生产车间布局优化研究

1、第一章绪论1.1车间布局设计概述从一般意义上说，布局设计就是将一些物体按一定的要求合理放置在一个空间内，它是一个涉及参数化设计、人工智能、图形学、信息处理、优化、仿真等技术的交叉学术领域，实践证明它还是一个复杂的组合优化问题。它存在于现实生活的许多行业和方面:1) 航空航天工业中，航天器上各种仪器的布局摆放问题;2) 造船、汽车等交通工具内不同形状、大小的物体放置问题;3) 集成电路设计中，各种元件的合理布置问题;4 建筑设计中，各房间的合理布置及厂房、设备等布局问题;5) 机械设计领域中，各种基于装配的机床布局设计问题;布局问题具有广泛的应用背景，布局结果的好坏对整个行业生产的合理性、经济性

2、、安全性等都有重大的影响。本课题主要研究制造系统中车间布局设计问题。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。所谓车间布置就是按照一定的原则，合理地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。车间布置一般包括:基本生产部分、辅助生产部分、仓库部分、过道部分、车间管理部分、生活福利部分等。由于车间布置决定了以后车间的物流方向和速率，从而从结构上限定了车间的功能潜力，因此车间布置是构造一个有效车间系统最为重要的环节，相同车间地址、相同的人员、相同的设备和技术，仅仅是由于布

3、置的方式不一样，生产系统的功能可以有天壤之别。高效率的车间布置作为提高企业生产效率和效益的重要手段之一，越来越受到人们的重视。1.1. 2 物流设计概述物流系统的设计是整个车间布局的一个重要部分，也是本文考虑的问题之“物流”是指社会物质资料从生产一直到消费前的全部流通过程。“工厂物流”是指工厂从原料进厂，经过存储、加工、制造、装配厂的整个生产过程中(包括原料、材料、半成品、配套件、包装直至成品出成品)的每个环节流动、储存的全过程。“工厂物流技术”是应用现代科学技术和方法，实现车间内部的物流系统(Material handling system, MHS)合理化技术车间布局的实质就是对制造资源(

4、包括人、机具和物料)在空间上密切有机结合，时间上适当连接、减少物料搬运工作量，减少自制零件和外购件的损坏，节省费用。在布局设计的过程中考虑物流因素，不仅能降低其过程中的运输成本而且还能加快生产流程，最终达到提高生产能力和降低企业生产成本的目的。在工业发达的国家，除了降低原材料和能源消耗外，己把改进物料搬运、改善工厂中的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的“第三源泉”，这是值得我们很好地研究和挖掘的。因此，工艺设计人员除了要根据产品生产纲领正确选择生产工艺和机器设备外，还必须进行物流分析和设计。因为合理的物流设计也同样能大大提高生产率，降低生产成本11-21一个 有 效 的物料流程是物料在工

5、艺过程中按顺序一直不断地向前流动直至完成，没有过多地迁回或倒流。物流与生产同时发生，并随着加工技术的提高，加工在整个生产过程中比重下降而逐渐为人们所重视，物流技术的提高借助于自动化技术的发展得以实现。物流技术的发展大致经历了以下几个阶段1) 人工物流。人工物流是原始的形式，物料的输送、存取由人或借助于简单的机 械 来 实 现 。 这种方式由于方式灵活、初期投资少、设备简单，而被一些中小规模的企业广泛采用。这种方法的缺点是节奏慢、劳动强度大 、工资支出多，且不利于集成控制。2) 刚性自动化物流。这种方式是以汽车制造为代表的专业化、大批量生产的产物 ，在二十世纪五、六十年代达到顶峰。它以输料道、输

6、料槽、传送机等机械自动输送机构为特征，物料的输送按某一节拍或某一固定的方式进行，物料存取由人、机器人、机械手或搬运设备等媒介实现。特点为生产节奏快，设备布置相对固定，设备专门化程度高，缺点为初期投资大，灵活性差，一般只能用于大批量的生产。本文所考虑的就是这种物流。3) 柔性自动化物流。这种方式出现于二十世纪六十年代，应市场需求和自动 化 技 术 的 发 展 而产生，并处于不断发展之中。一般由自动存取系统(A S/R S A uto ma te d Storage and RetrievalS ystem)， 自动引导小车AG V( Au tom at ed G u idedV ehicle)、

7、物流自动识别系统、计算机控制系统等组成，所有活动由计算机集中控制，能够实现物流的自由流动和随机存 取 ，便于系统的集成和优化，并能进一步实现智能化控制。1. 1.3车间布局综述确保设备布置形式合理根据车间的生产纲领，分析产品一产量关系，确定生产类型(是大量生产、成批生产，还是单件生产)，由生产类型决定恰当的设备布置形式(是流水线式、成组单元式，还是机群式)。2)确保车间其它组成部分位置合理车间布置时，除了给主要生产设备，还需要给其它组成部分(在制品暂存地、检验实验地、工人工作、通道、辅助设施如办公室等)安排合理的位置。外地3)确保工艺流程要求满足车间布置应保证工艺流程顺畅、物料搬运方便，避免或

8、减少物流往返交叉现象。4)确保建筑形式合理根据工艺流程的要求和产品的特点，选择恰当的生产加工设备，并进一步确定建筑物的尺寸和形状。此外，还需考虑通风、照明、防尘、防噪等要求，并使布置具有适当的柔性，有利于生产的扩大和设备的补充，以适用生产变化的要求。车间布置的目标一般可分为两大类，一类是以提高工作效率为导向的，另一类是以鼓舞士气为导向的。1) 以提高工作效率为导向的目标该目标主要是为了高效率地完成生产任务 ，它包括 : 使物料的运输成本最小，它要求运输路线尽可能短、尽量增大生产的连续性 ，减少装卸，防止物料被堵塞、延误;使空间、设备、人员等资源的利用率提高，有助于降低成本、增加利润 ;使系统具

9、有尽可能大的应变能力，表现在扩展的余地、高柔性等方面。2) 以鼓舞士气为导向的目标该目标主要是通过激发生产人员士气来实现组织的目标，同时使生产者在工作中有更加良好的心里感受，它包括 :增强生产安全性包括采取各种安全措施，防火、防潮、防止工伤事故，也包括增进职工职业健康的各类措施。防噪、防震及有害气体、污染物的处理等;减少工作的单调感包括建立趣味盎然的班组园地以及千净整洁的休息区，以赋予工人更多、更广泛的任务和自主性，加深工作中独特性、责任性的心理体验。1.1. 3.3车间布局的评价总之，车间布置是影响深远的一项工作，一个良好的车间布置可以用埃普尔(Apple)的“良好布置标志”来衡量“良好布置

10、标志”主要包括:围绕某一预先计划好的布置设计建造建筑物;通道笔直、清楚、有标记;保持最低限度的后退倒行;有关作业紧靠在一起:生产时间可以预测;安排进度计划的困难最小;最少量的在制品;条件改变时容易调整，具有高柔性;扩展计划时容易编制:实际加工时间对生产总时间之比最大;检查最少而质量最好:材料搬运距离最短;手工搬运最少;无不必要的材料重复搬运;材料放在负载单元中搬运;作业之间的搬运最少;材料能及时传递给工人;材料能从工作区域及时搬开:由间接工人来做材料搬运工作:有秩序地搬运和储存材料;工人能以最高效率工作等。第二章布局优化设计框架2.1 制造系统中的布局问题制造 系 统中的布局设计是工业工程研究

11、和实践中一个重要并且长期存在的领域，是一个典型的工程问题。长期以来，制造系统的布局设计一直被当作制造工业中最关键和最困难的设计任务之一。它是将加工设备、物料运输设备、工作单元和通道走廊等制造资源合理放置在一个有限的生产空间里面的过程，可看作是制造系统的组织过程。在 一个 制造系统中，布局不是一个孤立的问题，它与整个系统设计的其他工作是紧密关联并且相互影响的，其相互关系可以用图2-1表示1271.制造 系 统 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、生产效益、生产成本以及生产安全等1281布置 的 基 本形式可分为1291:产品原则布置、工艺原则布置、成组原则布置

12、和定位布置。1) 产 品 原则布置(ProductL ayout) 根据产品制造的步骤安排各组成部分。从理论上看，流程是一条从原料投入到成品完工为止的连续线。固定制造某种部件或产品的封闭车间，其设备、人员按加工或装配的工艺过程顺序布置，形成一定的生产线，适合于少品种、大批量的生产方式。这种布置形式的例子有汽车装配线、食品加工和家具制造业等。本文的发动机车间就属于这种布置形式。图2-2为产品原则布置示意图。2) 工 艺 原则布置(ProcessL ayout) 又称机群布置，是同类设备和人员集中放置在一个地方的布置形式。如按车床组、磨床组等分区，各类机床组之间也保持一定的顺序，按照大多数零件的加

13、工路线来排列。适用于多品种小批量的生产方式。根据所执行的一般功能，对各工艺组成部分进行布置，并不考虑到任何特殊产品。如单件小批加工车间、百货商店和医院通常是这样的。图2-3为工艺原则布置示意图。3) 成 组 原则布置(GroupL ayout) 这是实施成组加工的布置形式，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。图2-4为其布置示意图。图2-4成组原则布置示意图4)定位布置(Fixed Layout) 根据体积或重量把产品保留在一个位置上设备、人员、材料都围绕着产品而转。如飞机制造厂、造船厂等。其布置示意图见图2-5a图2一5固定工位布置示意图2.2传统的布局设计过程传统 的布

14、 局设计过程一般是依据车间任务、设计原则、基础数据资料及对机械化设备、非标准设备的计算数据等进行平面布置，局限于平面布置方案的获得或者是优化。传统的布局设计及优化的一般框架及流程如图2-6和图2-7所示。传统的布局流程虽然可以解决物流网络及作业功能布局的设计问题，但传统的布局设计大多研究平面布局问题，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，包括车间在总图中的位置，与相邻车间的关系，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

15、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.制造系统作业功能区划分物流及非物流关系问题图2-6传统布局设计一般框架图z-7传统布局设计一般流程前文 已 经 说明，目前还没有找到解决任意形状的三维物体的布局问题的通用方法。非线性技术应用到三维物体的布局问题时，需根据物体的几何形状、方位和问题复杂程度的不同而施加不同的限制。在运筹学中只能使用几何形状相对简单的物体(如矩形体和块状物)来研究它们的三维布局问题301这表 明 : 对于复杂制造系统三维布局问题的设计及优化，例如各种复杂设备的三维空间布局，作业工人与设备、工件等的相对位置等，依据各种算法来解决显得有些无能为力。3. 1

16、设施布1的依据“产 品 或 者 生 产计划应该是工厂设计的出发点，并从中推导出它的全部设计基础。”321缪瑟也将产品、生产路线、时间、辅助服务部门作为设施布置分析的原始资料，并将产品和数量列为最重要的资料。因为从生产计划的角度来讲，产品产量分析是产品组成问题的基础和库存控制的基本概念。而对工厂设计人员而言，则是决定基本布置分析的基础。布置决策问题，可以定义为确定生产系统内各物质部分的最优安排。设施布置的依据主要有以下几个方面。1) 生 产 系统目标。通常实施布置应达到的目标是:使存储费用、劳动力、闲置的设备和管理费用保持在一定的水平下并达到预期的产量。生产系统目标常常相互矛盾，诸种布置考虑因素

17、几乎存在于所有布置决策之中，但其相对重要性则不一致。2) 生 产 能力决策。生产需求的预测对布置决策的“目标确定”有着重要意义。对制造企业而言，生产能力主要取决于生产性固定资产及其技术组织条件，对服务企业来说，除了取决于设施和设备能力外，还取决于人力水平。企业的生产能力一旦确定，企业整个生产经营活动的最大规模也就基本上被规定了。在西方国家将生产能力的充分利用问题看作生产成本控制的首要问题。生产非均衡，设备、人员的闲置被看作是最大的浪费，我国以往忽视这一问题，只强调节约原材料和费用，常常出现前后工序能力不匹配，部分设备、设施长期闲置，浪费、占用大量资金。3) 加 工 过程的要求。加工过程的要求是

18、选择布置类型的主要依据。决定布置所需要的数据因所制造的产品的不同而不同。在品种少且比较固定的制造业，装配图是主要的布置信息。在品种繁多的制造系统中，机器规格说明也有重要的意义。4) 进 行 布置的场地的有效空间。工厂总体布局受场地范围的限制，车间设备布置一般是在建筑空间的实际范围之内。工厂设计包括工厂内部和外部两者所需要的空间设计，包括本文主要考虑的是工厂内设施布置研究。5.1人因工程在发动机车间布局优化中的应用人 因 工 程是以生理学、心理学、人体测量学与工程技术为基础，研究人、机和环境的相互关系和作用，以使人、机和环境高度协调统一，在保证作业者安全、卫生、舒适、方便的前提下提高工作效率的学科。在研究重点上，人因工程着重于研究人类以及在工作和日常生活中所用到的产品、设备、设施、程序与环境之间的相互关系。随着近几十年来技术的发展，人因工程学的地位越来越重要，逐步渗透到宇航系统、城市规划、工厂运作、机械设备、交通工具、 家具