物流工程案例分析final.docx

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时间：2021年x月x日

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
页码：第20页 共20页

物流规划设计方法和理论在车间布置中的运用
——沈阳机床齿轮厂物流分析与规划案例
简介：编写者：刘海涛 张宏敏 满颖 齐会杰
指导老师：戢守峰
案例性质：课堂作业
版权：
案例真实性：
内容摘要：工厂设施布置对整个企业生产系统运转的通畅程度有直接影响，而且通过对物料搬运成本的影响成为决定产品成本高低的重要因素。通过对机床齿轮厂的现场考核及工厂平面设计理论现状的分析，深入探讨工厂平面设计理论新的发展方向以及齿轮制造厂设备平面布置与物流分析的特点。在对机床齿轮厂生产物流进行详细分析的基础上，依据SLP理论确定出初步的车间平面布置方案，然后再对该方案的物流量进行进一步计算分析，通过采用适当的优化方法求出以物流量最小为优化目标的平面布置最优解，得到最终的设计改进方案。
关键词：生产物流，设施规划，工艺流程，成组技术
引言
本文主要研究的是沈阳机床集团齿轮制造厂的车间物流及车间布置情况。据一些机械制造业的典型调查资料，按其工艺过程，大多数的零件在机床上全部切削时间只占生产过程全部时间的10%左右，在其余90%左右的时间内，原材料、零部件、半成品或制成品处于等待、装卸、搬运、包装等物流过程，即工序间物流活动时间占居了产品生产过程总是件的约90%。可见，如果从实践上考虑，工序间物流己成为生产物流的代名词。在现代机械制造领域中，由于新工艺新技术的飞速发展，社会需求的多样化，产品更新周期的日益缩短，使得多品种小批量生产的企业大量增加。而单件、小批量生产的生产率低、成本高、制造周期长、工艺手段落后、管理也复杂。能改变多品种小批量生产企业的落后状况，提高生产率，又能充分利用设备，降低产品成本的有效办法，就是利用成组技术。
1、沈阳机床相关背景介绍
沈阳机床股份有限公司齿轮制造厂位于辽宁沈阳市铁西区经济技术开发区17甲1号，由原沈阳第一机床厂、中捷友谊厂、沈阳第三机床厂的齿轮专业车间组建。现有厂房10000平方米。固定资产16000万元。齿轮加工设备210台，磨齿机33台。其中德国产成型磨齿机1台，瑞士产玛格磨齿机6台，瑞士产蜗杆磨齿机12台。德国产立式磨齿机3台。检测设备包括美国产mm3125能够检测2级精度齿轮共计14台。公司主要经营各种机床齿轮;印刷机齿轮；减速机齿轮；电梯齿轮；汽车齿轮；矿山机械齿轮；交通机械齿轮等。由于沈阳机床股份有限公司齿轮制造厂生产的齿轮品种和工序都比较繁多，存在着一些不合理的物流现象。本案例分析主要是在对沈阳机床现有厂内物流分析的基础上，基于现代物流规划设计与分析理论提出优化该厂内物流活动的建议。

2、成组技术知识介绍
2.1成组技术的基本概念
成组技术就是将企业的多种产品、部件或零件，按一定的相似性准则，分类编组，并以这些组为基础，组织生产各个环节，实现多品种小批量生产的产品设计、制造和管理的合理化。从而克服了传统小批量生产方式的缺点，使小批量生产能获得接近大批量生产的技术经济效果。
对于零件设计而言，许多零件都具有相似的形状，那些相似的零件可以归并成设计族。一个新零件可以通过修改一个现有的同族零件而形成。应用这个概念，可以确定出复合零件。复合零件是包含一个设计族的所有特征的零件。它由设计族内零件所有几何要素组合而成。
2.2成组技术中的零件编码
　　零件分类编码的基本原理，分类是一种根据特征属性的有无，把事物划分成不同组的过程。编码能用于分类，它是对不同组的事物给予不同代码。成组技术的编码是对机械零件的各种特征给予不同的代码。这些特征包括:零件的结构形状，各组成表面的类别及配置关系、几何尺寸、零件材料及热处理要求，各种尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度等要求。对这些特征进行抽象化，格式化，就需要用一定的代码(符号)来表述。所用的代码可以是阿拉伯数字、拉丁字母，甚至汉字，以及它们的组合。最方便，最常见的是数字码。
　　对于工艺过程设计，希望代码能唯一地区分产品零件族。当设计或确定一种编码方案时，有两种性质必须保证，即代码必须是:①不含糊的；②完整的。这就需要对代码所代表的意义作出明确的规定和说明，这种规定和说明就称为编码法则，也称为编码系统。将零件的各种有关特征用代码表示，实际上也对零件进行分类。所以零件编码系统也称为分类编码系统。
　　目前使用的成组技术编码系统中有三种不同类型的代码结构：层次式；链式(矩阵式)；混合式。
　　层次式也称为单元码，每一代码的含义都有前一级代码限定。其优点是用很少的码位能代表大量信息;缺点是编码系统很复杂。所以难于开发。
　　链式又称多元码，码位上每一代码都代表某种信息，与前面码位无关。在代码位数相同的条件下，链式结构容量比层次式的少，但编码系统较简单。
　　混合式是层次式和链式的混合。大多数编码系统采用混合式。
2.3零件分类成组的方法
　　目前零件的分类成组有以下儿种方法：即视检法、生产流程分析法和编码分类法。
　　1．视检法是由有经验的工艺师根据零件图样或实际零件及其制造过程，直观地凭经验判断零件的相似性，对零件分类成组。这种方法简单，作为粗分类是有效的方法。例如将零件划分成回转体类、箱体类、杆件类等，但要作详细的分类就较困难。所以目前应用较少。
2．生产流程分析法是一种按工艺特征相似性分类的方法。首先可根据每种零件的工艺路线卡，列出表2.1所示的工艺路线表。表中的“ˇ”记号表示该种零件要在该机床上加工，然后通过对生产流程的分析、归纳、整理，可将表2.1转换成表2.2的形式。从表2.2中可以明显地看出，给出的20种零件可编为三组，每一组都有相似的工艺路线。生产流程分析法是一种应用很普遍的方法。
表2.1 工艺路线

表2.2转换的工艺路线
3．编码分类法
　　零件经过编码，己经实现了很细的分类，但如果仅仅把编码完全相同的零件分为一组，则每组零件的数量往往很少，达不到扩大工艺批量的目的。实际上代码不完全相同的零件，往往也有相似的工艺过程而能属于同一组。为此，对己编码的零件还可用两种方法分组:即特征码位法和码域法。
　　(1)特征码位法
　　从零件代码中选择其中反映零件工艺特征的部分代码作为分组的依据，就可以得到一组具有相似工艺特征的零件族，这几个码位就称为特征码位。
(2)码域法
码域法是对零件代码各码位的特征规定几种允许的数据，用它作为分组的依据，将相应码位的相似特征放宽了范围。
2.4成组工艺过程设计
　　零件分类成组后，便形成了加工组，下一步就是针对不同的加工组制定出适合于组内各零件的成组工艺过程。编制成组工艺的方法有两种:复合零件法和复合路线法。
　　(一)复合零件法
　　按照零件组中的复合零件来设计工艺规程的方法称为复合零件法，或样件法。复合零件即是拥有同组零件的全部待加工表面要素的一个零件。它可以是零件组中实际存在的某个具体零件，也可以是一个假设的零件，由于它包含了组内其它零件所具有的所有待加工表面要素，所以按复合零件设计的成组工艺，只要从中删除一些不为某一零件所用的工序或工步内容，便能为组内所有零件使用，形成各个零件的加工工艺。
图2.1表示了一个零件组按其复合零件设计成组工艺的例子。这一零件组由四种零件组成，第一行为其复合零件，它包含了四个零件所具有的五种加工表面要素。根据这个复合零件设计了成组工艺，在成组工艺的基础上删除各个零件所不需要的工序内容，就得到了组内各零件的具体工艺，见表10-12。
图2.1 零件组及其复合零件
表2.3按复合零件法设计成组工艺

(二)复合路线法
　　对于非回转体类零件，由于其形状不规则，为某一零件组找出它的复合零件来常常十分困难，所以上述复合零件法一般仅适于回转体零件。而非回转体零件，常采用复合路线法。
复合路线法是在零件分类成组的基础上，把同组零件的工艺路线作一比较，以组内最复杂零件的工艺路线为基础，然后将此路线与组内其它零件的工艺路线相比较，凡组内其它零件需要而作为代表的工艺路线中没有的工序，一一添上，最终形成一个能满足全组零件要求的成组工艺。表10-13是复合路线法设计成组工艺的例子。
表2.4 按复合路线设计成组工艺

　2.5成组生产组织形式
　　根据目前成组加工的实际应用情况，成组加工系统有如下三种基本形式:成组单机；成组生产单元；成组生产流水线。这三种形式介于机群式和流水式之间的设备布置形式。机群式适用于传统的单件小批量生产，流水线则适用于传统的大批量生产。成组生产采用哪一种形式，主要取决于零件成族后，同族零件的批量大小。
　　1.成组单机
成组单机是在机群式布置的基础上发展起来的，它是把一些工序相同或相似的零件族集中在一台机床上加工。它的特点主要是针对从毛坯到成品多数工序可以在同一类型的设备上完成的工件，也可以用于仅完成其中某几道工序的加工。
　　这种组织形式是成组技术的最初形式，由于相似零件集中加工，批量增大，减少了机床调整时间，获得了一定的经济效果。对于较复杂的零件加工，需要在多台机床上加工时，效果就不显著了。但随着数控机床和加工中心机床的应用，特别是柔性运输系统的发展，成组加工单机的组织形式又变得重要起来。
　　2.成组生产单元
　　成组生产单元是指一组或几组工艺上相似零件的全部工艺过程，由相应的一组机床完成，该组机床即构成车间的一个封闭的生产单元。
　　成组生产单元的主要特点是由几种类型机床组成一封闭的生产系统，完成一组或几组相似零件的全部工艺过程。它有一定的独立性，并有明确的职责，提高了设备利用率，缩短了生产周期，简化了生产管理等一系列优点，所以为各企业广泛采用。
　　3.成组生产流水线
　　成组生产流水线是成组技术的较高级组织形式。它与一般流水线的主要区别在于生产线上流动的不是一种零件，而是多种相似零件。在流水线上各工序的节拍基本一致，其工作过程是连续而有节奏的。但对于每一种零件而言，它不一定经过流水线上的每一台机床加工，所以它能加工的工件较多，工艺适用范围较大。

3、沈阳机床齿轮厂物流特征分析
3.1生产专业化特征分析：
根据产品在工作地生产的重复程度把物料生产过程划分为：单量、成批三种类型。划分标准如表3.1所示。
表3.1划分工作地生产类型的参考数据
生产类型
上序数目
工序占用工作地系数
大量生产
1——2
0.5以上
大批生产
2——10
0.1——0.5
中批生产
10——20
0.05——0.1
小批生产
20——40
0.025——0.05
单件生产
40以上
0.025以下
表3.2是一张典型的沈阳机床集团齿轮制造厂的齿轮工时定额表，对应的机床型号为CA6140。由此表可以看出该齿轮的工序数目为24并且多数的齿轮工序数目都在20—40之间。故由此表可以确定其生产为小批量生产。
表3.2齿轮零件工时定额表(零件号:06024)
工序序号
工序代号
准备工时
单件工时
能力组号
累计工时
备注
10
C13
60
0.7
811136

20
Z55
25
1.4
811552

30
B46
20
0.7
812461

40
B46
20
0.8
812461

50
C11
40
1.6
812113

60
C16
35
1.5
812162

70
B47
10
0.4
812471

80
S28
0
0.1
800281

90
C16
35
1.5
812162

100
C07
60
0.6
811110

110
Y98
0
0
898000

120
Y95
50
4
822951

130
S28
0
0.2
800281

140
S22
0
1.5
824221

150
Y94
60
2.5
832941

160
S28
0
0.2
800281

170
Z55
25
1
832221

180
S22
0
0.5
832221

190
S28
0
0.2
800281

200
R27
0
1.9
5800000

210
Y97
15
0.8
832971

220
B47
10
1
832471

230
S28
0
0.2
800281

240
Y98
0
0
898000

3.2组织形式特征分析

生产物流的空间组织是相对于企业生产区域而言，目标是如何缩短物料在工艺过程中的移动距离。一般有三种专业化组织形式，即工艺专业化、对象专业化、成组工艺等。如何选择则主要取决于生产系统中产品品种多少和产量大小。一般规律如图3.1所示，根据沈阳机床齿轮厂的专业化特征（产品种类多，小批量）应选择成组工艺。成组工艺形式是结合了工艺专业化和对象专业化形式的特点，按成组技术原理，把具有相似性的零件分成一个成组生产单元，并根据其加工路线组织设备。其主要优点是可以大大地简化零件的加工流程，减少物流迂回路线，在满足品种变化的基础上有一定的批量生产，具有柔和的适应性。

图3.1 P—Q分析图
3.2 对象专业化工段示意图
3.3 时间组织特征分析
沈阳机床齿轮厂的生产物流时间组织，沈阳机床股份有限公司齿轮制造厂主要是主机厂CA6140车床的专用齿轮，其产品特点是齿轮比较小而且轻，其齿轮的加工时间一般为一小时左右，并且为小批量生产。生产物流的时间组织方式的时候应选择顺序移动方式。如图3.2所示，其中横轴表示加工周期，纵轴表示加工工序。

图3.2 顺序移动方式
3.4系统布置设计模式(SLP)
3.4.1系统布置设计基本要素
一般讲，工厂布置设计就是在根据社会需要确定出某些待生产的产品极其产量以及确定厂址的前提下，完成工厂总平面布置和车间布置. 如图2.3所示，为了完成工厂总平面布置和车间布置，需要从产品P及产量Q出发，首先对产品组成进行分析，确定各零件，生产类型，制定出各个零部件的加工，装配工艺流程;根据工艺流程各阶段的特点划分出生产车间等。然后由工厂布置设计人员来完成工厂总平面布置及车间布置。

图3.3 工厂总平面设计过程
为了突出平面布置设计，可把平面布置设计前各个阶段工作的结果作为给定要素来处理，包括工艺流程R，辅助服务部门S及生产时间安排T，这样就形成了单纯的工厂布置模型。在系统布置设计(SLP)中，把产品P，产量Q，生产路线R，辅助服务部门S及生产时间安排T作为给定的基本要素(原始资料)，成为布置设计工作的基本出发点。
3.4.2系统布置设计模式
系统布置设计是一种逻辑性强，条理清楚的布置设计方法，分为确定位置，总体区划，详细布置及实施四个阶段，四个阶段按图3.4所示的顺序交叉进行。在确定位置阶段，就必须大体确定各主要部门的外型尺寸，以便确定工厂总体的形状和占地面积。

图3.4 工厂布置的阶段结构图
在系统布置设计的第二和第三阶段，采用相同的设计步骤—系统布置设计SLP程序，如图3.5所示。

图3.5 SLP设计程序模式
3.4.3基本要素分析
产品—产量分析企业生产的产品品种的多少及每种产品产量的高低，决定了工厂的生产类型，进而影响着工厂设备的布置形式。一般，产品一产量分析分为两个步骤。
1.将各种产品，材料或有关生产项目分组归类；
2.统计或计算每一组或类的产品的数量。
在P—Q分析过程中，先统计出产品品种与产量。然后将P—Q关系绘制成P—Q曲线，如图3.6所示。在图中M区的产品适用于采用大量生产类型；J区属于单件小批量生产类型；介于M去和J区之间的产品生产类型为成批生产。

图3.6 P—Q曲线

4、沈阳机床齿轮厂物流分析及优化
4.1物流分析
对于不同的生产类型，可采用工艺过程图、多种产品工艺过程表、成组方法、从至表等不同的物流分析方法。由于齿轮车间生产的齿轮品种和工序都比较繁多，所以采用多种产品工艺过程表。在这张表上各产品工艺路线并列绘出，可以反映各个产品的物流路径。现从该齿轮厂生产的百余种齿轮中选取有代表性的l0种齿轮，产品代号08020、02049A、02043、02042、02045、06024、02035、02028、07086、02046A。由工艺流程图可以看出大多数产品(70％)的加工顺序基本相同。其基本加工路线如图4.1所示。图中字母表示的为工序代号。

图4.1 主产品生产工艺
4.2位置相关图
4.2.1主要产品的设备布置
先确定主要产品(即零件代号为：08020、02049A、02043、02042、02045、06024、02035)加工所需的必要设备，可由图1，并结合工时定额表加以确定。得出所许，设备台数为15台。因这些产品特点是齿轮比较小而且轻，加工时间一般为1小时左右，并且为小批量生产，所以选择生产物流的时间组织方式的时候应选择顺续性和固定性，可以进一步确定出几个连续加工的工艺顺序。可以模块化为工序组。工序组内的关系密集程度定义为A级。这样可以简化设备之间繁琐的计算量。工序组一：Z55 B46 Cl1 C16 B47 S28；工序组二：C07 Y98 Y95 S28；工序组三：S22 Y94 S28；工序组四：R27 B47 Y94 S28。由工艺过程表确定出作业单位相互位置关系表如图4.2。

图4.2 单位相关图
4.2.2主要产品生产设侧立置相关图
在SLP中，工厂总平面布置并不直接去考虑各作业单位的占地面积和几何形状，而是从各作业单位之间的相互关系密切程度出发，安排各作业单位之间的相对位置，关系密集高的作业单位之间距离近，关系密集低的作业单位之间距离远，由此形成作业单位位置相关图。对于齿轮厂的情况来说，常规第一步的密集程度为A级的作业单位对已经确定为工序组内的各单位对。所以可以从E级开始排序，画出相关图。如图4.3所示。

图4.3 密集程度相关图
经过调节可以绘制出主要产品的生产线的平面设备布置图，如图4.4。

图4.4 车间平面布置
4.2.3次要产品生产设侧立相关图
确定次要产品(即零件代号为：02045、06024、02035)加工所需的必要设备，可由图3.5，并结合工时定额表加以确定同样由上面的方法可以绘制出其单位位置相关图。先选出密切程度最高的单位对定义为A级，C13—C16、Z55—S22、Y95—S22、S28—S22、R27—C16、Y96—M62、B47— S28。如图3.5。

图4.5 次要产品密集相关图
经过调节可以绘制出次要产品的生产线的最终设备布置图如图3.6

图4.6 车间设备布置图
综合图4.4和图4.6考虑主要产品占70%，故可布置三个相同的工段同时加工主
要零件和一个专门工段加工剩下的30%的零件。绘制出生产车间的平面布置图。4.3设施布置的优化
设施优化分析与设计的原理是系统内设施间物流费用最小化。设给定平面系统有n个设施，每两个设施i、j之间的物流量为Fi , ( i,j=1，2，……n)
距离为Dij，则两设施之间的物料搬运量如公式4.1所示。
Wij=∑FijDij (4—1)
令系统的物料搬运量W则:
W=∑Wij=∑FijDij ， (i，，2，.3··…，n)。 (4—2)
若C为以设施i到设施j的单位搬运费用为WC:
CW=∑∑CWij=∑∑CiJFijDij ，(i，j=1，2，3，……，n) (4—3)
当平面设施布置位置改变时，则有:
CW'=∑∑CW'ij=∑∑CijFijD'ij，(i，j=1，2，3，……，n) (4—4)
若CW'<CW，则方案CW'优于CW。
若将设施每调整一次，则有一个可行方案，这样最佳设计方案CWp为:
CWp=min{CW1，CW2，……，CWn} (4—5)
又由于齿轮的产品特性所决定的，其工作表面基本都为外表面，所以在加工
车间搬运过程中用专用的托架进行搬运。且机床的齿轮多数大小都相差不是很
多，所用的托架都是通用的而且托架质量也比较大，所以选用电瓶车进行搬运工
作。所以当量物流量可以不以零件的重量为计算单位，所以不论大小都选择以齿
轮的个数为当量物流量来计算。所以单位搬运费用直接与搬运距离成正比。在布置设备是每两台设备之间的距离是固定并且一样的，所以单位距离可定义为每两台设备之间的距离。
4.3.1主要产品生产线的物流计算
由公式5.3计算出主要产品的生产过程中当量物流量为:
CW=∑∑CWij=∑∑CijFijDij=243 (i,j=1，2，3，……，17)
计算过程中发现工序S28和工序Y99之间单位距离太大为4，而且经常出现零件的往返搬运的情况。故把工序代号Y99的设备调整至S28附近并与C13对调。然后再进行新布置的物流量的计算。如图4.7所示。

图4.7 主要产品生产设备布置图（新）
CW'=∑∑CW'ij=∑∑CijFijD'ij =221当量物流量<CW=243
所以方案CW'优于方案CW。在此次调整中计算发现工序Y90和S28之间单位距离为4，且搬运次数也比较多所以继续调整使Y90与S28更近一些。得到新的布置图4.8。再进行新布置的物流量的计算。所得结果为212单位物流量。

图4.8 新设备布置图
再调整调换最长的搬运距离为4的M61和S28之间的距离。和S28附近相关程度最小的Y97调换，经过计算得到结果大于212。
4.3.2次要产品生产线的物流计算
同上面的计算方式一样，经过改善以后由公式计算得出的最优解得出当量物流量为89，布置如图4.9所示。

图4.9 新次要产品生产线布置图
综合图4.7和4.8考虑主要产品占70%，故可布置三个相同的工段同时加工主要零件和一个专门工段加工剩c下的30%的零件。绘制出生产车间的平面布置图。如图4.10所示。其中工段一至工段三为生产70%的主要产品的工段。工段四为生产次要产品的工段。

图4.10 齿轮车间平面布置图
4.3.3工艺流程的优化结果
以工艺过程表和定额工时为基础，我们对主产品的生产工艺进行了进一步的优化：

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