发动机车间布局优化设计研究

发动机车间布局优化设计研究摘要车间布局设计是制造系统设计的重要内容之一，车间布局的优劣直接决定着产品质量、生产率和经济效益。论文阐述了设施布局设计的基本原则、理论及方法，分析了国内外生产系统中常见的布局设计原理及方法，提出了车间布局优化设计框架。该框架避免了传统设计方法过于依赖经验、约束过多及复杂难解的缺点，从理论上拓展了布局设计的方法。本文以该框架为指导，本着理论与实践统一的基本立意，应用SLP法，实现了发动机车间平面布局的优化;并结合计算机建模和仿真技术，应用人因工程、生产线平衡等关于设施布局及工作地优化等相关理论和方法完成了发动机车间三维布局的部分优化工作。从而验证了车间布局优化设计框架的指导作用，实现了发动机车间布局的优化设计。关键词:车间布局建模与仿真发动机生产线平衡ResearchonOptimalDesignofEngineWorkshopLayoutAbstractThedesignofworkshoplayoutisoneoftheimportantcontentinthedesignofmanufacturingsystem,andagoodworkshoplayoutornotdecideddirectlytheproductsquality,theproductivityandtheeconomyefficiency·Thispaperexpatiatesthebasicprinciple,theoryandmethodofthefacilitylayoutdesign,analysesprincipleandmethodsofthetraditionallayoutdesigndomesticandoverseas,andthenprovidesaframeofoptimumdesignforworkshoplayout.Thisframeavoidsthedemeritofthetraditionaldesignmethodthatrelyingexcessivelyonexperience,havingover-restrictionandbeingcomplicated,andthereby,extendthemethodofthedesignoflayout.Directedbythisframeandbasedontheunificationoftheoryandpractice,theplanarengineworkshoplayoutisoptimizedbyusingSLP;combiningwiththedevelopmentofcomputermodelingandsimulationtechnologyandusingcorrelativetheoriesandmethodsaboutfacilitylayoutsuchasergonomicsandlinebalancing,someoptimizingworkinthree-dimensionalengineworkshoplayoutisimplemented.Consequently,theavailabilityoftheframeisvalidated,andtheoptimaldesignofengineworkshoplayoutiscompleted.keywords:WorkshopLayoutLinebalancingModelingandSimulation第一章绪论1.1车间布局设计概述1.1.1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、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(Materialhandlingsystem,MHS)合理化技术.车间布局的实质就是对制造资源(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121.1)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(AS/RSAutomatedStorageandRetrievalSystem)，自动引导小车AGV(AutomatedGuidedVehicle)、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1.1.3.1车间布局的原则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。1.1.3.2车间布局的目标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:①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;②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;③使系统具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:①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;②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[31“良好布置标志”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。1.2课题提出的背景和意义1.2.1设施布局研究的现状设施的布局设计已不是新问题，即使在原始的小作坊里，工匠们也要根据工序流程和物件移动的需要来合理布置他们的工作间。随着生产复杂性和生产规模的日益增强和扩大，各种布局方案应运而生，如工程布局，功能布局，作业线布局等方案14-51oMutherl5]提出了系统布置方案SLP(SystematicLayoutPlanning)。由于设备布局设计问题的复杂性及其实用性，从六十年代开始，有学者着手研究计算机辅助设计问题。随后产生了一系列计算机辅助布局设计和分析的商用软件包，如CORELAP,PLANET,SHAPE,CRAFT等，它们在布局设计建模、布局求解算法及系统交互式等方面做出了卓有成效的工作。Kusiak和Meller等人对制造设备布局问题进行了全面的回顾并着重研究了柔性制造系统(FMS)环境下的布局设计16-71.Badiru和Ari产]开发了一个设备专家布局系统，并在其中采用模糊逻辑方法来实现关系代码，以反映未来生产设备需求的不精确性.Montreuil提出了基于人工智能、优化、仿真和CAD于一体的集成的布局方案，在此基础上，进一步对基于物流的布局问题提出了并行布置和网络布置的设计方法。Kouveliset.a1.191曾指出，生产设备的位置是制造系统设计早期需要解决的最关键的问题之一。到目前为止，研究人员