机械加工车间设施规划设计.docx
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机械加工车间设施规划设计
机械加工车间设施规划设计
Thefacilitiesplanninganddesignofmachiningworkshop
专 业：
工业工程
姓 名：
指导教师姓名：
申请学位级别：
学 士
论文提交日期：
学位授予单位：
摘 要
我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期，对先进装备有着巨大的市场需求。
加工车间作为企业的制造中心，设计合理的车间设施规划，对高效生产起着重要作用。
本文以江西荣成机械有限公司为对象，探讨了机械加工车间设施规划的基本模型。
进入21世纪以来，中国汽车产业飞速发展，同时带动相应的零部件产业迅猛发展。
差速器这一汽车核心零部件的生产和制造由于存在生产技术落后、产品生产效率低、质量差、单位产品能耗高等缺点，从而成为汽车行业日趋关注的焦点。
本论文主要针对机械加工车间内存在的诸如物流路线不合理、运输时间长、设备布置混乱等若干问题，运用系统布置设计（SLP）方法进行改进，通过对车间作业单位，典型产品的工艺流程的分析比较和产品的物流和非物流相关关系分析，对机械加工车间生产设备进行重新布置，完成了对车间布局的优化，使物流效率得到较大的提高。
本论文还应用Flexsim软件，建立了零件作业单元的仿真模型，对加工车间的布局结果进行了仿真评价。
关键词：
设施规划；机械加工车间；作业单元；仿真
ABSTRACT
Chinaisnowintheexpansionofdomesticdemand,thecriticalperiodoftheacceleratinginfrastructureconstructionandindustrialtransformation.Sothehugemarketdemandneedalotofadvancedequipment.Processingplantasthemanufacturingcenterofthedesignworkshopfacilitiesplanning,theefficientproductionplaysanimportantrole.FromtheJiangXiRONGCHENGMachineryCompany,Ltd.fortheobjecttoexplorethebasicmodelofamachiningworkshopfacilitiesplanning.
Chineseautomotiveindustryhasdevelopedveryrapidlysincethe21century.Itleadstotherapiddevelopmentofthecorrespondingpartsindustry.Vehicletransmissionproductionandmanufacturinghavemanydisadvantagessuchasbackwardproductiontechnology,productionlowefficiency,andpoorquality,highconsumptionofenergyperunitofproductandsoon,whichareincreasinglybecomingthefocusoftheautomotiveindustry.
Inthisthesis,suchasunreasonablelogisticsroutes,longerdurationoftransportequipmentlayoutconfusionanumberofissues,theuseoftheSystematicLayoutPlanning（SLP）methodtoimprovetheoperatingunitsoftheworkshop,thetypicalproductsoftheprocessinmainmemoryformachineprocessingworkshopanalysisandproductlogisticsandlogisticsrelatedtore-layout,workshoplayoutoptimization,logisticsefficiencyisgreatlyimproved,machiningworkshopproductionequipment.
ThethesisalsoapplicationFlexsimsoftwaresimulationmodelofthepartsoperatingunit,thelayoutoftheresultsoftheprocessingplantsimulation.
Keywords：
Facilitiesplanning；machiningshop；operatingunit；simulation
目 录
第一章 绪论 1
第一节 选题背景及研究意义 1
第二节 国内外研究状况及发展趋势 2
第三节 本文的主要研究内容 3
第二章 设施规划相关原理 5
第一节 车间生产组织方式 5
第二节 系统化布局设计（SLP） 6
第三节 设施布置的基本要素 11
第四节 系统布置设计（SLP）流程模式 12
第三章 车间设施布置设计概述 14
第一节 车间设施的基本生产布置 14
第二节 车间设施的布置设计 16
第四章 机械加工车间设施布局设计 18
第一节 机械加工车间的产品简介 18
第一节 机械加工车间的设施布置设计 19
第五章 基于Flexsim的系统布置设计 36
第一节 系统建模与仿真的简介 36
第二节 基于Flexsim的系统建模与仿真 39
第六章 总结和展望 46
参考文献
致 谢
第一章绪论
第一节选题背景及研究意义
随着市场经济的发展，为适应卖方市场向买方市场的转变，企业的生产模式发生了变化，即从大批量少品种向多品种小批量或大规模定制生产转换。
从20世纪末开始到今后一段时间，制造业竞争的焦点将不仅仅是价格的竞争，而是适应市场需求，客户快速反应，准时供货等方面的竞争。
然而据统计，在工厂的生产活动中，从原材料到成品出厂，物料真正处于加工检验的时间只占生产周期的5%~10%。
而其余时间都处于停滞和搬运状态。
在制造业中，总经营费用的20%~50%都是物料搬运费用，而优良的工厂布置可使这一费用至少减少10%~30%。
设施规划设计是工业工程的一个重要组成部分，其任务是对建设项目的各类设施、人员、物质进行系统规划与设计，优化人流、物流、信息流，从而有效、经济、安全到达建设项目的预期目标。
[1]从其定义可以看出，设施规划设计的对象是整个制造系统或服务系统而不是其中一个环节，包括设计规划的前期工作、确认设施位置、总体规划设计、详细设计、施工组织设计等。
设施规划设计的目的是使设施得到优化布置，支持系统实现高效的运营，以便在合理的经济投入下获得最大的产出。
设施规划设计被认为是科学管理系统的开端，决策者和领导者关于系统管理的各种设想都要体现在设施规划与设计中。
一个建设项目，资源利用是否合理，工厂布置是否得当，工艺设备是否先进适用，能否取得好的投资效果，能否实现企业的科学管理，能否发挥企业的经济效益和社会效益，规划设计起着决定性的作用。
因此，设施规划与设计被认为是整个建设工程的灵魂，是工程项目在建设过程中首先需要解决的问题，从而提高生产力，减低成本，提高运作效率，避免不必要的改扩建，提高对客户的服务能力，提高企业间合作能力。
[2]美国知名的设施规划专家理查德·缪瑟和李·海尔斯在其专著中指出：
工业设施规划就是设计或确定怎样具体把一个工厂建造出来，使之运行或生产。
设施规划人员的工作，是为一个工业公司有效实现其产品的设计程序、制造或改装及分发其产品，提出所需的工厂面积、构筑物、机器和设备。
[3]
因此，高效的设施布局被看做是企业提高生产率，缩短生前提前期，降低生产运作成本的关键。
工厂布局是设施规划与设计的核心，也是物流系统设计分析的重要环节。
从工业工程的角度考察，设施规划由场址选择和设施设计两个部分组成，设施规划切实在企业中起到了它应有的作用，它使企业的人力、财力、物力和人流、物流、信息流得到合理、经济、有效的配置和安排。
尤其机械加工车间是企业生产的主要生产车间，它直接影响到整条生产线的效率，如有差错便会造成产品交货延误，无形中增加了企业的成本。
所以进行设施规划与仿真业务，各车间的设置与物流进行完善，通过对企业生产流程的现状调查，发现企业内存在设施规划方面的问题需要改善。
一般认为设施规划的范围指实体建筑完成之后，在厂房或建筑内所作的布局，此种看法仅能视为厂内布局，并非整体的设施规划。
因设厂建厂后的布局，会受既定空间的限制，往往不能配合实际需要，为求勉强适应，其布局难免有削足适履之嫌，且也大大减低了工厂功能。
所以，良好的设施规划，除了既定的建厂目标和生产项目外，对所使用的机器设备、动力系统、人力资源、法定限制等都需要通盘考虑，然后才设厂建厂，从事厂内布局。
根据调研及查阅到的文献资料，在工厂设施规划及物流系统分析领域中，对生产线上的工序间微观物流研究较多，采用系统仿真方法对工厂总体布局及物流运输体系合理性的研究较少。
近年来，我国制造业发展很快，新建厂区和旧厂区的改扩建项目均较多，但缺乏有效的手段对物流系统进行全面分析和方案比选。
本课题拟以中盐物流企业为例，综合考虑各种相关因素，对生产系统或服务系统进行分析、规划、建模和仿真研究、设计，使系统资源得到合理的配置，具有重要的理论意义和实用价值。
第二节国内外研究状况及发展趋势
当今世界正从工业化社会向信息化社会飞速发展，国外先进科学技术的引进对我国企业的各个方面产生了极其深远的影响。
目前，制造业的生产方式发生了很大的变化，由传统的大批量生产方式向准时化生产、大规模定制等生产方式演变。
生产方式的变化使得原有设施布置不够合理，这一现象引起人们对设施规划技术的重视。
在我国，生产设施规划与设计的发展十分不平衡。
在大中型企业中，生产设施规划和设计比较合理，但是，在小型企业中生产设施的规划与设计还停留在工厂设计的初级阶段，依靠工厂设计的经验总结来规划工厂的布置，这样大大加大了企业的生产成本生产效率难以提高，产品质量难以把关。
20世纪初——分工理论引发“工厂设计”——操作法研究、工厂布置和物料搬运。
20世纪40年代——“设施规划”取代“工厂设计”——广泛采用运筹学、统计学和概率论。
20世纪70年代——计算机辅助工厂布置、成组技术——CRAFT（位置配置法）、CORELAP（相互关系法）、PLANET（分析评价法）。
20世纪80年代——系统布置设计、计算机仿真——研究柔性问题、专家系统、多目标优化。
20世纪90年代——结合先进制造技术——CIMS、JIT。
进入21世纪，随着市场需求的多样化，竞争已经从质量、成本转向快速响应市场，并由此出现了新的管理模式：
全球供应链管理、虚拟企业、精益生产等，网络化成为制造全球化的基础。
未来的设施规划设计将呈现出新的发展趋势。
（1）研究并提出更通用、更完整、更快速、更准确的新算法：
如作业单位对两两交换法、图论法、CRAFT法、MCRAFT法、BLOCPLAN法、LOGIC法、MUTIPLE法等。
（2）将以上算法与人工智能算法相结合，提高优化质量和优化效率：
如模拟退火算法（SA）、遗传算法（GA）、蚁群算法（ANT）、禁忌搜索算法（BA）等。
（3）基于以上算法开发并完善相应的计算机辅助设施布置软件：
如FactoryCAD、FactoryFLOW、FactoryPLAN/OPT、FactoryVIEW、LayOPT、FactoryModeler、eM-Work-place、PLANOPT、PLANET。
（4）研究适用于多层设计布置的设施规划方法，使之能解决现实中具有普遍需求的多层设施布置问题。
（5）研究适应变化的柔性设施布置方法，使之能对外部环境变化作出快速响应。
（6）研究对象与应用范围逐步向第三产业扩展。
（7）重视人的作用，强调可持续发展意识。
第三节本文的主要研究内容
本文以江西荣成机械加工车间设施布局与物料搬运系统优化为对象，探讨机械加工车间设施布局与物料搬运系统合理设计的一般流程和原则，在研究过程中以经典的SLP模型为基础，详细分析了影响车间设施布局的基本要素，综合考虑了先进的制造技术，基础工业工程原理以及精益生产思想，并把影响车间布局的物料搬运系统贯穿始终。
本文研究的主要内容有：
（1）首先论述了本文的选题背景和课题研究的理论与工程意义，对国内外设施规划的研究现状和方法进行了综述，指出当前理论研究和方法存在的不足，并引出本文的研究方向和主要工作。
（2）介绍了车间设施规划的基本原理，包括车间生产组织方式、物料流动模式以及经典系统化布局设计模型，即SLP模型，并以SLP模型为基础，整合车间布局与物料搬运系统，提出了系统化综合设施布局综合模型。
（3）产品，产量，产品加工的工艺路线，工序工时定额等基本因素是影响车间生产组织方式和布局的主要因素，文章对机械加工车间产品加工车间现状进行描述，确定企业生产组织方式，制定与生产组织方式相适应的产品加工工艺路线。
通过作业单元间物流、非物流相关和综合相互关系分析，结合车间物流模式，物料出入口的选择，物料搬运系统优化，绘制作业单元面积相关图，初步确定作业单元间布局的若干可行方案，并应用点评估评价备选方案，寻求最优布局。
作业单元内设施的详细布局。
（4）系统的建模与仿真简介。
基于Flexsim仿真软件的应用，建立物理模型和逻辑模型，运行仿真，评价仿真结果。
（5）总结和展望
第二章设施规划相关原理
设施规划是一项大的系统工程，设施规划需要综合考虑多方面的因素，本研究中主要涉及到以下基本原理：
第一节生产组织方式
生产过程中人、机、料三者的组合方法和形式，通称为生产组织方式和劳动组织方式。
生产组织方式侧重研究设备、原材料等物的方面，即设备如何布置，原材料、半成品如何流动。
劳动组织方式侧重研究人的因素，研究生产工人的劳动分工和协作以及如何发挥劳动者的效率问题。
合理组织生产过程，就是要对各工艺阶段和各工序的工作进行合理的安排，使生产过程在时间和空间上很好地结合起来，使生产在生产过程中行程短、时间省、耗费小、效益高。
生产过程的空间组织，就是要正确地确定产品生产过程在空间的运动形式，即生产过程的各阶段、各工序在空间的分布，原材料、半成品的运输路线等。
研究企业内部应设置哪些生产单位和按什么形式来组织生产的问题。
生产过程的空间组织要确定生产单位的组成、各生产单位的专业化形式及生产单位合理布局等问题。
制造工厂一般按照工作流形式可分为五类基本形式：
产品原则布置、工艺原则布置、定位布置、U型布置、单元式布置和其它新型布置等。
（1）产品原则布置
产品原则布置是根据产品制造的过程安排各组成部分，机器设备、人员及物料按产品的加工或装配的工艺过程顺序布置，形成一定的生产线。
适用于小品种、大批量的生产方式。
（2）工艺原则布置
工艺原则布置又称机群式布置，是指同类设备和人员集中布置一个地方的布置形式。
如车床组、磨床组等，各类机床组之间也保持一定顺序，按照大多数零件的加工路线来排列。
适合于多品种小批量的生产方式。
（3）定位布置
由于产品的体积或重量太大或太重把产品保留在一个位置上加工，设备、人员、材料都围绕着产品而转。
如飞机制造厂、造船厂就采用这种布局方式。
（4）U型布置
U型布置就是设备如U字型的生产线，其特点是把传统的直线形流水线改成U字线，实行一人进行多个过程的加工生产。
单元加工的零件虽所用设备相同，但具有不同的工艺路线时，为了缩短零件的运输距离和便于组织多机床看管适宜采用U型布置。
设备在U型线中按零件族的典型工艺过程排列。
按U型布置，设备比较集中便于管理，也便于不同零件在U型线上跳跃，迂回流动，以最短运输距离完成各自的工艺过程。
（5）单元式布置
单元式布置是实施成组加工的布置优势，介于产品原则布置和工艺原则布置之间。
适应于中小批量生产。
（6）新一代的车间布局形式
新一代的车间布局形式主要是为了应对市场快速多变的需求，增加车间柔性而产生，主要有分布式布局、模块式布局等。
第二节系统化布局设计（SLP）
工厂布置的程序和方法，以1962年缪瑟提出的系统布置设计SLP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。
在SLP方法中，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，这五个要素就是解决布置问题的“钥匙”。
五个基本要素是产品P、产量Q、生产路线（工艺路线）R、辅助服务部门S以及生产时间安排T。
[4]
设施规划是在企业经营策略的指导下，针对企业个体中的生产或服务系统的生产或转换活动，从投入到产出的全部过程中，将人员物料及所需的相关设备设施等，做最有效的组合与规划，并与其他相关设施协调。
以期获得安全、效率与经济操作，满足企业经营需求，同时更进一步能对企业长期的组织功能和发展产生更积极的影响和效益。
系统布置设计是一种逻辑性强、条理清楚的布置设计方法，分为确定位置、总体区划、详细布置及安装四个阶段（如图2-1），在总体区划和详细布置两个阶段采用相同的SLP设计程序。
[5]
规划阶段
规划时间
图2-1设施布置阶段结构
在系统布置设计四个阶段中，阶段Ⅰ与阶段Ⅳ应由工厂或专业技术人员负责，设计人员应积极参与，统计数据。
阶段Ⅱ和阶段Ⅲ由设计人员来完成，因此，我们常说工厂布置包括工厂总平面布置（总体规划）及车间平面布置（详细布置）两项内容。
详细的工厂布置设计，如图2-2所示：
（1）工厂空间位置的确定
（2）工厂生产类型的确定
（3）作业单位的划分
（4）绘制产品的工艺过程
（5）物流分析
（6）作业单位相互关系分析
（7）作业单位综合相互关系分析
（8）工厂总平面布置
（9）方案评价与选择
图2-2详细工厂布置设计
后来更有现代设施规划的新方法基于Tompkins提出的成功设施规划（winningfacilityplanning）过程，如图2-3所示，具体说明如表2-1所示。
图2-3成功设施规划过程
表2-1成功设施规划过程说明
步骤
功能
说明
1A
了解成功的组织模式
了解成功的组织模式是设施规划成功的前提条件，要对企业所有层次人员进行教育培训，使其了解成功的组织模式
1B
了解外部问题
通过参加专业团体、贸易展览、会议研究、阅读书刊等了解外部世界
1C
了解内部问题
了解企业的经营计划、目标、资源、约束
2
建立设施规划设计评价标准
由管理层确定设施规划设计评价标准
3
获得组织承诺
管理层应做一个明确的承诺，愿意实行必要的改进以便能与设施规划设计标准一致
4
建立工作团队
组建的工作团队必须有广泛的代表性并能对每项设计要求做出决策
5
评估现状
对设施现状进行定性和定量评估，评估结果作为衡量改进措施的基础
6
明确目标
为每一项设计确定清晰的、可衡量的、与时间有关联的目标
7
确定可行方案
此步是一项创造性过程，要确定系统、过程、设计和方法能达到待定目标的要求，寻求所有可行方案
8
评价可行方案
对所有可行方案作出经济评估和定性评价，经济评价应符合公司的指导原则
9
制定改进计划
在评价可行方案的基础上，选择最佳设计方案，建立详细的实施计划和其认可改进计划
10
认改进计划
向管理层提供不同方案的评价和论证材料，向管理层推荐改进计划，使其认可改进计划
11
实施计划
监督工程施工、安装、试车、调试等过程，培训员工以保证正确使用新系统
12
审查实施结果
记录真实系统运行情况，并与预定的目标和期望的业绩想比较，找出差距并提供相应的反馈信息
以上两种设施规划过程的区别如表2-2所示。
表2-2两种设施规划过程比较
阶段
一般性设施规划过程
成功设施规划过程
第一阶段
1.定义或重新定义设施目标
2.划分主、辅作业单位
1.了解成功的组织模式
2.了解外部问题
3.了解内部问题
4.建立设施规划设计标准
5.获得组织承诺
第二阶段
3.确定相互关系
4.确定空间需求
5.产生可行设计方案
6.评价可行设计方案
7.选择最优设施方案
6.确立工作团队
7.评估现状
8.明确目标
9.确定可行方案
10.评价改进计划
11.制定改进计划
12.认可改进计划
第三阶段
8.设施方案
9.维护和改进设施方案
10.重定义设施目标
13.设施计划
14.审查设施结果
第三节设施布置的基本要素
系统化设施布置是一套针对设施布局的合理化、系统化的方法，其基本思想是将基本要素（产品P、产量Q、工艺路线R、辅助服务部门S、生产时间安排T）转换成设施之间的相互关系，然后再将这种设施之间的相互关系转换成设施的平面布局位置关系，并最终对产生设施布置方案进行评价择优。
（1）产品P
产品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、种类、型号、零件号、材料、产品特征等。
产品这一要素影响设施的组成及其各作业单位间相互关系、生产设备类型、物料搬运的方式等方面。
（2）产量Q
产量Q指所生产、供应或使用的商品量或服务的工作量。
其资料由生产纲领和产品设计提供，用件数、重量、体积或销售的价值表示。
数量这一要素影响着设施规模、设备数量、运输量、建筑面积等因素。
（3）工艺路线R
工艺路线R是工艺过程设计的结果，它影响着各作业单位之间的关系、物料搬运路线、仓库及堆放地位置等方面。
（4）辅助服务部门S
辅助服务部门S：
在实施系统布置工作之前，必须就生产系统的组成情况有一个总体的规划，可以大体上分为生产车间、职能管理部门、辅助生产部门、生活服务部门及仓储部门等。
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S，包括工具、维修、动力、收货、发运、铁路专用路线、办公室、食堂等。
有时，辅助服务部门的总面积大于生产部门所占的面积，布置设计时必须给予足够重视。
（5）生产时间安排T
生产时间安排T指在什么时候、用多长时间生产出产品，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，根据时间因素可以求出设备的数量、需要的面积和人员，平衡各工序的生产能力。
P—Q两个基本要素是一切其他特征或条件的基础。
只有在上述各要素充分调查研究并取得全面、准确的各项原始数据的基础上，通过绘制各种表格、数学和图形模型，有条理地细致分析和计算，才能最终求得工厂布置的最佳方案。
第四节系统布置设计SLP（流程）模式
依照缪瑟提出的SLP思想，系统布置设计程序一般
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