机械学前沿工业工程专题

机械学前沿,工业工程专题,姓名：*学号：*,1,主文献：王曰辉.重型机械加工车间设施规划研究D.大连：大连理工大学，2009.,2,辅助文献：1陈建龙.生产现场优化管理M上海:复旦大学出版社，20082S.P.Singh.R.R.K.Sharma.AreviewofdifferentapproachestothefacilitylayoutproblemsJ.TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology，2006,30:425-433.3唐运周.浅谈机械制造系统的布置设计J.今日科苑，2008(16):65.4朱耀祥，朱立强.设施规划与物流M.北京:机械工业出版社，2004.5徐克林.工业工程基础M.北京:化学工业出版社，2008.,目录,3,1绪论,2设施规划相关原理及系统化综合设施布局模型,3设施规划基本要素分析与设计,4车间设施布局设计,5布局仿真,1绪论,4,1.1课题研究背景,风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。目前，风能的利用主要是发电。与其它能源相比，风力发电具有明显的优势。,风力发电厂,5,1.1课题研究背景,YYY作为风力发电行业企业，从数据分析中可以看出，YYY企业抓住市场的契机，取得了比较大的业绩。XXX作为YYY风力发电机组增速器的主要制造基地，面对风电市场巨大的时机，近年来也不断深入研究其产品的生产制造方式，不断改善生产设备，产量不断攀升，但目前减速机厂依然采用单件小批生产方式，如何实现由过去的单件小批生产向批量化生产转变，降低成本、缩短生产周期、提高生产效率和经济效益，己成当务之急。因此，XXX与大连理工大学机械学院数字化研究所合作，对其现有的生产模式进行改进，旨在通过对生产车间的重新布局与规划，改善物流模式，设计出符合该企业的批量化生产组织方式。,6,1.2课题研究的意义,工业工程相关原理在重型机械加工存在着与轻工业产品生产相对较大的差别，怎样将精益生产的思想和轻工业产品生产过程中的研究成果应用于重型机械产品生产加工中具有非常重要的理论意义。因此，借鉴轻工业产品生产布局中已取得的成果并结合重型机械加工的特殊性，设计合理的车间布局形式及物料搬运系统，对改善物流管理、提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期，加速资金周转和提高整体效益都有重要意义。,7,1.3课题研究的主要内容,本文以XXX风力发电机增速器齿轮箱机械加工车间设施布局与物料搬运系统优化为对象，探讨重型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。,8,2设施规划相关原理及系统化综合设施布局模型,9,2.1车间生产组织方式,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型布置单元式布置其它新型布置,10,（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。,11,（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。,12,（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。,13,（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。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。,14,（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。,15,（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。,16,2.2系统化布局设计(SLP),SLP=systematiclayoutplanning,SLP包含五个基本要素：产品P产量Q生产路线(工艺路线)R辅助服务部门S生产时间安排T,17,2.2系统化布局设计(SLP),SLP步骤(1)准备原始资料(2)物流分析与非物流相互关系分析(3)绘制作业单位位置相关图(4)作业单位占地面积计算(5)绘制作业单位面积相关图(6)修正(7)方案评价与择优,18,2.3系统化综合设施规划模型,本文在经典SLP基础上，针对机械加工车间设施规划，从更具体更全面的角度，提出了集车间设施布局与物料搬运系统为一体的系统化综合设施布局模型。,19,3设施规划基本要素分析与设计,20,3.1制造车间现状描述,厂内部制造15种17个主要加工件，其它零件由外协完成。这17个零件的部分粗加工工序及热处理工序也由外协完成。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。发现增速器机械加工车间设施布局与物流状况存在许多问题:,21,(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，以一级太阳轮加工流程为例，可见图示。(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，桥式起重机作业过程互相干涉，由此造成设备等待桥式起重机现象比较严重;(5)搬运设备单一。,3.1制造车间现状描述,22,3.2生产类型及生产组织形式,23,3.2生产类型及生产组织形式,确定该加工车间采用单元式生产组织方式比较合适,24,3.3工艺路线设计,工艺路线制定的基本原则,(1)经济优先原则(2)采用先进方法获得最小加工余量的毛坯(3)采用高生产率的加工设备，提高数控机床的比重(4)刀具优选原则(5)装卸自动化原则(6)粗精分开，控制关键工序的原则(7)系统与均衡原则(8)柔性化设计原则,25,工艺路线设计,3.3工艺路线设计,本文以一级内齿圈为例对内齿圈加工工艺路线进行分析并确定符合XXX厂自身的工艺路线:(1)一级内齿圈技术要求分析一级内齿圈通过两端销孔定位，分别与输入端箱体和中机体1两个零件相连，内部齿廓与一级行星轮啮合。因此，零件的内、外止口、两个端面、定位销孔、内部齿形等有配合要求，是主要加工表面，有较高的精度要求。而螺栓通孔、油孔、装配工艺孔及端面槽的加工没有配合要求，精度要求较低。但螺栓通孔的长径比大于10，属于深孔加工。,26,工艺路线设计,3.3工艺路线设计,(2)一级内齿圈工艺路线参照上述制定工艺路线的原则并结合工厂实际情况，各表面的加工方案如表所示,27,工艺路线设计,3.3工艺路线设计,(3)工序分析加工要求较低的可由外协厂家完成;相对位置度要求比较高，采用工序集中的原则较好。其次工件质量较大，装夹过程中均需使用桥式起重机，造成桥式起重机作业繁忙，且装夹过程中工人劳动强度较大，从人机工程学方面考虑，也宜采用工序集中的原则。综合考虑热处理，检验等工序在内的一级内齿圈工艺路线制定如下:毛坯一外形尺寸检查一粗车外圆、内孔、端面一超探一调质一粗精车外圆、内孔、端面、各止口一钻螺栓孔一铣齿一磨端面、各止口一(插齿)一磨齿一钻(销孔)即齿圈厂内加工工艺路线为:钻螺栓孔一铣齿一磨端面等一磨齿一钻销孔,28,工艺路线设计,3.3工艺路线设计,15种零件的厂内加工工艺路线汇表,29,3.4工时定额及设备需求计算,时间定额是指在一定生产条件下，规定生产一件产品或完成一道工序所需消耗的时间。本研究是对作业车间设施规划的改进，可采用秒表测时法。本节以一级太阳轮车工序为例介绍秒表测时法，如表所示。此工序共分14个操作单元。通过对这14个操作单元的10次观测，得到每个操作单元的平均操作时间，然后加以宽放，求出各个单元的标准时间，再求和即得一级太阳轮车工序的标准工时。,30,3.4工时定额及设备需求计算,本厂采用四班三运作，年工作时间基数为330天，设备开动率设为90%，零件不合格率为3%，设备年工作时间(分钟)计算为：设备需求量计算公式为:其中n为设备需求数量，t为该设备年需求工时，ti为第1个零件对该设备的单件工序工时，P为零件不合格率。,31,3.4工时定额及设备需求计算,求得各单元设备需求数并圆整得各单元设备实际需求数如表所示,32,4车间设施布局设计,33,本文研究过程中，为方便书写分别对各作业单元进行编号,34,4.1作业单元物流相关分析,4.1.1物流单元化管理,（1）物料活性分析,物料搬运活性示意图,物料搬运活性指数,35,4.1.1物流单元化管理,（1）物料活性分析,目前工厂内部的物料大部分散放在地上，如图所示，物料搬运活性较低，物料搬运次数较多，使得车间内部的物料搬运设备作业比较频繁，同时造成车间物流的混乱。,36,4.1.1物流单元化管理,（2）物料单元化搬运,增速器机加车间各零件单元化搬运集装容器,零件搬运单元化后，各种零件搬运集装容器的单元载荷量,37,4.1.2物流相互关系分析,本文采用在物料重量的基础上乘以搬运系数，这里的搬运系数是通过上面的零件集装容器单元载荷量折算来的，即物料搬运系数采用集装容器单元载荷的倒数。,各零件的搬运系数如表所示,38,4.1.2物流相互关系分析,作业单元间月当量物流量,39,SLP中将物流强度转化为5个等级，分别用A,E,I,O,U来表示，其物流强度逐渐减少，并且分别对应着绝对重要，特别重要、重要、一般、不重要(即忽略)5种。,4.1.2物流相互关系分析,40,4.2作业单元非物流关系分析,41,“密切程度”代码,“密切程度”理由代码,42,4.2作业单元非物流关系分析,作业单位相互关系图,作业单元相互关系量化,43,4.3作业单元综合关系分析,作业单元综合关系,作业单元综合接近程度排序,44,4.4绘制作业单元位置相关图,作业单元位置关系等级表示方式,作业单元位置相关图,45,4.5作业单元面积计算,本研究中各成组单元的面积计算公式为:作业单元总面积=作业单元内机床面积之和*(1+80%)/75%,作业单元总面积汇总,46,4.6搬运方案设计,4.6.1物料搬运系统设计,在选择物料搬运设备时，一般应遵循以下原则:(1)根据距离与物流量的大小确定设备类别，选择原则见图;(2)根据设备的技术指标和物料特点选择设备规模及型号;,不同的物料运动方式与搬运设备选择的关系,47,4.6.1物料搬运系统设计,普通载货车,电动平板车,桥式起重机,悬臂起重机,48,4.6.1物料搬运系统设计,手推车,废料倾卸料斗,49,4.7作业单元间布局设计,方案一,方案四,方案三,方案二,50,4.7作业单元间布局设计,51,4.8作业单元内布局设计,从上节作业单元间布局的4个备选方案中，通过评价，选择较优的方案四作为作业单元间的布局方案，考虑到本加工车间生产的产品质量较大等因素，暂考虑单元内采用基于产品综合工艺路线的工艺原则布置形式。,以单元间布局方案四为基础，综合考虑上述各因素进行作业单元内的详细布局,传动件部装单元,高速端部装单元,52,5布局仿真,53,本文拟应用QUEST三维数字化软件对布局合理性进行检验，并通过仿真实验，得出设备的利用率等参数，为机械加工车间布局的改进及以后考虑的作业调度研究提供依据。,仿真过程,54,5.1物理建模,本文以作业单元三(箱体类零件)为例进行仿真实验，因研究主要考察设备的利用率及设备生产中的相互协作关系，为减少仿真的工作量，物理模型主要采用QUEST系统附带的物理模型，部分模型自建，其中机床设备以方块表示，载货车采用QUEST自带的模型，桥式起重机以及加工的零件及托架等物理模型自建。,55,5.2逻辑规则,(1)物料产生规则(2)物料搬运单元化(3)设备选择规则(4)行车选择规则,56,5.3运行仿真,对建立的仿真模型，仿真钟运行7天，168小时。,起重机利用率统计,机床利用率统计,空运率过高,利用率不平衡,57,6结论,58,(1)本文从具体而实用的角度提出了集车间设施布局与物料搬运系统于一体的系统化综合设施布局模型，并以大重减速机厂风电增速器齿轮箱加工车间设施规划验证了该模型的合理性。(2)结合物流、非物流和综合作业关系分析初步确定作业单元间相互位置的若干可行方案，应用点评估法评价了备选方案，寻求较优布局。(3)U型布局、蛇型布局及其组合布局型式不仅可以使设备集中布局，提高设备利用率而且可以使物料搬运的距离短、物流路线顺畅，避免因桥式起重机共用轨道造成机床设备的等待现象。(4)机械加工车间采用物料单元化管理可以改善车间物流和现场环境，减少物料搬运次数，降低搬运成本，提高现场作业面积的利用率。(5)物料搬运方案的设计与作业单元间的物流模式息息相关，一方面物流模式决定了物料搬运设备的选择，另一方面，物料搬运方案设计的合理性对物流模式又产生影响。(6)工业工程是企业实现精益生产的基础，企业应在生产运作过程中综合应用工业工程基础技术和原理，如工时测定等对作业车间持续改善。(7)随着计算机仿真和虚拟现实技