（机械制造及其自动化专业论文）某阀门车间布局设计及仿真研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 车间布局设计是制造系统规划与设计的主要内容，合理的车间布局设计可以充分发挥 生产系统的生产能力，对提高产品的质量、生产设备的利用率、生产柔性、减少物流搬运 量、改善作业现场作业环境等都有着重要的意义。 本文以国家自然科学基金( 7 0 5 7 1 0 6 0 ) ，国家科技支撑计划( 2 0 0 6 b 心0 2 a 0 3 ) 为依托， 综合国内外研究现状，对车间布局问题进行分析总结。以系统化布局理论为基础，结合现 代计算机仿真技术，提出了车间布局优化设计框架。 针对某阀门车间布局问题，运用系统化布局设计方法，综合分析车间作业单位间物流 及非物流关系，得到作业单位综合位置关系，使用面积图解法得到阀门车间平面布局方案。 运用模糊综合评价理论对产生的平面布局方案进行评价排序，利用f l e x i s m 仿真软件实现对 布局方案从平面到三维的仿真，通过仿真运行结果得到最优布局方案。 关键词：车间布局设计；系统化布局；模糊综合评价；f l e x s i m 仿真 a b s t r a c t s h o p f l o o rl a y o u td e s i g n i st h em a i nc o n t e n t so fm a n u f a c t u r i n gs y s t e mp l a n n i n g a n d d e s i 霉咀。r e a s o n a b l es h o p f l o o rl a y o u td e s i g nc a nf u l l yd e v e l o p t h ec a p a c i t yo fp r o d u c t i o ns y s t e m ， i th a sa 舀e a ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，t h eu t i l i z a t i o no fp r o d u c t i o n e q u i p m e n ta n dt h ep r o d u c t i o nf l e x i b i l i t y , r e d u c i n gt h ea m o u n to fl o g i s t i c sh a n d l i n g , 1 m p r o w n g t h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n t 。 t h i sp a p e r r e l i e do nt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d so fc h i n a ( 7 0 5 7 10 6 0 ) ，n a t i o n a l s c i e n c ea f l dt e c h n o l o g ys u p p o r t i n gp r o g r a mo fc h i n a ( 2 0 0 6 b a f 0 2 a 0 3 ) ， b a s e do ns y s t e m l a y o u tp l a n n i n gt h e o r y , c o m b i n e dw i t hm o d e mc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , r e a l i z e dt h e v a l v es h o p f l o o rl a y o u td e s i g na n ds i m u l a t i o ns i m p l ya n de f f e c t i v e l y f o ras y s t e ml a y o u tp l a n n i n gp r o b l e mi naf a c t o r y , w i t ht h es y s t e ml a y o u tp l a n n i n gm e t h o d ， c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl o g i s t i c sa n dn o n 。l o g i s t i c so fo p e r a t i n gu n i t s , g o tt h em ei n t e g r a t e dl o c a t i o nr e l a t i o n s h i po fo p e r a t i n gu n i t s ，p r o p o s e da v a l v es h o p 。f l o o rl a y o u t p r o g r a mw i t h a r e ag r a p h i cm e t h o d e v a l u a t e da n ds o r t e dt h el a y o u tp r o g r a mw i t hf u z z y c o m p re _ h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ，s i m u l a t e dl a y o u tp r o g r a mf r o mp l a n et o t h r e e 。d i m e n s i o n a l w i t hf l e 虹s m o b t a i n e dt h eb e s tl a y o u tp r o g r a mt h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：s h o p f l o o rl a y o u td e s i g n ；s y s t e ml a y o u tp l a n n i n g ；f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ； f l e x s i ms i m u l a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：垒塾日期：幺皇：堑：受 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 车间布局就是合理确定车间各组成部分及其各种设备、装置的具体位置。所谓合理布 置，就是要使设备、人员与物料的移动得到密切有效的配合，既使生产活动能有效地进行， 又能节省生产费用，并为职工提供一个安全、舒适、美观的工作坏境【l 】。 制造型企业的生产设备布局经历了三个阶段： 作坊式生产阶段：自工业革命之后，手工作业的人工密集型生产转而进入了机械化的 生产阶段，生产的速度和精度有了显著的改进。此时的生产是以满足生产能力为目标的生 产方式，生产设备的布置形式表现出更大的随意性。与当今的生产管理角度来看，这样的 生产设备布局是没有生产效率的。 生产设备布置阶段：到了二十世纪初，随着泰勒的生产作业研究的出现，人们意识到 生产区域的合理布局将影响到产品生产的效率，为此，出现了以有限生产区域为限制的工 厂布置技术，即在给定的生产厂房内，结合产品的生产工艺和物料搬运流程，将生产所需 要的设备，以生产过程的相互衔接最佳为目标，形成了工厂布置和搬运分析的方法，这种 方法的最大限制在于生产工艺的布局受到了生产厂房的条件限制。由于存在着厂房限制， 因此，在工厂布置中有时为了适应厂房条件的限制而放弃最佳的工艺布局方案。 设施规划阶段：到了二十世纪七十年代后期，众多学者认为：工厂布置与搬运分析不 足以优化生产作业流程，应当将与生产相关联的，包括人、机、料、工艺、环境等因素综 合起来，进行统一的规划设计。1 9 8 5 年由j a t o m p k i n s 和j a w h i t e 共同提出了系统化设 施规划( f a c i l i t i e sp l a n n i n g ) 方法，方法以产品生产工艺流程为依据，结合生产设备、生产 物料、生产所需的入力资源配置以及生产管理方法，系统地进行设备的布局设计，从而形 成了对应的建筑需求。使生产设备的布局最大限度地得到了优化【2 】【3 j 。 自从设施规划概念的提出经过了诸多学者的研究和完善，目前，国内外运用的设施规 划理论主要有三大学术流派：即r i c h a r dm u t b e r ( 美) 总结自己几十年工作经验提出的基 于物料搬运分析的一系列操作表格的设施规划方法【4 】【5 】【6 】、j a m e sm a p p l e ( 美) 研究的基 于物流分析的设施规划方法【7 】和新乡重夫( 日) 提出的基于工厂、车间、工位的三级工厂 布局的方法瞵j 。 设施规划概念的提出至今，经过了几十年的发展，设施规划的方法得到了极大地完善， 随着计算机技术的发展，设施规划结合了计算机辅助优化设计方法，形成了基于计算机辅 助分析的规划方法。运用计算机辅助规划的主要方法有：c r a f t 、b l o c k p l a n 、m 口、 l o g i c 等。 由a r m o u r 、b u f f a 和v o l l m a n 三人在19 6 3 年提出了c r a f t ( c o m p u t e r i z e dr e l a t i v e a l l o c a t i o no f f a c i l i t i e st e t h n i q u e ) 9 1 ，方法是以规划区域之间，由物料搬运活动的从至关系为 设计依据，以区域活动的总行走路径最短为优化目标进行的布置设计。该方法本身是一个 启发式( 改进型) 算法：方法首先在满足约束条件下，生成一个可行解，然后根据区域之 间可能的互换，通过目标函数的比较寻找最优解。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 由d o n a g h e y 、p i r e 在1 9 9 0 年提出了b l o c p l a n 1 0 】，该方法是c r a f t 方法的改进方 法，其设计依据综合了活动区域之间的物流关系和非物流关系，通过启发式算法，以活动 区域之间的综合关系值最小作为优化目标，得到最佳的设施规划方案。 由m o n t r e u i l 在1 9 9 0 年运用混合整数规划原理，提出了m i x e di n t e g e rp l a n n i n g ( m i p ) 【1 1 1 方法，该方法将设施规划的区域假设成矩形，以区域的中心点之间的直角距离来描述区域 之间的距离进行优化，由于该方法不需要进行可行域中搜索初始解的过程，因此有其独特 的使用便利性。但是对于多区域的布局问题，由于该方法的求解耗时太长，所以，常常将 m i p 方法和b l o c p l a n 方法联合使用，前者解决初始解的求解问题，而后者完成近似的 最优解的求解。 由t a m 于1 9 9 5 年针对典型的制造企业的生产设备布局问题，对给定的总规划区域， 运用水平或垂直切割线划分的原理，提出了l o g i c ( l a y o u to p t i m i z a t i o nw i t hi n d u c e dc u t s ) 方法，该方法是一种对给定设施布局方案进行改善的一种优化方法。而改善方法的本质是 一种随机的方法。这种方法对于可供规划区域形状特殊或被规划的生产区域形状非矩形 时，这种方法的实现过程会变得十分复杂【1 2 】。 9 0 年代，温拿提出的战略设施规划( s f p ) 是在发展s l p 的基础上将其自身更紧密地集 成于c a l 中，这也表明了在设施布置项目向大型化、复杂化方向发展的今天，考虑到时 效性计算机辅助设施布置方法已逐渐成为设施布置设计的主流。s f p 把设施布置设计提升 至战略高度，通过一次根本性的再聚焦以及精益原则来提高企业整体生产力【1 3 1 。同时，新 的战略设施规划融合了优良的计算机辅助设施布置方法，一定程度上实现了设施布置的快 速响应、布局信息的计算机化和较丰富的设计方案以供决策者选择。 综上，设施布置设计未来发展的总趋势就是： 1 ) 继续发展完善缪瑟的系统布置设计和温拿的战略设施规划把它们的精髓更完整 地渗透、集成到计算机辅助设施布置设计中去； 2 ) 根据现实情况构建更为完整的布置模型并结合最新的人工智能技术的发展，提 出功能更强大、更为迅捷快速的新算法，最终开发出更通用的计算机辅助设施布置软件。 1 2 车间布局的目的和意义 车间设备布局的目的就是要保持车间内物流协调、畅通、快速、准确、安全、高效地 运行。据统计，在产品的一个生产周期中，传输和等待时间所占的比例达到9 0 - - 9 5 ， 真正用于产品加工的时间所占的比例很小，而在制造过程中将近2 0 - - 5 0 的费用花费在 物料传输费用上。优良的设备布局可使传输和等待的费用至少减少1 0 - - 3 0 。此外，优 良的设备布局还能加快物料处理的效率，减少在制品的停留时间，提高企业的生产率；同 时，通过降低物料传输费用，间接降低生产成本；也可减少工件缓冲区的容量、缩小制造 系统所占用的空间、减少制造系统建设的费用。总之，生产车间设备布局的好坏将直接影 响到整个生产系统的总体性能，如物流、信息流、生产能力、生产效率、生产成本、生产 安全等【1 4 】。 长期以来，制造系统的布局设计一直被认为是制造业中最关键和最困难的设计任务之 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 一，吸引了大批学者对此进行研究，但还未发现十分完美的设计方法。车间布局设计是制 造系统的布局设计中最基础最核心的问题，是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、 优化、仿真等技术的交叉学术领域【l 飘合理的车间布局设计可以充分发挥生产系统的生产 能力，对提高产品的质量、生产设备的利用率、生产柔性、减少物流搬运量、改善作业现 场作业环境等都有着重要的意义。 我国制造企业的设备布局应用目前仍停留在传统的工厂布局阶段，即根据工厂建筑设 计的状况，进行生产所需设备的布局规划，这种优化设计方法是以建筑物面积、形状、负 荷能力等为约束的布局方式，以生产过程中的运行成本最小为优化目标。其设备布局设计 的结果往往不能达到最合理的状态，造成了生产成本的增加f 1 6 1 。同时由于早期粗放式的生 产方式影响，布局过程中对环境以及资源等因素考虑较少，造成了生产过程对环境影响过 重等问题。由于这些设施布置不合理而导致的物流方面的问题很多，如物流流速慢，停滞 长，机构分散且不协调，物耗费用高，浪费、污染严重，有些生产车间比较杂乱，容易发 生安全事故旧。因此在我国实施及推广车间布局技术意义重大。 1 3 论文的课题来源 论文的研究工作来源于以下项目的支持： 1 面向绿色制造的制造企业生产过程多目标集成决策模型及方法研究国家自然科 学基金( 课题编号：7 0 5 7 1 0 6 0 ) ，2 0 0 6 1 - 2 0 0 8 1 2 2 制造企业生产过程绿色规划与优化运行技术具体负责车间设施规划及优化改 进。国家科技支撑计划( 课题编号：2 0 0 6 b a f 0 2 a 0 3 ) ，2 0 0 6 1 1 - 2 0 0 9 1 2 1 4 论文的主要研究内容 围绕本文的研究目标，在研究过程中主要做了以下工作： 1 ) 分析了车间布局的现状及趋势，阐明了布局设计的重要性和意义。 2 ) 分析了车间布局的目标、原则、影响因素及主要布局形式，以系统化布局设计方法 为基础，结合现代计算机仿真技术提出了车间布局优化设计框架。 3 ) 针对某阀门车间具体情况，运用系统化布局设计方法，综合分析车间作业单位间物 流及非物流关系，得到作业单位综合位置关系，使用面积图解法对阀门车间进行平面布局 设计，产生两个新的布局方案。 4 ) 采用模糊综合评价的方法对产生的方案及原方案进行评价排序，运用f l e x i s m 仿真 软件对布局方案进行仿真，结合仿真结果得到最优布局方案。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章车间布局优化设计框架 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。合理的车间布局设计应该是按照一定的原则，确定车间内部各组成 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【l 引。 2 1 车间布局的目标及原则 车间布局总的目标是使车间内部的人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效 的配置。不论是新的车间布局还是旧的布局再规划，其共同目标是： 1 ) 简化作业过程。在满足产品生产工艺的前提下，作业过程越简单，车间生产效率 就越高。 2 ) 减少在制品，使物流均衡，减少生产线上的在制品停留时间，减少生产中间的库 存。 3 ) 最大限度地减少物流搬运工作量。物料搬运成本占制造成本的比率非常高，可以 通过优化车间布局规划，减少搬运工作量，降低成本。 4 ) 提高设备利用率，提高生产柔性，使之适应产品需求的变化、工艺和设备的更新 及扩大生产能力的需要。 5 ) 为员工提供方便、舒适、安全和卫生的工作环境。车间布局过程要考虑环境的条 件( 噪音、照明、色彩、温度、湿度等环境因素) 对人的工作效率和身心健康的影响。 6 ) 为企业未来发展留有余地。任何一个成功的企业，必须在规划与设计阶段就考虑 未来的发展问题。从厂址的位置与规模，设施的数量与规模，设备的数量与先进性，周围 环境等方面，都必须考虑企业未来的发展【1 9 1 。 为达到上面这些目标，车间布局规划要遵循以下原则： 1 ) 经济性原则，消除不必要的作业，优化作业之间的关系。例如，把作业关系紧密 的作业单位尽可能地安排在一起，这时提高企业生产率和降低能耗的最有效方法之一。只 有在时间上缩短生产周期，空间上减少占地，物料上减少停留，才能减少投入，降低运行 费用；在布局设计时，在充分利用空间的同时，合理预留发展空间，才能避免不必要的改 建与扩建。 2 ) 动态原则，以物料搬运为例，从原材料进厂到产品出厂，中间要经过很多环节。 衡量物料搬运系统设计合理与否，不能单从静态的角度考虑路线设计是否合理，而应该从 动态的角度，考虑各个环节之间的衔接是否好，能否按时、按质、按量把物料送到下一个 作业，同时使运输费用最低。除了物流以外还要考虑人流、信息流的动态合理性。 3 ) 统筹原则，在进行车间布局设计时必须统筹考虑各方面的因素，采用系统的分析 方法，使得系统整体优化，把定量分析、定性分析和个人经验结合起来，兼顾当前和长远 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 利益，加强对环境的保护。 4 ) 以人为本原则，“人一是企业运作过程中最重要的因素，而且，环境对人的影响也 最大一个好的工作环境，会大大提高人的工作效率。布局中的工作地设计，实际上是“人 一机 环境的综合设计，要考虑环境对人的工作效率和身心健康的影响f 冽。 2 2 车间布局的影响因素 1 ) 物料运输方面的因素 ( 1 ) 运输设备的性能：运输设备的机动性、自动化程度、承载( 或起重) 能力等。运输 设备的机动性能和自动化程度越高的，车间中的物料运输越方便快洁，但是在运输设备方 面的投资越大。 ( 2 ) 物料流通形式：从毛坯或半成品入车间到产品或零件出车间这一流通过程及人 员的活动方式。 ( 3 ) 运输所需要的空间：运输同空间的关系、运输路线的选择和确定。比如，运输 通道的宽度是否合理、是否有足够的起吊高度等。 ( 4 ) 运输与其他工艺过程的组合：比如在运输的过程中是否可以穿插一些检查、校 验的工序等。 2 ) 物料存储因素 ( 1 ) 存储地的选择：存放于流通路线的旁边，还是设置存放场地。 ( 2 ) 物料存储方式：包括容器、流动贮存传送带、架子、自动仓库、托盘等。 ( 3 ) 存放地的面积：主要由存储量及存储方法决定。 3 ) 产品因素 ( 1 ) 产品的性能、规格及质量要求：产品的体积、重量、几何形状、加工处理上的 特殊性、完成加工后的规格及质量要求等。 ( 2 ) 产品的生产批量和种类：品种的多少，批量的大小，以及产量的变动程度等。 ( 3 ) 产品的生产工艺：工艺流程、工序的合并和拆分、零件及材料的标准化程度等。 4 ) 设备因素 ( 1 ) 设备的特性：设备的型号、工作时间、体积大小、重量、工作性能、噪音、振 动等因素。 ( 2 ) 整个生产系统的特点：是手工作业还是自动化生产，或是部分手工作业、部分 自动化生产，成套设备所占的比例越大，生产系统的柔性化程度就越低。 ( 3 ) 工装夹具的特性：是组合夹具还是一般的夹具，夹具的数量和装夹形式等。 ( 4 ) 辅助设施是否齐全，比如供气排气装置、调节装置、远距离控制装置等。 ( 5 ) 机械设备的生产线之间，或装置间的均衡生产问题。 5 ) 厂房结构因素 普通建筑还是专用建筑，单层还是多层，单跨还是多跨、厂房形状和走向，窗户、地 面、屋顶高度、中列柱和边列柱的柱距、柱顶高度、柱项到屋顶的高度等。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 6 ) 人的因素 ( 1 ) 职工的作业效率：要使各种生产活动协调一致，使作业时间保持均衡等。 ( 2 ) 其它因素：如是否符合劳动法规、是否符合生产安全性要求、职工的心理因素、 管理是否方便等。 7 ) 与布局调整有关的因素 随着工厂技术经济的发展，调整工厂和车间设备布局的频度和速度越来越快。因此， 在进行工厂和车间设备布局时，要预先考虑到可能的变更，使布置具有灵活性。 与布置调整有关的因素有：添加新设备、旧设备的搬移、装置标准化、为生产能力的 扩大留一定的余地等。 8 ) 其它因素 研究车间设备布局问题时，要把车间生产经营目标作为核心问题，为此，产品的品种、 规格、数量，以及车间生产能力、经济预算、生产任务完成日期、预期效果、变更的可能 性等等问题，是要充分考虑的【2 。 2 3 车间布局的主要形式 车间布局问题的目标是使物流成本最小，针对不同车间物流形式，有不同的布局形式， 常见的流程布局形式如图( 图2 1 ) 2 2 】： o o o 一 线形布局 ooo o 一! 一o u 型布局半圆形布局 1 ) 单行布局2 ) 多行布局3 ) 环型布局 4 ) 直线型布局 5 ) 蛇型布局 6 ) 网状布局 图2 1 常见流程布局形式 车间布局类型一般可以划分为基本类型和混合类型两种。基本类型又包括工艺式布局 ( 也称为功能布局) ，产品式布局和定位式布局；而混合布局又称为成组技术或单元式布局 【2 3 】 o 1 ) 工艺式布局 工艺式布局也称为功能、机群布置( 图2 2 ) 。所有同类的工序都在同一工作区内完成， 相似的机器或相似的装配工序组织在一起，即材料按工艺过程通过各生产工段或工作区。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 这种布置方式便于调整设备和人员，容易适应产品的变化，生产系统的柔性大大增加，适 应普通设备，成本低且易维护。但是存在物料流动时间长大、工序间相互冲突，浪费大量 制造成本：设备利用率低；物料传输慢、效率低、成本高等问题。这种布置形式通常适应 于同类产品较多；产量较低的生产；产量中的批量生产；中小批量生产。 图2 2 工艺式布局 2 ) 产品式布局 产品原则布置也称为生产流水线布置( 图2 3 ) 。当产品品种很少而生产数量又很大时， 应按产品的加工工艺过程顺序配置设备，形成流水线生产线，这是大量生产中典型的设备 布置方式。由于产品原则布局是按产品的加工、装配工艺过程顺序配置各道工序所需设备、 人员及物料的，因此能最大限度地满足固定品种的产品生产过程对空间和时间的客观要 求，生产效率非常高，但见产品生产成本低，但是柔性差，适用于少品种、大批量生产方 式。 弋7加工设备oo o 加工设备 口口口 图2 3 产品式布局 3 ) 定位式布局 所有的工序都是在原材料( 在加工或处理情况下) 或主要部件( 在装配情况下) 固定 在一个地方的情况下完成的。适用于大型设备的制造过程，产品固定在一个固定位置上， 所需设备、人员、物料等均围绕产品布置，这种布置方式在一般在飞机、造船等大型少批 量企业应用较多( 如图2 4 ) 。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 机器 工位器具 ( ， 图2 4 定位式布局 4 ) 成组原则布局( 图2 5 ) 成组原则布局又称为混合原则布置。在产品品种较多、每种产品的产量又是中等 程度的情况下，将工件按其外形与加工工艺的相似性进行编码分组，同时零件用相似 的工艺过程进行加工，同时将设备成组布置，即把使用频率高的机器群按工艺过程顺 序布置，组合成制造单元，整个生产系统由数个成组制造单元构成。这种成组布置方 式省去了工艺布局带来的很多物料处理问题，效率较高；但是柔性较差，要求产品需 求已知、稳定、周期长，一旦需求波动，性能优势无法显示。适用于多品种、中小批 量生产。 一口。吊皇上一 i呻卉。d _h_ lu 秘+ _ 上 坩= 型母 一岜 毒一 原 。口一眄司吊 成 材 品 料 旺垄7 些 库 i 单元3 t - 蕾一国- 目一誊 图2 5 成组原则布局 不同类型的车间所选用的设备布局形式不同，其影响因素有很多，如设备数量、车间 可利用面积( 线性布局或u 型布局) 、工件工序的相似程度( 单行布局或多行布局) 、物料传 输系统( 如有机器人可采用半圆形布局) 、满足系统需求的能力( u 型布局允许工人操作多台 设备) 等等。除此之外，与加工过程和产品特点相关的因素也会影响车间对布局形式的选择。 依据设备布局不同的分类标准，设备布局的形式不同，其适应范围、优缺点也有所不同。 2 4 车间布局优化设计框架 传统系统布局设计是一种有条理的布局设计方法。一般以以下三个基础为依据： 1 )相互关系所布置的各对象之间所要求的或需要的相对密切的程度； 2 )面积所布置的各对象的量、种类、形状； 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 3 )调整把所布置的对象排列到合乎现实的最佳地步2 4 1 。 系统布局设计过程如图( 图2 6 ) ： 图2 6 系统化布局设计程序图 系统布局设计是一种采用严密的系统分析手段及规范的系统设计步骤的布置设计方 法，具有极强的实践性。主要研究平面布局问题，具有局限性，不可能全面反映车间各个 方面，尤其是一些供进行技术经济分析的数据以及立体空间数据等是无法在平面图中给出 的，所以要在工艺说明书中对车间平面图予以描述，包括平面布置的特点，运输方式的特 点，各工作区及车间工段的划分和组成情况，在设计及评价布局方案时人为假设各种条件 和约束过多，布局设计缺乏从平面设计到三维设计的集成研究。 目前，先进的系统规划设计方法是采用计算机仿真技术，在车间布局还未执行前，把 系统规划转换成仿真模型，通过模拟系统运行后的性能和效果，评价规划方案的优劣。这 样可以在系统建成或改造之前就能发现布局存在的问题，对不合理的设计和投资进行修 正，从而避免了资金、人力和时间的浪费。 在布局设计研究中，我们可以借助于建模及仿真工具，在二维平面布局的基础上构建 制造系统的三维布局模型，利用可视化仿真技术的“所见即所得”功能，以系统化布局技 术为基础结合计算机仿真软件建立车间布局设计框架【2 5 】( 图2 7 ) ，并以此为基础对某阀门 车间进行布局优化设计。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 2 5 本章小结 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。1 1 。 前期规划 i ：竺攀! 磉合葙；买泵+毳! 一二、，2 一 三维仿真 运钼： 一一。，i 至习 q 目目2 目目自日自目目艘 图2 7 车间布局设计框架 阐述了车间布局的目标和原则，分析了影响车间布局的因素以及车间布局的主要形 式。以系统化布局为基础结合现代计算机仿真技术，提出了车间布局优化设计框架。新的 设计框架可以比较简明有效对车间布局进行优化设计，通过评价及仿真分析可以在系统建 成或改造之前就能发现布局存在的问题，对不合理的设计进行修正，从而避免了资金、人 力和时间的浪费。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 第三章某阀门车间布局设计 3 1 某阀门公司简介 某阀门公司设备先进、实力雄厚的优势，具有先进的检测技术和雄厚的加工制造能 力，建立了以设计、工艺、生产、检验、安装、调试、销售、运输、售后服务等完整的生 产经营机制和全面质量保证体系。公司瞄准了国际现代管理的先进水平和成功模式，目前 正在实施企业信息化和应用“e r p ”，引入e r p 以提高企业现代化的管理水平。产品设计全 部采用c a d 计算机辅助设计和c a p p 计算机辅助工艺及计算机辅助管理等工作。 该公司阀门生产车间目前的设施布置系统是2 0 世纪5 0 年代由原苏联专家设计的， 并且沿用至今。该公司厂房主要包括室内毛坯库、室外毛坯库以及办公场所和加工车间几 大块。目前，车间以外的辅助生产部门如毛坯库和原材料库以及办公室等都靠近车间布置， 有利于人员、信息和物料的流通。但是，从总体来看，该布置仍有些凌乱，物流流速慢， 停滞长，机构不协调，物耗费用高，设备利用率普遍偏低，浪费严重，有些地方比较杂乱； 容易发生安全事故，而且车间噪音，粉尘污染，光辐射比较严重，不利于职工身体健康。 图3 1 为阀门生产车间布置简化图： 图3 1 阀门车间现场布局图 1 - - c 6 2 0 车床2 - - c 3 6 5 l 车床3 - - c 6 3 0 车床4 - - c 5 1 2 车床5 一划线区 6 一装配区7 一焊接区8 一铣床 9 一磨床1 0 一临时仓库 1l - - c 6 8 类镗床1 2 一工具区 1 3 一试压间 1 4 一立钻 3 2 阀门车间布局设计 针对阀门车间生产现状，收集车间p 、q 、r 、s 、t 等数据，以系统化布局方法对其 车间布局进行优化设计。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 1p q 分析和工艺分析 p o 分析也叫产品产量分析，各种产品、产品组的合理分解或合并都是由p q 分析得 来的，尤其是当产品组成分析与工艺路线、辅助服务部门及时间的分析结合在一起时，就 能找到并绘出每个作业单位，由此得到有效的布置形式。工艺分析用来详细描述产品在车 间各生产单位之间的物流走向，通过对工艺过程的分析可以计算出每个工艺过程的各工序 ( 作业单位) 问的物流强度，从而为各作业单位间相关度的确定找到基础数据【2 6 】【2 7 】。 在p q 分析过程中，绘制p q 曲线( 图3 2 ) 结合该车间生产产品品种数量较多( 主 要产品包括安全阀、调节阀、闸阀、截止阀、止回阀、排污阀、蝶阀、球阀等十几种产品) 各品种产量也不大的情况，选用工艺式布局进行布局设计。 o 产品一p 图3 2p - q 曲线 对该阀门车间工艺分析，采用绘制多产品工艺过程表，由于大多数图号类型相同的零 件加工工艺路线基本相同，因此可以取其中各种图号的典型零件作为代表。选取t a 0 5 5 ， t b 0 5 9 ，t c 0 2 0 等11 种典型零件为代表，绘制多产品工艺过程表，如表3 1 所示 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 表3 1 多产品工艺过程表 图号名称数量工艺路线 勿0 5 5 阀体 l5 珥+ 7 珥+ 5 ，ll ，6 t b 0 5 9 阀罩 l6 _ + 7 _ + l _ 5 6 _ 8 _ 6 t c 0 2 0 阀杆 l3 斗8 ，昏_ 9 t d o l 5 阀瓣 ll 8 6 + 9 t e 0 0 6 阀座 l l 一7 _ l 一5 _ 8 - 6 t f | d 0 4 阀盖 l 2 - + l 一8 - 6 t p o l 0 支座 l3 ，5 6 t p o l l 夹圈 l 5 _ 8 - 5 _ 8 + lo _ 6 t p 0 1 6 支持套 l3 _ 9 - + 3 5 _ 6 t p 0 1 7 导向套 l3 寸5 6 仰0 5 3 夹板 28 - 5 _ 6 _ 8 _ 6 l - - c 6 2 0 车床2 - - c 3 6 5 l 车床3 - - c 6 3 0 车床4 - - c 5 1 2 车床5 一划线区6 一装配区7 一焊拄 区8 一铣床9 一磨床l o 一临时仓库1 1 - - c 6 8 类镗床 1 2 一工具区1 3 一试压间1 4 一立钻 它可以用来详细描述产品生产过程中各工序之间的关系，也可以描述全厂各部门之间 的工艺流程。其重要作用是在分析工艺过程的基础上，通过产品加工、组装、检验等各加 工阶段及加工路线的分析，可以计算出每个工艺过程的各工序( 作业单位) 问的物流强度， 从而为作业单位位置的确定找到基础数据。 3 2 2 物流关系及非物流关系分析 物流分析的基础是工艺线路。物流分析包括确定物料在生产过程中每个必要的工序之 间移动的有效顺序及其移动的强度和数量。一定时间周期内的物料移动量称之为物流强度 它是反映工序或作业单位之间相互关系密切程度的基本衡量标准【2 引。 由于物料的几何形状、物化性质、表面状态、易损程度等因素，决定了物料搬运的 难易程度和运输成本。因此，在系统设计模型中用物料的重量作为当量物流量仅在某些情 况下适用。制造企业物料的种类千差万别，迄今为止，关于当量物流量的计算尚无统一模 式。常用的有两种方法：玛格数法和经验估算法【2 9 1 。 第一种是玛格数法：由美国物料搬运协会的专家r i c h a r dm u t h 提出的，首先定义了l 玛格为“干燥的可以方便拿在手中1 0 立方英寸( 约1 5 0 立方厘米) 的木块。 然后考虑了 4 种修正系数( x l ，x 2 ，x 3 ，x 4 ) ，每种修正系数有4 个不同的状态，每个状态给予相应的 修正值，因而有x i i = ( - 2 ，1 ，l ，2 ) ，其中i = l ，2 ，3 ，4 ；j - - 1 ，2 ，3 ，4 。则玛格数的计 算公式为： 1 ，14 y m = x o + 去j ，五j ，如，x 。j ) = x 。+ 去x 。 i = l ，2 ，3 ，4 j = l ，2 ，3 ，4 公式( 3 1 ) 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 式中：y m 一物料的玛格数； a o 一物料的基本值，由其几何形状确定。 马格计数代表了任何物品在任何情况下的可运性，对物料在工艺流程不同阶段中有变 化的情况来说，它是很有用的计量方式。 第二种是经验估算法：设给定制造系统有n 个作业单位，每两个作业单位i ，j 之间的 物流量为q i j ( 月年当量k 曲，距离为d i j ，则两个作业单位之间的当量物流量为 f , j = q a 公式( 3 2 ) 令系统的当量流量为f ，则 ，= q o d o i = lj = l 公式( 3 3 ) 对于该阀门车间采用第二种计算方法【3 0 1 ，根据多工艺过程表( 表3 1 ) ，收集生产物流 数据及设备间距并根据公式( 3 2 ) ，公式( 3 3 ) 计算可得车间当量物流量表( 表3 2 ) 表3 2 车间当量物流量表 作业单位对物流当量作业单位对物流当量 1 - 29 61 51 0 5 6 1 71 0 7 5 21 89 3 6 2 72 6 4 03 51 8 7 2 4 51 5 8 44 74 2 2 4 5 62 9 7 65 81 8 7 2 l l 一1 32 9 0 4 5 1 l 7 9 2 6 73 6 06 84 1 7 6 6 93 8 4 06 1 02 7 8 4 6 一1 37 9 29 1 01 0 8 0 其他 o 总计( 1 8 2 对) 4 4 7 3 6 通过当量物流量表得到物流关系相关图( 图3 3 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 1 c 6 2 0 车床 2 伍3 5 车床 3 q 5 3 0 车床 4 g 1 2 车床 5 划线区 6 钳工区 7 焊接区 8 铣床 9 磨床 1 0 临时仓库 1 1 0 6 8 类镗床 1 2 工具区 1 3 试压间 1 4 立钻 1 淑7 i o 9 麓龛蝌3 1 0 1 1 9 8 7 6 2 图3 3 作业单位物流相关图 非物流关系主要考虑： 1 ) 人机交互指设备操作的友好性、方便性等，以及对操作者身心健康的影响； 2 ) 信息流程指在不同部门间的信息流动； 3 ) 人员流程工作人员从一个地方移动到另一个地方。 由于各部门间的流动繁多复杂，因此各部门必须妥善地安排，以使各种流动顺畅。常 用的由两种活动关联分析图形：一是活动关系图；二是活动相关线图。 活动关系图首先确定各活动问活动相关性类型，然后确定活动之间相互关联的程度。 r i c h a r dm u t h e r 提供了一套相关程度评分的等级系统，每个等级用一个字母表示，共分为 六个等级如表3 3 所示： 表3 - 3 作业单位关系程度等级表 等级重要程度在总的相关作业单位对中所占比例( ) a 绝对重要 5 1 0 e 特别重要 1 0 2 0 l 重要 2 0 3 0 o 一般 2 0 3 0 u 不重要 o x 绝对不能靠近由实际情况决定 在定义活动相关性时，主要依据各部门本身的作业需求，以及和其他单位的互相联系 关系来决定。这时相互关系表中不但要表示两两之间的密切程度等级，还要加上评级的理 紊“ 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 由，理由通常有：工作流程设备作业性质、场地状况，安全与卫生、噪音与振动，监督与 管理，文件信息来往等。通过上述标准可以确定个部门间的关系程度从而绘制出活动关系 图【3 l 】。定性给出密切程度等级时，可参考表3 - 3 的标准确定作业单位的相关图。 通过对该公司管理层和有经验的操作工人的咨询，得到了该车间的非物流相互关系表， 统计为表3 4 ： 表3 4 阀门车间的非物流相互关系表 作业单位( 对)非物流关系要求理由 1 3 边沿布置立体作业、不影响行车行使，原料要球 7 边沿布置( 挡板隔开)环境状况、安全因素 1 2 边沿布置环境状况( 内设吸烟处等场所) 每一1 2 a 级密切程度来往信息量大 6 1 0 e 级密切程度 米往信息量较大、人员移动大 4 1 l i 级密切程度阀体( 大件) 搬运方便 1 l 1 4 i 级密切程度阀体( 大件) 搬运方便 1 4 一 i 级密切程度阀体( 人件) 搬运方便 3 2 3 阀门车间布局设计 在多数工厂中，各作业单位之间既有物流联系也有非物流联系，两作业单位之间的关 系应包括物流关系和非物流关系，因此在系统化布局中，要将作业单位之间物流的相互关 系与非物流的相互关系进行合并，求出合成的相互关系一综合相互关系。通常是先进行物 流分析，求得作业单位物流关系表；再确定作业单位之间非物流关系影响因素及等级，求 得作业单位相互关系表；最后确定物流与非物流相互关系的相对重要性，以加权值来综合 考虑综合相互关系，绘制作业单位综合相互关系表【3 2 】。 对阀门车间作业单位进行综合关系分析，取物流与非物流相互关系的对比重要性的比 值为m ：n = 1 5 ：l ，对应a 、e 、i 、o 、u 、x 的分值取4 、3 、2 、1 、0 、1 ，经过对物流 与非物流相互关系等级分值加权平均得到综合相互关系等级分，得到综合相互关系图( 图 3 3 阀门车间作业单位综合相互关系图) 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 i 0 5 2 0 车床 2 伍3 5 车床 3 岱3 0 车床 4 ( ：5 1 2 车床 5 划线区 6 钳工区 7 焊接区 8 铣床 9 磨床 l o 临时仓库 l i 伍8 类镗床 1 2 工具区 1 3 试压问 一1 4 图3 4 阀门车间作业单位综合相互关系图 利用综合相互关系图，绘制作业单位位置相关图( 图3 4 阀门车间作业单位位置相关图) 。 在绘制时，可以不直接去考虑各作业单位的建筑物占地面积及其外形几何形状，而是从各作 业单位间相互关系密切程度( a 、e 、i 、o 、u 、x ) 出发，确定作业单位位置关系相关图。 图3 5 阀门车间作业单位位置相关图 根据阀门车间作业单位相互关系，采用面积图解法把每个作业单位按形状和比例进行布 局设计，通过考虑多方面因素的影响与限制，结合实际情况产生如下布局方案( 图3 5 阀门 车间布局方案) q 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 方案a 方案b 图3 6 阀门车间布局方案 3 3 本章小结 针对某阀门车间特点，应用系统化布局设计方法，对阀门车间p 、q 、r 、s 、t 等原 始资料进行分析；绘制p q 曲线确定阀门车间布局形式采用工艺式布局；以工艺路线为 基础对车间作业单位对间物流关系进行分析；得到作业单位对间物流关系，结合非物流关 系分析，确定作业单位综合相互关系图；采用面积图解法对阀门车间进行布局设计，最终 得到两个布局方案。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 第四章阀门车间布局方案的评价及仿真研究 针对