（机械电子工程专业论文）基于em+plant的汽车混流装配线物流系统优化与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 伴随着制造企业之间的竞争由质量竞争、规模竞争逐渐转向速度竞争，企 业若要赢得市场，其中一个极其重要的因素就是缩短从订货到交货的周期。企 业的设施布局是否合理，物流是否通畅直接影响着企业的生产能力和生产周 期。设施规划与设计作为工业工程学科的重要分支之一，通过对企业的实物设 施进行规划，从而提高企业资源( 设备、物料、人力和能源等) 的有效利用， 使企业高效的运行。传统的规划设计主要采用经验设计与定量分析相结合的方 法，但此方法计算复杂、设计周期长，需要通过实际生产才能检验出设计是否 合理，这就给生产企业带来了较高的风险和成本负担，不利于企业的现代化生 产。伴随着系统仿真技术的出现与迅速发展，将仿真技术应用于企业的设施规 划与设计、分析和验证，这样能有效避免企业改变现有设施布局所带来的风险。 本论文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 对某汽车总装配车间的生产线进行现场调研并收集数据，得到了该车 间的简化模型。针对该车间的生产现状和生产线的特点，采用仿真软件 e mp l a n t 进行建模与仿真。 2 研究了企业设施规划的相关理论和分析方法，重点研究了系统布置设 计法，结合某汽车制造企业这一实例，对其总装车间的生产物流系统进行了分 析，发现车间存在的问题，并利用系统布置设计法，提出了改进的方案。 3 对生产物流系统建模和仿真的方法进行研究，利用仿真软件e mp l a n t 分别建立该汽车制造厂的总装配车间在改造前和改造后的仿真模型。运行仿真 模型，收集模型运行时的性能参数。 4 通过对新旧方案所建立的模型的输出数据进行比较和分析，得出了新 方案是较优的方案。 本文成功的将系统布置设计法与系统仿真技术有效地结合起来用于汽车 装配车间生产线的布置与优化，研究成果为生产线的设计与改造提供了理论支 持。 关键词：物流；生产线；系统布置设计法；仿真；e mp l a n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t 页 a bs t r a c t a st h ec o m p e t i t i o no fm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sg r a d u a l l yt u r n i n gt os p e e d c o m p e t i t i o nf r o mq u a l i t ya n ds c a l ec o m p e t i t i o n ，h o wt os h o r t e nt h ele a dt i m ei st h e p r i m a r yf a c t o rt og a i nm a r k e t f o re n t e r p r i s e t h er a t i o n a l i t yo fe n t e r p r i s e s f a c i l i t i e s l a y o u t a n dt h ep a t e n c yo fm a t e r i a l h a n d l i n gd i r e c t l yi n f l u e n c ei t s c a p a c i t ya n dp r o d u c t i o nc y c l e t h ef a c i l i t i e sp l a n n i n ga n dd e s i g ni so n eo ft h e i m p o r t a n t b r a n c h e so fi n d u s t r i a l e n g i n e e r i n g a c c o r d i n g t o p l a n n i n g t h e w o r k s h o p sf a c i l i t i e s ，t h ee n t e r p r i s er e s o u r c e ( e q u i p m e n t s ，m a t e r i a l s ，h u m a n ， e n e r g ye t c ) c a nb ee f f e c t i v e l yo r g a n i z e df o ra c h i e v i n gt h ee f f i c i e n tp e r f o r m a n c e t h et r a d i t i o n a lm e t h o do ff a c i l i t i e sp l a n n i n ga n dd e s i g ni sm a i n l yq u a n t i t a t i v e a n a l y s i sc o m b i n i n gw i t he x p e r i e n c e ，t h em e t h o di sc o m p l e xi nc o m p u t i n ga n dt h e d e s i g nt i m ei sl o n g ，a n dw h e t h e rt h ed e s i g np l a ni sr e a s o n a b l en e e dt ov e r i f y t h r o u g h a c t u a l p r o d u c t i o n ，s o i ti n c r e a s e sr i s ka n dc o s t ，g o a g a i n s t i t s m o d e r n i z e a t i o np r o d u c t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs y s t e ms i m u l a t i o n t e c h n i q u e ，t h ef a c i l i t i e sp l a n n i n ga n dd e s i g n ，a n a l y s i sa n dv a l i d a t eo fe n t e r p r i s e s c a nb ea d o p t e ds i m u l a t i o nm e a n sw h i c he f f i c i e n t l ya v o i dt h er i s ko ft h e i rf a c i l i t i e s l a y o u tc h a n g e si ne x i s t e n c e i nt h ep a p e r ，t h er e s e a r c hc o n t e n t sm a i n l yh a v eaf e w a s p e c t sa sf o l l o w 1 t h ef i e l dr e s e a r c hi sd o n e a n dt h ee x p e r i m e n td a t ai sc o l l e c t e di n p r o d u c t i o nl i n eo fo n ea u t o m o b i l ea s s e m b l ys h o p ，a n dt h es i m p l i f i e dm o d e lo ft h e s h o pi sg a i n e d a i ma tt h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c t i o na c t u a l i t ya n dp r o d u c t i o n l i n e i nt h es h o p ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ee m p l a n ti s a d o p t e df o rm o d e l i n ga n d s i m u la t i o n 2 t h er e l a t e dt h e o r ya n da n a l y s i sm e t h o do ft h ee n t e r p r i s ef a c l i i t yp l a n n i n gi s r e s e a r c h e d ，s p e c i a l l yt h es y s t e ml a y o u td e s i g nm e t h o d t h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c s s y s t e mo fa s s e m b l ys h o pi sa n a l y z e db ya na u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第t t t 页 e x a m p l e ，a n dt h ee x i s t e n tp r o b l e m sa r ef o u n da n dt h ei m p r o v e dp r o g r a mi sp u t f o r w a r db yt h es y s t e ml a y o u td e s i g nm e t h o d 3 t h ep a p e rr e s e a r c h e st h em e t h o do fp r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mm o d e l i n g a n ds i m u l a t i n g t h eb e f o r ea n da f t e ra d j u s t m e n ts i m u l a t i o nm o d e l sa r eb u i l tb a s e o ne m p l a n tf o rt h ea s s e m b l ys h o po fa u t o m o b i l ef a c t o r y t h es i m u l a t i o nm o d e li s r u no na n a l y s i st h ed a t a 4 a c c o r d i n gt oc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h eo u t p u td a t ao fn e wa n do l d p r o g r a m s m o d e l s ，t h eo p t i m u mp r o g r a mi sf o u n d t h i sp a p e rs u c c e s s f u l l ya p p l i e st h em e a nw h i c he f f i c i e n t l yc o m b i n e st h e s y s t e ml a y o u td e s g i nm e t h o da n d s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt ot h el a y o u ta n d o p t i m i z a t i o no fa u t o m o b i l ea s s e m b l ys h o pp r o d u c t i o nl i n e t h er e s e a r c h e s c a n p r o v i d et h et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ep r o d u c t i o nl i n ed e s i g na n da d j u s t m e n t k e yw o r d s ：l o g i s t i c s ；p r o d u c t i o nl i n e ；s y s t e ml a y o u td e s i g nm e t h o d ；s i m u l a t i o n ； e mp l a n t 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密面，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：砑继耘 日期：2 口70 弓口嚣等争砼日期：砷6 否 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 研究了企业设施规划的相关理论和分析方法，重点研究了系统布置设 计法，结合某汽车制造企业这一实例，对其总装车间的生产物流系统进行了分 析，发现车间存在的问题，并利用系统布置设计法，提出了改进的方案。 2 对某汽车总装配车间的生产线进行现场调研并收集数据，得到了该车 间的简化模型。针对该车间的生产现状和生产线的特点，采用仿真软件 e mp l a n t 进行建模与仿真。对生产物流系统建模和仿真的方法进行研究，利用 仿真软件e mp l a n t 分别建立该汽车制造厂的总装配车间在改造前和改造后的 仿真模型。运行仿真模型，收集模型运行时的性能参数。通过对新旧方案所建 立的模型的输出数据进行比较和分析，得出了新方案是较优的方案。 3 成功的将系统布置设计法与系统仿真技术有效地结合起来用于汽车装 配车间生产线的布置与优化，研究成果为生产线的设计与改造提供了理论支 持。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：药旺当 日期：- ) , olo 莎弓o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 改革开放以来，我国汽车工业得到了较快发展，形成了比较完整的汽车产 品系列和生产布局。随着汽车市场的不断发展，汽车制造企业之间的竞争日趋 激烈，企业对市场的反应速度以及满足客户需求的能力逐渐成为衡量企业竞争 优势的一大重要准则。但是目前我国众多企业包括汽车制造企业仍然沿用了几 十年前的生产模式，厂区布局落后，车间设施规划不合理，这些都严重影响了 企业的生产经营状况。随着竞争的加剧，众多的制造企业逐渐意识到了合理的 设施规划将会提高它们的利润，在国际化竞争的冲击下，这些企业开始进行转 型和流程再造，先进的制造技术包括产品模块化、柔性制造、成组技术和多品 种小批量生产被越来越多的企业应用，使得企业的生产方式从传统转向了现 代。然而，生产过程的自动化、柔性化程度越高，生产规模越大，与落后的物 流间的矛盾就越突出，制造系统的高效与物流系统的低效之间越来越不适应。 现代生产方式不仅对生产能力而且对制造企业设施规划与布置提出了更高的 要求【l 之】。根据国外资料统计，机械加工工厂的物料在其生产周期中用于加工 的时间仅占5 左右，而处于存储、搬运和生产线上等待的时间大约占9 5 左 右1 3 】，在总成本中，用于物料搬运的部分占2 0 5 0 ，而好的物流系统可使物 料搬运的费用至少减少10 3 0 吲引，由此可见，合理化的生产物流对提高企业 的生产效益和利润具有重要作用。 在我国的工业企业中，传统的系统设施布置存在两方面的不足，一方面是 传统的系统设施布置在设计时主要采用的是定量分析和经验设计相结合的方 式，各个作业单位之间生产物流呈现出分散化和个体化，不能适应现代生产制 造，另一方面传统系统设施布置设计的流程是：系统分析、进行规划设计、实 施、做出评价、再进行完善改造，在物流系统设计完成后，很难即刻评价系统 的优劣，只有在项目实施之后，方可对系统的性能做出评价，然后再进行改造 和完善。这种传统的系统设计方法在进行物流系统设计时，往往成本高，设计 周期长。目前先进的系统布置设计法采用计算机仿真技术，把设计方案转换成 模型，通过对系统运行进行模拟，分析系统运行后的性能，评价设计方案的优 劣。这样可以在真实系统未建立或改造前，就能够发现系统存在的问题，修正 不合理的设计，避免资金、人力和资源的浪费【5 7 】。 因此，本文在此基础上，将物流分析技术、系统工程理论和计算机仿真技 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 术进行了有机结合，综合考虑了各种因素，使系统的物流效率和物流成本最优 化。本文通过对某汽车装配车间目前的生产物流系统进行调查分析，应用系统 布置设计法提出了新的设计方案，然后应用仿真软件e mp l a n t 对新旧方案进 行仿真，模拟系统的运行，评价新方案的优劣，这对制造企业进行生产设施的 设计以及改扩建有着重要的理论和现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 生产物流系统是生产过程的重要组成部分，也是联系生产制造各环节成 为有机整体的纽带。设施布局规划在生产物流系统规划中占有着重要的地位。 优劣不同的设施布局，施工费用可能相差无几，但对生产运营的影响会有很大 区别。优良的设施布置可以缩短生产周期，节省物料搬运费用，加快流动资金 周转。因此，优良的设施布置是提高生产系统效益的重要手段，是改善生产系 统整体功能、实现现代化管理和先进生产方式的前提和基础1 8 】。 国内设施布局规划的传统方法主要以模仿性规划为主，规划工程师根据生 产产品的形式、种类，通过对国内外的同行业企业的调查、类比进行布置和规 划，在最近的研究中这课题得到了管理学和运筹科学工作者的极大重视，它 通常被看为优化问题，在一些约束的条件下通过优化某些性能指标来得到优化 的布局方案。黄文奇等【9 】将最陡下降法和拟物法相结合在等式约束和不等式约 束条件下，对矩形图元在周界圆中的布局进行了研究；许立【1 0 将优化算法应用 于解决车间设备布局问题并且提出了物量矩的概念；肖美华 1 l 】提出了一种基于 遗传算法和模拟退火法相结合的优化方法用于解决布局问题。 系统仿真法，是依据对实际系统建立的动态模型加以研究，仿真技术是以 系统技术、相似原理、信息技术以及仿真应用领域的相关专业技术为基础，以 计算机系统、各种物理效应设备及仿真器为工具，利用模型对已有的或设想的 系统进行研究的一门多学科的综合性的技术 1 2 】。由于仿真技术能较好地解决实 际问题，已经渐渐成为认识客观世界的除理论、试验技术以外的第三种方法。 仿真技术具有可试验性、快速性、可量化性、对随机性有良好表现性、经济性 和科学性等优点，很适合用来解决复杂的生产物流系统这样的多目标离散动态 系统的决策问题。因此，可以应用仿真技术来解决生产物流系统中的问题。熊 金猛等【13 】利用增强现实技术来进行车间布局设计的可行性，给出了基于增强现 实技术的车间布局仿真系统的技术指标和体系结构，同时借助于a r t o o l k i t 等开发工具实现了其原型系统。许立等【1 4 】利用关系数据库驱动三维仿真模型的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 寰詈皇皇皇蔓皇曼蔓皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼蔓皇曼皇曼曼曼曼曼皇皇皇曼曼曼! 舅寡鼍曼舅曼皇璺皇蔓皇曼曼- - a m _ 曼曼鼍曼曼皇 设计思想和实现方法，将其应用于制造车间的布局的分析和设计，实现了一种 开放式，可视化的制造车间布局设计系统。肖声军、李军”1 讨论了在生产流系 统规划中利用w i t n e s s 软件进行仿真的方法进行方案优选，并通过设置参数达 到优化生产过程的目的。 1 2 2 国外研究现状 布局问题是复杂的组合优化问题，无法给出最优解，数值解也不易求出， 2 0 世纪7 0 年代，国外开始对带有性能约束的布局问题进行求解，p e r e i r a 1 6 】 利用人工智能对平面矩阵之间有确定相邻不相邻关系的布局进行了研究； s c h e i t h a u e r 1 7 】对布局问题的模型进行了研究；u d y 18 1 、k i m 1 9 1 利用优化算法来 求解布局问题。 系统仿真是一项用于系统分析和研究的十分有效的技术，己经被广泛的用 于对生产物流系统进行规划设计，国外学者在对生产物流系统进行仿真时，大 多采用的是建立基于p e t r i 网的网络模型的方式，其基本思想是用库所集p 来 代表系统中实体和活动的状态，用变迁集t 代表系统中的事件。a 。s a w h n e y t 2 o 】 将p e t r i 网技术用于邮件处理中心，对整个邮件处理中心的工作流程进行了分 析与优化，使得邮件的处理效率得到提高。 还有一些学者在生产物流系统的仿真中引入了面向对象的建模和仿真方 法。面向对象的思想是将系统分解为若干类对象，把具有相似行为和功能的实 体归为一类对象，每个对象类之间按照信息的传递关系连接起来。现代物流系 统属于复杂的离散事件动态系统，具有复杂性、并发性、递阶性、随机性等特 点，而面向对象的技术具有分解、递阶、抽象等特性，非常适合于复杂问题的 求解。k e l l e r e t 2 1 j 提出了建立柔性制造系统的面向对象仿真模型一般框架，将 面向对象的方法赋予了一般化、标准化的特征。a n g l a n i l t 22 】基于a r e n a 过程 仿真语言和u m l 建模语言，利用面向对象的技术建立了柔性制造系统仿真模 型的开发环境- - u m s i s ，从而将概念模型转化为实际模型；w o l f g a n g t 2 3 】将面向 对象的概念引入到离散事件系统的建模与仿真中，并给出了个系统实现的框 架b e t a s i m 。 1 3 制造企业的性能参数 1 、初始加工时间 一条生产线的初始加工时间( t o ) 是指这条生产线中每个加工工位在稳定 状态下完成一项加工任务的加工时间的总和【24 1 。即在生产线处于稳定状态和无 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 等待的条件下，待加工的原材料从进入生产线到最后成为产成品离开生产线这 个过程所经历的时间。 2 、节拍 流程的“节拍”是指连续完成相同的两个产品( 或两次服务，或两批产品) 之间的间隔时间。换句话说，即指完成一个产品所需的平均时间。节拍通常只 是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。如果产品必须是 成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。在流程设计中，如果预先给 定了一个流程每天( 或其它单位时间段) 必须的产出，首先需要考虑的是流程 的节拍。 3 、生产线的瓶颈率 生产线的瓶颈率( 厂6 ) 是指该生产线中长时间处于最高利用率的工位每单位 时间所生产的零件数或完成的任务数 25 1 。流程中存在的瓶颈不仅限制了一个流 程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发挥。更广义地讲，所谓瓶颈 是指整个流程中制约产出的各种因素。例如，在有些情况下，可能利用的人 力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可 能成为瓶颈。正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出 的速度，生产品或使用的人力和设备。因此在流程设计中和日后的日常生产运 作中都需要引起足够的重视。 4 、单位时间生产量 单位时间生产量( t h r o u g h p u t ，t h ) 是指一个生产系统( 机器、站点、生产线 等) 在一个单位时间的平均产出 2 6 】。在一个由许多站点组成的流水生产线上， 所有产品都经过每一个站点只有一次，所以每个站点的生产量是相同的。 5 、空闲时间 空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备 或人的时间。当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工 序就会产生空闲时间。这就需要对生产工艺进行平衡。制造业的生产线多半 是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简 化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。然而经过了这 样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同， 这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。除了造成的无谓的工时损失 外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。为了 解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以 使生产线能顺畅活动。 6 、临界在制品库存 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在制品库存( w i p ) 是指生产过程生产线起点和终点之间的库存1 2 。由于生 产线的起点和终点都是存储点，所以在制品库存是生产线起点和终点之间所有 待加工和正在加工的产品的总和。一条生产线的临界在制品库存( 觋) 是指在确 定的生产线瓶颈率和初始加工时间的基础上和没有可变性的条件下，生产线所 能达到的最大的生产量。这里，瓶颈率为，最短的生产周期为乃，我们可以 用下面的公式表示用生产线瓶颈率和初始加工时间来定义临界在制品库存。 = 乃x r b 7 、生产周期 一条给定生产线的生产周期( c y c l et i m e ，c t ) 是指一个生产任务从该生产 线的第一个站点进入开始加工到从该生产线的最后一个站点被加工完以后退 出的整个过程的平均加工时间，也就是被加工物料作为在制品的这段时间【2 引。 8 、装配线平衡 装配线平衡问题是一个与设施规划相牵连的问题。一个工作站要完成的工 作总量与分配到该工作站的基本工作单元总数是一致的。装配线平衡问题就是 将所有基本工作单元分派到各个工作站，以使每个工作站在节拍( 即相邻两产 品通过装配线尾端的间隔时间) 内都处于繁忙状态，完成最多的操作量，从而 使各工作站的未工作时间( 闲置时间) 最少。 装配线的平衡是使人员之间或机器之间尽量平衡，这样装配线的产出才能 达到要求的水平。装配线平衡问题与设施规划相牵连。装配线的平衡与否直接 影响到制造系统的生产率。 1 4 装配线设计原则 合理的装配线应尽量减少迂回、停整和搬运，保持装配线生产的灵活性， 并有效利用人力和面积，这不仅能使物流更加畅通，而且能有效提高生产效率。 企业最终目的是要以高质量的产品、低成本、最短的交货期以及最佳的投产时 间去开拓市场，因此企业需从经营的角度论证和确定装配线的设计原则。 1 、流向合理，移动最短原则 装配线布置设计要按照装配工艺流程统一协调，保证物流设计的合理性， 即整个产品装配过程是连续的，中间没有停顿、倒流和长距离运输。合理的物 流虽不产生任何附加价值，但可以减少在物流上所花费的人力、物力，达到降 低成本和改善质量的效果。在装配线物流上，要求物的移动距离和运输量尽量 短、少，避免停滞、超越和堆积。 2 、有效利用面积原则 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 量鼍曼曹m ；i i 。 。曼暑曼曼鼍曼曼皇皇皇曼舅曼曼曼皇寰暑曼曼皇曼曼曼皇曼曼 在装配线布置中，要充分有效地利用面积，设备间隔在保证一定维修空间 下尽量减小。这不仅使面积利用率提高，也减少了工人所走的路程。选择通道 宽度时，需根据人的流量、物流量来考虑。 3 、安全便于工作原则 安全生产是一件大事，它是装配线布置的基本目标之一。保证工人工作安 全满意，不仅能使生产管理费用降低，也能改变工人的精神面貌，操作者提心 吊胆的工作是无法生产出高质量产品的。同时，在装配线操作中，一定要强调 6 s 活动，即整理、整顿、清洁、清扫、素养和安全。 4 、弹性原则 装配线的布置设计一定要有灵活性，具备一定扩建和改动的适应性，即在 花费最少费用的条件下，能方便地对装配线布置进行调整。在装配线设计阶段， 必须对变化因素加以分析，留有余地，以适应各种变化。 5 、简单化原则 装配线布置要力求简洁，一目了然，使管理简便，避免复杂化。 以上述装配线布置指导思想和设计原则为基础，根据市场需求的产品不断 进行更新、变化，能满足多品种产品的及时切换，提高了工艺水平，确保了产 品质量，并使生产能力提高，可满足拓宽配套市场占有率的要求。 1 5 本论文的主要研究内容及组织结构 1 5 1 本论文的主要研究内容 论文以汽车制造企业的生产物流系统为研究对象，对某汽车制造厂的总装 配车间的设施总体布局规划问题进行物流系统分析并进行建模与仿真研究，对 该车间的不同设施规划方案进行仿真，通过建立和运行系统的计算机仿真模 型，来模拟实际系统的运行状况及其随时间变化的规律，在这个过程中，通过 对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性， 以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。从而对方案进行优选，达 到对现实生产物流系统进行优化目的。实验证明，用仿真软件对生产物流系统 进行仿真具有方便、经济、快捷等优良特性，不失为一种有效的方法。本文的 主要工作由以下四部分构成： 1 对某汽车总装配车间的生产线进行现场调研并收集数据，得到了该车 间的简化模型。针对该车间的生产现状和生产线的特点，采用仿真软件 e mp l a n t 进行建模与仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 研究了企业设施规划的相关理论和分析方法，重点研究了系统布置设 计法，结合某汽车制造企业这一实例，对其总装车间的生产物流系统进行了分 析，发现车间存在的问题，并利用系统布置设计法，提出了改进的方案。 3 对生产物流系统建模和仿真的方法进行研究，利用仿真软件e mp l a n t 分别建立该汽车制造厂的总装配车间在改造前和改造后的仿真模型。运行仿真 模型，收集模型运行时的性能参数。 4 通过对新旧方案所建立的模型的输出数据进行比较和分析，得出了新 方案是较优的方案。 1 5 2 本文组织结构及逻辑关系 本论文各章具体内容如下： 第一章论述制造企业生产物流的重要性和本课题提出的重要意义，分析生 产物流系统分析的国内外现状，介绍了评价制造企业生产情况的性能指标以及 装配线设计的一些基本原则，最后介绍本论文的主要内容，组织结构及其逻辑 关系。 第二章论述汽车混流装配线的概念及其特点，介绍了汽车混流装配线系统 的关键技术，并分析了某混流装配车间的生产现状。 第三章探讨设施规划的相关理论及其应用，重点就系统布置设计方法在结 合某汽车制造企业混流装配车间应用中的问题进行系统分析，对某汽车制造企 业的总装配车间的生产现状进行现场调研并收集生产数据，对其生产情况进行 分析，发现生产过程中存在的不足，应用系统布置设计法提出了新的生产设施 布局方案。 第四章论述系统仿真技术，介绍了仿真软件e mp l a n t ，并利用e mp l a n t 仿真软件对新旧两套生产设施布局方案进行仿真。 第五章对建立的仿真模型进行仿真实验，并通过对输出参数的系统分析， 得到最佳的优化布局方案。 综合上述内容，得到了本文的组织结构及逻辑关系图，如下页中图1 1 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i 素一章绪论 图1 1 本文结构及逻辑关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章汽车混流装配线及生产现状 2 1 汽车混流装配线系统 2 1 1 汽车混流装配线概述 在2 0 世纪初亨利福特首次将流水线生产方式应用在汽车装配线上，以标 准化、大批量生产的方式来降低生产成本，提高了效率，使汽车变成了标准化 的商品，进入了普通百姓家庭。流水线生产将汽车装配过程分解为多个标准化 的装配作业，各作业站点有专用的人员和装配设备来完成固定的装配工作，各 站点间采用专用、固定路径的运送设备。采用这样一种布置策略不但使运输效 率提高了，单位运输的成本也降低了，待加工对象在站点中停留的时间短，相 应的在制品数量也较少，整个生产过程时间缩短，产品成本降低。 随着现代汽车制造技术的发展，产品的生命周期大大缩短了。同时由于用 户需求的多样性，单一品种、大批量的生产方式已不再适应用户对产品的多样 性需求，福特提出的大规模生产模式已经无法适应快速多变的市场需要。在新 的市场环境下，企业需要一种新的生产模式：能够以大规模生产的方式进行同 一类型多种产品的生产。多品种混流装配线的出现，能够实现多品种小批量的 生产方式，既保留了流水生产方式的大规模高效率低成本的优势，又提高了多 品种生产的灵活性。它能根据用户的特定需求，用大规模生产的效益完成特定 产品的生产，从而实现满足用户的个性化和大规模生产的有机结合。 2 1 2 汽车混流装配线的概念 流水装配线最初的作业方式是单一品种的流水线作业，发展到现在出现了 多品种混线装配的作业方式，混流装配线有时也称为混合装配系统。由于对混 流装配系统研究的时间还不够长，而且混流装配系统的发展形式的多样化，所 以对混流装配系统的概念还没有形成统一的定义。a e 欧文是这样描述混流装 配系统的：“混流装配系统是柔性装配系统的一种实现形式，是由柔性装配设 备、计算机控制调度系统、物流储运装置和必要的生产管理人员所组成的用于 满足多品种共线生产的一种柔性装配系统，它包括多个柔性装配单元，能根据 装配任务和生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、小批量的生产。”a e 欧文的定义主要侧重于柔性化的装配设备，柔性化的装配设备是混流装配生产 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 系统的重要组成部分。综合目前的研究可以这样认为：混流装配生产系统是一 种用于装配生产领域的生产组织与运作的方式，可以较好的满足用户对于产品 多样化的需求，解决企业的多品种、小批量生产的问题。 在混流装配线上要实现不同品种的产品混线、连续地生产，混流装配线要 求生产线上的产品一般是按照模块化设计的系列产品，而且这些产品的装配方 式基本上相同，仅仅在规格和型号上有所区别。在汽车、家电行业中，同一系 列的产品在装配过程中大部分的装配工序相同，所以更换产品品种时不需要更 换生产线，只需要对生产线进行比较小的调整，因此混流装配方式比较适合于 汽车生产行业，在一条汽车装配线上能同时装配多种车型。 2 1 3 汽车混流装配线系统的特点 汽车混流装配线是一个完整的系统，在计算机的控制下不同的设备之间相 互联系，具有高度的协调性，通过计算机的协调构成一个有机整体。一条装配 生产线的动态特征可以概括为： ( 1 ) 汽车装配线的状态变化往往呈现不确定性，具有随机的特性； ( 2 ) 汽车装配线的状态变化具有并发性和异步性； ( 3 ) 汽车装配线的状态只在离散时间点上发生变化，其他时刻保持不变； ( 4 ) 汽车装配线服从的是人为制定的逻辑规则。 混流装配线系统本质上是一个信息处理系统，混流装配生产线由各种信息 源和各种各样的信息加工单元组成，按照时间先后关系，被加工的信息在信息 单元之间流动。因此，汽车混流装配线生产系统实际上就是一个多品种小批量 的准时制生产系统( j u s ti nt i m e ) ，汽车混流装配线生产系统具有以下特征： ( 1 ) 生产品种的多样性。汽车车型与品种较多，而且生产的数量不同。 ( 2 ) 生产过程的复杂性。由于各种车型所需要的零部件不同，所以各种零 部件进入生产线的时间需要准时化。 ( 3 ) 生产计划的变动性。为了满足市场上不同客户对于产品多样化的需求， 车辆在装配过程中需要根据需求进行配置，因此，混流装配线上的生产计划会 经常发生变化，因而在生产中实现工艺计划和进度计划的最优匹配是一项复杂 的任务。 一 ( 4 ) 生产环境条件的多变性。生产计划中，车型的数量和规格经常发生变 化，有时甚至出现特别紧急的订单，所以混流装配线会发生供货不及时、外购 件短缺等意外的状况。 ( 5 ) 生产管理的动态性。由于人员缺勤、设备故障、熟练程度不同等客观 问题的影响，具体任务在组织实施进行生产的过程中可能出现各种变故，如果 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一。 i- - - - - - i 。ni n n i 毫曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼 仅仅依靠传统经验来管理，很容易陷入混乱的状况，因此混流装配线上必须要 做到规范化管理。 2 1 4 汽车混流装配线系统的组成 汽车混流装配系统不仅包括生产所必须的物理设备，而且设备之间通过信 息流和物料流联系起来，并最终形成一个有机整体。混流装配系统一般由三部 分组成：生产设备，物流系统和生产控制信息系统，其构成结构图如下图2 1 所示。 图2 - l 汽车混流装配线系统的组成 l 、生产设备 物理生产设备是混流装配线的基础，也是实现各种加工生产的必备条件。 生产设备通常是指制造设备、加工设备和存储单元等有形实体，例如机床、机 械手、夹具、被加工件等等。另外，混流装配线需要配备相应的生产辅助设备 和质量检测工具，这些可以依据具体的加工生产进行配备。 2 、物流系统 在混流装配系统中物流系统是指混流装配线上物料的调运系统，包括工 件、流动、工具的搬运等，在一件产品的生产过程中，只有一部分时间是用在 机械加工上，而很大一部分时间是消耗在了物料的储存搬运过程中，因此物流 系统是整个混流装配生产系统的一个重要组成部分。在混流装配系统中合理地 选择物流路径，运用良好的物流系统，制定科学的物流策略，可以保证各个零 部件准时的上线，减少大量不必要的物料流通环节，提高整个生产系统的工作 效率。 物流系统的作用体现在三个方面， ( 1 ) 物料存储，通过物流系统对物料的存储情况进行系统管理，随时掌 握物料的存储信息； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 2 ) 物料调度，通过物流系统可对物料进行实时调度，实现生产物料调 度的优化； ( 3 ) 制订物料计划，随着企业资源计划和产品数据管理等企业管理系统 的广泛应用，各种加工生产要实现信息化控制，就要求物流系统与这些系统保 持良好的联系和数据共享。混流装配线的物流系统的一个重要特点就是要求物 料实现准时制配送，即混流装配系统的生产按照节拍流水生产，这就要求各种 零部件的配送和上线必须按照节拍准时进行。 3 、信息系统 混流装配系统的信息系统包括生产调度以及过程监控两部分，其功能分别 为：生产调度实现生产资源的合理配置和管理；过程监控主要对生产线进行实 时监控。生产调度主要是依据生产计划制定资源配置计划，对突发情况进行紧 急处理；过程监控主要是对流水线的运行状况进行监控，确保装配流水线的正 常运行，其次对物料投放进行数据采集，为各个工位提供必要的信息支持，并 对质量控制部分进行监管，及时发现生产线中存在的问题。 2 1 5 汽车混流装配线系统关键技术 2 1 5 1 模块化装配 所谓模块化，就是零部件和子系统的组合。在制造系统中，通过加强产品 开发设计、生产管理、生产工艺和产品制造的密切配合来提高产品装配的自动 化水平，从产品设计开始就尽可能地考虑简化总装配工序，使尽可能多的分装 总成在总装配线外先进行预装配，构成整体后再送到总装线安装到车体上，也 就是模块化装配。模块化装配可以极大地减少总装线上的装配时间、提高产品 的可靠性、降低生产成本、大大提高装配的自动化水平。德尔福公司首次提出 了模块化生产的概念，并率先向奔驰公司生产的m 级车供应前座舱模块。 模块化装配可以使汽车制造系统具有动态组合以及调整能力，以满足市场 对于产品多样性的需求和适应需求量的变化。目前，还做不到整车的模块化设 计和制造，但可以在总装配车间进行局部模块化运作。例如，丰田生产系统提 出了将传统的汽车装配生产线按功能分解成为小型生产线模块。模块化的结构 一般包括： ( 1 ) 底盘部件模块。将分装好的发动机和变速器总成、传动轴、前悬架总成、 油箱、排气管等底盘部件在线下组装好，形成底盘部件模块，然后装入车身。 ( 2 ) 车门模块。在车门分装线上，以内板为中心将玻璃、玻璃升降器及密封 护板等用螺栓安装于其中部，再将其与车门铰链、车门外把手、密封条和玻璃 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 滑轨安装到一起，形成车门模块，之后安装到车身上。 ( 3 ) 车头模块。指安装于车身前端覆盖件上的雾灯、前大灯、喇叭、散热器 面罩和发动机罩盖锁等。 ( 4 ) 仪表板模块。在模块骨架上安装仪表面板、空调、转向柱及离合器踏板 等，分装好后检查仪表和开关的性能，形成仪表板模块，之后再安装到车身内。 在混流装配生产过程中，模块化装配通过分装线实现，各种较大的模块或 总成先在分装线上完成装配，然后根据生产节拍由传送设备送到总装配线上进 行装配。对于一些结构特殊、配置差异大的模块或总成可以专门设立两条或多 条并行分装线，依据生产计划从并行分装线中选择相对应的分装线进行装配， 然后与该生产计划中其它零部件按照节拍进入总装线。 2 1 5 2 柔性装配 随着汽车市场竞争的不断加剧，汽车生产企业越来越多的依靠品种的多样 性来满足不同层次用户的需求，因此，越来越多的汽车生产企业采用了柔性装 配线，利用一次改造在相当长的时期内能够满足多种车型混线生产的需求。 柔性装配线指能够同时满足一个或多个系列汽车产品的生产需求，可以灵 活改变夹具和运行方式来适应相同大类汽车产品的装配生产。柔性装配线具有 如下特点： ( 1 ) 具备积放功能，使装配工时具有弹性； ( 2 ) 具备灵活多变的运行速度，适应不同生产节拍的生产要求； ( 3 ) 具有可编程操作控制系统； ( 4 ) 被输送的产品可在任意位置停止，满足不同产品、不同装配内容的不同 操作要求，实现装配的自动化； ( 5 ) 随行夹具的支承形式和装夹方式能够灵活改变以适应多品种的装配需 求。 柔性装配线的生产管理系统是依靠设在中央控制室的主机和设在各分控 点的终端机组成的计算机控制系统来指挥全部生产工艺和存、取信息，使得制 定计划、监控库存量、准时制供给、待装件输送等内容全部或部分的由计算机 控制，从而达到根据用户的要求来及时生产和及时供货。 2 1 5 3 看板管理 看板管理是一种实行准时化生产( j u s ti nt i m e ，j i t ) 的科学管理方法，以 看板为工具，采用反工艺路线的做法，有效地控制产品( 零部件) 的生产和流动， 做到“准时领取、准时运送、准时生产”。 多品种混流装配生产的一个重要问题是品种更换过程中生产准备的时间 过长，导致产品的总生产时间延长，在这种情况下缩短产品的总生产时间的关 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 键因素是如何保证不