设施布置的设计

1、第第5章章 设施布置设计设施布置设计Facility Layout Design本章重点本章重点 掌握设施布置的基本类型掌握设施布置的基本类型 了解流动模式了解流动模式 掌握流水线平衡与设计的方法掌握流水线平衡与设计的方法 初步掌握单元式布置的方法初步掌握单元式布置的方法引导案例引导案例 设施布置设计对生产系统极为重要设施布置设计对生产系统极为重要! 据测算，物料搬运和布置有关的成据测算，物料搬运和布置有关的成本占工厂生产总运营成本本占工厂生产总运营成本2050% 。采。采用有效的布置方法，可以使这些成本降用有效的布置方法，可以使这些成本降低低30%，甚至更多。，甚至更多。5.1 设施布置概述

2、设施布置概述 起源于起源于工厂设计工厂设计（包括工厂总体布置和车间布包括工厂总体布置和车间布置）。置）。工厂总体布置设计工厂总体布置设计 解决工厂各个解决工厂各个作业单位作业单位和运输线路、管线、绿和运输线路、管线、绿化和化和美化美化设施的相互位置，同时应解决设施的相互位置，同时应解决物料的流向物料的流向和流程和流程、厂内外、厂内外运输运输的联接及的联接及运输运输方式。方式。车间布置设计车间布置设计 解决各生产工段（工作站）、辅助服务部门、解决各生产工段（工作站）、辅助服务部门、储存设施等储存设施等作业单位作业单位及工作地、设备、通道、管线及工作地、设备、通道、管线之间和之间和相互位置相互位置

3、，同时，应解决物料，同时，应解决物料搬运的流程及搬运的流程及运输方式运输方式。作业单位及其层次作业单位及其层次设施设施部门部门部门部门部门部门部门部门工作中心工作中心工作中心工作中心工作中心工作中心工作地工作地工作地工作地工作地工作地块块状状布布置置图图详详细细布布置置图图工作地布置工作地布置n “作业单位作业单位” Activity 是指布置图中各个不同的是指布置图中各个不同的工作区或存在物，是设施的基本区划。工作区或存在物，是设施的基本区划。5.1.1设施布置的内容设施布置的内容 物流和物料搬运设备物流和物料搬运设备。设备、物料移动成本。设备、物料移动成本。 容量和空间要求容量和空间要求。

4、根据要求，分配空间。根据要求，分配空间。 环境和美学环境和美学。 信息流信息流。方便交流。方便交流。5.1.2 设施布置的原则设施布置的原则 整体综合原则整体综合原则 移动距离最小原则移动距离最小原则 流动性原则流动性原则 空间利用原则空间利用原则 柔性原则柔性原则 安全原则安全原则5.2 典型布置形式典型布置形式 生产设施生产设施的四种基本布置形式：的四种基本布置形式： 固定式布置固定式布置 产品原则布置产品原则布置 工艺原则布置工艺原则布置 混合布置：成组原则混合布置：成组原则 服务设施服务设施的三种基本的布置形式：的三种基本的布置形式： 零售店布置零售店布置 办公室布置办公室布置 仓库布

5、置仓库布置1、固定式布置固定式布置 固定式布置固定式布置 (Fixed-Position Layout) 也称也称项项目布置目布置，它主要是工程项目和大型产品生产所，它主要是工程项目和大型产品生产所采用的一种布置形式。采用的一种布置形式。 它的加工对象位置，生产工人和设备都随加工它的加工对象位置，生产工人和设备都随加工产品所在的某一位置而转移。之所以要固定，产品所在的某一位置而转移。之所以要固定，是因为加工对象大而重，不易移动。是因为加工对象大而重，不易移动。 如工程建设、飞机厂、造船厂、重型机器厂等。如工程建设、飞机厂、造船厂、重型机器厂等。 固定布置存在的问题固定布置存在的问题 问题：问题

6、：场地空间有限；场地空间有限；不同的工作时期，物料和人员需求不一不同的工作时期，物料和人员需求不一样，生产组织和管理困难；样，生产组织和管理困难；物料需求量是动态的。物料需求量是动态的。 解决：解决： 尽量将大的加工对象先期分割；尽量将大的加工对象先期分割； 零部件标准化；零部件标准化； 尽可能分散在其他位置和车间批量生产。尽可能分散在其他位置和车间批量生产。2、产品原则布置产品原则布置 产品原则布置产品原则布置，又称，又称流水线布置流水线布置或或对象原对象原则布置则布置。 品种少批量大品种少批量大，按照产品的，按照产品的加工工艺过程加工工艺过程顺序顺序来配置设备，形成流水生产线或装配来配置设

7、备，形成流水生产线或装配线布置线布置 。 Ford首创流水线生产。首创流水线生产。 基础是基础是标准化标准化及及作业分工作业分工产品原则布置的优缺点产品原则布置的优缺点优点：优点： 产品产出率高，单位产品成本低，专用设备投资产品产出率高，单位产品成本低，专用设备投资因产量大而摊薄；因产量大而摊薄； 加工件经过的路程最直接、最短，无用的停滞时加工件经过的路程最直接、最短，无用的停滞时间最少；间最少； 效率高且所需培训少；效率高且所需培训少； 生产管理和采购、库存控制等工作相对简单。生产管理和采购、库存控制等工作相对简单。产品原则布置的优缺点产品原则布置的优缺点缺点：缺点： 要求的设备多，而设备的

8、利用率相对较低；要求的设备多，而设备的利用率相对较低； 柔性差；柔性差； 线上工作重复单调乏味，缺乏提升机会，可能会线上工作重复单调乏味，缺乏提升机会，可能会导致工人的心理问题或职业伤害；导致工人的心理问题或职业伤害； 为了避免停产，设备备用件的库存可能比较大。为了避免停产，设备备用件的库存可能比较大。3、工艺原则布置工艺原则布置 工艺原则布置工艺原则布置，又称，又称功能布置功能布置，将功能相，将功能相同或相似的一组设施排布在一起。在机加同或相似的一组设施排布在一起。在机加工车间中还被称作工车间中还被称作机群式布置机群式布置。 为了适应多种加工对象及工艺路线，需要为了适应多种加工对象及工艺路线

9、，需要采用可变运输路线的物料搬运设备，如叉采用可变运输路线的物料搬运设备，如叉车车、手推车等。、手推车等。 工艺原则布置的优缺点工艺原则布置的优缺点优点：优点： 柔性高柔性高缺点：缺点： 机器及工人的利用率较低、在制品的数量较高。机器及工人的利用率较低、在制品的数量较高。 运输效率低，单位运输费用较高，单位产品的成运输效率低，单位运输费用较高，单位产品的成本较高，整个生产时间较长，整个车间的物流比本较高，整个生产时间较长，整个车间的物流比较混乱；较混乱； 对操作人员的技术水平要求较高，组织和管理工对操作人员的技术水平要求较高，组织和管理工作也较困难作也较困难工艺原则布置工艺原则布置功能功能原则

10、布置原则布置 综合医院：放射科、外科、内科。综合医院：放射科、外科、内科。服务业服务业4 成组原则布置成组原则布置（Group Layout） 在制造业中又称在制造业中又称单元制单元制（Cellular Manufacturing） 成组技术（成组技术（GT） 零件族零件族、机器组（、机器组（制造单元制造单元） 特点：特点：工艺原则工艺原则布置系统布置系统转化转化为接近为接近产品原则产品原则布置系统，布置系统，相比于工艺布置，由于经过分组，其加工时间较短、物相比于工艺布置，由于经过分组，其加工时间较短、物流效率较高、在制品较低、准备时间较短，同时又具有流效率较高、在制品较低、准备时间较短，同时

11、又具有工艺原则原则布置的柔性特点。工艺原则原则布置的柔性特点。5.3 流动模式流动模式 流动模式可以分为水平和竖直的。流动模式可以分为水平和竖直的。 任何布置都要考虑物料的流动模式。任何布置都要考虑物料的流动模式。 合理的物流流动模式也要考虑人员的流动情况合理的物流流动模式也要考虑人员的流动情况。 5种基本的流动模式种基本的流动模式 直线形，将入口和出口分开。直线形，将入口和出口分开。 L形适用于设施不允许直线流动的情形。形适用于设施不允许直线流动的情形。 U形收发口在同一位置，有利于物料搬运，它能减少形收发口在同一位置，有利于物料搬运，它能减少工人数量，还是一种有利于工人数量，还是一种有利于

12、JIT布置的物流模式，工布置的物流模式，工人位于人位于U形的中心，因而可以互相看到彼此的进展且形的中心，因而可以互相看到彼此的进展且易于合作。易于合作。 环形常见于由物料搬运机器人服务的制造单元中环形常见于由物料搬运机器人服务的制造单元中 S形则常用于长的流水装配线布置，如汽车装配线。形则常用于长的流水装配线布置，如汽车装配线。5.4 流水线平衡与设计技术设计技术设计（“硬件硬件”设计）设计） 工艺路线及工艺规程的制订工艺路线及工艺规程的制订 专用设备的设计专用设备的设计 设备改装设计设备改装设计 专用工具设计专用工具设计 运输传送装置的设计运输传送装置的设计 信号装置的设计等。信号装置的设计

13、等。组织设计组织设计（“软件软件”设计）设计）流水线的节拍和生产速度的确定流水线的节拍和生产速度的确定设备需要量和负荷的计算设备需要量和负荷的计算工序同期化设计工序同期化设计工人配备工人配备生产对象运输传送方式的设计生产对象运输传送方式的设计流水线平面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流水线工作制度、服务组织和标准计划图表的制订等等。制订等等。（1 1）期量标准）期量标准 节拍节拍：又称产距时间，就是要求的生产一：又称产距时间，就是要求的生产一件产品的时间。件产品的时间。 目标时间、不可测量、人为制定目标时间、不可测量、人为制定 节拍节拍= =每日有效工作时间每日有效工

14、作时间/ /计划每日产量计划每日产量 节拍节拍= =（每日有效工作时间（每日有效工作时间生产线稼动率）生产线稼动率）/ /（计划每日产量（计划每日产量合格品率）合格品率） 瓶颈瓶颈：节拍最慢的环节：节拍最慢的环节5.4.1 相关概念相关概念 周期时间周期时间：反映流水线的生产速度，以生产一件产品反映流水线的生产速度，以生产一件产品所需要的时间（所需要的时间（S）来表示。）来表示。 可测量、可大于（小于、等于）节拍；可测量、可大于（小于、等于）节拍； 受设备、劳动力、工艺的等影响，缩短只能依靠管理和技术受设备、劳动力、工艺的等影响，缩短只能依靠管理和技术改进。改进。 节距时间节距时间：流水线传送

15、带流过两相邻工作站的时间。流水线传送带流过两相邻工作站的时间。 一般等于周期时间，但可调（固定节拍除外）一般等于周期时间，但可调（固定节拍除外） 工序同期化工序同期化：节拍确定以后，要根据节拍来：节拍确定以后，要根据节拍来调节工艺过程，使各道工序的时间与流水线调节工艺过程，使各道工序的时间与流水线的节拍相等或成整数倍比例关系，这个工作的节拍相等或成整数倍比例关系，这个工作称为称为工序同期化工序同期化。工序同期化又称。工序同期化又称“装配线装配线平衡平衡（assembly line balancingassembly line balancing）”。 进行工序同期化的措施进行工序同期化的措施

16、提高设备的生产效率。提高设备的生产效率。 改进工艺装备。改进工艺装备。 改进工作地布置与操作方法，减少辅助作业时间；改进工作地布置与操作方法，减少辅助作业时间； 提高工人的工作熟练程度和效率；提高工人的工作熟练程度和效率； 详细地进行工序的合并与分解。这是装配工序同详细地进行工序的合并与分解。这是装配工序同期化的期化的主要方法主要方法。 作业指示图表作业指示图表：如标准作业程序或指导书：如标准作业程序或指导书（SOP）等。）等。 在制品占用量定额在制品占用量定额：为保证生产连续性而：为保证生产连续性而制定的制定的必要的必要的在制品数量标准在制品数量标准 在制品：在制品：“未完成未完成”（2）5

17、0S节拍规则节拍规则 重复性手工作业重复性手工作业 优越性：优越性： 生产率生产率 安全与人因工程安全与人因工程 质量质量 员工士气员工士气（3）流水线分类）流水线分类 按生产对象的移动方式分：固定、移动按生产对象的移动方式分：固定、移动 按生产对象的数目分：单一对象、多对象按生产对象的数目分：单一对象、多对象 按生产对象轮换方式：不变、可变、成组按生产对象轮换方式：不变、可变、成组 按生产连续程度分：连续、间断按生产连续程度分：连续、间断 按流水线的节奏：强制节拍、自由节拍、按流水线的节奏：强制节拍、自由节拍、粗略节拍粗略节拍5.4.2 流水线平衡流水线平衡 流水线的平衡要根据产品设定工作站

18、数目，再流水线的平衡要根据产品设定工作站数目，再将各作业分到不同工作站，并使各工作站分配将各作业分到不同工作站，并使各工作站分配的工作量大致平衡，并接近周期时间。的工作量大致平衡，并接近周期时间。 当每一个产出单元（如一辆汽车，一台发动机）当每一个产出单元（如一辆汽车，一台发动机）经过该站工人就进行一次重复规定操作。经过该站工人就进行一次重复规定操作。 原则：原则：在规定的装配线速度下，使在规定的装配线速度下，使总的空闲时总的空闲时间最少间最少，或使做一额定工作量的，或使做一额定工作量的操作人数最少操作人数最少以使平衡延迟最少以使平衡延迟最少流水线平衡步骤流水线平衡步骤1确定工作周期时间确定工

19、作周期时间C。 C=H/Q 式中：式中：H每天生产时间；每天生产时间； Q每天在每天在H时间内要求的产量；时间内要求的产量； C周期时间。周期时间。2确定最少工作站（工作地点）数目确定最少工作站（工作地点）数目K， K= t /C 式中：式中：K最少工作站数；最少工作站数； t 完成作业所需时间总量。完成作业所需时间总量。3. 分配各工作站的作业，计算装配线效率。分配各工作站的作业，计算装配线效率。基本平衡方法基本平衡方法 规则规则1：优先分配后续作业较多的作业：优先分配后续作业较多的作业 规则规则2：优先分配操作时间最长的作业：优先分配操作时间最长的作业例例5-1 某手推车要在一个传送带流水

20、线上组装，每天某手推车要在一个传送带流水线上组装，每天需生产需生产500辆，每天的生产时间为辆，每天的生产时间为420min。请根。请根据周期时间和作业次序限制，求使工作地数量最据周期时间和作业次序限制，求使工作地数量最少的平衡方式。少的平衡方式。例例5-1图5-1 手推车装配网络图 （双代号） 规则规则1：优先分配后续作业较多的作业：优先分配后续作业较多的作业作业代号作业代号AB,DC,EF,G,H,IJK后续作业数量后续作业数量654210 5-1 作业排序一览表（规则作业排序一览表（规则1）解：解： 工作站节拍工作站节拍=42060/50=50.4（S） 周期时间周期时间C=50.4（S

21、） 最少工作站最少工作站K: K= t/C =(45+11+9+50+15+12+12+12+12+8+9)/50.4 4作业作业作业时间作业时间剩余的未剩余的未分配时间分配时间可行的遗可行的遗留作业留作业最多的后最多的后续作业续作业操作时间最操作时间最长的作业长的作业工作站工作站1A455.4工作站工作站2D500.4工作站工作站3BECF111591239.424.415.43.4C,EC,H,IF,G,H,IC,ECF,G,H,IEF,G,H,I工作站工作站4GHIJ121212838.426.414.46.4H,IIJH,IH,I工作站工作站5K941.4表表5-2 流水线平衡（规则流

22、水线平衡（规则1）平衡率平衡率=t/KC=195/（550.4）=77%作业作业作业时间作业时间剩余的未剩余的未分配时间分配时间可行的遗可行的遗留作业留作业最多的后最多的后续作业续作业操作时间最操作时间最长的作业长的作业工作站工作站1D500.4工作站工作站2A455.4工作站工作站3EHIB1512121135.423.411.40.4B,H,IB,IBBBH,II工作站工作站4CFGJK91212841.429.417.49.40.4F,GGJKF,GGKF,G表表5-3 流水线平衡（规则流水线平衡（规则2）平衡率平衡率=t/KC=195/（450.4）=97%例5-2 现拟在传送带上组装

23、某部件。该部现拟在传送带上组装某部件。该部件每天需组装件每天需组装369台，每天的生产时间台，每天的生产时间480min。装配顺序及装配时间如下表。装配顺序及装配时间如下表。根据周期时间和作业顺序限制，求工作根据周期时间和作业顺序限制，求工作站数最少情况下的平衡流动及装配线效站数最少情况下的平衡流动及装配线效率。率。韩格逊韩格逊-伯尼法（位置加权法或矩阵法）伯尼法（位置加权法或矩阵法）作业作业作业时间作业时间 紧前工序紧前工序说明说明150s-吊运箱体、定位225s1装入齿轮320s2放入前浮动膜片430s2放入后膜片525s3,4安装后盖625s5安装前盖712s6拧紧螺栓、螺母814s6拧

24、紧螺栓、螺母920s7,8装连接盘解： 共4步(1) 画出其先后次序图和先后次序矩阵表。画出其先后次序图和先后次序矩阵表。 依照装配程序表的要求可以画出先后次序图。依照装配程序表的要求可以画出先后次序图。图中圆圈为作业，箭头为操作顺序。图中圆圈为作业，箭头为操作顺序。 5 6 3 4 1 2 9 7 8 图5-2 装配先后次序图（单代号）装配先后次序矩阵表装配先后次序矩阵表1234567891234567890+1-1领先+1 5 6 3 4 1 2 9 7 8 +1+1+1+1+1+1+1延后-10+1+1+1+1+1+1+1-1-100+1+1+1+1+1-1-100+1+1+1+1+1-

25、1-1-1-10+1+1+1+1-1-1-1-1-10+1+1+1-1-1-1-1-1-10+10-1-1-1-1-1-10+10-1-1-1-1-1-10-1-1(2) 完成位置权值计算完成位置权值计算1234567891234567890+1-1+1 +1 +1 +1 +1 +1 +10+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1-1-100+1 +1 +1 +1 +1-1-100+1 +1 +1 +1 +1-1-1-1-10+1 +1 +1 +1-1-1-1-1-10+1 +1 +1-1-1-1-1-1-10+10-1-1-1-1-1-10+10-1-1-1-1-1-10-1-1Ti 秒50

26、2520302525121420pwa2211711161269671323420141225253020255020ti位置权值pwa 为该单元及所有带+1单元时间之和位置权值矩阵表位置权值矩阵表(3) 确定周期时间和最少工作站数将已知的数据（该部件每天需组装369台，每天的生产时间480min）代入得周期时间： C=H/Q=480*60/369=78 秒用下式计算满足周期时何要求的最少工作站数： K= t/C=(502520 302525121420)/78 =2.833故最少需3个工作站。 (4) 分配工作站的作业，平衡装配线工作站K112223333单元时间ti 秒5025203025

27、25121420装配线平衡表123456789单元i2211711161269671323420位置权值pwa-1223,45667,8紧前单元工作站时间ti 秒507550307525513971平衡延迟秒283284835327397递减顺序按位置权值递减的次序，在满足先后次序限制的条件下，指派尽可能多的单元至一工作站，直至接近该站的周期时间。=周期时间(78秒)-工作站时间(4) 分配工作站的作业，平衡装配线工作站K112223333单元时间ti 秒502520302525121420装配线平衡表123456789单元i2211711161269671323420位置权值pwa-1223

28、,45667,8紧前单元工作站时间ti 秒507550307525513971平衡延迟秒283284835327397递减顺序按位置权值递减的次序，在满足先后次序限制的条件下，指派尽可能多的单元至一工作站，直至接近该站的周期时间。=周期时间(78秒)-工作站时间装配线效率=完成作业所需时间总和/（实际工作站总数*时间周期） = %44.9478322191CKtii5.4.3 流水线的设计流水线的设计 进行流水线平面布置设计时应遵循以下进行流水线平面布置设计时应遵循以下原则：原则： 有利于工人操作方便；有利于工人操作方便； 在制品运动路线最短；在制品运动路线最短； 有利于流水线之间的自然衔接；

29、有利于流水线之间的自然衔接； 有利于生产面积的充分利用。有利于生产面积的充分利用。流水线单列和双列直线布置示意图流水线单列和双列直线布置示意图 单列直线形单列直线形流水线，多在工序数少、每个工作站的工序也流水线，多在工序数少、每个工作站的工序也少的条件下应用。少的条件下应用。 当工序与工作站的数量较多而空间的长度不够大时，可采当工序与工作站的数量较多而空间的长度不够大时，可采用用双列直线双列直线排列。排列。 当工序或工作站更多时，可采用当工序或工作站更多时，可采用L形、形、U形和形和S形形等布置。等布置。 山字型山字型常用于零件加工与部件装配相结合的情况常用于零件加工与部件装配相结合的情况 环形布置环形布置多采用于使用物料搬运机器人、工序循环的情况多采用于使用物料搬运机器人、工序循环的情况下。下。流水线物料搬运设备流水线物料搬运设备 强制节拍：强制节拍： 传送带传送带分配式：产量大的小型产品连续式：产量大的大型产品脉冲式：工序时间长，产量不太大，产品精度高 自由节拍：传送带、滑道、滚道、手推车、运自由节拍：传送带、滑道、滚道、手推车、运 输箱等输箱等 粗略节拍：滚道、滑道、叉车、手推车、运输粗略节拍：滚道、滑道、叉车、手推车、运输 箱等箱等传送带速度的计算传送带速度的计算/cscsSLCSLC传送带速度工作站沿传送