机械加工布局方法的研究

机械加工布局方法的研究

作者：曾祥华单位：装备指挥技术学院士官系转载：仪器仪表学报发布时间：2009-03-31

1 引言

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地放置在一个空间内，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[1]，实践证明它还是一个复杂的组合优化问题。存在于现实生活的许多行业和许多方面[2]:(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、大小物体的放置问题。(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)机械设计及机械制造领域中，各厂房和车间的合理布置以及车间内设施布局问题。

合理的机械加工设备布局对于确保车间物流畅通、方便设备操作及提高场地面积使用率等都起着至关重要的作用，进而对降低生产成本，减轻工人劳动强度，提高生产效率、零件加工质量、车间安全文明精益生产程度等具有现实意义。因此，无论是建立新车间，还是改造原有车间，设备布局设计都是必需的。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、安全性等都具有重大影响。所谓机械加工设备布局就是将制造系统重新组织成自治和协作的机械加工单元，在本研究中，零件和一组机床设备、操作人员一起构成机械加工设备单元，具有自治性，协同性，柔性等特征。由于市场需求的不断变化，从而导致机械加工承担的加工任务也是动态多变的，这种多变性使得设备资源和设备负荷也是动态变化的。机械加工的引入，可以让生产制造系统具备可重构制造的基础，从而系统具有柔性，进而提高系统的市场响应能力。由于机械加工设备布局决定了以后车间的物流方向和速度，从而从结构上限定了车间的功能潜力，因此设备布局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、相同的技术和设备，仅仅由于布置方式的不同，生产系统的功能可产生天壤之别。高效率的设备布局作为提高企业生产效率和效益的手段之一[3]，越来越受到人们的重视。

2 机械加工设备布局基础

2. 1 设备布局形式与类型

2.1.1 设备布局分类

设备布局形式取决于生产类型和生产组织形式，因此设备布局形式与组织车间一致。在机械制造车间，我们一般把设备布局基本形式可分为:工艺布置、

产品布置、固定工位布置和成组布置。

现在出现一种较新颖的提法一结合实际情况的特定情形布置，按照设备摆放形状可将布局类型作如下划分:（1）单行布局，单行布局又分直线线形布局、U型布局和环形布局等几种形式[4]，图1中的a, b, c所示；（2）多行布局，；（3）环形布局。在单行布局中，加工设备按照零件的加工顺序依次排放。单行布局的主要优点时工件始终沿着一个方向运动，工件传输的时间和费用较小，延迟也较低、且易于控制并可使用传送带来传输工件。然而，当多数零件具有不同的加工顺序时，一般零件不是沿单方向运动，此时单行布局的效率大大降低。单元布局一般用于成组制造单元中或实施准时生产制的企业中，偶而也用于柔性制造系统中。

图1 单行布局

根据不同的影响因素，我们可以采用其中的布局方法来进行模型研究，本文采用U型布局来为研究模型。

2.1.2设备布局定量分析

传统的布局方法采用定性的方法较多，如做模型、对砂盘、摆样片、绘制图片等静态的布置方法，后来逐步采用数字分析的方法和图解的技术，但总得来说是主要依靠个人经验和简单分析，偏重直观判断，缺乏科学依据性。当工厂组成单元数量较多，关系比较复杂时，这些方法往往无法满足要求。定量技术[5]在设备布局中的应用应运而生。定量技术融于工作研究的两个分支一方法研究和时间研究中。典型定量分析方法和技术有工艺流程图、从至表以及作业单位相互关系图等，这些方法在设施布局中有非常有效的分析效果，以工艺流程图作为示例分析。

2. 2设备布局影响因素

车间的零件设计、工艺流程设计、车间的生产组织和物料搬运等条件的变化，都会影响车间的加工设备布局结果的影响，具体分析如下所述。

（1）零件设计的内容包括决定要生产那种零件和每种要生产零件的详细设计信息两部分的内容。在进行零件设计的过程中，需要确定公司要生产的零件的加工

工艺的柔性，这个对设备规划人员极为地有用。在设备布局中，要求尽量地增加布局和设备规划的柔性。但柔性是不能无限制地提高的，因为随着柔性的提高，进行设备规划布置所要追加的成本也会成指数上升，所以柔性应该根据零件加工工艺等需要确定。

（2）工艺设计应该以质量和成本作为参考的主要因素。如果采用的工艺能够保证质量但是成本很高，或者工艺十分的现代化但企业效益不高，这种工艺就是不可取。相反，如果成本很低但不保证质量，也不是恰当的选择。

（3）通过工艺选择和生产能力规划整个生产的工序和设备的具体规格，以及设备之间的物料传递关系，为布局设计提供原始数据。本项目的开展就是在精益生产的生产方式下面进行的，在精益生产模式下，它要求设备不是按机床类型来布置，而是根据加工工件的工序顺序来布置，即形成相互衔接的生产线。

3 机械加工设备布局设计方法

机械加工设备布局方法主要有系统布置设计、计算机辅助设计规划。

3.1系统布置设计

系统布置设计是缪瑟的SLP法在设施规划中典型的系统设计思路[6]，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工作表格，通过一套条理清晰的设计程序进行工厂布置设计。被设备设计人员和生产管理人员广泛采用。

在车间设计过程中,为了突出平面布置设计，把平面布置所需要素(包括产品P,产量Q、工艺流程R、辅助服务部门S及生产时间安排T)通过布置设计方法得出布置方案的过程，形成了单纯的制造车间设计流程，如图2所示。

图2 制造车间设计过程

3.2 计算机辅助设计规划

由于生产系统规模越来越大，设备布局考虑的因素日趋复杂。计算机辅助设计不但能加快布置设计的过程及其进程，而且凭借人机交互和计算机绘图等功能，可迅速生成各种布置方案并进行直观演示。计算机辅助设施布置程序主要有以下两种:

（1)面向新建型系统布置程序。主要有CORELAP程序和ALDEP程序，该类布置程序采用优先评价法进行设计，优点是包括了车间布置中的重要特性。另一方面，这些方法中应用的计分技术要求以客观的数量表示主观的选择，某种程度上存在风险。

（2）面向改进型系统布置程序。主要有CRAFT和COFAD程序。CRAFT是在原有布置方案上求得改进布置，得到一个以降低系统物料搬运成本的布置方案。COFAD 是对CRAFT的改进，考虑了搬运设备及成本评价。

本文通过分析研究设备布局的数理方法和布局系统，对制造企业生产加工车间机械加工设备布局问题进行研究。旨在保证设备布局的数据准确性并验证布局方案的有效性和合理性。

4 机械加工设备布局系统

4.1 系统概要设计

系统设计中，先将车间、设备、工艺、零件等数据信息输入和保存在数据库里，为设备布局和仿真过程模块中需要使用相关的数据信息提供基础支持。当系统运行时，所需信息如车间信息、设备信息和工艺信息等，就会从相应的数据表中查找和操作。

采用两层C/S(结构客服端和数据库服务器端)模式。客户端提供用户操作界面，接受用户输入的各种操作信息，并向数据库服务器发出各种操作命令或数据请求，并接受执行命令后返回的数据结果，向用户显示相应的执行信息。数据库服务器端接受客户端的数据或命令请求，并执行相应的命令，对数据集进行相应的处理，然后将数据集或处理后的数据集返回给客户端。

4.2 U型生产线的平衡优化

Miltenburg和Wijngaard率先提出了U型生产线平衡问题的数学模型[7]以及启发式(阶位)算法和动态规划算法，并与其他的直线型的启发式算法[8]作了一些比较。但这些启发式搜索方式有明显不能令人满意的地方：①搜索效率低，耗时多;②对于大规模(作业元素个数大于80个)平衡问题的实用性低。

针对U型生产线平衡的问题，本文尝试U型生产线平衡优化问题的新思考：将U型生产线的平衡问题视为排序问题。一旦生产线节拍给定，各个加工设备被分配到工作站的顺序根据工艺、设备尺寸及布局空间确定，按照最大分配原