1、第一章緒論1.1車間布局設計概述從一般意義上說，布局設計就是將一些物體按一定的要求合理放置在一個空間內，它是一個涉及參數化設計、人工智能、圖形學、信息處理、優化、仿真等技術的交叉學術領域，實踐證明它還是一個復雜的組合優化問題。它存在于現實生活的許多行業和方面:1) 航空航天工業中，航天器上各種儀器的布局擺放問題;2) 造船、汽車等交通工具內不同形狀、大小的物體放置問題;3) 集成電路設計中，各種元件的合理布置問題;4 建筑設計中，各房間的合理布置及廠房、設備等布局問題;5) 機械設計領域中，各種基于裝配的機床布局設計問題;布局問題具有廣泛的應用背景，布局結果的好壞對整個行業生產的合理性、經濟性

2、、安全性等都有重大的影響。本課題主要研究制造系統中車間布局設計問題。生產車間是制造系統的基本組成部分，直接承擔著企業的加工、裝配任務，是將原材料轉化為產品的部門。所謂車間布置就是按照一定的原則，合理地確定車間內部各組成單位(工段、班組)及工作地，設備之間的相互位置，從而使它們成為一個有機整體，實現車間的具體功能和任務。車間布置一般包括:基本生產部分、輔助生產部分、倉庫部分、過道部分、車間管理部分、生活福利部分等。由于車間布置決定了以后車間的物流方向和速率，從而從結構上限定了車間的功能潛力，因此車間布置是構造一個有效車間系統最為重要的環節，相同車間地址、相同的人員、相同的設備和技術，僅僅是由于布

3、置的方式不一樣，生產系統的功能可以有天壤之別。高效率的車間布置作為提高企業生產效率和效益的重要手段之一，越來越受到人們的重視。1.1. 2 物流設計概述物流系統的設計是整個車間布局的一個重要部分，也是本文考慮的問題之“物流”是指社會物質資料從生產一直到消費前的全部流通過程?！肮S物流”是指工廠從原料進廠，經過存儲、加工、制造、裝配廠的整個生產過程中(包括原料、材料、半成品、配套件、包裝直至成品出成品)的每個環節流動、儲存的全過程?！肮S物流技術”是應用現代科學技術和方法，實現車間內部的物流系統(Material handling system, MHS)合理化技術車間布局的實質就是對制造資源(

4、包括人、機具和物料)在空間上密切有機結合，時間上適當連接、減少物料搬運工作量，減少自制零件和外購件的損壞，節省費用。在布局設計的過程中考慮物流因素，不僅能降低其過程中的運輸成本而且還能加快生產流程，最終達到提高生產能力和降低企業生產成本的目的。在工業發達的國家，除了降低原材料和能源消耗外，己把改進物料搬運、改善工廠中的物流組織看作是減少和節省開支以獲取利潤的“第三源泉”，這是值得我們很好地研究和挖掘的。因此，工藝設計人員除了要根據產品生產綱領正確選擇生產工藝和機器設備外，還必須進行物流分析和設計。因為合理的物流設計也同樣能大大提高生產率，降低生產成本11-21一個 有 效 的物料流程是物料在工

5、藝過程中按順序一直不斷地向前流動直至完成，沒有過多地遷回或倒流。物流與生產同時發生，并隨著加工技術的提高，加工在整個生產過程中比重下降而逐漸為人們所重視，物流技術的提高借助于自動化技術的發展得以實現。物流技術的發展大致經歷了以下幾個階段1) 人工物流。人工物流是原始的形式，物料的輸送、存取由人或借助于簡單的機 械 來 實 現 。 這種方式由于方式靈活、初期投資少、設備簡單，而被一些中小規模的企業廣泛采用。這種方法的缺點是節奏慢、勞動強度大 、工資支出多，且不利于集成控制。2) 剛性自動化物流。這種方式是以汽車制造為代表的專業化、大批量生產的產物 ，在二十世紀五、六十年代達到頂峰。它以輸料道、輸

6、料槽、傳送機等機械自動輸送機構為特征，物料的輸送按某一節拍或某一固定的方式進行，物料存取由人、機器人、機械手或搬運設備等媒介實現。特點為生產節奏快，設備布置相對固定，設備專門化程度高，缺點為初期投資大，靈活性差，一般只能用于大批量的生產。本文所考慮的就是這種物流。3) 柔性自動化物流。這種方式出現于二十世紀六十年代，應市場需求和自動 化 技 術 的 發 展 而產生，并處于不斷發展之中。一般由自動存取系統(A S/R S A uto ma te d Storage and RetrievalS ystem)， 自動引導小車AG V( Au tom at ed G u idedV ehicle)、

7、物流自動識別系統、計算機控制系統等組成，所有活動由計算機集中控制，能夠實現物流的自由流動和隨機存 取 ，便于系統的集成和優化，并能進一步實現智能化控制。1. 1.3車間布局綜述確保設備布置形式合理根據車間的生產綱領，分析產品一產量關系，確定生產類型(是大量生產、成批生產，還是單件生產)，由生產類型決定恰當的設備布置形式(是流水線式、成組單元式，還是機群式)。2)確保車間其它組成部分位置合理車間布置時，除了給主要生產設備，還需要給其它組成部分(在制品暫存地、檢驗實驗地、工人工作、通道、輔助設施如辦公室等)安排合理的位置。外地3)確保工藝流程要求滿足車間布置應保證工藝流程順暢、物料搬運方便，避免或

8、減少物流往返交叉現象。4)確保建筑形式合理根據工藝流程的要求和產品的特點，選擇恰當的生產加工設備，并進一步確定建筑物的尺寸和形狀。此外，還需考慮通風、照明、防塵、防噪等要求，并使布置具有適當的柔性，有利于生產的擴大和設備的補充，以適用生產變化的要求。車間布置的目標一般可分為兩大類，一類是以提高工作效率為導向的，另一類是以鼓舞士氣為導向的。1) 以提高工作效率為導向的目標該目標主要是為了高效率地完成生產任務 ，它包括 : 使物料的運輸成本最小，它要求運輸路線盡可能短、盡量增大生產的連續性 ，減少裝卸，防止物料被堵塞、延誤;使空間、設備、人員等資源的利用率提高，有助于降低成本、增加利潤 ;使系統具

9、有盡可能大的應變能力，表現在擴展的余地、高柔性等方面。2) 以鼓舞士氣為導向的目標該目標主要是通過激發生產人員士氣來實現組織的目標，同時使生產者在工作中有更加良好的心里感受，它包括 :增強生產安全性包括采取各種安全措施，防火、防潮、防止工傷事故，也包括增進職工職業健康的各類措施。防噪、防震及有害氣體、污染物的處理等;減少工作的單調感包括建立趣味盎然的班組園地以及千凈整潔的休息區，以賦予工人更多、更廣泛的任務和自主性，加深工作中獨特性、責任性的心理體驗。1.1. 3.3車間布局的評價總之，車間布置是影響深遠的一項工作，一個良好的車間布置可以用埃普爾(Apple)的“良好布置標志”來衡量“良好布置

10、標志”主要包括:圍繞某一預先計劃好的布置設計建造建筑物;通道筆直、清楚、有標記;保持最低限度的后退倒行;有關作業緊靠在一起:生產時間可以預測;安排進度計劃的困難最小;最少量的在制品;條件改變時容易調整，具有高柔性;擴展計劃時容易編制:實際加工時間對生產總時間之比最大;檢查最少而質量最好:材料搬運距離最短;手工搬運最少;無不必要的材料重復搬運;材料放在負載單元中搬運;作業之間的搬運最少;材料能及時傳遞給工人;材料能從工作區域及時搬開:由間接工人來做材料搬運工作:有秩序地搬運和儲存材料;工人能以最高效率工作等。第二章布局優化設計框架2.1 制造系統中的布局問題制造 系 統中的布局設計是工業工程研究

11、和實踐中一個重要并且長期存在的領域，是一個典型的工程問題。長期以來，制造系統的布局設計一直被當作制造工業中最關鍵和最困難的設計任務之一。它是將加工設備、物料運輸設備、工作單元和通道走廊等制造資源合理放置在一個有限的生產空間里面的過程，可看作是制造系統的組織過程。在 一個 制造系統中，布局不是一個孤立的問題，它與整個系統設計的其他工作是緊密關聯并且相互影響的，其相互關系可以用圖2-1表示1271.制造 系 統 布局的好壞將直接影響到整個生產系統的總體性能，如物流、信息流、生產能力、生產效益、生產成本以及生產安全等1281布置 的 基 本形式可分為1291:產品原則布置、工藝原則布置、成組原則布置

12、和定位布置。1) 產 品 原則布置(ProductL ayout) 根據產品制造的步驟安排各組成部分。從理論上看，流程是一條從原料投入到成品完工為止的連續線。固定制造某種部件或產品的封閉車間，其設備、人員按加工或裝配的工藝過程順序布置，形成一定的生產線，適合于少品種、大批量的生產方式。這種布置形式的例子有汽車裝配線、食品加工和家具制造業等。本文的發動機車間就屬于這種布置形式。圖2-2為產品原則布置示意圖。2) 工 藝 原則布置(ProcessL ayout) 又稱機群布置，是同類設備和人員集中放置在一個地方的布置形式。如按車床組、磨床組等分區，各類機床組之間也保持一定的順序，按照大多數零件的加

13、工路線來排列。適用于多品種小批量的生產方式。根據所執行的一般功能，對各工藝組成部分進行布置，并不考慮到任何特殊產品。如單件小批加工車間、百貨商店和醫院通常是這樣的。圖2-3為工藝原則布置示意圖。3) 成 組 原則布置(GroupL ayout) 這是實施成組加工的布置形式，介于產品原則布置和工藝原則布置之間，適應于中小批量生產。圖2-4為其布置示意圖。圖2-4成組原則布置示意圖4)定位布置(Fixed Layout) 根據體積或重量把產品保留在一個位置上設備、人員、材料都圍繞著產品而轉。如飛機制造廠、造船廠等。其布置示意圖見圖2-5a圖2一5固定工位布置示意圖2.2傳統的布局設計過程傳統 的布

14、 局設計過程一般是依據車間任務、設計原則、基礎數據資料及對機械化設備、非標準設備的計算數據等進行平面布置，局限于平面布置方案的獲得或者是優化。傳統的布局設計及優化的一般框架及流程如圖2-6和圖2-7所示。傳統的布局流程雖然可以解決物流網絡及作業功能布局的設計問題，但傳統的布局設計大多研究平面布局問題，具有局限性，不可能全面反映車間各個方面，尤其是一些供進行技術經濟分析的數據以及立體空間數據等是無法在平面圖中給出的，所以要在工藝說明書中對車間平面圖予以描述，包括車間在總圖中的位置，與相鄰車間的關系，平面布置的特點，運輸方式的特點，各工作區及車間工段的劃分和組成情況，在設計及評價布局方案時人為假設

15、各種條件和約束過多，布局設計缺乏從平面設計到三維設計的集成研究.制造系統作業功能區劃分物流及非物流關系問題圖2-6傳統布局設計一般框架圖z-7傳統布局設計一般流程前文 已 經 說明，目前還沒有找到解決任意形狀的三維物體的布局問題的通用方法。非線性技術應用到三維物體的布局問題時，需根據物體的幾何形狀、方位和問題復雜程度的不同而施加不同的限制。在運籌學中只能使用幾何形狀相對簡單的物體(如矩形體和塊狀物)來研究它們的三維布局問題301這表 明 : 對于復雜制造系統三維布局問題的設計及優化，例如各種復雜設備的三維空間布局，作業工人與設備、工件等的相對位置等，依據各種算法來解決顯得有些無能為力。3. 1

16、設施布1的依據“產 品 或 者 生 產計劃應該是工廠設計的出發點，并從中推導出它的全部設計基礎?！?21繆瑟也將產品、生產路線、時間、輔助服務部門作為設施布置分析的原始資料，并將產品和數量列為最重要的資料。因為從生產計劃的角度來講，產品產量分析是產品組成問題的基礎和庫存控制的基本概念。而對工廠設計人員而言，則是決定基本布置分析的基礎。布置決策問題，可以定義為確定生產系統內各物質部分的最優安排。設施布置的依據主要有以下幾個方面。1) 生 產 系統目標。通常實施布置應達到的目標是:使存儲費用、勞動力、閑置的設備和管理費用保持在一定的水平下并達到預期的產量。生產系統目標常常相互矛盾，諸種布置考慮因素

17、幾乎存在于所有布置決策之中，但其相對重要性則不一致。2) 生 產 能力決策。生產需求的預測對布置決策的“目標確定”有著重要意義。對制造企業而言，生產能力主要取決于生產性固定資產及其技術組織條件，對服務企業來說，除了取決于設施和設備能力外，還取決于人力水平。企業的生產能力一旦確定，企業整個生產經營活動的最大規模也就基本上被規定了。在西方國家將生產能力的充分利用問題看作生產成本控制的首要問題。生產非均衡，設備、人員的閑置被看作是最大的浪費，我國以往忽視這一問題，只強調節約原材料和費用，常常出現前后工序能力不匹配，部分設備、設施長期閑置，浪費、占用大量資金。3) 加 工 過程的要求。加工過程的要求是

18、選擇布置類型的主要依據。決定布置所需要的數據因所制造的產品的不同而不同。在品種少且比較固定的制造業，裝配圖是主要的布置信息。在品種繁多的制造系統中，機器規格說明也有重要的意義。4) 進 行 布置的場地的有效空間。工廠總體布局受場地范圍的限制，車間設備布置一般是在建筑空間的實際范圍之內。工廠設計包括工廠內部和外部兩者所需要的空間設計，包括本文主要考慮的是工廠內設施布置研究。5.1人因工程在發動機車間布局優化中的應用人 因 工 程是以生理學、心理學、人體測量學與工程技術為基礎，研究人、機和環境的相互關系和作用，以使人、機和環境高度協調統一，在保證作業者安全、衛生、舒適、方便的前提下提高工作效率的學科。在研究重點上，人因工程著重于研究人類以及在工作和日常生活中所用到的產品、設備、設施、程序與環境之間的相互關系。隨著近幾十年來技術的發展，人因工程學的地位越來越重要，逐步滲透到宇航系統、城市規劃、工廠運作、機械設備、交通工具、 家具