 物流分析与作业单位相互关系密切 程度分析相结合 求得合理布置的技术 在SLP 方法中 缪瑟将研究工厂布置 问题的依据和切入点归纳为五个基本要素 这五个要素就是解决布置问题的 钥 匙 五个基本要素是产品P 产量Q 生产路线 工艺路线 R 辅助服务部门 S 以及生产时间安排T 4 设施规划是在企业经营策略的指导下 针对企业个体中的生产或服务系统 的生产或转换活动 从投入到产出的全部过程中 将人员物料及所需的相关设 备设施等 做最有效的组合与规划 并与其他相关设施协调 以期获得安全 效率与经济操作 满足企业经营需求 同时更进一步能对企业长期的组织功能 和发展产生更积极的影响和效益 系统布置设计是一种逻辑性强 条理清楚的布置设计方法 分为确定位置 总体区划 详细布置及安装四个阶段 如图 2 1 在总体区划和详细布置两个 阶段采用相同的 SLP 设计程序 5 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 7 图 2 1 设施布置阶段结构 在系统布置设计四个阶段中 阶段 与阶段 应由工厂或专业技术人员负 责 设计人员应积极参与 统计数据 阶段 和阶段 由设计人员来完成 因 此 我们常说工厂布置包括工厂总平面布置 总体规划 及车间平面布置 详 细布置 两项内容 详细的工厂布置设计 如图2 2所示 1 工厂空间位置的确定 2 工厂生产类型的确定 3 作业单位的划分 4 绘制产品的工艺过程 5 物流分析 6 作业单位相互关系分析 7 作业单位综合相互关系分析 8 工厂总平面布置 9 方案评价与选择 规划阶段 规划时间 O 预规划 确定位置 总体规划 详细规划 规划实施 规划后 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 8 图 2 2 详细工厂布置设计 后来更有现代设施规划的新方法基于 Tompkins 提出的成功设施规划 winning facility planning 过程 如图 2 3 所示 具体说明如表 2 1 所示 10 拟定几种布置方案 11 评价 9 实际制约 7 面积相互关系图 8 修正条件 SLP 程序模式 1 物流相关图 2 作业单位的相互关系 输入数据 P Q R S T 以及作业 单位 4 必要面积 3 作业单位综合相互关系图 5 可用面积 6 位置相 关图 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 9 图 2 3 成功设施规划过程 了解外部问 题 1B 制定改进计 划 9 审查实施结 果 12 了解成功的 组织模式 1A 评估现状 5 确认可行方 案 7 评估可行方 案 8 明确目标 6 实施计划 11 认可改进计 划 10 建立设施规 划设计评价 标准 2 获得组织承 诺 3 建立工作团 队 4 了解内部问 题 1C 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 10 表 2 1 成功设施规划过程说明 步骤功能说明 1A了解成功的组织模式了解成功的组织模式是设施规划成功的前提条 件 要对企业所有层次人员进行教育培训 使 其了解成功的组织模式 1B了解外部问题通过参加专业团体 贸易展览 会议研究 阅 读书刊等了解外部世界 1C了解内部问题了解企业的经营计划 目标 资源 约束 2建立设施规划设计评价 标准 由管理层确定设施规划设计评价标准 3获得组织承诺管理层应做一个明确的承诺 愿意实行必要的 改进以便能与设施规划设计标准一致 4建立工作团队组建的工作团队必须有广泛的代表性并能对每 项设计要求做出决策 5评估现状对设施现状进行定性和定量评估 评估结果作 为衡量改进措施的基础 6明确目标为每一项设计确定清晰的 可衡量的 与时间 有关联的目标 7确定可行方案此步是一项创造性过程 要确定系统 过程 设计和方法能达到待定目标的要求 寻求所有 可行方案 8评价可行方案对所有可行方案作出经济评估和定性评价 经 济评价应符合公司的指导原则 9制定改进计划在评价可行方案的基础上 选择最佳设计方案 建立详细的实施计划和其认可改进计划 10认改进计划向管理层提供不同方案的评价和论证材料 向 管理层推荐改进计划 使其认可改进计划 11实施计划监督工程施工 安装 试车 调试等过程 培 训员工以保证正确使用新系统 12审查实施结果记录真实系统运行情况 并与预定的目标和期 望的业绩想比较 找出差距并提供相应的反馈 信息 以上两种设施规划过程的区别如表 2 2 所示 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 11 表 2 2 两种设施规划过程比较 第三节第三节 设施布置的基本要素设施布置的基本要素 系统化设施布置是一套针对设施布局的合理化 系统化的方法 其基本思 想是将基本要素 产品 P 产量 Q 工艺路线 R 辅助服务部门 S 生产时间 安排 T 转换成设施之间的相互关系 然后再将这种设施之间的相互关系转换 成设施的平面布局位置关系 并最终对产生设施布置方案进行评价择优 1 产品 P 产品P 是指待布置工厂将生产的商品 原材料或者加工的零件和成品等 这些资料由生产纲领和产品设计提供 包括项目 种类 型号 零件号 材料 产品特征等 产品这一要素影响设施的组成及其各作业单位间相互关系 生产 设备类型 物料搬运的方式等方面 2 产量 Q 产量Q 指所生产 供应或使用的商品量或服务的工作量 其资料由生产纲 领和产品设计提供 用件数 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 建筑面积等因素 3 工艺路线 R 工艺路线R 是工艺过程设计的结果 它影响着各作业单位之间的关系 物 阶段一般性设施规划过程成功设施规划过程 第一阶段1 定义或重新定义设施目标 2 划分主 辅作业单位 1 了解成功的组织模式 2 了解外部问题 3 了解内部问题 4 建立设施规划设计标准 5 获得组织承诺 第二阶段3 确定相互关系 4 确定空间需求 5 产生可行设计方案 6 评价可行设计方案 7 选择最优设施方案 6 确立工作团队 7 评估现状 8 明确目标 9 确定可行方案 10 评价改进计划 11 制定改进计划 12 认可改进计划 第三阶段8 设施方案 9 维护和改进设施方案 10 重定义设施目标 13 设施计划 14 审查设施结果 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 12 料搬运路线 仓库及堆放地位置等方面 4 辅助服务部门 S 辅助服务部门S 在实施系统布置工作之前 必须就生产系统的组成情况有 一个总体的规划 可以大体上分为生产车间 职能管理部门 辅助生产部门 生活服务部门及仓储部门等 可以把除生产车间以外的所有作业单位统称为辅 助服务部门S 包括工具 维修 动力 收货 发运 铁路专用路线 办公室 食堂等 有时 辅助服务部门的总面积大于生产部门所占的面积 布置设计时 必须给予足够重视 5 生产时间安排 T 生产时间安排T 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 平衡各工序的生产能力 P Q 两个基本要素是一 切其他特征或条件的基础 只有在上述各要素充分调查研究并取得全面 准确 的各项原始数据的基础上 通过绘制各种表格 数学和图形模型 有条理地细 致分析和计算 才能最终求得工厂布置的最佳方案 第四节 系统布置设计 SLP 流程 模式 依照缪瑟提出的SLP 思想 系统布置设计程序一般经过下列步骤 1 准备原始资料 在系统布置设计开始时 首先必须明确给出原始资料 基本要素 同时也 需要对作业单位的划分情况进行分析 通过分解与合并 得到最佳的作业单位 划分状况 所有这些均作为系统布置设计的原始资料 2 物流分析与非物流相互关系分析 对于物流中心 配送中心 物流分析是布置设计中最重要的方面 另外对 于某些以生产流程为主的工厂 物料移动是工艺过程的主要内容时 如一般的 机械制造厂 物流分析也是布置设计中最重要的方面 对某些辅助服务部门 或某些物流最小的工厂来说 各作业单位之间的相互关系 非物流联系 对布 置设计就显得更重要了 介于上述两者之间的情况 则需要综合考虑作业单位 之间物流与非物流相互关系 作业单位间物流分析结果 可以用物流强度等级及物流相关表来表示 作 业单位非物流的相互关系可以用量化的关系等级及相互关系来表示 在需要综 合考虑作业单位间物流与非物流相互关系时 可以采用简单加权的方法将物流 相关表及作业单位间相互关系表综合成综合相互关系表 3 绘制作业单位位置相关图 根据物流相关表与作业单位相互关系表 考虑每对作业间相互关系等级的 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 13 高或低 决定两作业单位相对位置的远或近 得出各作业单位之间的相对位置 关系 有时也称之为拓扑关系 这时并未考虑各作业单位具体的占地面积 因 而得到的仅是作业单位相对位置 称为位置相关图 4 作业单位占地面积计算 各作业单位所需占地面积与设备 人员 通道及辅助装置等有关 计算出 的面积应与可用面积相适应 5 绘制作业单位面积相关图 把各作业单位占地面积附加到作业单位位置相关图上 就形成了作业单位 面积相关图 6 修正 作业单位面积相关图只是一个原始布置图 还需要根据其他因素进行调整 与修正 此时需要考虑的修正因素包括物品搬运方式 操作方式 储存周期等 同时还需要考虑实际限制条件如成本 安全性问题及职工意愿等方面 7 方案评价与择优 针对前面得到的数个方案 需要进行技术 费用及其他因素评价 通过对 各方案比较评价 选出或修正设计方案 得到布置方案图 机械加工车间设施 规划研究 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 14 第三章 车间设施布置设计概述 第一节 车间设施的基本生产布置 一 基本生产布置的原则 生产布置的好坏直接影响到系统的物流 信息流 生产经营能力 工艺过 程 灵活性 效率 成本和安全等方面 并反映一个组织的工作量 顾客印象 和企业形象等内涵 优劣不同的生产设施布置 在施工费用上相差不会太多 甚至差的布置花费更少 但对生产运营的影响却又很大的不同 6 不但在新生产设计时需要进行设施布置 在原有设施重新设计改造时也同 样需要 企业经营总会原则性的考虑内部条件和外部市场的各种变化 从而出 现当初布置设计时考虑不到的问题 例如 作业能力不够 安全事故 产品或 服务设计的改变 新产品 新技术和新工艺的采用 环境和法律的要求等 都 可能会要求重新布置生产或服务系统 总的来说 基本生产布置设计一般要遵 循这样一些基本原则 1 整体综合原则 设计时应将对生产设施布置有影响的所有因素都应 考虑进去 以达到优化的方案 2 移动距离最小原则 产品搬运距离的大小 不仅反映搬运费的高低 也反映物料流动的流畅程度 因此 应按搬运距离最小原则选拔最佳方案 3 流动性原则 良好的生产设施布置应使在制品在生产过程中流动流 畅 消除无谓停滞 力求生产流程连续化 4 空间利用原则 无论是生产区域还是储存区域的空间安排 都力求 充分有效地利用空间 5 柔性原则 在进行生产布置前 应考虑各种因素变化可能带来的布 置变化 以便以后更好的适应市场产品的需求 6 安全原则 应考虑是作业人员有安全感 并感到方便 舒适 基本生产专业化布置的原则和形式 影响企业内部的生产分工和协作关系 决定物料流向 物流路线和运输量 所以它是企业生产和车间平面布置中必须 考虑的重要问题 二 基本生产布置的形式 1 产品原则布置 产品原则布置也称装配线布置 是按照对象专业化生产布置 也称产品专 业化生产布置 是按照产品 或零件 部件 进行布置的生产方式 这种布置 形式是集中完成同一产品生产所需要的设备 工艺装备和工人 可以完成相同 产品的全部或大部分的加工任务 如 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 15 汽车制造厂的发动机车间 曲轴车间 齿轮工段等生产单位 优点 物流顺畅 上 下工序衔接比较好 存放量少 生产周期相对比较 短 物料搬运工作年少 在工作过程中对工人的技能要求不高 易于培训 生 产计划简单 易于控制 可使用专用设备和机械化 缺点 设备发生故障时将引起整个生产线中断 产品设计变化会引起布置 的重大调整 生产线速度取决于工序最慢的机器 维修和保养费用高 相对投 资较大 生产线上重复作业 易使工人单调乏味 产生厌倦 2 工艺原则布置 工艺原则布置又称工艺过程布置 按照工艺专业化特征建立的基本生产布 置 形成工艺专业化车间 原则上是将同类机器集中在一起 完成相同工业加 工任务 工艺专业化形成的基本生产集中了完成相同工艺的设备和工人 可以 完成不同产品的相同工艺内容的加工 如制造企业的机械加工车间 锻造车间 车工工段 铣工工段等生产单位 比如将所有的车床放在一个地方 将所有的 冲压机床放在另个地方 被加工的零件根据预先设计好的流程顺序 从一个地 方到另个地方 每一项操作都由布置好适宜位置的机器来完成 优点 机器利用率高 可减少设备数量 可采用通用设备 设备和人员的 柔性程度高 产品品种和数量更换方便 设备投资相对减少 操作人员作业多 样化 可以提高工作人员的工作兴趣和职业满足感 缺点 由于流程较长和搬运路线不确定 运费高 生产计划与控制较复杂 生产周期长 库存量相对较大 由于操作人员从事多种作业 需要较高的技术 等级 3 定位原则布置 定位原则布置 也称为固定式原则布置 是指加工对象位置固定 生产工 人和设备都随加工产品所在的同一位置而转移 如内燃机车的装配 船舶装配 等 这种布置形式适用于大型产品的装配过程 由于某些产品体积庞大笨重 不容易移动 所以可保持产品不动 将工作地按产品的要求来布置 如大型飞 机 船舶 重型机床等 对于这样的项目 一旦基本结构确定下来 其他一切 功能都围绕着产品而固定下来 优点 物料移动少 当采用班组方式时 可提高作业连续性 提高质量 高的柔性 可适应产品和产量的变化 缺点 人员和设备的移动增加 设备需要重复配备 工人需要较高的技能 增加了面积和工序间的存储 生产计划需要加强控制和协调 4 成组原则布置 按工艺专业化布置生产和服务设施所带来的问题是很明显的 即容易造成 被加工对象在生产单位之间交叉往返运输 不仅引起费用上升 而且延长生产 周期 于是人们经过长期研究 通过 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 16 实践创造了成组生产单元的形式 其基本原理是 首先根据一定的标准将结构 和工艺相似的零件组成一个零件组 确定出零件组的典型工艺流程 再确定工 艺流程的加工内容 选择设备和工人 由这些设备和工人组成一个生产单元 成组的生产单元类似对象专业化形式 因而也具有对象专业化形式的特点 但 成组生产单元更适合于多品种的批量生产 因而比对象专业化形式的特点 但 成组生产单元更适合于多品种的批量生产 因而比对象专业化形式具有更高的 柔性 是一种适合多品种小批量生产的理想生产方式 优点 设备利用率高 流程通顺 运输距离较短 搬运量少 有利于发挥 组合作业精神 有利于扩大工人的作业技能 缩短了生产准备时间 缺点 需要较高的生产控制水平以平衡个单元之间流程不平衡 班组成员 需要掌握所有的作业技能 减少了使用专用设备的机会 如果单元之间流程平 衡 需要中间储备增加了单元之间的物料搬运 第二节 车间设施的布置设计 一 工艺原则布置设计 工艺原则布置是最常用的一种布置方法 它用来对具有类似工艺流程的工 作部门进行布置 使其位置达到最优 在许多设施规划设计中 最优的布置常 常意味着将彼此之间物流量较大的部门相邻布置 二 产品原则布置设计 产品原则布置的典型代表是流水线 已在世界各国广泛应用 并且在内容 到形式上不断创新 流水线的设计包括技术设计和组织设计两方面 技术设计 是指工艺路线 工艺规程的制定 专用设备的设计 设备改装设计 专用工具 设计 运输传送装置 设计以及信号装置的设计等 通常称之为流水线的 硬件 设计 流水线的组织设计是指流水线的节拍和生产速度的确定 设备需要和负 荷的计算 工序周期化设计 工人设备 生产对象运输传送方式的设计 流水 线平面设计 流水线工作制度 服务组织和标准计划图表的制定等等 也称为 流水线的 软件 设计 往往在流水线布置设计中最关心的是流水线的组织设计 它是进行技术设 计的前提和依据 技术设计应当保证每一个设计项目的实现 当然 组织设计 时也要考虑技术设计的可能性 但都要符合技术上先进 经济上合理的原则 根据课程的重点范围要求 我们在产品原则布置设计中主要讲述两个问题 即 流水线的平面布置设计和流水线的生产平衡问题 三 柔性原则布置设计 柔性原则布置设计是针对产品原则布置设计和工艺原则设计的灵活应用 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 17 是根据产品的市场需求适时调整生产布置的一种设施布置方式 柔性布置设计是指生产系统对用户需求变化的响应速度 是对生产系统适 应市场变化能力的一种度量 通常从品种柔性和生产柔性两个方面来衡量 所 谓品种柔性 是指在生产系统从生产一种产品快速的转换为生产另一种产品的 能力 产量柔性是指生产系统快速增加或减少所生产产品产量的能力 四 精益生产与系统柔性布置的关系 精益生产必须以高柔性为目标 实现高柔性和高效率的统一 系统柔性设 施布置是精益生产中设备柔性的具体要求 精益生产采用适度的柔性自动化技 术 以工序相对集中 没有固定节拍以及物料的非顺序输送的生产组织方式 这就要求相应的生产系统柔性布置能够保证实现精益生产条件下的接近大量生 产方式的小批量生产 同时具备刚性自动化所没有的灵活性 系统柔性布置是实现精益生产的基础 只有在生产现场实施了设备或设施 的柔性布置 精益生产才能更好 更方便的顺利进行 没有系统柔性布置的精 益生产系统智能是理论意义上的精益生产 不具备实际的生产意义 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 18 第四章 机械加工车间的设施布局设计 第一节 机械加工车间的产品简介 汽车发动机的动力经离合器 变速器 传动轴 最后传送到驱动桥再左右 分配给半轴驱动车轮 在这条动力传送途径上 驱动桥是最后一个总成 它的 主要部件是减速器和差速器 减速器的作用就是减速增矩 这个功能完全靠齿轮与齿轮之间的啮合完成 比较容易理解 而差速器就比较难理解 什么叫差速器 为什么要 差速 汽车差速器是驱动桥的主件 它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时 允许两边半轴以不同的转速旋转 满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等 距行驶 减少轮胎与地面的摩擦 汽车在拐弯时车轮的轨线是圆弧 如果汽车 向左转弯 圆弧的中心点在左侧 在相同的时间里 右侧轮子走的弧线比左侧 轮子长 为了平衡这个差异 就要左边轮子慢一点 右边轮子快一点 用不同 的转速来弥补距离的差异 差速器原理图如图 4 1 所示 图 4 1 差速器原理图 如果后轮轴做成一个整体 就无法做到两侧轮子的转速差异 也就是做不 到自动调整 为了解决这个问题 早在一百年前 法国雷诺汽车公司的创始人 路易斯 雷诺就设计出了差速器这个东西 差速器的这种调整是自动的 这里 涉及到 最小能耗原理 也就是地球上所有物体都倾向于耗能最小的状态 例 如把一粒豆子放进一个碗内 豆子会自动停留在碗底而绝不会停留在碗壁 因 为碗底是能量最低的位置 位能 它自动选择静止 动能最小 而不会不断运 动 同样的道理 车轮在转弯时也会自动趋向能耗最低的状态 自动地按照转 弯半径调整左右轮的转速 当转弯时 由于外侧轮有滑拖的现象 内侧轮有滑转的现象 两个驱动轮 此时就会产生两个方向相反的附加力 由于 最小能耗原理 必然导致两边车 轮的转速不同 从而破坏了三者的平衡关系 并通过半轴反映到半轴齿轮上 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 19 迫使行星齿轮产生自转 使外侧半轴转速加快 内侧半轴转速减慢 从而实现 两边车轮转速的差异 驱动桥两侧的驱动轮若用一根整轴刚性连接 则两轮只能以相同的角度旋 转 这样 当汽车转向行驶时 由于外侧车轮要比内侧车轮移过的距离大 将 使外侧车轮在滚动的同时产生滑拖 而内侧车轮在滚动的同时产生滑转 即使 是汽车直线行驶 也会因路面不平或虽然路面平直但轮胎滚动半径不等 轮胎 制造误差 磨损不同 受载不均或气压不等 而引起车轮的滑动 车轮滑动时不仅加剧轮胎磨损 增加功率和燃料消耗 还会使汽车转向困 难 制动性能变差 为使车轮尽可能不发生滑动 在结构上必须保证各车轮能 以不同的角度转动 轴间差速器 通常从动车轮用轴承支承在主轴上 使之能以任何角度旋转 而驱动车轮分别与两根半轴刚性连接 在两根半轴之间装有差速器 这种差速 器又称为轴间差速器 多轴驱动的越野汽车 为使各驱动桥能以不同角速度旋转 以消除各桥上 驱动轮的滑动 有的在两驱动桥之间装有轴间差速器 第二节 机械加工车间的设施布置设计 机械加工车间内部制造 1 种 2 个主要加工件 其它零件由外协完成 调 研过程中对跟踪零件进行编号 调研主要对零件的生产工艺流程 物料转运方 式 作业时间等内容进行现场跟踪记录 最后对跟踪资料进行统计分析 发现 机械加工车间设施布局与物流状况存在许多问题 1 零件机械加工车间设备布局方式采用机群式布局 布局型式单一 传统的订单式单件小批生产方式不能适应市场对产品的急速需求 2 物料搬运过程中 普遍存在往返交叉现象 3 车间在制品过多 占用车间面积 等待现象严重 生产周期长 车 间管理混乱 4 搬运距离长 搬运过程繁杂 一 机械加工车间的自制零件明细表 4 1 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 20 表 4 1 自制零件明细表 每套产品年生产纲领 序号产品及零件名称 件数质量 kg 数量 万套 质量 t 备注 1输入轴11 220240 2输出轴11 520300 合 计540 二 工厂的作业单位划分 根据机械加工车间产品的结构及工艺特点 设立如表 4 2 所示的 5 个作业 单位 分别为车床 卧床 热处理 外圆磨 检验等各项生产任务 表 4 2 作业单位划分 序号作业单位名称用 途备注 1车床车外圆加工自制的零部件 2卧铣铣键槽加工自制的零部件 3热处理对自制的零件进行热处理 4外圆磨磨外圆加工自制的零部件 5检验对自制的零件进行检验 三 机械加工车间产品的工艺流程 根据零件表 1 可知机械加工车间产品的输入轴 输出轴等零件都是采用自 制的方法 其工艺过程分别见表 4 3 至表 4 4 所示 表 4 3 输入轴加工工艺过程表 产品名称件号材料单件质量 Kg 计划产量 台年计划总质量 t 输入轴11 2200000240 序号作业单位名称工序内容工序材料利用率 1原材料备料 2车床车外圆车80 3卧铣铣键槽铣95 4热处理热处理 5外圆磨磨外圆磨95 6半成品库暂存 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 21 表 4 4 输出轴加工工艺过程表 产品名称件号材料单件质量 Kg 计划产量 台年计划总质量 t 输出轴21 5200000300 序号作业单位名称工序内容工序材料利用率 1原材料备料 2车床车外圆车80 3卧铣铣键槽铣95 4热处理热处理 5外圆磨磨外圆磨95 6半成品库暂存 四 产品工艺过程分析 一 计算物流量 统计物流量 通过对产品机械加工 装配等各种加工阶段以及各工艺过程路线的分析 计算每个工艺过程各工序加工前工件单件重量及产生的废料重量 并根据全年 生产量计算全年物流量 具体计算过程如表 4 5 所示 表 4 5 各物料物流量计算 废料 Kg 产 品 名 称 毛重 Kg 车废料铣废料磨废料全年总质量 输 入 轴 1 2 0 8 0 95 0 9 5 1 66 1 66 0 2 0 332 1 66 0 8 0 05 0 0664 1 66 0 8 0 95 0 05 0 0616 0 46 200000 9 2000 输 出 轴 1 5 0 8 0 95 0 9 5 2 08 2 08 0 2 0 416 2 08 0 8 0 05 0 0832 2 08 0 8 0 95 0 05 0 0808 0 58 200000 1 06000 二 绘制各零件的工艺过程图 根据各零件的加工工艺过程与物流量 统计物流量 绘制各零件的工艺过 程如图 4 2 至图 4 3 所示 图中的序号分别是 1 原材料 2 金工车间 3 半成品库 4 废料 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 22 1 2 3 原材料 4 1 66 1 2 0 46 1 2 图 4 2 输入轴 1 2 3 原材料 4 2 08 1 5 0 58 1 5 图 4 3 输出轴 三 绘制产品工艺过程表 为了研究各零件 部件生产过程之间的相互关系 将总工艺过程图中的产 品按照物流强度大小顺序 由左到右排列于产品工艺过程表中 即最左边的产 品物流强度最大 由左到右物流强度逐渐递减 这样就得到机械加工车间产品 工艺过程表如表 4 6 所示 从表 4 6 中得知 由于没有物流倒流现象 所以表 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 23 3 6 就是产品的较佳工艺过程图 表 4 6 工艺过程表 工序输入轴输出轴 序号名称流程 D jk 流程 D jk 1原材料 2车床 3卧铣 4热处理 5外圆磨 6检验 1 5 4 3 2 6 2 2 2 2 2 1 5 4 3 2 6 2 2 2 2 2 1 1 n k jkjkW D 24000003000000 W5400000 五 绘制从至表 根据机械加工车间产品的工艺过程表 4 6 绘制出机械加工车间产品的工艺 过程物流从至表 如表 4 7 所示 天津科技大学 2012 届本科生毕业设计 24 表 3 7 工艺过程物流从至表 原材料车床单 元 卧铣 单元 热处理 单元 外圆磨单 元 半成品单 元 合计 原材料198198 车床单元158 4158 4 卧铣单元150 48150 48 热处理单 元 150 48 外圆磨单 元 142 96142 96 检验单元 合计 198158 4150 48142 96649 84 六 绘制物流强度汇总表 根据