PC摄像头装配生产线的优化设计与仿真研究【本科毕业论文】

摘要
本文将对PC摄像头的装配生产线进行设计并进行生产线平衡的计算与分析，使生产线高度平衡，同时进行人因方面的设计。

降低生产成本最终使得我们的生产达到成本的最低化。

本文将针对影响生产平衡的装配中的难点进行详细的设计规划，促使生产线的平衡达到高标准化从而提高生产率。

本课题中我们将着重改进这一方面的问题。

本文将对生产线中的各个工位运用MOD法进行详细的计算，并计算装配生产线平衡率，针对不合理的工位进行改进。

最后将运用
eM-plant仿真软件进行仿真，对仿真结果进行分析并从中寻找不足点的所在从而进行方案改进，最终得到最优方案。

关键词:装配线平衡，仿真，MOD。

Title：PC camera assembly line Design and Simulation ABSTRACT
This paper will be focus on designing PC camera assembly line for production line and caculating and analysising balance of production line,so that make production line high balance,while design on human factor.Ultimately makes our production reached the minimum cost.This will influence the production of balance of difficulty, the detailed design line balance to achieve high standard so as to raise productivity.This issue we will focus on improving this aspect.This paper analyzes the various stations of production line using MOD method, and the detailed calculation for assembly line balancing rate,then improves the station unreasonable . Finally,we will make simulation via eM-plant simulation software,and make analysise on simulation results,then improve it through inadequate finded,obtain the final optimal plan.
Keywords: assembly line balancing, simulation, MOD
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.2 研究装配线问题的必要性 (1)
1.3装配线平衡问题的研究现状 (2)
1.4 课题的研究内容及方法 (2)
1.4.1 本文研究的装配线具有以下特点 (2)
1.4.2 本文研究方法 (3)
2 PC摄像头装配线的设计 (4)
2.1 流水线 (4)
2.1.1 流水线的概念 (4)
2.1.2 流水线生产的形式 (4)
2.1.3 流水线的组织条件 (5)
2.1.4 流水线的生产特征 (6)
2.1.5 流水线的优化特性 (6)
2.1.6 流水线在PC摄像头装配生产中的应用 (8)
2.2 工作研究 (8)
2.2.1 工作研究的概念 (8)
2.2.2 工作研究的方法技术 (9)
2.2.3 工作研究的步骤 (10)
2.3 PC摄像头生产线的设计 (11)
2.3.1 PC摄像头的结构 (11)
2.3.2 节拍分析 (11)
2.3.3 工时测定——MOD法 (12)
2.3.4 MOD法工序实例分析 (15)
2.3.5 生产线平衡的意义 (20)
2.3.6 生产线平衡 (20)
2.3.7 工艺流程设计 (21)
3 工作台设计 (23)
3.1 装配型工作台的造型设计 (23)
3.2工作台的区域划分和布置 (25)
3.2.1 工作台面板的区域划分 (25)
3.2.2 工作台的台面区域设计 (26)
4 生产线的仿真与改进 (29)
4.1 系统仿真的概述 (29)
4.1.1 系统仿真的分类 (29)
4.1.2 离散系统仿真 (30)
4.1.3 离散系统仿真的步骤 (30)
4.2 Em_plamt 软件介绍 (30)
4.2.1 Em_plamt简介 (30)
4.2.2 Em-plant的特点 (31)
4.2.3Em_P1ant的功能和使用 (32)
4.3 仿真模型的建立与实现 (34)
4.3.1 对装配生产线的建模 (34)
4.3.2 Em-plant的部分操作界面 (35)
4.3.3 模型及其运行结果分析 (36)
4.4 模型改进及其结果分析 (38)
4.4.1 速度评定法 (38)
4.4.2 改进结果及分析 (38)
5 总结与展望 (40)
5.1 本文结论 (40)
5.2 本文展望 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
1 绪论
1.1 课题研究的背景
现代化大生产中，在大量生产的情况下，流水生产线由于能将高度专业化的生产和劳动对象的平行移动方式结合起来，是一种较好的被广泛采用的生产组织形式。

现代流水方式起源于福特制。

福特于20世纪20年代创立了汽车工业流水线，揭开了现代化流水生产的序幕，引发了制造业的一个根本变革。

应用流水线生产能使生产过程较好地符合连续性、平行性、比例性以及均衡性的要求;可以提高劳动生产率，缩短生产周期，减少在制品占用量和运输工作量，加速资金周转，降低生产成本;还可以简化生产管理工作，促进企业加强生产技术准备工作和生产服务工作。

但是这种福特式的生产方式，在通常情况下，有一半时间是人员、设备和流水线等待零件，另一半时间等待零件一运到，全体人员总动员，紧急生产产品。

这种生产方式造成了生产过程中的物流不合理现象，尤以库存积压和短缺为特征，生产线或者不开机，或者开机后就大量生产，从而导致了严重的资源浪费。

20世纪80年代以来，出现了“准时制生产方式（JIT）”的生产模式，JIT 的核心是追求一种零库存的生产系统，或使库存达到最小的生产系统。

其基本思想可概括为“在需要的时候，生产所需数量的产品”，然后对设备、人员等进行淘汰、调整，达到降低成本、简化计划和提高控制的目的。

JIT将“获得最大利润”作为企业经营的最终目标，将“降低成本”作为实现最大利润的基本目标。

在福特时代，降低成本主要是依靠单一品种的规模生产来实现的。

但是在多品种、中小批量的情况下，这种方法是行不通的。

因此，JIT力图通过“彻底消除浪费”来达到这一目标。

正是因为JIT生产模式的出现，使得传统的制造业模式由少品种、大批量单一品种流水线生产模式向以满足客户需要为前提而又不增加库存量的多品种、小批量混合装配线生产模式转变。

混合装配线(M议edModelAssemblyLine，MMAL)这种类型装配线生产，可以在一定时间内，在一条生产线上生产出多种不同型号的产品(同一产品族)，产品的品种可以随顾客需求而变化。

本课题将就混合装配线生产于PC摄像头的装配中的应用，为了要满足顾客多样化和个性化的需要，增强对市场的适应性。

我们将对PC摄像头的装配线进行优化设计和改进，以达到生产状态的最佳模式，提高企业的竞争能力。

1.2 研究装配线问题的必要性
装配线的设计目标是使生产保持一种均衡、连续的流动状态，减少工作站的
闲暇时间，提高人员和设备的利用率。

企业刚刚投产时，所建立的装配线一般都是比较平衡的，但是随着市场的变化，引起产品需求产量的变化，往往会造成装配线不平衡。

于是我们就要对装配线进行优化改进，也就是“改进无止境”。

这意味着必须随着需求的改变、产品配比的变化以及其他因素随时调整生产线的平衡，这就是动态的和不确定性的因素。

所以对装配线的研究是优化企业的生产模式的非常必要的方法。

1.3 装配线平衡问题的研究现状
装配线平衡问题的研究目标是在满足既定的优化目标前提下，使装配线设置的工作站数和生产节拍合理，同时各操作工人的生产负荷尽量均衡，以减少工人忙闲不均的现象。

Kilbridge和weher首次提出混合装配线概念以及混合装配线的两种类型(1961年)，混合装配线问题的研究早期集中在装配线的平衡方面，并提出很多算法。

首次解决混合装配线平衡问题的是ThomoPoufosNT，ThomopeulosNT运用联合优先图的概念把混合装配线转化为单一品种装配线来处理，从而把单一品种装配线的平衡技术和方法运用到混合装配线(1967)，;RobertsSD和villaCD建立了求解混合装配线平衡的整数规划模型(1970)；Korkirnazel和Meral提出JIT 的两大目标:使每个工位的负载均匀;生产线零部件的消耗率均匀。

重点探讨是第二个目标且优化函数为最小化实际生产量和理论生产量之差。

由于生产线零部件的消耗率均匀是装配线平衡问题，因此实现这个目标较困难。

必须保证两个方面:产品生产量与需求相当，制造过程的每一阶段零部件使用率保持稳定(2001)；Agpak和Gokcen提出用0-1整数规划模型求解装配线问题，优化目标是最小化工作站数和资源(2005)；随着混合装配线的应用，文献中某些假设对实际生产状况过于理想化，不能真实地反映生产现状中不确定因素对混合产品平衡的影响。

因此，出现了对不确定因素的混合装配线的研究。

混合装配线平衡问题将成为装配生产线平衡问题新的发展方向。

1.4 课题的研究内容及方法
1.4.1 本文研究的装配线具有以下特点
生产线结构、工艺和尺寸相近，生产的品种要均匀混合流送，组织相间性投产，从而减少装配线上生产能力的浪费和在制品的占用量。

在这种装配线上，产品的品种虽然不同，但它们在结构上必须是相似的，工艺、尺寸也必须相近，区别很大的产品是无法组织混合生产/装配的。

本文是以PC摄像头装配线平衡问题为研究对象并着重对几个相应的工位进行详细的分析设计，大致从以的相应下几个方面进行研究:
(1)对装配中的难点进行方案优化设计并进行解决。

(2)研究影响装配线平衡的相关问题。

(3)研究装配线平衡系统软件，搭建算法理论与生产实践之间的平台。

1.4.2 本文研究方法
(l)归纳前人关于装配线平衡问题的研究成果，在生产实际因素分析基础
上，提出装配线平衡问题的分析方法。

(2)总结遗技术特点，传算法的分析国内外学者针对遗传算法缺陷所进行的改进研究，设计基于装配线平衡问题的改进的遗传算法。

(3)应用工业工程的相关的理论知识对生产线进行优化分析，对整个流水线进行5S等现场进行优化分析设计。

(4)对装配中所遇到的装配难点进行辅助工具的设计使装配过程简单化，从而达到降低成本、提高生产率的根本目的。

2 PC摄像头装配线的设计
2.1 流水线
2.1.1 流水线的概念
流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。

按照输送系列产品大体可以分为：皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。

一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和一般是固定的。

流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广支承件等。

输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路泛。

（如图2-1）
图2-1流水线
2.1.2 流水线生产的形式
(1)按生产对象的移动方式：固定流水向线和移动流水线
固定流水线：是指生产对象位置固定,生产工人携带工具沿着顺序排列的生产对象移动.主要用于不便运输的大型制品的生产,如重型机械、飞机、船舶等的装配。

移动流水线：生产对象移动，工人和设备及工具位置固定的流水线。

这是常用的流水线的组织方式。

(2)按生产对象的数目：单品种流水线和多品种流水线
单品种流水线：又称不变流水线，是指流水线上只固定生产一种制品。

要求制品的数量足够大，以保证流水线上的设备有足够的负荷。

多品种流水线：将结构、工艺相似的两种以上制品，统一组织到一条流水线上生
产。

(3)按产品的轮换方式：可变流水线、成组流水线和混合流水线。

可变流水线：集中轮番地生产固定在流水线上的几个对象，当某一制品的批制造任务完成后，相应地调整设备和工艺装备，然后再开始另一种制品的生产。

成组流水线：固定在流水线上的几种制品不是成批轮番地生产，而是在一定时间内同时或顺序地进行生产，在变换品种时基本上不需要重新调整设备和工艺装备。

混合流水线：是在流水线上同时生产多个品种，各品种均匀混合流送，组织相间性的投产。

一般多用于装配阶段生产。

(4)按连续程度：连续流水线和间断流水线
连续流水线：制品从投入到产出在工序间是连续进行的没有等待和间断时间。

间断流水线：由于各道工序的劳动量不等或不成整数倍关系，生产对象在工序间会出现等待停歇现象，生产过程是不完全连续的。

(5)按节奏性程度：强制节拍流水线、自由节拍流水线和粗略节拍流水线
强制节拍流水线: 要求准确地按节拍出产制品.
自由节拍流水线: 不严格要求按节拍出产制品,但要求工作地在规定的时间间隔内的生产率应符合节拍要求.
粗略节拍流水线: 各个工序的加工时间与节拍相差很大,为充分地利用人力、物力，只要求流水线每经过一个合理的时间间隔，生产等量的制品，而每道工序并不按节拍进行生产。

(6)按机械化程度：手工流水线、机械化流水线和自动线
2.1.3 流水线的组织条件
（1）品种稳定单一，产量足够大，长期供货，单位劳动量大，保证设备足够负荷。

（2）产品结构和工艺相对稳定。

先进性
良好的工艺性和互换性
标准化程度高
（3）工艺过程既可划分为简单的工序，又可以相互合并。

（4）原材料和协作件的标准化、规格化，且按时供应。

（5）机器设备始终处于完好状态，严格执行计划预修制度。

（6）工作必须符合质量标准。

（7）厂房和生产面积适合安装流水线。

2.1.4 流水线的生产特征
流水线是指劳动对象按照一定的工艺路线,顺序的通过各个工作地，并按照统一的生产速度（节拍）完成工艺作业的连续的重复的生产过程。

流水生产是把高度的对象专业化生产和劳动对象的平行移动方式有机结合起来的一种先进的生产组织形式。

它具有以下特征：
(1) 工作地的专业化程度高。

(2) 具有明显的节奏性。

(3) 各工序的生产能力平衡或成比例。

(4) 工艺过程封闭、单向。

(5) 具有高度的连续性。

2.1.5 流水线的优化特性
流水线在工业生产中扮演着重要的角色，优化流水线直接关系着产品的质量和生产的效率，因此成为企业不得不关注的话题。

(1)优化流水线第一站的作业时间, 及多久放一片板子, 此为满足生产计划量所必须的投流水线的输送带速度也可反推算出日产量, 下面为输送带速度的公式：
输送带的pitch时间 = 整日的上班入cycle时间。

但在实际上, 瓶颈站的作业时间必然大于第一站, 第一站一定不是瓶颈站, 所以第一站不一定会完全依要求的cycle时间去投入, 因为瓶颈站已脱拖慢他的速度, 故管理的角度来看, 要确实要求第一站作业者依规定速度投入。

时间/日产量*(1+不良率)
输送带的速度 = 记号间隔距离 /输送带的pitch时间
所谓记号间隔距离, 在流水线的皮带上所做的记号间的距离, 希望作业者依记号流经的速度完成作业并放置在皮带线上; 但炼条线并没有做记号, 就以板子的长度当做记号间隔距离。

为何要用输送带? 除了运送物品外, 还有半强制作业者依计划完成作业的功能, 但不是一味地加快去试试看, 而应依上述公式去计算求得。

(2)观察流水线上哪一站是瓶颈站：
1)永远忙个不停的站；
2)老是将板子往后拉的站；
3)从该站开始, 原本一片接着一片的板子, 中间出现了间隔。

上面三点是目视就可察觉的, 再来就是用秒表量, 作业时间是所有站中最长的。

瓶颈站的作业时间就变成了整条流水线实际产出的cycle时间, 而日
产量公式如下:
日产量 = 实整日的上班时间/际cycle时间
故现场干部只要减少其作业时间, 就可明显提升产量, 如将零件拿一些给别站做、使用治工具以节省动作、改善作业域的配置等等。

但在解决瓶颈站后, 可能会出现新的瓶颈站, 所以又要对此新的瓶颈站进行改善, 因此持续盯着瓶颈站改善, 整条流水线的效率就会日日提升。

（3）观察流水线最后一站收板子的cycle时间, 也就是实际产出的cycle 时间, 这站的cycle时间必相等于瓶颈站。

从这站可推算出这条流水线线的效率如何, 公式如下:
效率 = 投入cycle时间/实际cycle时间 = 第一站的作业时间/最后一站的作业时间
当然也可用瓶颈站的作业时间来算, 不过观察最后一站总是较简单、实际。

在流水线上的在制品数量就等于:
( 最后一站的作业时间 - 第一站的作业时间 ) * （整日的上班时间/最后一站的作业时间）
（4）稼动率的观察
稼动率 = 在作业的时间 / 整日的上班时间
所谓稼动就是流水线上有效的工作, 作业者坐在位子上并不表示他有在工作, 有在工作才能做出产品来, 所以要观察作业者在作业的时间。

但在实际上, 不可能全天对每个作业者进行测量, 所以有种工作抽查的手法来仿真测量, 其实说穿了就是不时去看作业者在做什么。

（5）流水线作业者坐在位子上并不表示他有认真在工作, 所以最后就是观察每一个作业者的作业速度, 速度是一个很抽象的概念, 光从目视很难来比较跟量化, 所以在心里建立起一个标准速度, 快过它就算好, 动作精简、固定而有节奏地进行, 往往有较好的作业速度, 反之不佳, 如此来观察就比较简单。

流水线作业不过不是快就是好, 其动作必须是有附加价值的, 所以还要看其动作是否简单扼要, 所以要求动作经济原则的观念, 简单地说, 人类手部的动作可分为移动、握取、放开、前置、组立、使用、分解, 还有一种心理的精神作用, 其中严格来说只有两种动作有附加价值: 组立、使用, 所以在能满足生产要求的条件下, 尽量排除或简化其它的动作。

其原则如下:
1）移动: 使物料自动到达所要的位置、缩短移动距离、减少需移动物品的重量、移动路径周围避免有东西会妨碍移动、让料盒斜置以缩短绕过边
缘的距离等。

2）握取: 料盒里的物料尽可能整齐排放, 不要杂乱堆积、不方便拿取的东西能先预留握取的空间等。

3）前置: 同握取一样, 料盒里的物料尽可整齐排放, 不要杂乱堆积等。

4）组立: 以治工具代替手作业等。

5）使用: 使机械全自动化等。

6）精神作用: 利用机械取代人为判断、减少作业者目光的移动等。

2.1.6 流水线在PC摄像头装配生产中的应用
基于PC摄像头在生活中的应用越来越来广泛，所需要的产量也越来越大。

所以流水线的引用也就必不可少了，由于PC摄像头的组装的特性，将其装配流水线化将大大的提高生产率，降低劳动成本。

追求企业的最大效益化。

图2-2PC摄像头的流水生产线
2.2 工作研究
2.2.1 工作研究的概念
工作研究是指运用系统分析的方法把工作中不合理、不经济、混乱的因素排除掉，寻求更好、更经济、更容易的工作方法，以提高系统的生产率。

其基本目标是避免浪费，包括时间、人力、物料、资金等多种形式的浪费。

工作研究的目标在西方企业中曾经用一句非常简洁的话来描述过：work smart，not hard。

提高生产率或效率的途径有多种，例如通过购买先进设备、提高劳动强度来实现。

工作研究则遵循以内涵方式提高效率的原则，在既定的工作条件下，不依靠增加投资，不增加工人劳动强度，只通过重新组合生产要素、优化作业过程、改进操作方法、整顿现场秩序等方法，消除各种浪费，节约时间和资源，从而提高产出效率、增加效益、提高生产率。

同时，由于作业规
范化，工作标准化，还可使产品质量稳定和提高，人员士气上升。

因此，工作研究是企业提高生产率与经济效益的一个有效方法。

2.2.2 工作研究的方法技术
工作研究所包括的方法技术主要有两大类：方法研究与时间研究。

方法研究：
主要是通过对现行工作方法的过程和动作进行分析，从中发现不合理的动作或过程并加以改善。

方法研究主要有:样本法、标准要素法。

（1）样本法
在作业测定中也是使用很广泛的一种方法。

这种方法的基本原理是，并不关心具体动作所耗费的时间，而是估计人或机器在某种行为中所占用的时间比例。

例如，加工产品、提供服务、处理事务、等候检修，或空闲，这些都可看作为某种“行为”，都会占据一定的时间。

对这些行为所占用时间的估计是在进行大量观察的基础上做出的。

其基本假设是：在样本中观察到的某个行为所占用的时间比例，一般来说是该行为发生时所占用的时间比例。

在给定的置信度下，样本数的大小将影响估计的精度。

（2）标准要素法
标准要素法这种方法的基本原理是：在不同种类的工作中，存在着大量相同或类似的工作单元，实际上不同工作是若干种，（这个种类是有限的）工作单元的不同组合。

因此，对于工作单元所进行的时间研究和建立的工作标准，可应用于不同种类工作中的工作单元。

而这样的工作单元的标准，一经测定，即可存入数据库，需要时随时可用。

时间研究：
时间研究这种方法的主要用途是建立工作的时间标准。

一项工作（通常是一人完成的）可以分解成多个工作单元（或动作单元）。

在时间研究中，研究人员用秒表观察和测量一个训练有素的人员，在正常发挥的条件下各个工作单元所花费的时间，这通常需要对一个动作观察多次，然后取其平均值。

从观察、测量所得到的数据中，可以计算为了达到所需要的时间精度，样本数需要有多大。

如果观察数目还不够，则需进一步补充观察和测量。

最后，再考虑到正常发挥的程度和允许变动的幅度，以决定标准时间。

工作研究中的方法研究和时间研究是相互关联的，方法研究是时间研究的基础、制定工作标准的前提，而工作测定结果又是选择和比较工作方法的依据。

时间研究主要使用的方法是既定时间标准设定（PTS）法。

既定时间标准设定（PTS）法是作业测定中常用的一种方法。

这种方法比标准要素法更进了一步，他是将构成工作单元的动作分解成若干个基本动
作，对这些基本动作进行详细观测，然后做成基本动作的标准时间表。

当要确定实际工作时间时，只要把工作任务分解成这些基本动作，从基本动作的标准时间表上查出各基本动作的标准间，将其加合就可以得到工作的正常时间，然后再加上宽放时间，将其加合，就可以得到工作的正常时间，然后再加上宽放时间，就可以得到标准工作时间。

2.2.3 工作研究的步骤
（1）选择研究对象
生产运作管理人员每天遇到的问题多种多样，同时工作研究的范围也是极为广泛的，这就有一个如何选择合适的工作研究对象的问题。

一般来说，工作研究的对象主要集中在系统的关键环节、薄弱环节，或带有普遍性的问题方面，或从实施角度容易开展、见效的方面。

因此，应该选择明显效率不高、成本耗费较大、急需改善的工作作为研究对象。

研究对象可以是一个生产运作系统全部，或者是某一局部，如生产线中的某一工序、某些工作岗位，甚至某些操作人员的具体动作，时间标准等。

（2）确定研究目标
尽管工作研究的目标是提高劳动生产率或效率，但确定了研究对象之后还需规定具体的研究目标。

这些目标包括：
1）减少作业所需时间；
2）节约生产中的物料消耗；
3）提高产品质量的稳定性；
4）增强职工的工作安全性，改善工作环境与条件；
5）改善职工的操作，减少劳动疲劳；
6）提高职工对工作的兴趣和积极性等。

（3）记录现行方法
将现在采用的工作方法或工作过程如实、详细地记录下来。

可借助于各类专用表格技术来记录，动作与时间研究还可借助于录像带或电影胶片来记录。

尽管方法各异，但都是工作研究的基础，而且记录的详尽、正确程度直接影响着下一步对原始记录资料所作分析的结果。

现在有不少规范性很强的专用图表工具，它们能够帮助工作研究人员准确、迅速、方便地记录要研究的事实，为分析这些事实提供标准的表达形式和语言基础。

（4）分析
详细分析现行工作方法中的每一个步骤和每一动作是否必要，顺序是否合理，哪些可以去掉，哪些需要改变。

这里，可以运用“5W1H”分析方法从六个方面反复提出问题。