汽车发动机精益生产线设计的研究

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1、上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 论文背景及研究意义 上汽通用五菱汽车股份有限公司（以下简称上汽通用五菱）是国内主要微型 车生产企业，经过多年的发展，上汽通用五菱产销量已居行业第一，具备了较强 的实力。为确保公司的持续发展能力，2005 年 7 月，上汽通用五菱收购颐中汽车 资产，成立了上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司，建立了直接面向北方 市场的微型车生产基地。 近几年，国家对汽车的品质、安全、节能以及排放方面的标准日趋严格，对 整个汽车行业影响较大，这也促使了汽车企业加大研发创新、提升产品品质，提 高服务品质。以高质量、高性能的产品和服务实现消费者、

2、企业、社会的和谐发 展。 为满足市场对微型汽车的需要，上汽通用五菱正在不断开发新的微型汽车产 品。随着产量的不断增加，为之配套的发动机的来源将成为制约公司发展的关键 因素。根据公司的发展规划，决定在青岛分公司再建设一条年产 35 万台发动机的 生产线，生产新一代 B 系列和 C 系列四缸发动机。 青岛发动机工厂的生产纲领为：年工作日 250 天、三班三运转时，年生产能 力为 35 万台。生产内容包括发动机的缸体、缸盖和曲轴等主要零件的机加工及缸 盖分装和发动机总成装配。2009 年 3 月，该项目建成投产，实现生产纲领目标。 目前在上汽通用五菱青岛分公司厂区内，已经建有整车冲压车间、车身车间、

3、 涂装车间和总装车间，同时新的涂装车间和总装车间也在规划建设中。因此在考 虑发动机厂的规划时，必须考虑到现有区域的限制，物流路线的限制，将来可能 扩展的能力，以及生产经济性。以往在制造系统规划中，只片面地注重制造工艺 的实现，使得设备能够加工出合格的产品。而缺乏基于精益理念，对制造系统整 体运作的效能规划，以使其满足精益、柔性、低成本的运作要求。论文研究的任 务就是要在各种限制条件下，自项目规划阶段以精益生产为原则，对制造系统的 整体以及各组成部分进行设计规划、评估和改进，以实现生产要素的合理配置、 系统整体的优化运行，确保项目安全、经济、高效地实现规划目标。同事满足厂 房面积和形状等各种对生

4、产布局战略方面的特殊限制条件，系统性的应用各种生 产布局原则和工具，进行多目标布局优化，完成建立新厂的生产布局，满足生产 纲领的要求。同时以 Witness 仿真软件的实际应用为例，说明在规划阶段应用仿真 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 2 技术对生产布局进行优化的可行性和必要性。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 工业工程技术应用现状分析 1. 我国的制造业大多还停留在“粗放型”的阶段，由于我国工业化进程起步较 晚，与国际先进水平相比，我国的制造业和制造技术还存在着阶段性差距，主要 表现在， 产品创新能力较差、 开发周期较长； 制造工艺装备落后， 成套能力不强； 生 产自动化和

5、优化水平不高，资源综合利用率低；企业管理粗放、协作能力较差、 国际市场开拓能力弱。 1 2。 从上述对中国制造业分析中可看出，除了产品开发、制造工艺装备以外，生 产运作管理及效率低下也是阻碍我国制造业发展的主要因素。很多企业不注重生 产技术、方式的选择，生产流程混乱、在制品、搬运量等非附加价值劳动比重大， 生产效率低下，生产周期长，占用资金多。在效能规划设计方面，目前很多企业 的方法和技术，与国外水平尚有较大差距。近几年来，中国的企业也掀起起了精 益浪潮。很多企业都提出精益化的要求，并由专门的部门如工业工程部等进行推 动。5S，TPM，KANBAN，JIT 等精益工具也得到普遍使用，有的取得了

6、不小的 改善效果。我国制造企业急需引入并深化现代 IE 技术，贯彻精益生产理念，不断 改进优化生产方式。 工业工程(Industrial Engineering,简称 IE)，是综合运用数学、物理学和社会科 学方面的专门知识和技术，以及工程分析设计的原理和方法，对人员、物料、设 备、能源和信息所组成的集成系统进行规划、设计、评价和改善的学科。工业工 程是精益生产系统的基础工程技术，也是科学、客观、量化的管理技术。 美国是 IE 的发源地，IE 有着悠久历史，是美国七大工程学科之一。它融工程 和管理于一体，对工业发达国家的经济与社会发展起了巨大的推动作用。工业工 程是关于复杂系统有效运作的科学，

7、它将工程技术与管理科学相结合，从系统的 角度对制造业、服务业等企业或组织中的实际工程与管理问题进行定量的分析、 优化与设计。它是一门以系统效率和效益为目标的、独立的工程学科1 2。 上汽通用五菱作为美国通用汽车的合资企业，近年来也注重不断提升管理水 平，从美国通用汽车引入先进的 IE 技术、方法和工具。过去的项目规划中重点在 于工艺的实现，而对制造系统的效率和精益运作研究不足，而随着制造系统的日 趋复杂，由于相关方法和工具的欠缺，设计分析往往较为粗略，无法进行最优的 分析评估，进而可能导致投产后的效能无法满足要求，或运作成本居高；在已有 的生产系统中，碰到复杂的问题也不能有效地进行分析和改进。

8、随着近年来，在 与美国通用汽车规划部门的技术和实践应用交流的深入，IE 技术水平也得以较大 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3 提高，在本土的新项目规划和老项目优化实践中，应用得到不断深化和拓展。借 助先进的方法和工具，在复杂制造系统规划中，通过基于工业工程方法的基础作 业研究和系统仿真分析，有效地对系统设计和运作模式进行全面、准确、快速的 设计分析，进而不断优化系统规划，为新系统的成功实施奠定了坚实基础。 1.2.2 生产布局研究的现状 设施的布局设计己不是新问题，即使在原始的小作坊里，工匠们也要根据工 序流程和物件移动的需要来合理布置他们的工作间。随着生产复杂性和生产规模 的日

9、益增强和扩大，各种布局方案应运而生，如工程布局，功能布局，作业线布 局等方案。由于设备布局设计问题的复杂性及其实用性，Mutherles 提出了系统布 置方案 SLP (Systematic Layout Planning)。从六十年代开始，有学者着手研究计算 机辅助设计问题。随后产生了一系列计算机辅助布局设计和分析的商用软件包， 如 CORELAP, PLANET, SHAPE, CRAFT 等，它们在布局设计建模、布局求解算法 及系统交互式等方面做出了卓有成效的工作。 Kusiak 和 Melle 等人对制造设备布局 问题进行了全面的回顾并着重研究了柔性制造系统(FMS)环境下的布局设计。

10、 Badirua 开发了一个设备专家布局系统，并在其中采用模糊逻辑方法来实现关系代 码，以反映未来生产设备需求的不精确性。Montreuil 提出了基于人工智能、优化、 仿真和 CAD 于一体的集成的布局方案，在此基础上，进一步对基于物流的布局问 题提出了并行布置和网络布置的设计方法3。 目前研究较多的都是一些规则物体的布局问题，要实现任意形状的三维布局 问题，至今尚无成功的通用的布局方法。虽然已经有很多非线性技术应用到物体 布局问题上，但这些方法大多数因物体的几何形状、方位及问题复杂程度的不同 而施加不同的限制。除此之外，对于布局问题大多数研究是在运筹学领域完成的。 这些方法的缺点是因为它们

11、一般都是启发式的方法，只能应用在专门的一类问题 之中，另一个限制是在运筹学中只能使用相对简单几何形状的物体。但在工程实 际中，由于解决问题的要求和目标的多样性，找出一种通用于所有问题的方法几 乎是不可能的。 本文将结合青岛发动机项目规划来探讨汽车企业发动机生产线的生产布局研 究。 1.2.3 生产仿真技术的应用现状 制造系统是复杂的综合系统，其规划也是一项复杂的系统工程，为确保系 统能够高效能运作，在精益基础作业设计的基础上，还需要从系统角度进行综 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 合测试、分析和改进。 传统的手工计算或经验判断的研究方法，难以准确、全面、快速地进行系统 分析及评

12、估预测，基于专业仿真软件的的计算机仿真技术，它可以显现实际制造 系统的运作，从系统角度进行测试分析和评估，多方案测试比较、灵敏度分析， 低成本高效率地辅助规划决策随着先进制造技术的发展，计算机仿真技术的应用 也越来越广泛。在大规模复杂系统的研制开发过程中，从产品的设计到制造以至 测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术在提高产品质量、提高系统运行效 率、缩短开发周期、降低资源成本方面发挥着巨大作用。 计算机仿真一般指运用计算机技术建立系统模型并进行运行测试，模拟真实 系统运行的状况及变化的规律，在计算机上实现系统试验的全过程。这些由计算 机仿真得出的数据和系统特性，结合实际进行进一步的分析，从

13、而反映出系统运 行规律，对系统做出评估和优化决策。 近年来，随着仿真技术的发展，中国仿真市场增长异常迅猛，在某些方面达 到了国际先进水平。但总体技术水平，特别是应用水平与发达国家相比还有差距。 仿真将是支持研究各类复杂系统生命周期的必要手段。仿真系统是预估其安全性 的有效工具，因此仿真系统自身的可信度就变得非常重要。从理论上建立仿真系 统的评估体系及相应的方法、工具是推动仿真技术应用的重要研究方向。 先进的 分布式仿真技术的发展，在 21 世纪，可能将分布在各个应用领域的人员和资源集 成为一个大型仿真环境。它将打破各个领域的界限，使人们在仿真环境里对拟定 的设想和任务进行研究、分析。仿真系统将

14、应用于人类生产实践的全过程，这样 可以避免决策失误，可以预测可能发生的问题，达到避免故障、安全控制的目的。 有关专家预言，在 21 世纪，仿真技术的发展必将对经济、社会以及人们的观念产 生巨大影响。7 8 仿真研究的许多活动都是通过仿真软件来实现的，仿真软件是一类面向仿真 用途的专用软件，它的特点是面向问题、面向用户。近 40 年来，仿真软件充分吸 收了仿真方法学、计算机、网络、图形/图像、多媒体、软件工程、自动控制、人 工智能等技术所取得的新成果，从而得到了很大的发展。下面列举了国际上一些 的主流系统仿真软件。 1. Witness。Witness 是面向工业系统、商业系统而开发的动态仿真平

15、台，也 是世界上在该领域上的主流仿真软件。Witness 主要用于离散事件系统仿真。它提 供了多种建模元素，使得对自动化制造系统进行仿真非常容易。该软件还包括优 化模块、虚拟现实模块，从而对系统可进行优化分析和进行虚拟现实的情景描述。 2. AUTOMOD。AUTOMOD 是实体建模系统。它特别强调系统中实体的传 送、制造设备的构建以及实体细节及复杂的逻辑控制。因此，采用 AUTOMOD 建 模比采用 WITNESS 建模复杂得多。最近几年，在欧洲国家，AUTOMOD 应用在 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 5 机场行李（人员）托运等较成功。 3. Promodel。其应用领域主要

16、面向烟草行业.它的主要特点在于传送带、运输 车辆、及货物托盘等的使用。可建立 3D 方式建立场景。通过点以及多个点的连接 可建立不同类型的逻辑。用户在使用 promodel 前必须先编译，在模型运行过程生 成可执行文件。使用不方便. promodel 的图形较好，但其应用限制在特定范围内。 另外，逻辑选择条和组件也很长并且不规则。 4. Arena。 就 Arena 的销售市场看， 它主要集中于医疗部门和一般服务部门。 它是一种集成的仿真软件，在物流中的主要运用有，在生产过程中，进行设备布 置,实现工件加工轨迹的可视化仿真等；在生产管理中，进行生产计划、库存管理、 生产控制和产品市场的预测和分析等；在生产价值分析方面，可进行生产系统经 济性、风险性分析,从而改进生产、降低成本或辅助企业投资决策等9。 1.2.4 Witness 产品介绍 本论文将采用