IE设计实践自行车组装流水线.docx
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IE设计实践自行车组装流水线
IE设计实践自行车组装流水线
浙江工业大学
设计实践报告
课程名称IE设计实践
专业：
工业工程
班级：
工业工程1011班
学生姓名：
指导教师：
2013-2014学年短学期
1
1.绪论
1.1.研究背景与意义
自行车，从西方国家传入中国，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。
现在自行车遍及世界各地，进入家家户户，是人们最常见的交通工具。
人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。
英文bicycle或bike的bi意指二，而cycle意指轮。
在日本称为“自転（转）车”；在中国大陆、香港、澳门、台湾、新加坡，通常称其为“自行车”或“脚踏车”；在港澳则通常称其为“单车”。
是最早德国的一个看林人德莱斯（1785-1851）发明的。
有单人自行车，还有双人或多人自行车。
本文以普通自行车为研究对象，通过对其装配过程的分析，设计出自行车装配线，并采用生产线平衡技术进行工作地划分，选出最优工作地分配方案并进行主生产计划的制定以及MRP展开，这是一个综合知识的应用过程。
通过该研究，旨在通过学过的专业知识设计出一条较好的自行车装配生产线，以提高运用各种相关专业知识的能力。
1.2.自行车的基本结构
自行车的产品结构图
自行车一般由车架、轮胎、脚踏、刹车、链条等25个部件组成，其基本部件缺一不可。
其中，车架是自行车的骨架，它所承受的人和货物的重量最大。
按照各部件的工作特点，大致可将其分为导向系统、驱动系统、制动系统,，其产品结构图如图1.1所示。
1．导向系统：
由车把、前叉、前轴、前轮等部件组成。
乘骑者可以通过操纵车把来改变行驶方向并保持车身平衡。
2．驱动（传动或行走）系统：
由脚蹬、中轴、链轮、曲柄、链条、飞轮、后轴、后轮等部件组成。
人的脚的蹬力是靠脚蹬通过曲柄，链轮、链条、飞轮、后轴等部件传动的，从而使自行车不断前进。
3．制动系统：
它由车闸部件组成、乘骑者可以随时操纵车闸，使行驶的自行车减速、停使、确保行车安全。
此外，为了安全和美观，以及从实用出发，还装配了车灯，支架等部件。
从组装的角度考虑，本文中把自行车系统分为五个系统，分别为车架系统，车轮系统，车把系统，刹车系统，脚蹬系统五个系统。
2
图1-1自行车结构
自行车的产品结构树及物料表
产品分解是制造业的基础工作,是企业产品管理主要工作之一。
产品管理中,产品对零件的需求量计算,即产品分解计算广泛用于产品生产计划编制、物资采购计划编制和新产品开发中。
企业生产多种系列产品,产品结构很复杂,编制生产作业计划时,
产品分解是非常耗
3
时的计算。
若产品对零件独立需求,可用产品零件汇总表方式表示;若产品需求是相关需求,一般采用产品零件结构树来表示。
产品零件结构树是由产品装配系统图、产品零部件明细表（包括通用件、标准件、自制件、外购件、外协件、原材料）产生。
产品结构树以树状方式描述,树中各结点分别表示部件或组件,叶结点表示零件。
图1-2至图1-21为自行车的产品结构树，表1-1为自行车的物料表。
图1-2
图1-3
图1-4
4
图1-5
图1-6
图1-7
5
图1-8
图1-9
图1-10
6
图1-11
图1-12
图1-13
图1-14
7
图1-15
图1-16
图1-17
图1-18
8
图1-19
图1-20
图1-219
表格1-1物料表
10
11
1.3.自行车装配基本数据
自行车装配工艺流程分析
通过实地对自行车的装配工艺流程进行观测和记录，经过分析与整理，可得到自行车装配工艺流程图，如图1-22所示。
装脚蹬初装前手刹装链条装前后车轮、后车轮、支架并检查
装前叉部件初装鞍管、后车座
车架初装车把
装后刹
装前后挡泥
板
检查车把、刹车装鞍座、把套
装中轴棍
初装链罩
整车检查
装配链轮、曲柄
图1-22自行车装配工艺流程图
12
自行车装配工时
根据以上各工序测得的实际加工时间，再对其加上10%宽放率和1.1的评比率，可得到如下所示各工序的标准工时。
2.企业生产线布置设计及生产线平衡技术
2.1.生产线布置的基本方式
生产线布置的几种方式
对于生产、贮运部门来说，物料一般沿通道流动，而设备一般也是沿通道两侧布置的，通道的型式决定了物流、人员的流动模式。
选择车间内部流动模式的一个重要因素是车间入口和出口的位置。
常常用于外部运输条件或原有布置的限制，需要按照给定的入、出口位置来规划流动模式。
此外，流动模式还受生产工艺流程、生产线长度、场地、建筑物外形、物料搬运方式与设备、贮存要求等方面的影响。
进行流水线的平面布置设计时，应遵循这样一些原则：
有利于工人操作方便；在制品运输路线最短；有利于流水线之间的自然衔接；有利于生产面积的充分利用。
这些原则同流水线的形状、流水线内工作地的排列方法、流水线的位置以及他们之间的衔接形式有密切关系。
13
基本的流水线形状一般有直线形、L形、U形、环形、S形，如图2-1所示。
U形：
适用于入口与出口在建筑物同一侧面的情况，生产线长度基本上相当于建筑物长度的两倍，一般建筑物为两跨，外形近似于正方形。
L形：
适用于现有设施或建筑物不允许直线流动的情况，设备布置与直线形相似，入口与出口分别处于建筑物两相邻侧面。
环形：
适用于要求物料返回到起点的情况。
S形：
在一固定面积上，可以安排较长的生产线。
直线形L形U形
S形S形
图2-1基本的流水线模式
直线形布置的特点及适用范围
直线形布置的适用范围：
直线形是最简单的一种流动模式，入口与出口位置相对，建筑物只有一跨，外形为长方形，设备沿通道两侧布置。
直线型生产线布置是最常见的一种生产线布置方式，又分为单列直线型和双列直线型。
单列直线型流水线，多在工序数少、毎道工序的工作地也少的条件下采用。
当工序与工作地的数量较多而空间的长度不够大时，可采用双列直线排列。
如图2-2、图2-3所示（圆形为人员配置，方形为设备布置。
直线型布置有如下特征：
1）便于物料搬运；
2）便于信息流的畅通无阻；
3）生产线为一条线，产品从原材料到成品可以实现一个流，避免了不必要的搬运；
4）管理相对简单；
5）生产线柔性差，产品设计的局部改动将引起生产线的重大调整。
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图2-1单列直线型生产线
图2-2双列直线型生产线
U型布置的特点及适用范围
U型生产线布置是柔性生产和精益生产中经常采用的一种生产线布置方式。
U型生产线布置让生产线拐个弯，将生产线上的物品投入口和输出口放在一个地点。
相对于将物品投入口和输出口分开的直线型生产线布置，它有如下优点：
?
为生产线的平衡提供更多的可能性；
?
随生产线流动的产品托板、工夹具等流回到起点，减少了搬送作业；
?
一人进行多项操作时，有利于减少人员走动；
?
不用安排不同的人进行投入材料和收集成品的工作；
?
物流路线更加顺畅。
有时将U型生产线的首尾连在一起，成为O型生产线，进一步减少产品托板和工夹具等的搬送。
U型生产线是有弹性生产线布置，一般能够按需求量变化增减作业人员，单要求员工多能工化；在U型险种，入口（第一道工序）与出口（最后一道工序）由同一个作业员来操作，便于控制生产线节奏，控制生产线的标准数量；便于相互协作，易于提高整条生产线的效率；U型生产线适用于复杂的工序中，为了平衡节拍，节省人员，做到更好的生产线平衡。
U型生产线便于具有柔性生产能力，有利于单件流，便于员工沟通，节约场地。
U型生产线生产方式可分为单人方式、分工方式和巡回方式（追兔方式）三种。
图2-3U型生产线布置
2.2.生产线平衡技术
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生产线平衡的基本概念
生产线平衡，就是对作业的内容和方法进行详细的分析和研究，综合应用工业工程的改善手法、启发式算法以及计算机仿真技术，寻找瓶颈，降低工序作业时间，提高工序作业效率，并调整各工序优先顺序，使工序间的作业时间差距最小，以提高生产线的效率，解决企业资源优化配置。
生产线平衡包括选择分配到各个工作站的恰当工作任务组合，这样工作可以一个合理的次序进行，而且每个工作站执行工作的时间也相当。
这样做可以使完成既定产出所需的劳动输入和工厂投资最小化。
这个目标可以通过以下两个方法实现：
（1）达到给定工作周期（既预期的生产能力）所需的工作站（工人人员）的数量最小化；
（2）将工作站完成预期工作所需的周期时间最小化（最大化产出率）。
自行车装配的主要组织形式有二：
固定式和移动式。
固定式装配：
产品在一个工作地全部装配完毕．所需零部件均进入该工作地。
各工作地配有相应的工模、央具。
在自行车装配中一般部件装配采用这种形式例如．车座、支架、衣架、曲柄链轮、脚蹬等的装配。
这种装配形式可分工多人装配，也可不分工．平行装配．但此种形式需占用较多的面积、较多的熟练工人和辅助设备。
产品移动的流水线装配：
产品上装配输送线，由一个工位移向另一个工位，规定每个工位完成一定的工序。
工位上各操作点根据需要也配有专用设备或工具．工人在一个固定的工位上完成某一同样装配工序。
此种装配形式适用于大批量生产。
在自行车行业的组装．装箱和整车装配生产中被广泛采用。
该种装配形式还可配置高效自动化设备或专业机械手实现自动化装配，是一种较为完善的装配形式
2.3.工序同期化方案A（直线型）
工序同期化设计过程
由前面的自行车装配工时表可知，自行车的装配有15个基本工序，若采用直线型布置生产流水线，则可将其绘制成简单的工序流程图如下图2.1所示。
每一个基本操作用一圆圈表示，圆圈内的数字即基本操作编号，圆圈上的数字即该操作所需的时间（单位：
分钟）。
设给定的周期时间为Ct＝150s。
图2-4直线型流水生产线工序图
本流水线一共有15个基本操作，所以最多需要15个工作地。
基本操作时间总和为65+30+48+25+71+56+42+33+67+54+138+61+119+30+75=914s故最少需要工作地数=[914／150]=7个。
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以节拍为150s，对15个工序进行工作地划分，对所有组合进行列举，由于工序顺序的约束，实际可得15个工序最少需要8个工作地，其图形如下图2.2所示。
对其进行直线型布置，每个工作地分配一个操作人员。
结合图2.2，绘制出反映工位平衡性的直方图如图2.3所示。
图2-5直线型生产线工作地划分
因此，工序同期化直线布置方案A下表所示。
表格2-1工作地划分结果
方案A生产线平衡情况
画出方案A各工作地的工作节拍与给定节拍150S相比较，如图2.3所示。
图2-6一次直线型布置生产线平衡情况
由上图可以看出，当生产节拍定为150s时，所有工位都达到生产节拍，但除了第二个工位，其它工位均有充足的剩余，因此有不少的等待浪费时间。
各工序的时间共和
由公式生产线平衡率=*100%
人或者机器的数目*CT
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得此时的生产线平衡率为914/（8×150）=76.2%。
所以A方案各工作地生产线平衡率不高。
2.4.LOB探寻式方案B
LOB探寻式法设计方案
在定速装配线中，应当把任务安排到工站，以保证每个工站有几乎相同的工作量。
这样可以更有效地使用劳动力，以及避免当一个工站的工作比另一个辛苦得多时产生的公平问题。
假设在产线上运行的每个工件都有n个任务需要执行，第i个任务所花费的时间为ti。
这些任务被分配到k个工站且k≤n。
由于任务会花费随机的时间，我们需要承认变动性的存在。
我们定义c?
t0作为被分配任务所花费时间的上限。
在很多处理LOB问题的文章中，c被称作周期时间。
但是，由于我们使用这种形式代指通过整个流程的时间，我们把c当做传送带时间。
由前面自行车的直线型装配流程图可以得到15个有优先顺序的任务，LOB中的优先序如图2-24所示。
这些任务的工作时间和后继任务的编号在表2-2中给出，其中任务11有最大的平均运行时间，为138S。
因此。
还要注意总运行时间为914S。
因为
MAXt（ti）?
C?
?
ti
i?
1
n
必须满足，且MAXt（ti）=138，
?
t
i?
1
n
i
=914，所以
?
t
n
i
138?
c?
914，为了达到零空闲时间，比率
i?
1
C
必须是个整数，所以c=914或者c=457。
当c=914时，K=1；当c=457时，K=2。
由于K=1,2不符合实际情况，所以考虑到优先序约束可能妨碍工位所需的任务安排，因此这里设c=183S,则工位数K=4.99≈5。
图2-7LOB中的优先序
然后按照探寻式方法的算法步骤，对此条件安排计算，最终可得如下结果（N为现有工位的数量，T为分配到当前工位的任务组合，A为当前工位的有效时间）。
N=1A=183S={1}T=Φ
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组合S只包括任务1，因为它没有前继操作的任务,所以我们首先将它分配给工站1。
N=1A=118S={2}T={1}
由于此优先序中每一个工位都只有一个后继任务，所以同理可得：
N=1A=88S={3}T={1，2}
N=1A=40S={4}T={1，2，3}
N=1A=15S=ΦT={1，2，3，4}
此时工作站1已经安排完成，剩余时间为15S。
接下来同理可安排工作站2，结果如下：
N=2A=183S={5}T=Φ
N=2A=112S={6}T={5}
N=2A=56S={7}T={5，6}
N=2A=14S=ΦT={5，6，7}
此时工作站2安排完成，剩余时间为14S。
同理安排工作站3：
N=3A=183S={8}T=Φ
N=3A=150S={9}T={8}
N=3A=83S={10}T={8，9}
N=3A=29S=ΦT={8，9,10}
此时工作站3安排完成，剩余时间为29S。
同理安排工作站4：
N=4A=183S={11}T=Φ
N=4A=45S=ΦT={11}
此时工作站4安排完成，剩余时间为45S。
同理安排工作站5：
N=5A=183S={12}T=Φ
N=5A=122S={13}T={12}
N=5A=3S=ΦT={12，13}
此时工作站5安排完成，剩余时间为3S。
由于任务14和15还没有分配，所以为任务14和15设立一个工作站6。
N=6A=75S=ΦT={14，15}
此时工作站6已经安排完成，剩余时间为75秒。
总剩余时间=15+14+29+45+3+78=184S
LOB探寻式方案结果分析
故综上可得，运用LOB探寻法求的工位安排地如下所示：
19
图2-8工作地方案分支图
图2-9探寻式生产线布置工作地平衡情况
由上图可以看出，当生产节拍定为183s时，所有工位都达到生产节拍，但除了第五个工位，其它工位均有一定的剩余，因此有一定的等待浪费时间。
各工序的时间共和
由公式生产线平衡率=*100%
人或者机器的数目*CT
得此时的生产线平衡率为914/（6×183）=83.24%。
所以C方案各工作地生产线平衡率高于A方案。
而大多产线平衡算法的目标是为了使空闲时间最小，用数学表示为
总空闲时间?
Kc?
?
ti，其等效量度是平衡延迟。
即
i?
1
n
6?
183?
914
=0.1676
20
2.5.其他方案C（U型）
若采用U型布置生产流水线，则依照逆时针方向按照加工顺序来排列生产线,如下图2.4所示。
因U型线的入口处和出口处应由一个员工完成，因此，第一个工序、第十四工序和第十五工序划为第一个工作地，令给定的周期时间为Ct＝170s。
7533
图2-10U型流水生产线工序图
第一步：
先分析最多最少需要的工作地数。
本流水线一共有15个基本操作，所以最多需要15个工作地。
基本操作时间总和为：
65+30+48+25+71+56+42+33+67+54+138+61+119+30+75=914s
故最少需要工作地数=[914／170]=6个
第二步：
第一工作地先承担基本操作，以此类推得出整个分枝图，最后得出工作地划分如下
所示。
21
表格2-4工作地划分结果
图2-12一次U型布置生产线平衡情况
由上图可以看出，当生产节拍定为170s时，所有工位都达到生产节拍，但除了第二个和第五个工位，其它工位均有充足的剩余，因此有一定的等待浪费时间。
各工序的时间共和
由公式生产线平衡率=*100%
人或者机器的数目*CT
得此时的生产线平衡率为914/（6×170）=89.6%。
所以C方案各工作地生产线平衡率高于A方案和方案B。
2.6.方案的生产线平衡性分析
假设该厂一天工作8小时，时间有效利用系数为0.9，则该厂一天的有效工作时间为25920秒。
基于此，对方案A、B、C进行相关方面的比较。
表2-5为各项评价指标的汇总表。
图2.7是利用工序同期化和利用LOB探寻式算法求得的最优方案的平衡性指标对比柱状图。
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表格2-5各方案平衡性指标比较
图2-13各方案平衡性指标对比图
通过以上图表可以看出总产量：
方案A>方案B>方案C人均产量：
方案B>方案C>方案A生产线负荷率：
方案B>方案C>方案A
2.7.方案选择
用AHP确定优选方案
现用层次分析法（AnalyticHierarchyProcess,简称AHP）对三个方案进行评价。
AHP是美国运筹学家、匹兹堡大学T.L.Saaty教授在20世纪70年代初期提出的，AHP是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。
它的特点是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次，使之条理化，根据对一定客观现实的主观判断结构（主要是两两比较）把专家意见和分析者的客观判断结果直接而有效地结合起来，将一层次元素两两比较的重要性进行定量描述。
而后，利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值，通过所有层次之间的总排序计算所有元素的相对权重并进行排序。
该方法自1982年被介绍到我国以来，以其定性分析与定量分析相结合地处理各种决
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策因素的特点，以及其系统灵活简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内，如能源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等，得到了广泛的重视和应用。
评价的具体步骤如下：
（1）先确定各个评价准则，并分好层次，得出评价结构模型，如下图所示：
图2-14评价结构模型
（2）分析后得出各个判断矩阵
24
25
26
C.R.<0.1，因此符合要求。
根据判断矩阵的结果得出第一准则层的总重要度如下表所示：
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得出总重要度如下表所示：
由上表可知，总重要度比较结果为：
方案C>方案A>方案B。
所以方案C为最优方案。
方案的装配线布置图
除了流水线上6个工位需配备必要的工具台和零件台外，在U型布置的出入口还需添加成品的缓存区和物料的暂存区。
在这里使用看板来实现物料的搬运和指令的传达。
安排一名员工作为协调辅助生产。
他的具体职能为：
（1）负责定期收集物料领取看板放入总的看板回收箱中，
（2）把成品自行车从成品暂存区搬到周转箱区中。
（3）对配送来的放在物料暂存区内的物料配送到具体的每个工序。
因此方案B的装配线布置图如下图所示。
图2-15方案C的装配线布置图
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方案的排位图
由上图方案B的装配线布置图可得其排位图，如图2.12所示。
图2-16方案C的人员排位图
方案的工作地任务分配表
由于此为U型生产线，所以工位上的实际人员可以根据需求量的变化而变化。
当需求量增加时，可以增加每个工作站的人数，当需求减少时，可以重新分配工作站。
因此，此工作分配具有一定的弹性。
考虑到在一般情况下，需求是稳定的。
因此在一般需求下，方案C的工作地任务分配表如表2-7所示。
表格2-6最优方案B的工作地任务分配表
2.8.工位设计
工序分析
方案B的各工位的工艺流程图如下所示。
29
图2-17工位1工艺流程图
30
图2-18工序2工艺流程图
31
图2-19工位3工艺流程图
32
图2-20工位4工艺流程图
33
图2-21工位5工艺流程图
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图2-22工位6工艺流程图
工位设计
由于此采用的是U型生产线，所以人员是走动式作业方式，即在工作台上无座椅。
并且采用输送带的形式移动自行车车架。
在此基础上，工位设计要达到满足良好的人机关系并且尽可能提高装配效率。
在这里主要考虑基础IE里的动作经济原则。
其中作业配置原则如下：
.
（1）材料、工装的3定。
3定是指5s整顿中的物品摆放的基本事项，包括定点、定容、定量三原则。
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（2）材料、工装预置在小臂的工作范围内。
这样人可以以比较低级的动作即小臂、手及手指拿取物品及工具完成工作。
（3）简化材料、工装取放。
对产品及材料按下工序的取拿原则进行放置，另外对一些细小的、不便取放的零件，如小薄垫征、针型物等以小容器及弹性毯垫等方法使之容易取拿
（4）物品的移动以水平移动最佳。
物品的移动应尽量避免垂直向上的移动，这种较高等级的动作使人易间生疲劳及工时的增加。
另外较重的物品，用水平滚轴的方式进行水平移动。
（5）利用物品自重进行工序间传递和移动.。
物品的取放，废脚料的收集等作业都可以利用物品重力，在斜导槽、导轨平面及圆筒等辅助下进行传递与移动。
（6）作业高度适度以便于操作.。
（7）满足作业要求的照明。
工作场所之光线应适度，通风应良好，温度应适度。
结合作业配置原则及其他动作经济原则，选取工序一和第六个工作地进行工位设计。
首先设计传送带的高度与宽度。
由于操作人员的绝大部分工作都在皮带上进行，且该作业属于中强度型作业，为了使操作人员不至于过度疲劳，设计皮带高度为100cm，传送带的总宽度至少是自行车的横向宽度的1.5倍，这里设为100cm，其中人与传送带之间需保持20cm的空间距离，以便于临时放置小部件和工具。
对于物料箱和工具台的布置，通常根据人们操作习惯，将物料放置于左边边，工具放置于右手边。
两者的高度都应当与操作人员工作高度相适应，姑且定位120cm。
零件台面积根据具体零件大小和多少而定。
物料箱的数量依零件种类而定，若零件较小，且品种较多，则可以选择分格式布置在零件台上；若零件中等，且品种较少，则可选择分层布置在零件台上。
若零件较大，上面放置常用工具如活动扳手，梅花扳手，手钳，螺丝刀，手锤，木锤。
如若要与相邻工位共用一个工具台，则应当准备两套，并分上下两层，以便选择区分。
（1）工位1设计
工位1为装配前叉部件工序。
工位布置俯视图如图2-20所示。
在此，利用夹具把车架固定住，物料配送采用成套配置，分别放在1、2、3、4四个物料箱中。
由于所需的工具体积和重量都较小，因此可以直接挂在身上。
图2-23工序一工位设计俯视图
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