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

1、ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China）Abstract:CelluarManufacturing（CM）isoneofthebestwaystosuitthemarketdemandofhighvarietyandlowbatch.ThefacilitylayoutbasedoncelluarmanufacturingisanimportanthardwaretosupporttheLeanManufacturing（LM）.Thispaperstudiesthefacilitylayoutbasedoncelluarmanufactu

2、ring.Thiskindoffacilitylayoutisdividedintotwophases:thefirstphaseisde-signingdifferentmanufacturingcells,thesecondphaseisregardingthefacilitylayoutofthosedifferentmanufacturingcallscreatedinthefirstphase,andthentheoptima1mathematicmodelsarecreatedrespectively.Finally,theapplicationofapracticalproble

3、mshowstheefficiencyofthisapproach.Keywords:manufacturingcel1;facilitylayout;LeanManufacturing1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

4、.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:2004102O;修回日期:20041220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

5、能计算方法等研究10IndustrialEngineeringandManagementNo+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

6、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,MminZ一hhfl=iJ-1二1s.T.h=:=1（1,2,MJ）c竺1h=:=I（=1,2,）I（l,2oo,）-11hU（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,

7、;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

8、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

9、,2,扎ix1一1S.T.（）（妞）>o（3,一3,）（3,一3,）&1IxiIhhjk寺（1i+lj）+（,_一1,2,）MYl.（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

10、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=14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M17M2oM12Ml8M13M18Ml1M14M15这些设备在一个长宽一26m20m的空间进行布局.由于物

11、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IDMachineIDLongWidth79737156812212231125558413523333434123456789OIndustrialEngineeringandManagementNo.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

12、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.参考文献:1玄光男,程润伟.遗传算法与工程应用M.北京:科学出版社,2000.2Hengyi.GeneticSearchforSolvingConstructionSite-IevclUnequalAreaFacilityLayoutProblemsJ.Automationinconstruction,2002,9（2）:217226.3KoopmansTC,BeckmanM.AssignmentProblemsandtheLocationofEconomicActivitiesJ.Econamaetriea,1957,25:5376.4王丽亚,孙小明.汽车涡轮增压器零件加工车间规划设ifER.5李火生,戴同.生产车间设备线性布局模型及其算法研究D.华中科技大学硕士学位论文,2002.6吴忠,彭炎午.制造单元重组优化研究D.西北工业大学硕士学位论文,2000.7周亦波,等,单元制造系统布局模型及其求解l-J.华中科技大学（自然科学版）,2003.8刘正刚,姚冠新.设施布置设计的回顾?现状与发展J.江苏理工大学（社会科学版）,2001.9邹一峰,蒋俊,周三多.生产管理M_南京:南京大学出版社,1998.1O王道平,谭跃雄.现代生产管理学M.长沙;湖南大学出版