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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