多单元制造系统布局设计
- 格式：pdf
- 大小：274.51 KB
- 文档页数：6
第ｌ４卷第３期 ２００７年６月
工 程设计学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．２００７
多单元制造系统布局设计 李志华，曾海红，陈立平，赵文礼 （杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州３１００１８）
摘要：从布局设计的角度，提出多单元制造系统的概念，把各种制造系统的布局问题转化为多单元制造系统布局 设计问题，包括设备布局和制造单元布局两个方面．对于设备布局问题，给出一种优化建模与虚拟现实技术相结合 的求解策略；对于单元布局问题，给出一种集成的布局设计方法． 关键词：多单元制造系统；布局设计；物流路径 中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７５４Ｘ（２００７）０３—０１９４—０５
Ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ＬＩ Ｚｈｉ—ｈｕａ，ＺＥＮＧ Ｈａｉ—ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｌｉ—ｐｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ—ｌｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｌａｙ— ｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ ｔｈｕｓ ａｌｌ ｌａｙｏｕｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｎｕｆａｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ ｍａｎｕｆａｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ－－ｍａｃｈｉｎｅ ｌａｙｏｕｔ ａｎｄ ｃｅｌｌ ｌａｙｏｕｔ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ａｓｐｅｃｔ，ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ— ｉｎｇ ｗｉｔｈ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ；ｆｏｒ ｔｈｅ ｌａｔｅｒ ａｓｐｅｃｔ，ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｌａｙｏｕｔ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｌａｙｏｕｔ ｄｅｓｉｇｎ；ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ
制造系统布局问题是一个非常重要的问题．有 资料表明Ｌ１］：在制造业中，总经营费用的２Ｏ ～ ５Ｏ 是物料搬运费用，而优良的布局设计可使这一 费用减少１Ｏ ～３Ｏ ．此外，在工厂的生产活动中， 从原材料进厂到产品出厂，物料真正处于加工、检验 的时间只占生产周期的５ ～ｌＯ ，而９Ｏ ～９５ 的时间都处于停滞或搬运状态．优良的布局设计能 提高处理物料的效率，减少在制品的停留，提高企业 的生产率．因此，长期以来，制造系统的布局设计一 直被当作制造工业中最关键和最困难的设计任务 之一． 由于制造系统布局问题的重要性，到目前为止 已有大量的研究文献存在．这些文献最初是致力于 方块布局问题（ｂｌｏｃｋ ｌａｙｏｕｔ）的研究 ］．但这种方 块布局既不包含详细的布局信息，也不包含单元之 间的物流路径信息，因此后来逐渐发展到以研究设 备布局问题［５－７３和单元布局问题［８－１１］为主．它们主要 包括柔性制造系统（ＦＭＳ）的布局设计和单元制造 系统（ＣＭＳ）的布局设计．此外，还有一些文献涉及 混合制造系统的布局设计问题Ｌ１ ．然而，以往对这 些问题的研究缺乏一个相对统一的框架和相对统一 的概念．它们各有各的叫法，例如对于单元内的设备 布局问题，有的称为单元内布局（ｉｎｔｒａ—ｃｅｌｌ ｌａｙｏｕｔ）， 有的称为设备布局（ｍａｃｈｉｎｅ ｌａｙｏｕｔ），还有的则称为 制造资源布局（ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｌａｙｏｕｔ）．又 如对于单元在车间平面内的布局问题，有的称为单 元布局（ｉｎｔｅｒ—ｃｅｌｌ ｌａｙｏｕｔ），有的称为车间布局（ｓｈｏｐ ｌａｙｏｕｔ），还有的则称为设施布局（ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌａｙｏｕｔ）． 为了覃好地对制造系统布局问题进行深入研 究，本文在分析已有各种布局方法的基础上，从布局
收稿日期：２００６—０４—０３． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０５７２０５２）；浙江省科技计划重点资助项目（２００６Ｃ２１０６３）． 作者简介：李志华（１９６６一），男，江西吉安人，副教授，博士，从事协同ＣＡＤ和布局规划等研究，Ｅ—ｍａｉｌ：Ｄ９８ＬＺＨ＠２６３．ｎｅｔ
维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 李志华，等：多单元制造系统布局设计 设计的角度，提出多单元制造系统的概念，把各种制 造系统的布局问题转化为多单元制造系统布局设计 问题，包括设备布局和单元布局两方面，并分别给出 求解策略和方法． １ 多单元制造系统布局问题 制造系统布局设计是将加工设备、物料搬运设 备、制造单元和通道走廊等制造资源合理地放置在 一个有限的生产空间内的过程．布局结果必须满足 定性和定量两方面的要求．在定量方面，布局设计主 要考虑设备之间或制造单元之间的材料流、工件流 和人流的运输费用的最小化；而在定性方面，则主要 考虑设备之间或制造单元之间的相互关系，如布局 的美观性、操作的舒适性和生产的安全性等． 已有制造系统的布局形式主要有３类＿１］：（１）生 产线布局（１ｉｎｅ ｌａｙｏｕｔ），如流水生产线、自动生产线 等．在生产线布局中，生产设备通常是按照产品的工 艺顺序依次布置，物料流从一台设备直接过渡到相 邻的下一台设备．这种以产品为中心的布局形式适 合于大批量、少品种的生产情况．（２）功能布局 （ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｌａｙｏｕｔ）．生产设备按照功能特性分成几 组，具有相同功能的机床设备被安置在一起．这种以 工艺过程为中心的布局形式适合于小批量、多品种 的生产情况，传统的制造系统通常采用功能布局形 式．（３）成组布局（ｇｒｏｕｐ ｌａｙｏｕｔ）．基于成组技术，将 机床设备划分成若干个制造单元，每个单元只加工 １个或几个零件族，现代工厂布局一般采用成组布 局形式． 为了更好地对制造系统布局问题进行深入研 究，下面从布局设计的角度，给出一种多单元制造系 统（ｍｕｌｔｉ—ｃｅｌｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）的概念，从而 将各种制造系统的布局问题转化为多单元制造系统 的布局设计问题． 多单元制造系统是指：单元为制造系统的基本 组成单位，每个单元可以是用生产线布局、功能布局 或成组布局中的任一形式所构成，在某些特殊情况 下，即使是１台工作站也可以将其视为一个制造单 元，此外，只有１个单元的制造系统，也可以将其视 为一种特殊的多单元制造系统．因此多单元制造系 统的外延很大，覆盖面很广，它包括了各种类型的制 造系统，如柔性制造单元或系统、单元制造系统、自 动化生产线和传统的以功能布局为特征的生产班组 等．此外，从物理意义上来说，多单元制造系统也有 它存在的理由，因为在一个实际工厂中，常常是多种 不同类型的制造单元同时存在，纯粹由１种构造法 所构成的生产车间是不多见的，实际生产中的车间 一般都是混合车间． 从多单元制造系统的概念得知，单元是组成系 统的基本单位，因此多单元制造系统的布局设计包 括单元内的设备布局和单元在车间平面上的布局这 ２个方面．对于单元内的设备布局问题，由于单元构 建完成后，每个单元的功能及特点是已知的，设计者 知道每个单元内的设备应大致如何布置，单元内的 物流路径和物料搬运系统应大致采用哪一种形式． 这就是说，通常情况下单元内的设备布局是在给定 的物流路径的前提下进行的，即在给定的物流路径 下，来优化布置生产设备．对于单元在车间平面上的 布局问题，由于物流路径是未知的，因此必须同时解 决单元的布局问题和物流路径的设计问题．
２单元内设备布局 单元内设备布局是指将机床、工作站等设备合 理地布置在各个制造单元内的过程．设备布局的形 式主要取决于单元所采用的物料搬运系统（ＭＨｓ）， 不同的物料搬运系统将导致不同的布局类型．典型 的设备布局类型有线性单行布局、线性双行布局、Ｕ 型布局和环型布局等，如图ｌ所示． 以往在解决设备布局问题时，一般是一次性求 出各个设备的具体布局位置 。］．这种方法要求预先 给定设备的长度、宽度和设备问的距离，然后通过优 化建模，求出各个设备质心点的布局位置，其目标函 数是使物料搬运总费用最小．然而，这种方法只考虑 了设备布局的定量要求，没有考虑定性方面的因素， 不能真实地表达设备的几何外形和尺寸，也不能很 好地反映影响空间布局的其他因素，如墙、柱子、楼 梯、门窗和空调器等固定物．因此，最终所得到的设 备布局位置实际上只能作为一种参考，而不能作为 物理布局的真实结果． 本文根据设备布局的特点，从实际情况出发，将 布局过程分为总体布局和详细布局两阶段．在总体 布局阶段，主要以定量指标为主，采用优化建模的方 法，以确定设备之间的最优布局序列；而在详细布局 阶段，因为很难用数学模型进行描述，主要依靠设计 人员的经验和直观判断，因此采用虚拟现实（ＶＲ）技 术，以确定设备的具体布局位置和方向．采用ＶＲ技 术是因为ＶＲ的三维可视化和直接交互功能能很好 地满足详细布局的要求，其沉浸式虚拟环境在观察、 体验、分析和评价布局方案等方面具有明显的优势．
维普资讯 http://www.cqvip.com
