一种单元制生产方式设备布局问题的研究方法Word格式文档下载.docx

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ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China）

Abstract:

CelluarManufacturing（CM）isoneofthebestwaystosuitthemarketdemandof

highvarietyandlowbatch.Thefacilitylayoutbasedoncelluarmanufacturingisanimportant

hardwaretosupporttheLeanManufacturing（LM）.Thispaperstudiesthefacilitylayoutbased

oncelluarmanufacturing.Thiskindoffacilitylayoutisdividedintotwophases:

thefirstphaseisde-

signingdifferentmanufacturingcells,thesecondphaseisregardingthefacilitylayoutofthosedifferent

manufacturingcallscreatedinthefirstphase,andthentheoptima1mathematicmodelsarecreatedre—

spectively.Finally,theapplicationofapracticalproblemshowstheefficiencyofthisapproach.

Keywords:

manufacturingcel1;

facilitylayout;

LeanManufacturing

1引言

精益生产思想是继计算机集成制造系统

（CIMS）和柔性制造系统（FMS）之后的又一项先进

的制造理论体系.单元制生产方式是适合于目前多

品种,少批量市场需求环境下产生的先进生产制造

方式,基于单元制生产方式的设备布局是实现精益

生产的重要硬件支撑.

本文对单元制生产方式下的设备布局进行了

研究.基于成组技术的原理,单元式制造系统提

取工艺信息和制造资源信息以获得形成制造单元

的两个基本组成部分:

设备组和零件族,形成制造

单元.并在此基础上进行进一步地设备布局.本

文把该种形式的设备布局分成两个阶段:

第一阶

段是制造单元的设计,第二阶段是对划定的制造

单元进行布局,并形成最终的设备布局.在制造

单元的设计阶段,本文在每个零部件加工计划已

知并且不变的前提下,利用了单元间物流量最小

作为优化目标,来设计制造单元.然后把各个单

元间的物流费用最小作为优化目标,对各个制造

单元进行布局,并最后形成单元式生产方式的设

备布局.

收稿日期:

2004—10—2O;

修回日期:

2004—12—20

基金项目:

国家"

863"

计划资助项目（2oo2AA41342o）

作者简介;

王定益（1977一）,男,浙江义乌人,硕士生,主要从事制造系统中的生产计划与调度,设施规划,智能计算方法等研究

10—

IndustrialEngineeringandManagementNo+1,2006工业工程与管理2006年第1期

2制造单元分组的数学模型

2.1问题描述

在生产制造系统中,不同的零件可能进行要求

类似的加工处理.当这些不同的零件组成一个族群

的时候,就可以建立一组设备对该族零件进行加工.

在设计制造单元时,如果不同单元之间物流量最小

化,显然,这等价于单元内机器之间物流量最大化.

也就意味着高度关联的一批机器被包括在了同一单

元内.本文根据这种优化目标进行制造单元的设计

和规划.

2.2机器之间物流量的计算

机器之间物流量的计算基于几个方面:

零部件

加工计划,生产产量,搬运设备的容量大小.如表1

零部件加工计划和产量表,假设每次搬运设备的容

量为2个单元,那么各台机器之间搬运设备移动次

数的多少计为各机器间物流量.各机器之间的物流

量见图1所示.

表1零部件加工计划和产量表

圈1物流图

2.3整数规划数学模型

该数学模型的目标是使单元间的物流量大小最

小.当然,前提是每一零件都必须在加工计划单上

有一个预先确定的加工计划.数学目标函数模型表

达为:

McM,M

minZ一∑∑∑∑hhfl=iJ--1二1

s.T.∑h=:

=1（1,2,…,MJ）c竺1

∑h=:

=I（===1,2,…,）

I≤[∑^]≤（l,2oo,）--1

1≤[∑h]≤U（一1,2,…,）

f1,如果机器i在第C单元;

‰一Io,否则;

'

（:

1,…,;

f一1,…,M）

f1,如果机器在第c单元;

10,否则;

（J一1,…,;

f一1,…,Mc）

其中,J表示机器的下标（,一1,2,…,）;

惫表

示零部件下标（走===1,2,…,）,表示最大零部

件数;

c表示单元号（c一1,2,…,M）,表示最大

单元数;

表示零部件的生产量;

Dk表示搬运设

备搬运惫零件时的有效搬运单位;

表示单元规模

的上限;

Q驰表示零部件矗在机器i和机器之间的

移动量.

[]

式中符号[x]表示大于或等于X的最小整数值.

3生产车间设备布局问题的数学模型

3.1问题描述

所有的空间布局问题都是由需要决定位置的布

局物体所需的摆放空间和放置这些设备的布局容器

的可用空间组成.本文将设备布局问题视为连续优

化的多行设备布局问题.

假定布局空间和需要放置的设备为矩形块状结

构,其长和宽已知,忽略它们的细节形状.需要指出

的是:

这里的设备布局是在制造单元设计以后进行

的,因此,在布局中的设备不一定是单台的设备,也

有可能是几台设备的组合.并都用矩形块状结构来

表示,只是在长,宽上有所差别.各设备分行排列,

并与义轴平行（见图2）,各设备间的横向（X轴）和

图2参数,决策变量和参考线示意图

王定益,等:

纵向（y轴）间距要求已知,布局容器和设备的拓扑

模型见图2所示（L和H分别表示工作地的长和

宽）.这样,工作地设备布局问题就简化为满足约束

条件下的多行设备布局问题.

3.2数学模型

基于上述对问题的分析,工作地中的多行设备

布局的目标就是同时满足各设备间总的物料搬运成

本最小化.其数学目标函数模型可表达为

minZ一∑∑P0QDi,j一1,2,…,扎ix1一1

S.T.（—）×

（～妞）&

gt;

o

（3,一3,）×

（3,一3,）&

1

Ixi～Ih~hjk≥寺（1i+lj）+

（,_『一1,2,…,）

M

Y∑l.（一1）^（一1,2,…,）^一1

.f1,如果设备i在第行;

he一10,否则;

（i一1,…,;

k一1,…,m）

h一1,（一1,…,）

^一1

∑^≤,（:

:

1,…,m）

其中扎表示设备的总数量;

m表示设备布局的总行

数;

（,）,（,）分别表示设备i包络的矩形

形状的左上角和右下角的坐标;

P表示设备i和

之间物料每单元距离的搬运费用,为设备i和j:

之间物料搬运频率,D一（1.7C一l+1Y一3,1）表

示两设备之间的矩形距离,S,t分别代表机器中

心与垂直参考线y轴和水平参考线x轴的距离;

l

为设备i的长度;

为两个相邻行的中心距;

为设

备i和设备之间在x轴方向上的最小间距.

∑∑PQD为各设备间总的物料搬运费用.

t1』=1

4实例研究

本文利用所建立的设备/单元的布局模型及其

求解方法,对戚墅堰机车车辆工艺研究所汽车涡轮

增压器零件加工车间进行规划设计,以检验本文研

究方法的实用性和有效性.该项目中包括2O台设

备和主要加工的2o种零部件,零部件加工计划和产

量见表2所示.根据这些数据,首先设计出各个制

造单元.产生的分组结果见表3所示.

1一

表2零部件加工计划和产量表

机器M1M8M4MEM2M1oM9M7M19M6

设备M17M2oM12Ml8M13M18Ml1M14

M15

这些设备在一个长×

宽一26m×

20m的空间进

行布局.由于物流费用基本上与物流量大小成正

比,所以这里的费用矩阵EP]可由各制造单元之间

的物流量来估算.根据项目实际情况,设定费用频

率矩阵[Q]一1,设备间水平最小间距要求为矩阵

为[d]一o.8,行间距L1.5m,具体参数详见表4

设备面积.

表4设备面积

IDMachineIDLongWidth

797371568

1221223112

555841

3523333434

123456789O

IndustrialEngineeringandManagementNo.

1,2OO6工业工程与管理2006年第1期

（续表）

得到的布局结果见图3设备布局图.

囤田园田田

固回圈圃田

园田田田I-G-]

图3设计后设备布局图

经过前后物流费用的比较,通过使用本研究方

法进行的设备布局方法,还可以在项目设计的基础

上物流成本费用再降低8.3%.同时也说明了本研

究方法的可行性.

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