第8章机械加工生产线总体设计

机械制造装备设计全国本科院校机械类创新型应用人才培养规划教材第8章机械加工生产线总体设计28.18.28.38.4机械加工生产线概述生产线设备布局设计柔性加工生产线设计柔性制造系统本章分五个小节：8.5先进制造模式38.1机械加工生产线概述机械加工生产线及其基本组成在机械产品生产过程中，对于一些加工工序较多的工件，为保证加工质量、提高生产率和降低成本，往往把加工装备按照一定的顺序依次排列，并用一些输送装置与辅助装置将它们连接成一个整体，使之能够完成工件的指定加工过程。这类生产作业线称为机械加工生产线。机械加工生产线由加工装置、工艺装置、输送装置、辅助装置和控制系统组成。⑥数据管理48.1机械加工生产线概述由于不同工件的加工工艺复杂程序不同，机械加工生产线的结构及复杂程度也常常有很大差别。1、2、3-组合机床;4-工件输送带;5-传动装置;6-转位台;7-转位鼓轮;8-夹具;9-切屑运输装置;10-液压站;11-操纵台;58.1机械加工生产线概述机械加工生产线的类型按所用加工装置分类（1）通用机床生产线这类生产线建线周期短、成本低，多用于加工盘类、轴、套、齿轮等中小旋转体工件。（2）组合机床生产线这类生产线由组合机床联机构成，主要适用于加工箱体及杂类工件的大批量生产。（3）专用机床生产线主要由专用机床构成，设计制造周期长、投资周期长、投资较大、适用于加工结构特殊、复杂的工件或产品结构稳定的大量生产类型。⑥数据管理6按生产线工件节拍特性分类（1）固定节拍生产线固定节拍是指生产线中所有设备的工件节拍等于或成倍于生产线的生产节拍。工件节拍成倍于生产线生产节拍的设备需配置多台并行工作，以满足每个生产节拍完成一个工件的生产任务。（2）非固定节拍生产线非固定节拍生产线是指生产线中各设备的工作节拍不同，各设备的工作周期是其完成各自工序需要的实际时间。由于各设备的工作节拍不一样在相邻设备之间或在相隔若干台设备之间需设置储料装置⑥数据管理8.1机械加工生产线概述7按生产目的和生产方式分类（1）单件、小批生产线单件、小批生产线的主要特征是其生产的产品为多品种、小批量。8.1机械加工生产线概述8（2）中批量生产线中批量生产线主要是为产品品种变化多，且每种产品都有一定的批量的状况而设计的。中批量生产线实际上是为了兼顾柔性与成本的折衷方案，它适于对工艺成熟的产品进行批量生产，其缺点是在生产过程中产品批量一旦确定就不易改变。（3）大批量生产线大批量生产线是通过单一产品的大批量生产来最大限度地降低产品成本。为了减少加工准备时间和工件的等待时间，该类型生产线多采用专用机床并串联成流水线的形式。8.1机械加工生产线概述9（4）单元生产线单元生产线是在成组技术的基础上发展起来的，其基本思想是依据工件工艺的相似性对产品分族并将可加工同族产品的设备布置在一起，成为一个加工单元，对于简单的工件可在一个单元内完成加工，而复杂的工件则需几个单元组合完成加工。8.1机械加工生产线概述108.1机械加工生产线概述机械加工生产线设计原则1）保证在生产线设计寿命内稳定地满足工件的加工精度和表面质量要求2）满足生产纲领的要求，并留有一定的生产潜力3）保证足够高的可靠性4）根据产品的批量和可持续生产的时间，应考虑生产线具有一定的可调整性5）生产线布局应减小占地面积，还要便于操作者的操作、观察和维修，提供安全宜人的工作环境6）降低生产线的投资费用7）有利于资源和环境保护，实现洁净化生产⑥数据管理118.1机械加工生产线概述机械加工生产线设计的内容及步骤1）制订生产线工艺方案，绘制工序图和加工示意图2）拟定全线的自动化控制方案3）确定生产线的总体布局，绘制生产线的总联系尺寸图4）绘制生产线的工作循环周期表5）生产线通用加工装备的选型和专用机床、组合机床的设计6）生产线输送装置、辅助装置的选型及设计7）液压、电气等控制系统的设计8）编制生产线的使用说明书及维修注意事项等⑥数据管理128.2生产线设备布局设计设备布局的任务设备布局的主要任务就是根据产品和生产纲领要求，在指定的车间有效空间内，将设备及生产相关的设施进行合理的布置、优化、仿真，以满足生产出合格产品的车间布局结构。（1）分析产品工艺（2）确定车间生产模式（3）进行方案设计（4）方案的筛选（5）方案的优化（6）布局方案的实施⑥数据管理138.2生产线设备布局设计设备布局的影响因素当车间的产品设计、工艺流程设计、生产组织和物料搬运等条件的变化，都会影响车间设备布局结果的影响。（1）产品因素（2）设备因素（3）车间物流因素（4）物料存储因素（5）厂房结构因素（6）人的因素（7）与布局调整有关的因素（8）其它因素⑥数据管理148.2生产线设备布局设计设备布局的设计原则车间布局设计中常用的主要原则：（1）工艺性原则工艺的合理不仅可以减少生产过程中的中断、等待和停顿，还可以避免系统配置的不平衡，减少生产能力的冗余，保证零件的加工要求。（2）物流简化原则在物料搬运过程中应该尽量保证物料移动距离最短、搬运环节最少以及搬运作业最简。158.2生产线设备布局设计设备布局的设计原则（3）可持续性原则一方面通过重组或变更串接的设备，就能方便地组成适应形状和工艺变动较大的零件加工的新设备布局；另一方面通过扩展或减少并联的设备，就可在不影响己有设备运行的前提下，根据市场的动向迅速无缝地调整产品的产量。（4）经济性原则经济性是车间布局时应该考虑的一个重要原则，要用尽可能少的资金，到达满意的车间布局，提高企业的经济效益。168.2生产线设备布局设计设备布局的设计原则（5）柔性化可重构原则在车间布局设计时应该尽可能根据企业的战略，将产品未来的变化考虑进来，采用柔性生产线以及可重构的车间布局形式，便于将来产品的变更。（6）充分利用空间和场地原则根据产品的生产工艺，合理安排机器、物料的摆放位置以及人员的工位，在保证加工任务顺利完成的同时节约场地。（7）生产均衡原则（8）安全性原则17设备布局的设计方法目前车间布局的方法主要有系统布置设计方法、布局集成设计方法以及计算机辅助设施布置设计方法系统布置设计方法系统布置设计方法是一种条理性很强、物流分析与作业单位关系密切程度分析相结合的，以求得合理布置的技术。设施系统布置首先是调查研究、收集资料，其次是分析有关资料的相互关系，在综合调研的基础上设计方案，最后对若干方案进行选择并组织实施。8.2生产线设备布局设计18（1）原始数据准备P、Q、R、S、T是布局设计中大多数计算的基础是解决布置问题的基本要素。（2）物流分析物流分析包括确定物流在生产过程中每个必要的工序间移动的最有效的顺序，以及这些移动的强度或数量值。8.2生产线设备布局设计19（3）作业单位相互关系分析所谓作业单位，对于一个生产车间来说，可以是一台机床、一个装配台、一个检查设施等。作业单位相互关系的分析是对各单位或作业活动之间关系的密切程度进行评价。8.2生产线设备布局设计符号含义比例（%）符号含义比例（%）A绝对重要1~3O一般5~15E特别重要2~5U不重要20~85I重要3~8X不希望靠近0~1020（4）物流与作业单位相互关系的分析在作业单位相互关系图完成以后，根据物流分析的结果，同时考虑到非物流相互关系就可以绘制表明各作业关系的“物流与作业单位相互关系图”。在绘制时可以考虑或不考虑作业单位的实际位置，也可以不考虑作业单位所需的面积。（5）面积设定在实际的实施布置设计过程中，常受到现有厂房或可利用土地面积与形状等的限制，而不得不把需要的面积与可利用的面积结合起来权衡考虑。面积设定的方法如下表所示。8.2生产线设备布局设计21（6）面积相关图解根据己经确定的物流及作业单位相互关系，以及确定的面积，就可以利用面积相关图进行图解，即把每个作业单位按面积用适当的形状和比例在图上进行配置。8.2生产线设备布局设计方法特点计算法按照设备和作业空间要求计算所需面积，主要用于详细设计中确定制造区域的面积转化法把现在需要的面积转化为将来布置方案中提出的必要面积，一般用来确定辅助区和存储区的面积概率布置法应用模拟或设备模型进行布置并确定面积，主要用于总体布置标准面积法采用某种工业标准来确定面积比例趋向预测法以单位人员和产品为基础来预测、复核设施总面积，主要用于设施规划22（7）布置设计的寻优根据现有设施空间的实际制约和各种修正条件，对各部门的位置、形状进行调整，最终形成几个可行和初步优化的布置方案。（8）布置的评价对以上阶段初步筛选的各备选方案进行技术经济分析和综合评价，从定性和定量的结合，综合主观和客观两个方面，确定每个方案的“价值”，进行设施布置的评价和选择。（9）详细布置对选中方案在其空间相互布置图的基础上予以改进，得到具体有可操作性的详细布置。8.2生产线设备布局设计23布局集成设计方法随着计算机虚拟技术不断的发展，将计算机虚拟技术与数学模型相结合用来求解车间实体布局的方法，在当前有了较好的应用，这种方法叫布局集成设计方法。这种方法的具体做法是从设备实体布局中找出实体布局的特点，抽象出并且建立一个适合车间生产过程的统一的优化布局数学模型并要找到一个有效的求解算法对其进行求解计算，运用计算结果指导并完成设备实体的优化布局。8.2生产线设备布局设计24布局集成设计方法虚拟现实设计系统包含操作者、机器及人机接口三个基本要素。基于虚拟现实技术的人工交互布局是对纯计算数学模型布局不足的弥补，可以充分利用布局专家的人工经验，在计算机上模拟布局装配过程和调整过程。8.2生产线设备布局设计25计算机辅助设施布置设计方法计算机辅助设施布置程序为以下两种：（1）向新建型系统布置程序主要有CORELAP（计算机辅助相关布置规划）和ALDEP（自动化布置设计）程序。（2）面向改进型的系统布置程序主要有CRAFT（计算机辅助确定设施布置相对位置技术）和COFAD（计算机辅助设施设计）程序。近年来，伴随着生产系统的发展，设施规划较多的采用仿真技术来模拟物流运行的动态过程，从而求得最佳设计。8.2生产线设备布局设计26柔性生产线的初步设计从分析市场生产状态出发，认定采用柔性生产线要达到什么目标；进而，从工厂的产品中筛选出适合采用柔性生产线的零件对这些零件作工艺分析，并以此为依据，来设定生产线的基本设备、工夹具、物流方式、系统管理和控制方案；最后按照厂房的状况，设计出生产线的结构图，编写出相应的文档分析工厂生产状态、确定零件谱分析生产状态、制订生产线的零件谱，应注意：（1）系列产品（2）制造方法类似的零件（3）零件的批量和生产节拍8.3柔性加工生产线的设计27零件谱工艺分析零件谱基本确定后，应该对谱中每个零件进行详细的工艺分析。分析时，要以正在设计的柔性生产线作为前提，确定零件的加工流程、切削用量、制造节拍、设备的型号规格、刀具的种类、夹具的结构。初步规划系统结构初步设计完成时，应绘制出系统平面布局图，撰写出有关专题报告等。8.3柔性加工生产线的设计28柔性生产线的详细设计零件谱及其制造工艺的再分析零件种类增加对生产线的设计工作带来以下影响：（1）如果不限定零件的种类，就不能确定生产线制造设备的种类、规格、自动化水平和规模；（2）零件种类增加导致制造刀具的增加，只有限定了零件的种类，才能有效地防止零件种类和刀具数量不匹配的现象出现；（3）零件种类还直接影响由工件装卸、输送、保管等设备组成的物流系统的设计；（4）零件种类被限定后，才能制定出负荷均衡的作业计划。8.3柔性加工生产线的设计29选定制造设备和工具选定设备，就是调查已有或将要添置的设备具有怎样的制造能力，并从中选出型号、规格、售价合适的设备。选定制造设备和刀具应与工序切换这个问题同步考虑，为此必须研究如下问题：（1）柔性生产线的运行效率提高生产线的运行效率，首先是提高每台制造设备的运行效率。设r为制造设备运行时间、t为工序切换时间、w为等待时间、s为故障停机时间，则8.3柔性加工生产线的设计%100swtrr30（1）柔性生产线的运行效率对工序分散、每道工序只需较短加工