用于电动车组装生产线综合平衡管理系统的研究.docx
《用于电动车组装生产线综合平衡管理系统的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于电动车组装生产线综合平衡管理系统的研究.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
用于电动车组装生产线综合平衡管理系统的研究
毕业设计
题目用于电动车组装生产线综合平衡管理系统的研究
学院机械工程学院
专业工业工程
班级工程0701
学生赵传留
学号20070407070
指导教师马玉真
二〇一一年月日
第一章前言
1.1课题研究背景
从目前世界范围内的整个形势来看，日本电动车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的发展方面，日本居世界领先地位。
目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田2家汽车公司。
美国的汽车公车在电动车产业化方面和日本相比有一定差距，三大汽车公司只是小批量生产和销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，日本这方面在美国市场上占据了主导地位。
近几年中国制造业发展很快，于是一些国家便认为中国已经成为“世界制造中心”。
虽然中国制造业在世界经济中的地位日趋重要，但还远远不是制造中心。
一个世界制造中心，无论是一个国家还是一个地区，应当是面向全球市场最重要、最大的工业产品生产基地。
从传统产业到高技术产业（尤其是后者）拥有一批优秀企业，其制成品在品牌、技术、质量、价格，以及生产效率和经营管理，应当在总体上代表着某个时代世界制造业最高水平，并在全球主要市场占有重要地位。
中国制造业企业小而散，国际竞争力不强，整体实力较弱，缺少参与国际竞争的“航空母舰”，缺乏国际经营经验。
根据我国商务部最新公布的2001年财富全球500家大公司的名单，中国企业榜上有名的共有16家，其中的大部分企业属于服务行业，属于真正制造业的只有２家。
相比之下，日本上榜的企业有83家，其中制造业公司上榜数量为31家。
我国的制造业企业与西方发达国家无论在产值上还是数量上都不可相提并论，与真正的“世界制造中心”还有很大的距离。
中国的装备制造业设备陈旧落后，缺乏核心技术，在国际市场上还不是有比较优势的行业。
装备制造业指那些为我国国民经济和国家安全提供装备的企业的总称，也指资本品制造业。
装配制造业是将高科技转化为现实生产力所必要的手段和工具，它集中地反映了一国总体的科技水平，是中国的战略性产业，是中国工业化的前提。
美国的装配业以生产集成电路、与航天器为主；德国以生产汽车为主；日本则以生产机械制造业为主。
中国的装备制造业总体水平较低，要想使中国成为世界制造中心提高生产力，提高产品核心竞争力是关键所在。
上述问题的宗旨都是如何有效地充分利用企业现有资源，即在不投入或少投入的基础上，使企业产出达到最大。
生产线平衡方法能很好的响应上述思想，并能解决现代中国制造业存在的制造系统、制造模式、制造技术问题。
生产线平衡方法是工业工程的七大手法之一，它是通过对各个工序的作业时间、人员、机器合理的分配利用，达到他们的最优状态，从而使生产效率大大提高
1.2国内外研究现状
流水线生产一般可分为两种:
加工生产线,装配线。
加工生产线是一系列机器上
制造与加工零件,例如冰箱的部件。
装配线则是在一系列工作台上将制造出的零件组
合在一起,包括部件装配线与产品总装线。
装配线（包含自动化,半自动化和手工装配
线）是制造行业中应用很广泛的生产方式。
生产线平衡是这种生产方式评价的重要指
标,因此研究人员对其进行了大量的研究工作。
目前国内外对于流水线平衡的理论研
究已达到相当高的水平,提出了各种算法：
Jackson算法,分枝定界算法,遗传算法,
随机算法,启发式算法等,用建立模型并求解的方式来解决一般装配线的平衡问题。
1）Jackson算法:
在满足优先约束的基础上,列举所有分配组合,从而找出最
优的那一个;
2）分枝定界法:
把所有可以分配到当前位置的所有可行的作业元素当作第一
个分支,接着考虑所有可能分配的情况,就是下一层的分支;
3）遗传算法:
借鉴自然界自然选择和自然遗传学机理上的概率性搜索法;
4）随机算法:
即随机的排列算法,一次运行不一定能得到较好的结果,但通过
多次运行,结果会比较好。
以上皆是从数学算法上来进行求出最优解,在第一生产线的IE工程师很难理解
现有的理论和方法,且这些方法往往带有复杂的计算,给实际应用带来困难。
还可以
通过仿真技术来模拟生产中可能出现的状况,该方法侧重于对系统中运行的逻辑关
系的描述,能够对生产调度方案进行评估,分析系统的动态性能,并选择系统的动态
结构参数,其中数学模型是仿真的基础,只有建立起正确的数学模型和数据,才能得
到正确的仿真结果。
这同样给现场管理人员带来一定专业技术上的难度。
西方的工业化已经经历了将近一个世纪的发展,从20世纪初泰勒等人的工作研
究与时间研究,到80年代左右计算机技术在工业领域的应用及至90年代通讯与网络
技术的发展,工业化的内涵和外延都发生了很大变化。
应用工业工程（Industrial
Engineering,IE）理论和方法的企业在发展取得了很大进步,同时也获得了可观的效
益。
对于我国企业,因经历了计划经济到市场经济的转变,大部分企业仍处于研发投
入不足,工业基础薄弱及管理水平不高的状态,且主要从事设备及人员密集型的产
业,急需要提升整体水平。
传统的装配线理论主要把注意力放在劳动力的有效利用上,
对设备及设施的利用不充分,且通常把问题看成静态并寻找最优的解决方案。
工业工程分为基础工业工程与现代工业工程。
基础工业工程技朮可分为方法研
究与作业测定两个方面,可使企业在不用增加投资，或投资很少的情况下就能大大提
高生产线的平衡。
成效也会快而明显，也被认为是减少各种浪费，挖掘企业内部的
潜力，提高生产效益的实用技术；而现代工业工程则是与概率论,数理统计,运筹学
及系统工程等相结合,对企业进行更科学的管理。
考虑当前国内的技术水平,管理状
况及信息流通水准,基础工业工程的理论更易于实施并展现效果,而若能将基础工
业工程与现代工业工程相结合则对企业的长远发展有着重大意义。
本文将从线平衡的理论出发,将结合本企业实际情况,系统而全面地应用各种
理论,探讨提高装配线平衡及生产效率的有效方法,为有相同状况的企业提供改善
思路及方法。
本文以企业内正在在运行的某产品装配线为例进行研究,规划了进行装
配线平衡改善步骤﹔对于学习曲线,工时量测的理论及人机关系理论进行深入研究,
总结出适用于同类线体的经验﹔并且应用工业工程的改善方法,对实际生产的状况
进行了调整,提高了装配线平衡率,为企业实际效益的增加发挥了作用。
1.3论文选题目的及意义
1.3.1.论文选题目的
在工厂流水线的生产模式下，如何提高生产线的整体效率，减少工序间的在制品，决定着企业设备，人员的利用率，并闲置着生产能力的提高。
目前，生产线平衡问题已被认为是生产流程设计及作业标准化过程中关键的一环。
制造业的生产多半是在进行细分化之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度提高了，从而提高了作业效率。
然而，经过这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，显示上都不能完全相同，这就势必存在工序间作业负荷不均衡的现象。
造成了无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积，严重时会造成生产线的中止。
所以，研究平衡性问题不仅有利于保障设备，人力的负荷平衡，从而提高设备和工时的利用率，同时保障了正常的生产秩序和管理秩序的建立。
1.3.2.研究意义
1、提高作业员及设备工装的工作效率；
2、单件产品的工时消耗，降低成本（等同于提高人均产量）；
3、减少工序的在制品，真正实现“一个流”；
4、在平衡的生产线基础上实现单元生产，提高生产应变能力，对应市场变化，实现柔性生产系统
5、通过平衡生产线可以综合应用到程序分析、动作分析、规划（Layout）分析、搬运分析、时间分析等全部IE手法，提高全员综合素质。
1.4课题的基本思路
该设计题目属于设计性论文的内容，应用到课程包括：
机械设计、机械原理、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、网络技术与应用、计算机辅助电路设计、工业工程基础、企业管理学、运筹学、人机工程、管理信息系统、生产计划与控制、系统工程导论、测试技术、机电一体化系统设计等。
首先将矛头指向生产线的研究与认知，熟知生产线平衡问题在生产线中的应用，然后根据所掌握专业知识，完成电动车组装生产线管理系统的整体设计，包括常规的电动车组装生产线的建设、工位工时数据的测量、各个工序的组装时间的平衡管理等几个部分。
该系统的指标如下：
1．完成常规的电动车组装生产线的建设；
2．完成各个工位工时数据的测量；
3．分析各个工序的组装时间的平衡管理，实现生产线的优化作业
第二章生产线平衡问题的概述
2.1生产线平衡相关理论
2.1.1生产线与流水线及单件流
生产线是一种按照对象专业化原则组织起来的生产组织形式，是一种基本的制造系统。
生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非自动化生产线。
生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。
生产线具有较大的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。
而流水线是生产线的一种特殊形式，它是在生产线的基础上经过优化建立的。
流水线的特点
1， 生产前置期大大的缩短了，一般效果是过去的5天变成了5个小时或者50个小时。
（总产能不会增加，而且一般总产能一定会减少。
）
2， 工人的学习率高了，工人可以在短时间内学会本工位的工作。
3， 物流强度一般也降低了。
4.，流水线上出产相邻两件产品的时间间隔，有着明显的节奏性和统一规定
5，工作场所使用具有高度功能的专业设备
流水线按加工工艺顺序排列工位，使产品按照一定的速度，连续有节奏地经过各个工序依次加工。
它是空间和时间上的合理组织形式，可以减少库存与物流，降低企业成本，所以流水线是生产平衡问题解决的基础框架
单件流也叫onepieceflow，简称OPF。
通过OPF，我们可以把生产过程中那些不能创造价值的工序或动作尽可能的减少，以此来提升生产效率。
单件流生产过程中能及时发现品质不良，从而及时去解决问题；而传统的批量生产，当大批量的部品生产出来，这时才发现品质不良，损失的是大批量。
2.1.2生产线的平衡
生产线平衡是依照流水线作业的工程顺序，以生产目标算出周期时间，将作业分割或者结合，使各个工序的负荷均匀，以提高生产效率的方法。
一个产品，少则两三个工程，多则几十个，而每个工程又是由多个作业要素所组成，在生产工场里，制造部门依物料的加工流程分为一组、二组、三组，而每组内又由许多的个别工序所组成，所以又把它联结成一条条的生产线。
生产线平衡的描述：
我们知道生产线是按产品原则进行布置的,其优点在于它把要做的工作分解为可由技
术不高的人或专用机器快速而机械的完成的一系列作业（Task）.完成这些作业所需的时间
从不足一秒到十几分钟甚至更长.由于作业工时相差太大,仅为每个工人或设备分配一个
作业是不现实的,这一方面是因为大多数工人很快会厌烦简单的重复操作,降低工作效率,
影响产品质量;另一方面是即使生产一个很简单的产品也可能需要很庞大的工人队伍.通
常的做法是将各作业组合后分配给各工作站（或称工位）,每个工作站有一个工人或一台主
要设备负责相关作业.对生产线,决定如何将作业组合分配到工作站的过程就称为生产线
平衡（AssemblyLineBalancing,ALB）.生产线平衡的目的是就是尽量使各工作站的负荷
（即工作站上所有作业时间之和）相等,以避免因工时相差太大而造成某些工作站产品堆
积,而另外一些工作站却因等待而流失工时,从而减少总的闲置时间,提高整条生产线的
效率.通过生产线平衡,还可以提高重要设备的利用率,减少工人由于工作量不平衡而引
起的情绪问题.
若生产线上所有工作站的负荷都完全相同,那么这条生产线就是完全平衡的.完全平
衡的生产线由于每个工作站的作业是同步进行的,从而实现了工人和设备的最大利用,工
作流没有任何障碍,十分畅快.但是完全平衡是很难达到,甚至是不可能的,主要原因是
工作站的负荷为该工作站作战完成的所有作业时间之和,而作业时间是一个离散分布的量,
且相差较大,不太可能存在一种使所有工作站负荷相等的作业分配方案.另外,通常产品
的作业之间存在某种技术上的先后顺序约束关系,有些作业必须在其他某些作业完成之后
2.1.3生产线平衡的相关概念
流程的“节拍”（Cycletime）是指连续完成相同的两个产品（或两次服务，或两批产品）之间的间隔时间。
换句话说，即指完成一个产品所需的平均时间。
节拍通常只是用于定义一个流程中某一具体工序或环节的单位产出时间。
如果产品必须是成批制作的，则节拍指两批产品之间的间隔时间。
在流程设计中，如果预先给定了一个流程每天（或其它单位时间段）必须的产出，首先需要考虑的是流程的节拍。
而通常把一个流程中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈“。
流程中存在的瓶颈不仅限制了一个流程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发挥。
更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。
例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。
正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出的速度，生产运作流程中的瓶颈则制约着整个流程的产出速度。
瓶颈还有可能“漂移”，取决于在特定时间段内生产的产品或使用的人力和设备。
因此在流程设计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视。
与节拍和瓶颈相关联的另一个概念是流程中的“空闲时间”空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。
当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。
这就需要对生产工艺进行平衡。
制造业的生产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。
然而经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。
除了造成的无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。
为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以使生产线能顺畅活动。
“生产线工艺平衡”即是对生产的全部工序进行平均化，调整各作业负荷，以使各作业时间尽可能相近。
是生产流程设计与作业标准化必须考虑的最重要的问题。
生产线工艺平衡的目的是通过平衡生产线使用现场更加容易理解“一个流”的必要性及“小单元生产”的编制方法，它是一切新理论新方法的基础。
2.2生产线平衡的参数
2.2.1生产节拍、工序同期化、工序节拍
生产节拍是指完成一个产品所需要的时间，即连续完成相同的两个产品之间的时间间隔。
通常流水线是以相同的时间间隔将完工产品从上道工序向下道工序易懂。
这个相同的时间间隔称为流水线节拍，它表明了流水线生产效率的高低，是衡量流水线工作水平的重要参数。
生产线节拍一般用一定时间内，生产线产出的产品数量来计算节拍的
CT=TW/Q
（1）
TW：
计划期内有效地工作时间，Q：
计划期产品出产量，CT节拍
假定生产线每天运转8小时。
节拍为1分钟，那么产量为480／1＝480。
节拍为2.5分钟，产量为480／2.5＝192
·作为一般设计原则，节拍是由计划期的产量决定的。
CT=OT/D
（2）
D－计划期的产量
假定计划期的产量是每天480个单位，则节拍是：
480／480＝1分钟
·确定工作地数量工作地数取决于计划期的产量和把基本作业分配到工作地的情况。
Nmin＝
（3）
Nmin－工作地数的理论最少值
－各作业时间之和
假定计划期的产量是480，那么达到这一产量最少所需要的工作地为：
Nmin＝2.5／1＝2.5
工作地取整数为3。
工序同期化是指工序间的时间一致性。
生产线节拍是对整条生产线来说的。
为了达到工序同期化，必须考虑生产线的组成单元—工序。
生产线上的各道工序完成的各自作业任务所需时间是不尽相同的。
也就是说，在相同的生产时间内，各工序的实际产出能力是不相等的，实际上一条生产线的产量等于产出能力最低的工序的生产产量。
为了说明上述问题，我们引进一个概念----工序节拍：
流水线各工序生产单位产品所需要的时间。
Ct=tw/qtw：
工序有效的工作时间；q：
在有效时间内工序产品生产量。
在工序有效工作时间一定的情况下，工序节拍取决与工序产品生产。
而工序产品生产量有以下几个影响因素：
工序作业内容、操作着技术水平、工序设备的生产能力、产品质量、物流情况等、
由以上的知识介绍可知，为了使生产线平衡，要满足：
生产线节拍大于等于工序节拍，生产线节拍---工序节拍的之间之和最小。
2.2.2瓶颈工位、空闲时间
通常把一个流程中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈“（Bottleneck）。
流程中存在的瓶颈不仅限制了一个流程的产出速度，而且影响了其它环节生产能力的发挥。
更广义地讲，所谓瓶颈是指整个流程中制约产出的各种因素。
例如，在有些情况下，可能利用的人力不足、原材料不能及时到位、某环节设备发生故障、信息流阻滞等，都有可能成为瓶颈。
正如“瓶颈”的字面含义，一个瓶子瓶口大小决定着液体从中流出的速度，生产品或使用的人力和设备。
因此在流程设计中和日后的日常生产运作中都需要引起足够的重视。
空闲时间”（idletime）。
空闲时间是指工作时间内没有执行有效工作任务的那段时间，可以指设备或人的时间。
当一个流程中各个工序的节拍不一致时，瓶颈工序以外的其它工序就会产生空闲时间。
这就需要对生产工艺进行平衡。
制造业的生产线多半是在进行了细分之后的多工序流水化连续作业生产线，此时由于分工作业，简化了作业难度，使作业熟练度容易提高，从而提高了作业效率。
然而经过了这样的作业细分化之后，各工序的作业时间在理论上，现实上都不能完全相同，这就势必存在工序间节拍不一致出现瓶颈的现象。
除了造成的无谓的工时损失外，还造成大量的工序堆积即存滞品发生，严重的还会造成生产的中止。
为了解决以上问题就必须对各工序的作业时间平均化，同时对作业进行标准化，以使生产线能顺畅活动。
2.2.3生产线平衡指标
一般情况下评价生产线平衡的指标有工作总站数、平衡损失率、生产线平衡率、平滑指数和成本等
（1）.工作总站数是指生产线上工位的总数目
（2）.生产线平衡率
p=∑Ti/N*Ct（4）
（3）平衡的损失率
d=1-p（5）
（4）.平滑指数：
SI=
（6）
（5）不平衡损失（最高工序标准时间*合计人数）-合计工序时间
一般地
生产线平衡率在90%-100%之间，为理想
生产平衡率在80%-90%之间，为良好
生产平衡率在70%-80%之间，需改善;
2.3生产线平衡法的介绍
2.3.1数学分析法
数学分析法是通过建立数学模型，经过大量的数学计算来寻找问题最优解的方法。
我们学过的《运筹学》课本有中有所介绍，主要包括线性规划模型，整数线性规划模型，动态规划模型，网络模型
线性规划是运用现有的资源合理安排生产，使产出达到最大或得到最大利润，线性规划模型的建立主要有以下三个步骤：
假定变量，只有首先确定好合理的变量从而才能找到建立模型的关键；根据假定变量给出的约束条件，约束条件就是各种限制决策变量的等式或不等式；最后是建立目标函数。
整体规划其实是线性规划的一种特殊形式，其要求最优解必须是整数。
这种方法的解题思路是一般采用的是分支定界法。
分支定界法的思想是：
假定问题有解，然后将其转化为相应的线性规划问题，从解答线性问题开始，若得到的最优解不符合整数条件，那么线性规划的最优目标必是整数规划的最优目标函数的上界；而问题的任意可行解的目标函数值将是最优目标函数的下界，分支定界法就是要将线性规划问题的可行域分成子区域，称为分枝。
逐步减少上界和增大下界称为定界，最终求得最优目标函数。
动态规划是一种解决多阶段问题的方法，是现代企业决策的一种重要方法，可用来解决最优路径路径问题，资源分配问题，生产调试问题，库存问题，排序问题等
对于生产线平衡的一般数学描述是：
给定一个无回路的有向图G=（E,P），节点e表示作业要素集合，弧p表示生产作业元素之间的先后关系集合。
一个节点i属于E有一个值Ti表示作业时间。
生产线平衡问题就是求节点集e的一个划分：
2.3.2启发式法
启发式法比数学分析法要简单且易懂，求解速度快，因而受到研究人员青睐，其具体的思路是首先将可分配作业和不可分配作业区分开，然后自可分配作业中，从第一个工位开始寻找工序的组合，并使这个工位的闲置时间最短。
然后再进入下一个工位，并把一选的工序删去。
以此重复进行，直到作业分配完毕。
主要的方法有分级位置加权法和最大设定准则法。
在用启发式法求解平衡问题时，一般都利用优先图，优先矩阵等工具进行求解。
1）首先分配后续作业最多的作业
2）先分配位置权数最大的作业，位置权数等于该作业及其所有后续作业的时间总和。
程序如下：
1.确定节拍，求出最小所需工作地数
2.从工作地1开始，按顺序给工作地分配作业。
作业的分配按作业下先后顺序图由左至右进行
3.在每一分配前，利用下列标准确定哪些作业够资格分配给一工作地：
a）所有先行作业都已经被分配
b）该作业时间不超过该工作地的剩余时间
如果没有够资格分配的作业，继续下一工作地
4.每当一个工作分配后，计算出该工作地的剩余时间，剩余时间等于节拍减去工作地总的作业时间。
5.如果出现两个作业情况都一样的情况，可采用下列方法之一解决：
A.分配加工时间最长的作业
B.分配后续作业最多的作业
6.继续下去直到所有工作都已经被分配
7.计算一些指标。
生产线平衡率=各工序时间和/（人数*CT）*100%
平衡损失率=1-平衡率
例：
利用下图，完成：
1.画出作业先后顺序图2.假定一天工作8小时，计算一天要达到产量400的节拍。
3.求出工作地数。
作业
紧后作业
作业时间/分
1
2
0.2
2
5
0.2
3
4
0.8
4
F
0.6
5
6
0.3
6
7
1.0
7
8
0.4
8
结束
0.3
总时间
3.8
（1）
（2）CT=OT/D=480/400=1.2分
（3）
=3.8/1.2=3.14
（4）
工作地
剩余时间
够资格的作业
适合的作业
分配作业
闲置
1.2
1,3
1,3
1
1.0
3,2
3,2
3
0.2
2,4
2
2
0
5,4
无
升级会员 