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1、U型装配线平衡与仿真研究 分类号: 学校代号:密级: 学号:广东工业大学硕士学位论文工学硕士型装配线平衡与仿真研究刘凯指导教师姓名、职称:企业导师姓名、职称:专业或领域名称:学生所属学院:论文答辩日期:舢洲 四九四 .,摘要摘要随着精益生产的推行,越来越多的装配线设计采用型布局。相比传统直线型布局,型布局不仅能取得更佳的平衡性,而且布局空间紧奏,能缩短员工作业行走路径,减少物料搬运浪费。由于型线上员工实行轮岗制,具备多技能,且密切联系,使得型线在人员配置、产品切换与节拍调整等方面更加具有柔性,能快速响应外部需求的变化。研究型线平衡理论与型布局的实际结合将有利于制造企业型线的推广。本文结合装配制
2、造型企业装配线运行的实际情况,研究符合企业实际应用的型装配线的平衡问题。针对工人作业时间随机分布并与工人行走路径时间相互独立的型装配线平衡问题,运用遗传算法与仿真建模分析相结合的方法即基于仿真的优化方法求解在给定的节拍与完工率下的型线工作站数目,并且每一工作站实际完工率达到给定的完工率,解决符合实际应用的问题。由于所研究问题的实际复杂性,本文从总结装配线平衡理论基础开始,由传统直线型装配线布局引出型装配线布局,从描述传统直线型装配线平衡问题到型装配线平衡问题、作业时间随机分布的型装配线平衡问题、考虑工人行走路径的作业时间随机分布的型装配线平衡问题,并建立各自的数学规划模型。从综述传统直线型装配
3、线平衡问题的求解方法来分析解决作业时间随机分布的型装配线平衡问题,并设计基于可行作业元素序列编码方式的遗传优化算法求解。对于考虑工人行走路径的作业时间随机分布的型装配线平衡问题,由于传统求解方法的数学规划模型存在局限性,以及对实际性与随机性问题完全采用遗传算法进行编码与解码的求解过程存在复杂性,提出运用遗传算法与仿真建模分析相结合的方法求解。基于遗传算法求解的最优作业元素序列建立考虑工人行走路径的型线布局仿真模型,模拟工人行走路径以及工人作业时间的随机分布,得到型装配线平衡所需的工作站数目。本文研究的内容符合企业实际需求,为了更好更方便企业管理人员用于实践,设计型装配线平衡仿真系统,其原理主要
4、由两个模块相互构成:遗传算法优化模真软件,利用.内嵌的基于的语言设计遗传算法,采用.强大的仿真建模工具建立考虑工人行走路径的型布局仿真模型,系统结构功能齐广东工业大学硕士学位论文全,能够满足用户使用需求。最后通过算例验证所开发的型装配线平衡仿真系统是可行的。关键字:型线;随机分布;工人行走;仿真的优化方法, . , , ,. ?, , . ? ? ., .,. . . ,. .? ,? . . 广东工业大学硕士学位论文 . , , . . . ,. :. ?. .?. .; :;目录目录摘要?.?.目录。.第一章绪论.研究背景与意义?.研究对象与问题?.研究现状?.型装配线平衡问题的研究现状一
5、.时间随机分布的装配线平衡问题的研究现状?一.研究内容与章节安排第二章装配线平衡理论?.装配线定义与分类.装配线定义.装配线按布局分类?.传统直线型布局.型布局?.装配线按产品种类性质分类.装配线平衡问题理论?.装配线平衡问题定义?一.装配线平衡问题术语?.装配线平衡问题分类?. 型装配线平衡问题数学描述.本章小结.第三章作业时间随机分布的型线平衡.问题描述与数学模型?.作业时问的随机性广东工业大学硕士学位论文.工人的完工率?.数学模型?.算法设计.遗传算法?.编码方式?.初始种群的产生?.适应度函数.遗传算子操作.算例求解.本章小结.第四章考虑工人行走的.站立式走动作业方式?.考虑工人行走的
6、问题描述?一.数学模型.求解方法.型布局仿真建模?.仿真软件介绍?.?仿真软件应用特点.型布局模型构建.型布局基本仿真对象?.型布局元素建模.本章小结.第五章型装配线平衡仿真系统?.系统设计.基于仿真的优化方法.系统原理?.系统功能简介?.问题算例验证.问题集?.最优作业元素分配方案?目录.仿真模型及其结果.考虑与不考虑工人行走的结果比较?.本章小结.全文总结与展望?参考文献?攻读硕士期间发表的论文独创性声明?.致谢?.广东 大学硕士学位论文?.:. .?.?.?.?.?.?. .?.?.?.?.?.?. . .?.?.?.?. .?.?.?. .?.?.?.?. .?。. .?. .?.?.
7、?.?.:.?.?. .?.广东大学硕士学位论文.?.?.?.?.?.?第一章绪论第一章绪论.研究背景与意义年“福特”装配车间每个汽车底盘由一名工人操作,每装配完成一件的时间是.小时,当装配线试运行成功以后,完成一件汽车底盘的操作时间为分钟,劳动生产率提高了倍多【】。在这种大规模生产方式下,单品种、大批量的流水装配线是一种生产过程的先进组织形式,能够极大地提高劳动生产率。装配生产过程的组织是否合理,对于流水线上产品的质量、成本和产量都有很大的影响。流水线追求专业化分工的效率,将装配生产的整体过程分解成很多的工序,空间上顺序依次进行,时间上可以重叠并行。为了实现流水线的顺畅运转,需要经常进行生产
8、线平衡, ,让流水线保持一定的“节拍,通过各种技术组织措施,安排工序的单件时间使之与节拍相等或成倍数的关系。随着市场需求向多样化发展,适合多品种、小批量混合生产条件下的高质量、低消耗的精益生产方式产生了。精益生产是在适当的时间生产必要数量的市场需要的产品。消除一切不必要的浪费是精益生产的行动目标。在实际制造加工中,浪费表现在以下方面:不必要的工艺加工或过度工艺加工;不合格的半成品与成品的生产;在制品所占用的库存;原料、半成品、成品盲目地搬运;工序间负荷不平衡或完工不及时造成的等待与阻塞。这些浪费会造成工时损失。所以必须消除浪费,减少工时损失,实现均衡化生产。相比传统直线流水线生产方式,精益生产
9、方式更加柔性,推崇型布局生产。按型布局,工作站与工作站紧密布置,节约空间面积,方便操作人员“一人多机”的管理设备,也便于零部件在设备工作站问的跳跃、迂回流动,缩短在整个加工流程中的时间。在型布局中,工作站内的操作工人可以方便地在型线的两边内侧同时操作多个任务,减少多余动作,提高了工人工作效率,缩短了工人行走路径。另外,采用型布局方式使得零部件在制品的传递更加流畅、方便,减少零部件运输搬运时间与成本,便于单件生产和传递。型布局将生产单元的出口与入口布置在同一个空间位置上,出口与入口拉的很近,对原料进入与成品下线实现少人化管理,在“拉动式”准时化生产模式下能够保证生产单元内的各个工序上的在制品数量
10、稳定,方便控制生产节拍,不生产多余在制品库广东工业大学硕士学位论文存与浪费品,实现生产的柔性化,并快速适应车间整体生产计划的变化与调整。由于对于现代化企业生产运作管理,追求高质量、低成本、快速响应服务成为每一个企业的一种基本目标。适时对生产线进行再设计,可以实现快速反应,提高生产线对外部的适应性与柔性。为了达到快速反应,缩短交期,提高生产线对内外部环境的适应性与柔性,需适时对生产线进行再设计;为了激励员工,提高工人的满意度,实现人性化管理,必须对工作任务进行再设计,进行工作轮换,达到工作丰富化、工作扩大化。事实证明,型布局生产对于提高生产线的柔性化、工人的满意度和士气,激励人性化工作方式,提高
11、产品质量、劳动效率和服务满意度是十分有效的手段【。.研究对象与问题在精益生产方式下,为了调整生产节拍,有时需要一个工人同时操作两台或多台机器,这是“一人多机作业模式。在这种模式中,作业人员不能坐着工作,而是采用站立走动的作业方式。型布局中常见的现象是“一人多机”。在一个人机配合作业循环中,包括工人作业时间与机器作业时间,机器作业时间与工人作业时间是相互独立的。工人执行的作业有:从机台上取下成品,检验成品质量,再装夹上新的半成品,启动机台,然后等待观察机台加工一切就绪好后此时机器进行作业,离开此机台,走向下一台机器去执行相同的任务,直至一个作业循环完成。在理想人机模型中,节拍往往由一个循环中工人
12、总的操作时间与工人行走路径时间的总和决定。在型装配线上由于工人生理疲劳与心理情绪影响以及作业环境影响如作业空间大小、噪音强度、灯光效果等等和线上物料短缺、物料质量问题、工具损坏等等情况,不可避免地影响工人装配操作时间,使得工人操作时间成为一个随机变量。即便是在自动化装配线上,操作工人、机台设备、物料、环境等等也会产生随机性影响,导致所在工作站的总作业时间也是一个随机变量。而实际中装配线设计员为了简化作业分配,往往将工人作业时问看成是一确定量,然后分配作业至工作站,最后按照工业工程的额定工时标准给予一定的宽放率确定生产线额定节拍。当生产线投产后,生产线设计节拍与现场实际节拍相去甚远,导致在制品库
13、存高、工人作业出现忙闲不均、日产能达不到、员工加班加点的现象。所以研究工人作业时间随机性的问题更具有现实意义。第一章绪论本文从型装配线在工厂实际应用中出现的问题为出发点,第一,型装配线上的工人装配操作的作业元素时间的随机性;第二,型装配线上的工人对“一人多任务的操作模式采用走动方式作业;基于此来研究型装配线平衡问题。其特点描述为:型装配线上每个工作站配备一名工人,工人负责操作型工作站内的多个作业元素任务,工人完成一个作业元素任务后行走至下一个作业元素处继续操作。其中工人完成作业元素任务的时间是服从随机分布的变量,工人的行走路径时间由工人所行走的路径与工人行走的速度二者决定,且工人完成作业元素任务的时间与工人行走路径的时间是相互独立的,即本文不考虑现实中装配工人一边操作一边行走操作与行走有重叠现象的情况。.研究现状.型装配线平衡问题的研究现状型装配线平衡问题是对传统直线型装配线平衡问题在布局方式上的一个拓展。为了研究型装配线平衡问题,有必要回顾直线型装配线平衡的方法思路。关于传统直线型装配线平衡问题的详细研究历程可以参考文献【。对传统直线型装配线平衡方法的发展可以归类为如下:最优模型精确求解方法.自从于年用数学规划模型描述问题后,采用最优模型方法求解问题的文献相继出现,用整数规划、动态规划、最短路径法、网络模型法等等求解问题。最优模型方法能够很精确的描述问题,且在
