基于CATIA的三维工厂设计

1 绪论三维工厂设计的原理就是通过辅助设计系统，在计算机上建立一套完整的工厂模型，并对该模型进行循环滚动的设计和检查，以发现并修改设计过程中的不合理成分，最终建立一个完美的工厂模型，并从中生成平面图、详图、剖面图、立面图、料表等各种设计产品文档。

这一理论是非常诱人的，但是要实现这一目标，必须要有功能强大的专业软件作为开发平台，此外，还要有具备扎实专业知识的人员来使用。

它如同一个庞大而复杂的机器，各个部件的运转以及部件之间的协调，都需要精心呵护才能达到预期目标。

一个企业要想保持长期发展，就必须不断进行产品创新和业务流程再造。

CAD/CAM 是技术创新的重要手段之一，也是工厂设计等工业工程领域的有力辅助工具。

作为一个完全集成化的软件系统，CATIA以其精确可靠的解决方案为工厂设计提供了完整的2D/3D 参数化建模，为用户提供了严密的无纸化工作环境，从而帮助用户达到了缩短生产周期，提高产品质量，降低生产成本的目的。

1.1 设施物流当前，随着全球制造业向中国的转移，制造企业间的竞争更加激烈。

对现代制造业而言，降低产品成本是企业在竞争中取胜的关键环节。

合理规划企业设施的总体布局，实现工厂运输及物流系统的合理化，可以大大减少物流费用，对降低成本具有直接影响，工厂物流系统的优化与改造已成为众多制造企业管理者关注的焦点。

设施规划特别是其中的工厂设计着重研究工厂总平面布置、车间布置及物料搬运等内容，其目标是通过对工厂各组成部分相互关系的分析，进行合理布置，得到高效运行的生产系统，获得最佳的经济效益和社会效益。

工厂作为一个生产系统是由人员、设备、技术等多种因素所构成，整个系统的效益即总投入与总产出之比应尽可能达到最高水平。

因此，工厂布置设计就是一项多因素、多目标的系统优化设计课题。

由于社会需要的多样性，生产不同产品工厂的模式必然存在着差异，这就，给工厂布置设计带来了难题。

系统布置设计(SLP)方法提供了一种以作业单位物流与非物流的相互关系分析为主线的规划设计方法，采用一套表达力极强的图例符号和简明表格，通过一套条理清晰的设计程序进行工厂布置设计。

这种方法为设施设计人员与生产管理人员广泛采用，实践效果良好。

系统布置设计不是一种严密的设计理论，而是一套实践性非常强的设计模式和规范的设计程序。

在新建工厂或老厂改扩建时，采用一定的技术手段和方法对工厂总体布局及设施规划过程中的物流系统进行全面分析是非常必要的。

在已确定的工厂空间产所中，通过将厂房、仓库、工厂大门、厂内道路、机器设备及各种辅助设施等生产要素进行合理安排和布置，使物流路线短捷，可以提高物料在场内运输、流转的效率，降低物流费用，从而降低产品的生产成本。

1.2 设施规划的性质与意义1.2.1 研究性质新建企业需要进行工厂布置。

老企业随着产品的更新换代，品种产量的变化，新技术新工艺的应用，都需要对原有生产系统进行调整，改进原有的平面布置。

1)、新建与扩建企业一旦选定了厂址，就需要进行全面的工厂布置。

2)、产品需求的变化当产品需求量远远超过了现有生产系统生产能力时，就需要新建或扩建厂房。

而产品需求量发生较小变化时，会使得原有生产系统出现不平衡现象，因此需要对生产系统进行调整。

3)、产品的更新与新产品开发新产品投入生产后，原有生产系统的平衡被打破，而且新产品往往要求新的设备或新的生产线，因此需要对原有布置重新作出调整。

4)、新技术新工艺的引入新技术新工艺的引入往往改变原有的生产工艺过程，进而影响物流系统工作状态，此时需要对生产系统进行改进乃至重新布置。

5)、生产系统发现薄弱环节物流系统显著不合理，也有必要进行局部的平面布置。

此外，还有许多诸如安全因素、环境因素等都可能要求对生产系统进行重新布置。

1.2.2 研究意义合理的平面布置，能够充分发挥生产系统的生产能力。

若一个不合理的平面布局投入使用就需要经常改建和调整，会给生产造成混乱，阻碍生产效率的提高，因而增加生产成本。

最佳的生产系统布局可以取得以下效果：第一，缩短流程时间：由于各台生产设备保持有机联系的布置，可以减少浪费与不合理，便于提高生产率。

第二，减少在制品：由于物流均衡，减少了生产线上的在制品停留时间，减少了生产中间的库存。

第三，提高生产设备的利用率：由于生产设备能力和负荷均衡，便于提高设备利用率。

第四，减少搬运作业量：减少生产线上在制品数量、停留时间及搬运交叉现象，可以减少搬运作业量，并能确保安全。

第五，提高生产柔性：对于多品种小批量生产，采用适当的设备布置形式，生产线易于扩大与补充，具有一定的柔性。

2 设施规划与布置设计2.1 设施规划设计设施规划与设计从“工厂设计"发展而来，重点探讨各类工业设施、服务设施的规划与设计概念、理论及方法，是工业工程学科的一个重要领域。

在现代社会，社会需求朝着多样化方向发展，产品的更新换代周期迅速缩短，市场竞争日趋激烈，每个企业都面临着严重的挑战。

加快新产品投放市场速度，提高产品质量，降低产品生产成本，是关系到企业兴衰存亡的大问题。

如何提高企业的竞争力，是现代管理科学的中心课题。

设施规划与设计以企业生产系统的空间静态结构(布局)为研究对象，从企业动态结构——物流状况分析出发，探讨企业平面布置设计目标、设计原则，着重研究设计方法与设计程序(步骤)，使企业人力、财力、物力和物流、人流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，从根本上提高企业的生产效率，达到以最少的投入获得最大效益的目的。

由于各种工厂之间存在很大的差别，“工厂设计"一直没有形成系统的理论及知识体系，因而从事工厂设计的技术人员往往从经验出发，用简单的生产流程的观点实现工厂布置，使得设计结果难以满足生产要求，更难取得最佳的设计方案。

随着研究的深入及系统工程、运筹学、计算机技术的发展应用，近年来形成了一些先进的设计方法，其中最具代表性的是缪瑟(R·Muther)的“系统布置设计”(即SLP—systematic Layout Planning)法，使工厂布置设计由定性阶段发展到定量阶段，相关技术也广泛应用于各种生产系统与服务系统，从而使设施规划与设计从工业工程中分支出来，形成了一个完整的学科体系。

设施规划总的目标是：使人力、物力、财力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即要确保规划的企业能以最小的投入获得最大的效益。

无论是新设施的规划还是旧设施的再规划，典型的目标是：简化加工过程，有效的利用设备、空间、能源和人力资源，最大限度地减少物料搬运，缩短生产周期，力求投资最低，为职工提供方便、舒适、安全和职业卫生的标准条件。

上述目标之间往往存在相互冲突，必须要用恰当的指标对每一个方案进行综合评价，达到总体目标的最优化。

2.2 设施布置设计设施布置设计是指根据企业的经营表和生产纲领，在已确定的空间场所内，按照从原材料的接受、零件和产品的制造、成品的包装、发运等全过程，力争将人员、设备和物料所需要的空间做最设当的分配和最有效的组合，以获得最大的经济效益。

设施布置包括工厂总体布置和车间布置。

作为物流工程的重要领域，设施布置设计是决定企业长期运营效率的重要决策，它是将系统各部门按照系统中工作（物料或顾客）移动的情况来布置的。

设施布置设计对生产系统极为重要，据测算，工厂生产总运营成本的20%—50%是与物料搬运和布置有关的成本。

采用有效的布置方法，可以使这些承包降低30%，甚至更多。

2.2.1 布置设计原则设施布置的原则有：✧整体综合原则；✧移动距离最小原则；✧流动性原则；✧空间利用原则；✧柔性原则；✧安全原则。

2.2.2 布置设计方式典型的布置方式有：✧工艺原则布置;✧产品原则布置；✧固定工位布置。

2.3 系统布置设计（SLP）工厂布置的方法和及时医治是工业工程领域不断探索的问题。

自工业革命以来研究出了许多手工设计、数学分析和图解技术。

20世纪60年代以来，又发展了计算机辅助工厂布置。

在众多的布置方法中，物流处于重要地位，把寻求最佳物流为解决布置问题的主要目标。

工厂布置的程序和方法，以1961年里查得谬瑟提出的系统布置设计(即SLP—systematic Layout Planning)最为著名，应用十分普遍。

这是一种条理性很强、物流分析与作业单位相互关系密切程度分析相结合、求得合理布置的技术。

采用SLP法进行工厂总平面布置的首要工作是对各作业单位之间的相互关系作出分析，包括物流与非物流的相互关系，综合得到作业单位相互关系表,然后，根据相关图中作业单位相互关系的密切程度，决定各作业单位之间距离的远近，安排各作业单位的位置，绘制作业大为位置相关图，将各作业单位实际占地面积与作业单位相关图结合起来，形成作业单位面积相关图；通过作业单位面积相关图的修正和调整，得到若干可行的布置方案；最终采用加权因素对各方案进行评价择优，并对每个因素进行量化，得分最多的布置方案就是最佳方案。

2.3.1 系统布置设计要素及阶段在SLP方法中，Richard·缪瑟将研究工厂布置问题的依据和切入点归纳为五个基本要素，抓住这些就是解决布置问题的“钥匙”。

五个基本要素是：P产品(材料)②Q数量(产量)③R生产路线(工艺过程顺序)④S辅助部门(包括服务部门)⑤T时间(时间安排)。

P_Projects指系统物料的种类。

在生产系统中P是指待布置工厂将生产的商品、原材料或者加工的零件和成品等。

这些资料由生产纲领和产品设计提供，包括项目、品种类型、材料、产品特征等。

产品这一要素影响着生产系统的组成及其各作业单位间相互关系、生产设备的类型、物料搬运方式等方面。

Q_Quantity指数量。

在生产系统中指所生产的产品的数量，也由生产纲领和产品设计方案决定，可以用件数、重量、体积等来表示。

产品这一要素影响着生产系统的规模、设备的数量、运输量、建筑物面积大小等方面。

R_Routing指路线。

它包括工艺路线、生产流程各工件的加工路线以及形成的物流路线。

为了完成产品的加工，必须制定加工工艺流程，形成生产路线，可以用工艺过程表(卡)、工艺过程图、设备表等表示。

它影响着各作业单位之间的联系、物料搬运路线、仓库及对方地的位置等方面。

S_Service指辅助生产与服务过程的部门。

在实施系统布置工作以前，必须就生产系统的组成情况做一个总体的规划，大体上分为生产车间、职能管理部门、辅助生产部门、生活服务部门以及仓储部门规划等。

我们可以把除生产车间以外的所有作业单位统称为辅助服务部门，其所占面积接近甚至大于生产车间所占面积，所以布置设计时应给予足够的重视。

T_Time指物料流动的时间。

时间要素是指在什么时候、用多少时间生产出产品、包括各工序的操作时间、更换批量的次数。

在工艺过程设计中，根据时间因素，确定生产所需各类设备的数量、占地面积的大小和操作人员数量来平衡。