第5章汽车制造物流系统设计介绍

第5章汽车制造物流系统设计介绍第一页，共75页。第5章汽车制造物流系统设计

5.1物流系统的功能和应满足的要求5.2物流系统的总体设计5.3机床上料装置设计5.4机床间的物料输送装置5.5自动化仓库第二页，共75页。第5章物流系统设计

5.1物流系统的功能和应满足的要求物流

就是物料的流动过程工厂的物流

是指从原材料和毛坯进厂，经过储存、加工、装配、检验、包装，直至成品和废料出厂，在仓库、车间、工序之间流转、移动和储存的全过程。物流贯穿着生产的全过程，是生产的基本活动之一。在流动过程中尽管不增加物料的使用价值，也不改变物料的性质。第三页，共75页。然而物流是资金的流动，库存是资金的积压。因此物流系统的改进有助于减少生产成本，提高产品质量，压缩库存，加快资金周转，提高综合经济效益。物流系统

是指在一定的时间和空间里，由所需运转的物流原材料、零部件、半成品、产品等)、相关设施(包装设备、搬运和装卸机械、运输工具、仓储设施等)、人员和信息等若干相互依赖与制约的要素所构成的具有特定功能的有机整体和动态过程。系统性、集成性、开放性和过程连续性是物流系统的突出特点。第四页，共75页。5.1.1物流系统设计的意义

在制造业中，单件小批生产的企业约占75%.而在众多的中小型企业的生产过程中。从原材料入厂，经过冷热加工、装配、检验、油漆包装等各个生产环节，到成品出厂，按国内的统计，机床作业仅占5%左右，95%左右的时间都处于等待或搬运状态。据统计，在总经营费用中20%～50％是物料搬运费用，物流设计的合理化可使这项费用至少减少10%～30％，被认为是企业利润的一大源泉，是这些年倍受重视的一个方向。第五页，共75页。由此可见，提高机床的自动化程度，提高机床的加工效率，对缩短生产周期是很有限的。而更为显著的是向非机床作业（占95%）或者叫工件处于等待的时间（占85％）去要效益，也就是向生产组织和管理要效益。目前我国具体情况来看，现有企业物流不合理的现象普遍存在，如搬运路线迂回、往返，搬运机具落后，毛坯和在制品库存量大，资金周转率低。合理进行物流系统的设计可以在不增加或少增加投资的条件下，取得明显的技术经济效益。5.1.1物流系统设计的意义

第六页，共75页。5.1.2物流系统的功能

物流系统的功能有以下几方面1）原材料和毛坯、外购件、在制品、产品、工艺装备的储存及搬运，尽可能实现自动化。做到存放有序，存入、取出容易。2）加工设备及辅助设备的上下料尽可能实现自动化，以提高劳动生产率。3）工序间中间工位和缓冲工作站的在制品储存。第七页，共75页。5.1.2物流系统的功能

物流系统的功能有以下几方面4)各加工工位间工件的搬运应尽可能及时而迅速，减少工件在工序间的无效等待时间。5)各类物料流装置的调度及控制，物料的运输方式和路径能够变化与进行优化。6)物料流的监测、判别等监控。第八页，共75页。5.1.3物流系统应满足的要求

1）物流系统应具有良好的管理系统。在运行中应可靠地、无损伤地、快速地实现物料流动，为此应有宽敞、方便、快捷、可靠的运输通道和运输设备。2）物流系统应具有一定的柔性。可变性和可重组性，以适应多品种、小批量生产；不因产品更新而报废原来的物流系统，可稍作调整或部分补充即可迅速地重组成新的物流系统；不因某些设备因故停机时使生产中断，物料流动路线可灵活地进行变动，使生产继续下去。第九页，共75页。3）在每台设备上，停机装卸工件的辅助时间尽可能短，工序间的流动路线尽可能短，保证物流的高效，也节省物流系统建设的投资。4）尽可能减少在制品积压，为此应加快物流系统的流动速度，加强库存管理和生产计划管理，朝“零库存生产”的目标努力。5）毛坯、在制品、产品的自动储存量，能保证三班制时无人或少人运行时的需要，或能保证易损坏设备快速排除故障时间内生产还能继续进行。5.1.3物流系统应满足的要求

第十页，共75页。

5.2物流系统的总体设计

5.2.1物流系统的范畴

机械制造企业的物流系统包括从原材料、外购配套件、标准件进厂，经过储存、毛坯生产、机械加工、装配、检验、油漆包装、产成品和废料出厂等全部流程。在这整个流程中，物流始终与信息流交汇在一起，物流系统的运行一方面受信息流的控制和监督，另一方面，物流系统不断地将生产现场的有关信息，包括实时的或经过初步处理(如统计分析)的信息反馈到信息流系统。第十一页，共75页。

5.2物流系统的总体设计

5.2.1物流系统的范畴

现代生产追求的优质、高产、低耗与其信息流、物料流、加工系统的状况直接相关。信息流不正确、信息流传递的失真将直接影响零件的制造质量，物料流不通畅、阻塞等将直接影响产品的生产周期和成本。第十二页，共75页。各种生产设施配置合理，减少物流的迂回、交叉、往返等无效搬运；减少库存和在制品，缩短物料的停滞等待时间；选用适当的装卸搬运方式和机具；厂内外运输近便、协调、有机衔接等。物流系统设计是把物流全过程所涉及的装备、器具、设施、路线及其布置作为一个系统，运用现代科学技术和方法，进行设计和管理，达到物流系统合理化的综合优化过程。物流系统设计离不开装备、器具和设施的平面布置。有效的物流规划是合理进行平面布置的基础，也是平面布置的结果。物流系统合理化大致包括以下几方面内容：第十三页，共75页。5.2.1物流系统的设计方法与步骤

1.物料的分类根据产品的品种数、批量、年产量、班制、混合生产方式；分析统计当前的产品，考虑产品今后的发展；以及零件的形状和尺寸等对物料进行分类。物料按形式分有固体、液体和气体；按种类分有散装料、单独料和包装料；在物理特征方面有尺寸、质量或密度、形状、损伤的可能性和状态等；其它特征还有数量、时间性、特种控制、政府法规和操作规程等。其中物理特征往往是物料分类最重要的因素，以此确定货箱的容量、仓库的容量以及搬运的要求。第十四页，共75页。1）散装物料，如煤、型沙等；2）板料、型材等金属材料；3）单件物品，如大的零件及配套件；4）桶装物料，如各种油类；5）箱装物料，如各种小零件及配套件；6）袋装物料，如贵重的金属材料及盐类；7）瓶装物料，如氧气、二氧化碳等；8）其它。机械制造业的物料基本上有如下八大类：第十五页，共75页。2.物流系统布置方案

物流系统布置方案内容包括：物料流动的起点和终点的具体位置，及它们之间的距离、物流量、每次搬运的件数、批量大小、频繁性、稳定性、缓急要求等；搬运路线倾斜、曲折、拐弯情况，拥挤程度和路面质量；仓储设施的布置等。物流系统布置方案可用立体图或平面图的形式表示，在图中标明一些重要部位的关键尺寸和技术条件。布置方案最好拟定2～3个，以便通过比较从中选择较好的方案。第十六页，共75页。机械制造的生产过程属于离散型，从原材料采购入库开始，经过备料、热加工、冷加工、热处理、装配、检验、产品入库等一道一道工序逐渐加工成产品，每道工序往往在不同车间或工作中心进行，上一道工序结束时工件不一定马上能进行下一道工序的加工，工件在工序间需要建立存储缓冲区，以缓解用户需求与工厂制造能力之间、最终装配需求与零部件配套性之间、上下工序之间、工厂与供应商之间的供需矛盾。2.物流系统布置方案

第十七页，共75页。3.物料流动的分析步骤

1）按每类产品或物料，沿整个生产过程，即从原料到成品库的全过程进行流程分析，绘制物料流程图。物料流程图只表示每类产品或物料流动的顺序，不表达每个工作部门的地理位置，因此不必表达流动的距离和搬运方法等。2）将所有产品或物料按每条起迄点路线进行汇总，绘制物流图。物流图是在工厂平面布置图上绘制的，能够表明每条路线的距离和物流方向。第十八页，共75页。3）进行物料流动分析。在物流图上，长距离大物流量的搬运是不合理的，应该改进平面布置或工艺流程；物流量大而距离短的搬运是合理的，可以单独进行；物流量小而距离长的搬运会引起运输费用的增加，应将若干项具有类似性质的物流组合起来进行搬运。4）确定仓储设施的容量，包括仓位大小和数量、仓库面积和有关技术要求（如通风、采光、温度和湿度等）。

3.物料流动的分析步骤

第十九页，共75页。4.物料搬运设备的选择

正确选择搬运设备是提高搬运效率、降低搬运成本的重要措施。搬运距离较短的物料，其主要工作量在装卸，应选用输送设备，其装卸费用较低，而单位里程运输费用允许高些；反之，搬运距离较长的物料，其主要工作量在运输，应选用运输设备，装卸费用允许高些，但单位里程运输费用应较低。物流量低的物料应选用简单的搬运设备，以降低搬运的成本；反之，物流量高的物料应选用复杂的搬运设备，以提高搬运的效率。第二十页，共75页。

搬运设备可根据物料形状、移动距离、搬运流量和搬运方式分成如下四类：

1）适用于短距离和低物流量的简单输送设备，如叉车、电瓶车、步进式输送带、输送辊道；

2）适用于短距离和高物流量的复杂输送设备，如带有抓取机构的在两工位间输送工件的输送机械手、斗式提升机和气力输送机等连续输送机等；

3）适用于长距离和低物流量的简单运输设备，如汽车等运输车辆；

4）适用于长距离和高物流量的复杂运输设备，如火车、船舶等。第二十一页，共75页。5.仓储设施的选择

仓储设施的型式按其功能分有原材料库、外购件库、在制品库、零部件成品库、维修件和备件库、产成品库、工夹量具等工艺装备库等；按地理位置分布有厂级库、车间级库、工段级库和工序级库等。仓储设施的位置是在物流系统方案布置图中确定的，仓储设施的仓位大小、数量、面积等参数是设计的依据，应在物流分析中予以确定。第二十二页，共75页。原材料、外购件、零部件成品、产成品、维修件和备件通常储放在厂级库中。许多现代化企业采用立体仓库，实现物流机械化和管理自动化车间级和工段级库属于中间仓库，暂时存放以维持车间和工段生产需用的物料，包括原材料、在制品、工夹量具等。这类仓库由于储存物料的种类相对少一些，储存量相对小一些，进出库流量相对小一些，选择仓储设施的要求也相对低一些不必追求高的机械化和自动化程度。工序间的在制品通常堆放在机床附近，有的配置专门的物架以防止互相磕碰。第二十三页，共75页。6.实施计算机仿真，进行方案修改

物流系统是整个生产过程中的一部分，是从属于加工制造过程的。因此设计物料系统时常常受到许多因素的制约，应根据各种制约条件对物料系统方案进行修改。这些制约条件大致包括：与外部衔接的运输方法、适应远期发展变化的需要、与生产流程或设备保持一致、现有设施的利用、面积空间的限制、建筑结构的特征、库存制度及设备等；另外还包括投资的限制、政策规范的制约、物料对环保和安全的限制等。根据上述限制应对物流系统的方案进行修改。第二十四页，共75页。6.实施计算机仿真，进行方案修改

物料系统规模大、投资费用高、结构型式、运输方式都很复杂，许多实际问题事先难以考虑周全。过去，只能是建造完以后，才能发现问题，只好通过局部拆除，返修、调整才能达到预定目标。现在可以借助计算机进行物料的调度输送动态仿真。第二十五页，共75页。轿车总装配生产线仿真第二十六页，共75页。7.物流系统的方案评价

物流系统的方案经过计算机仿真和修改后，根据技术和经济两方面对提出的方案逐个进行分析比较，从中选出最合理可行的方案。经济方面评价的依据是投资和经营费用。其中投资是指基本建设费用、其它费用及流动资金的增加部分。第二十七页，共75页。5.3机床上料装置设计5.3.1机床上料装置的类型与特点

1.机床上料装置的类型

上料（送料）是将毛坯送到加工位置的过程。机床上料装置的类型可按其自动化程度和毛坯的种类及结构进行分类。按自动化程度，机床上料装置有人工上料和自动上料装置两种：第二十八页，共75页。5.3机床上料装置设计5.3.1机床上料装置的类型与特点

1.机床上料装置的类型

1）人工上料装置：在普通机床上，上料过程由人工操作，往往需要较多的时间，同时也消耗体力。这种上料方式只适用于单件小批生产或者加工大型的或外形复杂的工件。对于质量较大的毛坯，送料过程虽然人工操作，但通常采用输送辊道或起重吊等设施；毛坯的夹紧则采用气动、液压或机械方式，以减少工人的体力劳动，缩短辅助时间。第二十九页，共75页。5.3机床上料装置设计5.3.1机床上料装置的类型与特点

1.机床上料装置的类型

2）自动上料装置：在大批、大量生产中，为了缩短上料时间、减轻体力消耗，通常采用各种自动上料装置，使上料过程机械化，辅助时间进一步缩短，并且免除了繁重的体力劳动。第三十页，共75页。2.上料装置的特点

1）上料所消耗的时间应尽可能少，以缩短辅助时间和提高生产率。2）上料平稳，尽量减少冲击，避免送料挡块等送料机件过早地损坏。3）上料装置的构造应尽可能简单，工作可靠以免因夹紧位置不正确或送料长度不足等原因产生废品或发生事故。第三十一页，共75页。4）上料装置应有一定的适用范围。对于棒料上料机构应能根据加工工件的直径和长度进行调整，件料上料机构应能适应一定尺寸范围内结构相似的工件。5）满足工件的一些特殊要求，例如用机器人搬运一些轻薄零件或易碎的零件时，机器人手爪部分应采用较软的材料和自行调整握紧力的大小，以免被夹持工件变形和破碎。2.上料装置的特点

第三十二页，共75页。1.料仓的功用和组成

由于料仓式上料装置要手工加料，因此适于加工时间较长的零件，即加工时间为5~30s左右。加工时间较短（0.5～5s）的零件，人工加料将使工人十分紧张，影响生产率的提高。料仓式上料装置用于加工时间较长的零件，便于进行一人多机床操作，可明显地提高劳动生产率。5.3.2料仓式上料装置设计

第三十三页，共75页。1.料仓的功用和组成

当单件毛坯的尺寸较大，而且形状比较复杂难于自动定向时可以采用料仓上料机构，这时需工人或专门的定向装置不断地将单件毛坯以一定方位装入料仓中，然后再由料仓送料机构自动地将单件毛坯从料仓送到机床上。料仓式上料装置应用在大量和大批生产中。5.3.2料仓式上料装置设计

第三十四页，共75页。2.料仓

料仓的作用是储存毛坯。料仓的大小决定于毛坯的尺寸及工作循环的长短。为了使工人能同时看管多台机床，毛坯的储存量应能保证机床连续工作10～30min。按照毛坯在料仓中的送进方法可将料仓分为两类，即靠毛坯的自重送进和强制送进。第三十五页，共75页。2.料仓

（1）靠毛坯自重送进的料仓

①直线形料仓；②曲线式料仓；③螺旋式的料仓；④管式料仓；⑤料斗式料仓；⑥料斗/料箱式料仓。第三十六页，共75页。（2）强制送进的料仓

当毛坯的质量较轻不能保证靠自重可靠地落到上料器中，或毛坯的形状较复杂不便靠自重送进时，采用强制送进的料仓。第三十七页，共75页。3.隔料器

第三十八页，共75页。4.上料器上料器是把毛坯从料仓送到机床加工位置的装置，常用的上料器有下列几种型式：①料仓兼作上料器；②槽式上料器；③圆盘式上料器。第三十九页，共75页。5.3.3料斗式上料装置的设计

1.料斗式上料装置的组成①料斗；②搅动器；③定向器；④剔除器；⑤分路器；⑥送料槽；⑦减速器；⑧隔离器；⑨上料器。第四十页，共75页。2.振动式料斗装置振动式料斗是一种典型的自动上料装置，其料斗多为圆筒形。在圆筒内壁上有螺旋形送料槽，当圆筒作扭转振动时，工件将沿着螺旋形送料槽逐渐上升，并在上升的过程中定向，同时还必须把位置和方向不正确的工件剔除，最后将方向正确的工件从料斗上部的出口送入输料槽。振动式料斗装置多用于钟表、仪器仪表类小型零件的加工自动上料。第四十一页，共75页。5.4机床间的物料输送装置机床间的物料输送装置有托盘、随行夹具、有轨小车和无轨小车等。5.4.1托盘和随行夹具在机床间的物料输送可采用托盘和托盘交换装置实现工件自动更换，以缩短消耗在更换工件上的辅助时间。托盘是工件和夹具与输送设备和加工设备之间的接口，是工件和夹具的一个承载体。工件安装在夹具上，而夹具又被安装在托盘上。第四十二页，共75页。5.4.1托盘和随行夹具托盘有箱式、板式等多种结构。箱式托盘不进入机床的工作空间，主要用于小型工件及回转体工件的储存和运输。板式托盘主要用于较大型非回转体工件，工件在托盘上通常是单件安装，大型托盘上可同时安装多个相同或不相同的工件。板式托盘不仅是工件输送和储存的载体，而且还随工件进入机床的工作空间，在加工过程中定位夹持工件，承受切削力。第四十三页，共75页。

托盘的形式是多种多样的，有正方形、长方形、圆形、多角形等。托盘的上表面有便于安装的T型槽、矩阵螺孔（或配合孔）。托盘的下表面有供在机床工作台上定位的基面和输送基面，托盘在机床工作台上定位通常采用锥形定位器，用气动或液动钩形压板夹紧。输送基面在结构上与系统的输送方式、操作方式相适应。第四十四页，共75页。物料运载装置直接担负着工件、刀具以及其它物料的运输任务。包括物料在加工机床之间、自动仓库与托盘存储站之间以及托盘存储站与机床之间的输送与搬运。常见的物料运载装置有传送带、自动运输小车和搬运机器人等。5.4.1托盘和随行夹具第四十五页，共75页。随行夹具的合理选用不仅仅影响加工的精度和可靠性还直接影响工件装交时间、工件加工循环周期、机床的数量、工件搬运系统的类型和速度以及整个系统的投资成本。一个好的夹具应能允许一次装夹便能完成零件上所有部位的加工，减少装夹定位次数，避免不必要的累积误差。5.4.1托盘和随行夹具第四十六页，共75页。1.传送带广泛用于自动化制造系统中工件或工件托盘的输送，传送带的形式有多种，如步伐式传送带、链式传送带、辊道式传送带、履带式传送带等。2.自动运输小车

第四十七页，共75页。1.传送带2.自动运输小车

自动运输小车可分成有轨自动运输小车和无轨自动运输小车两大类。有轨小车是一种沿着铁轨行走的运输工具，有自驱和它驱两种驱动方式。有的采用地轨像火车的铁轨一样；有的采用高架轨道象高空运输小车一样，吊在两条高架轨道上进行移动。无轨自动导向小车因导向方法的不同，又可分为有线导向、光电导向、激光导向和无线电遥控等多种形式。第四十八页，共75页。1）有轨自动运输小车有轨小车是通过铺设的铁轨进行运动的它可以很方便地在同一轨道上来回移动用于直线往返输送物料。一种是在铁轨上行走、由车辆上的电动机牵引；另外一种是链索牵引小车，它是在小车的底盘前后各装一个导向销，地面上布设一组固定路线的沟槽，导向销嵌入沟槽内，保证小车行进时沿着沟槽移动。第四十九页，共75页。1）有轨自动运输小车有轨小车的移动速度和加速过程都比较快，负载能力比其它无轨小车都大。短距离移动时它的机动性能比较好，停靠准确易于与传统设备结合。其不足之处是一旦导轨铺设好后就不便改动，此外转弯的角度亦不能太小。采用空架导轨和悬挂式机器人，也属于有轨运输小车范畴。第五十页，共75页。有轨运输车有三种工作方式：

1)在线工作方式：

运输车接受上位计算机的指令工作。

2)离线自动工作方式：

可利用操作面板上的键盘来编制工件输送程序，然后按启动按钮，使其按所编程序运行。

3)手动工作方式：有轨运输车沿轨道方向有较高的定位精度要求，通常采用光电码盘检测反馈的半闭环伺服驱动系统。第五十一页，共75页。有轨小车的特点：

1）有轨小车的加速过程和移动速度都比较快，适合搬运重型工件。

2）轨道固定，行走平稳，停车时定位精度较高，输送距离大。

3）控制系统相对于无轨小车来说要简单许多，因而制造成本较低，便于推广应用。

4）控制技术相对成熟，可靠性比无轨小车好。

5）缺点是一旦将轨道辅设好，就不便改动；另外转弯的角度不能太小。轨道一般宜采用直线布置。第五十二页，共75页。2）无轨自动运输小车

无轨输送系统即无轨运输自动导向小车，是一种无人驾驶的，由计算机控制的，以蓄电瓶驱动的，按照一定程序或轨道自动完成运输任务的，其行驶路线和停靠位置是可编程的一种物料运输工具。无轨输送系统具有更多的柔性和功能，真正获得了各种类型的用户所接受，形成了现代自动化物流系统中的主要搬运设备之一。

第五十三页，共75页。线导小车是利用电磁感应制导原理进行导向的。小车除了驱动系统外，小车前部装有一对扫描线圈。当小车偏离轨道时，扫描线圈就会产生感应电势差，其电势差经放大后反馈给转向制导电动机，使AGV朝向减少误差的方向偏转，直至电势差消除为止，从而保证小车始终沿着导线方向运行。①线导小车第五十四页，共75页。①线导小车线导小车具有下列优点：

①柔性很大。②扩展性好。③操作简单方便，投资较少。④不怕尘土污染，工作可靠，适用于工业环境。第五十五页，共75页。光导小车是采用光电制导原理进行导向的。通常采用一种带有荧光材料的油漆或色带在地板上绘制出运输路线图，小车上安装有光源及光敏元件。小车运行时，由车上的光源发出的光束照射在地板上，小车内的光敏元件接受反射光通过光电信号的转换产生路线识别信号，从而控制小车沿着绘制的路线运行。这种制导方式的优点是改变路线非常容易，但对环境的要求比较严格，因此只适用于实验室等环境非常洁净的场合。②光导小车第五十六页，共75页。这种小车没有传送信息的电缆，而是使用无线电或激光发送和接收设备来传送控制命令和信息、这种小车活动范围和路线基本不受限制，具有柔性度高、扩展性好，对环境要求不高等优点。但其控制系统和操纵系统较为复杂，目前还处于实验研究阶段。随着激光制导技术的进一步发展，这种遥控制导小车可望不久将会得到实际的应用。③遥控制导小车第五十七页，共75页。5.5自动化仓库

自动化仓库是一种先进的仓储设备，其目的是将物料存放在正确的位置以便于随时向制造系统供应物料。以自动化立体仓库为中心组成了一个毛坯、半成品、配套件或成品的自动存储／自动检索系统。第五十八页，共75页。5.5自动化仓库自动化仓库的含意包括仓库管理自动化和入库出库的作业自动化。仓库管理自动化包括对货箱、账目、货格及其它信息管理的自动化。入库出库的作业自动化包括货箱工件的自动识别、自动认址、货格状态的自动检测以及堆垛机各机动作的自动控制。第五十九页，共75页。自动化立体仓库的主要特点有：①利用计算机管理，物资库存账目清楚，物料存放位置准确，对自动化制造系统物料需求响应速度快。②与搬运设备（如AGV、有轨小车、传送带）衔接，可靠及时供给物料。③减少库存量，加速资金周转。④充分利用空间，减少厂房面积。第六十页，共75页。自动化立体仓库的主要特点有：⑤减少工件损伤和物料丢失。⑥可存放的物料范围定。⑦减少管现人员，降低管理费用。⑧耗资较大，适用于一定规模的生产。第六十一页，共75页。（1）自动化立体仓库的职能

1）实现物料的自动储存及自动检索；

2）形成物料信息网；

3）支持物料需求计划（MRP）的执行。（2）自动化立体仓库的组成

自动化立体仓库主要由库房、货架、堆垛起重机、外围输送设备和自动控制装置等组成。第六十二页，共75页。第六十三页，共75页。1）货架货架是仓库的主体结构，是存放物料的场所。FMS的自动化立体仓库属于专用性车间级仓库，即针对既定的产品类型存放毛坯、原材料、半成品、成品以及各种工艺装备。一般情况下出入库口都布置在巷道的某一端有时也设计在巷道的两端、每个巷道都配有自己专用的堆垛机，用来负责物料的存取。第六十四页，共75页。堆装