物流工程设施布置与设计概述

,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,工业工程与物流学系,2005,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,第,5,章 设施布置与设计,Facility Layout Design,1,引导案例,日本爱新精机安城工厂生产床垫、工业用缝纫机、气体加温泵及冷气机。,床垫生产空间紧凑，并不比一所中学的篮球馆来得大，但却有,7,条单元生产线，每天生产,750,张不同颜色、样式和大小的床垫。,除了床褥机器外，每一条生产线所使用的机器，都是依照工艺流程顺序排列，主要的机器设备有弹簧圈成形机、弹簧圈、装配机、多针头床褥机、切割机、凸缘缝纫机、床垫机、边缘缝纫机、贴边缘机和包装机。每部机器都与下一流程的机器衔接起来，不容许多余的空间放置半成品。,每条生产线都采用“一个流”生产，工作时允许一件产品在流动。床褥机每一次仅制作一个床垫的布料。每一工件在工作站间移动时，顺便就完成加工动作，在编织机开始编织床罩,20,分钟后，床垫就已做好，准备出货至日本,2 000,家家具仓库的客户手中，以服务该公司的经销商。,对于大众化的床垫，则在每一条生产线的终端地点，有一小间储藏室保存,340,件的标准床垫成品,(,其标准库存数量依据每日销售量而定,),。每一床垫都放置在某一指定位置，并贴上看板标签。每收到一件订单时，就出货一件，并将附在其上的看板取下，送回生产线的起点，当做生产指示单。这样的系统可以确保这些大众化的床垫，仅保存最少必要的存量。对非标准的床垫，则不设立库存，而是依据家具仓库所下的订单，直接由生产线生产，直接出货至家具商。,这就是爱新精机的,JIT,生产方式和单元生产线。,2,本 章 主 要 内 容,设施布置概述,设施布置的内容、设施布置的原则,。,基本布置类型,定位式布置、产品原则布置、工艺原则布置、成组单元布置,。,流动模式与空间需求,流动模式、人员与空间需求,。,流水线平衡与设计,流水线相关概念、流水线平衡、流水线设计,。,单元式布置,精益生产与单元式布置、单元的形成、单元生产线的三种类型、单元生产线布置与设计,。,5.1,设施布置概述,设施布置与设计是决定企业长期运营效率重要的决策。,设施布置设计对生产系统极为重要，据测算，物料搬运和布置有关的成本占工厂生产总运营成本,2050%,。采用有效的布置方法，可以使这些成本降低,30%,，甚至更多。,生产系统设施布置要解决的主要问题是：,是根据企业的经营目标和生产纲领，在已确定的空间场所内，按照从原材料的接收、零件和产品的制造，到成品的包装、发运的全过程，将人员、设备、物料所需要的空间做最适当的分配和最有效的组合，以便获得最大的生产经济效益。,不仅有形的生产和服务设施会碰到布置和重新布置的问题，即使是非物质生产的服务系统，如商店、宾馆、餐馆也同样面临此问题。,4,5.1.1,设施布置的内容,在进行设施布置决策要考虑的内容主要有以下几个方面：,物流和物料搬运设备,。确定物流的重要性和形式，采用何种设备，是传送带、起重机、自动仓库还是自动小车来发送和存储物料。并考虑物料在不同工作单元间移动的成本。,容量和空间要求,。只有先确定了人员、机器和设备的要求后，才能进行布置，为每一作业单位分配合理的空间，并考虑通道、洗手间、餐厅、楼梯等附属设施的要求。,环境和美学,。布置决策也要求确定窗户、分隔高度、室内植物等环境因素，以降低噪音、改善空气流通和提供隐密性等。,信息流,。通信交流对公司都是很重要的，布置必须方便交流，在办公室布置中尤其重要。,5,设施布置,工厂设计,工厂总体布置,+,车间布置。,工厂总体布置设计,生产车间、辅助生产车间、仓库、动力站、办公室、露天作业场地等各种作业单位和运输线路、管线、绿化和美化设施的相互位置,物料的流向和流程、厂内外运输的联接及运输方式。,车间布置设计,各生产工段（工作站）、辅助服务部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道、管线之间和相互位置,物料搬运的流程及运输方式。,“作业单位”,Activity,是指布置图中各个不同的工作区或存在物，是设施的基本区划。,作业单位的最高层次是要设计的,设施,(Facility),，它包括一系列,部门,(Departments),，部门可以是车间或其他机构。,而部门由,工作中心,(Work Center),组成，若是工厂这些工作中心可以是工段或班组，如车床工段；也可以是柔性制造单元,(FMS),。,通常部门级的布置指的是,块状布置图,(Block Layout),，工作中心级的布置是,详细布置图,(Detailed Layout),。,工作中心由,工作站,(Workstation),组成。工作站也称,工作地,，是最小作业单位，它一般由一台机器和,/,或一个作业人员组成。,工作地布置,是整个布置的基础，工作站面积大小和形状对上面几个层次的布置影响很大，一般通过人机工程、工作测量和机器本身的尺寸和输入输出要求来确定工作地的面积和其他要求。,7,作业单位的层次,设施,部门,部门,部门,部门,工作中心,工作中心,工作中心,工作地,工作地,工作地,块状布置图,详细布置图,工作地布置,宏观,微观,工厂总平面布置图,车间布置图,设备布置图,宏观,-,微观的多次轮回,9,5.1.2,设施布置的原则,设施布置的好坏直接影响整个系统的物流、信息流、生产经营能力、工艺过程、灵活性、效率、成本和安全等方面，并反映一个组织的工作质量、顾客印象和企业形象等内涵。,设施布置工作不但在新设施设计时要做，在原有设施重新设计改造时也需要。,企业经营总会面临内部条件和外部市场的各种变化，从而会出现当初布置设计时考虑不到的问题，都可能会要求重新布置生产或服务系统。,10,设施布置设计要考虑的基本原则：,整体综合原则,。设计时应将设施布置有影响的所有因素都考虑进去，以达到优化的方案。,移动距离最小原则,。产品搬运距离的大小，不仅反映搬运费用的高低，也反映物料流动的通畅程度，因此，应以搬运距离最小原则选择最佳方案。,流动性原则,。良好的设施布置应使在制品在生产过程中流动顺畅，消除无谓停滞，力求生产流程连续化。,空间利用原则,。无论是生产区域或储存区域的空间安排，都应力求充分有效地利用空间。,柔性原则,。在进行厂房设施规划布置前，应考虑各种因素变化可能带来的布置变更，以便于以后的扩展和调整。,安全原则,。应考虑使作业人员有安全感，方便、舒适。,11,最早的设施规划与设计是工厂设计经验的总结，难以满足生产经营的要求。,随着工厂和服务设施布置设计的发展和研究的深入，加上系统工程、运筹学、计算机技术的发展应用，出现一些先进的设计方法。,理查德,缪瑟,(Richard Muther),的系统布置设计（,System Layout Planning, SLP,）方法，使工厂布置设计由定性阶段发展到定量阶段，广泛应用于各种生产系统与服务系统。,12,5.2,基本布置类型,可按设施类别分为生产设施和服务设施两大类，再来细分布置形式。,生产设施的四种基本的布置形式：,定位式布置,产品原则布置,工艺原则布置,成组单元布置,服务设施的三种基本的布置形式：,零售店布置,办公室布置,仓库布置,13,适应市场变化：,不同的生产类型,生,产,类,型,少品种大批量生产,多品种小批量生产,中品种批量生产,定制生产,按产品预测程度分,订货生产,存货生产,按产品产量分,设施布置的基本型式（产品在制造过程中的位置是否变化）,移动式布置,成组单元布置,工艺原则布置,产品原则布置,定位式布置,设施布置,5.2.1,定位式布置,定位式布置,(Fixed-Position Layout),也称项目布置，它主要是工程项目和大型产品生产所采用的一种布置形式。,它的加工对象位置，生产工人和设备都随加工产品所在的某一位置而转移。之所以要固定，是因为加工对象大而重，不易移动。,如工程建设、飞机厂、造船厂、重型机器厂等。,16,17,固定式布置问题还没有很好解决，问题有三：,场地空间有限；,不同的工作时期，物料和人员需求不一样，这给生产组织和管理带来较大困难；,物料需求量是动态的。,因此一般不采用固定式布置，即使采用，也尽量将大的加工对象先期分割，零部件标准化，尽可能分散在其他位置和车间批量生产，以降低生产组织管理难度。如工程建设的预制件生产和大型机器设备的部件生产。,固定式布置是人类最早的生产布置形式，用于农业种植、房屋建造、道路建设和采掘开矿等方面。,随着技术的进步和工业化生产，便有了产品原则布置和工艺原则布置。,18,5.2.2,产品原则布置,产品原则布置,(Product Layout),，又称流水线布置（,Assembly Line Layout,）或对象原则布置。,当生产产品品种少批量大时，应当按照产品的加工工艺过程顺序来配置设备，形成流水生产线或装配线布置 。,Ford,首创流水线生产，受屠夫启发。,现代化工业大生产的标志,19,20,产品原则布置的基础是标准化及作业分工。整个产品被分解成一系列标准化的作业，由专门的人力及加工设备来完成。,以汽车装配线为例，对于一条装配线而言，其车型基本不变或变化不大，整个装配顺序固定不变，这样，通过作业分工将汽车装配分解为若干标准化的装配作业，各个工作站配备有专用的装配设备来完成固定的装配作业，不同工作站间的运输采用专用的、路径固定的运送设备。,在服务系统中，服务对象的个性千差万别，流水线布置的应用相对较少。但可以分解为一系列标准作业的服务也可以采用这种布置方式，如自助餐厅服务线及汽车的自动清洗服务等。,21,产品原则布置的优缺点,优点,：,产品产出率高，单位产品成本低，专用设备投资也因产量大而摊薄；,每一产品都按自己的工艺流程布置设备，因此加工件经过的路程最直接、最短，无用的停滞时间也最少；,由于操作人员只做一种产品的一个工序，效率高且所需培训少；,生产管理和采购、库存控制等工作也因变化少而相对简单。,缺点,：,主要在于但它要求较多的专用设备；,对产品种类及产量变化、设备故障等情况的响应较差；,线上工作重复单调乏味，缺乏提升机会，可能会导致工人的心理问题或职业伤害；,为了避免停产，设备备用件的库存可能比较大。,5.2.3,工艺原则布置,工艺原则布置（,Process Layout,），又称功能布置（,Functional Layout,）。,将功能相同或相似的一组设施排布在一起。,如在机械加工车间中，数台车床被排列在一起组成车床组，钻床排列在一起组成钻床组，铣床组成铣床组、磨床组成磨床组,，因此，工艺原则布置在机加工车间中还被称作,机群式,布置。,加工工艺需要这些设备的工件按工艺路线成批进入这些班组。不同的产品需要不同的工艺路线。,为了适应多种加工对象及工艺路线，需要采用可变运输路线的物料搬运设备，如叉车、手推车等。,23,24,工艺原则布置优缺点,优点,：,机器利用率高，可减少设备数量,设备和人员柔性程度高，更改产品和数量方便,操作人员作业多样化，有利于提高工作兴趣和职业满足感,缺点,：,由于流程较长，搬运路线不确定，运费高,生产计划与控制较复杂，要求员工素质的提高,库存量相对较大,工艺原则布置在服务业中也很常见，此时称为过程原则布置。,例如综合医院的布置一般是将功能相似的检查设备，如牙齿的,X,射线检查仪、内脏的,X,射线检查仪等及相应的医护人员组成放射科，或将服务功能相似的医生，如外科医生、精神科医生等分别组成外科、精神科。,此外，汽车修理间、航空公司和公共图书馆都属于这一类。,26,小型模具修理厂布置,工艺原则,5.2.4,成组单元布置,工艺原则布置和产品原则布置代表了小批量生产到连续大规模生产的两个极端。,制造商在产品原则布置的基础之上向工艺原则靠拢。系统既灵活又有效，单位生产成本低。,单元制造、成组技术和柔性制造单元就代表了这种方向。,是当代最新、最有效的生产线设置方式，为日本和欧美企业所广泛采用,在小批量多品种生产的残酷环境下，这种生产线放弃了传送带，但却是达到了甚至超过了大量生产条件下传送带流水线的效果，因此被誉为“看不见的传送带”。,28,成组单元布置在制造业中又称单元制造（,Cellular Manufacturing,），是一种较为先进的布置方法。,适应顾客需求的多样化，多品种、少批量生产模式。,成组技术,就是识别和利用产品零部件的相似性，将零件分类。一系列相似工艺要求的零件组成零件族。针对一个零件族的设备要求所形成的一系列机器，为制造单元。,产品原则布置,+,工艺原则布置，经过分组，其加工时间较短、物流效率较高、在制品较低、准备时间较短，同时又具有工艺原则原则布置的柔性特点，因而是一种具有发展潜力的布置方式。,2,、成组生产单元,成组生产单元,(work cell),是为一个或几个工艺过程相似的零件族组织成组生产而建立的生产单位。,在成组生产单元里配备了成套的生产设备和工艺装备以及相关工种的工人，以便能在单元里封闭地完成这些零件的全部工艺过程。,成组生产单元是一种灵活的布置，会根据产品设计和产量的改变，而相应改变。,尽管成组原则布置概念来自于制造业，但是其思想对服务业也同样存在。,例如，大型火车站中，按车次目的地的不同方向来布置候车室等，可以提高输送旅客的效率。,30,案例：,有机器人的自动化成组制造单元,FMS,柔性制造系统 成组布置的新发展,布置类型比较,36,实际布置常为混合布置,四种基本布置形式是理想的模型，实际布置设计常有几种形式的组合。,例如一些机械工厂从大面上看是工艺原则布置，但不排除部分车间采用产品原则布置。医院总的来说也是工艺（过程）原则布置，但手术室等则为固定式布置。,工艺原则布置和产品原则布置代表了小批量生产到连续大模型生产的两个极端。,下图包括产品原则布置、工艺原则布置和成组单元布置,. A combination of group layout in manufacturing cells, product layout in assembly area, and process layout in the general machining and finishing section is used.,5.3,流动模式与空间需求,布置问题的定量分析最常见的目标是降低物流成本，这时就要对设施内的流动模式,(Patterns of Flow),作出分析。,流动模式可以分为水平和竖直的，如是单层设施，就只用考虑水平流动模式，多层设施布置时还要考虑竖直模式。但总的来说，水平模式是最基本的。,不论布置对象的大小是工厂级、车间级，还是工作单元级；也不论采用何种原则布置，都要考虑物料的流动模式。,但同时工厂生产离不开职工，职工的活动也是一种流动，因此合理的物流流动模式也要考虑人员的流动情况。,38,选择流动模式时主要考虑收发口、场地和建筑物的限制、生产流程和生产线的特点、通道和运输方式等。,实际设施布置的流动规划常常是上述几种模式的组合。,如组合成分枝和脊柱式，最适用于离散制造中部件和产品的装配，分枝为部件装配，主干为总装，两边对称的分枝就是脊柱式。,好的设施布置要认真进行流动规划，使之有效合理。物流合理化的一个重要原则是避免物流路径交叉。,39,流动模式,:,工作站内,考虑工作站内的流动模式要用动作分析和人因工程。工作站内的流动应当：,Simultaneous,同时,:,协调手、手臂和脚的动作,coordinated use of hands, arms and feet.,Symmetrical,对称,:,协调身体两边的动作,Natural,自然,:,移动是连续的、曲线式的并利用运动惯量,Rhythmical and Habitual,节奏性和习惯性,:,移动应当方法得当且有先后次序，要减少手、眼和肌肉的负担与疲劳,流动模式,:,部门内,部门内的流动模式取决于部门的类型,对产品原则布置和成组单元布置，流动模式就是产品流,前流（,End-to-end,）、背流（,Back-to-back,）、折返流（,Front-to-front,）、环流（,Circular,）和角流（,Odd-angle,）,1 machine/operator,1 machine/operator,2 machines/operator,1 machine/operator,More than 2 machines /operator,END-TO-END,BACK-TO-BACK,FRONT-TO-FRONT,CIRCULAR,ODD-ANGLE,对于一个操作者一个工作站的情况可以采用前流、背流和纯角流模式；,对于一个操作者看管两个工作站的情况宜采用折返流模式，,而对于一个操作者看管多个工作站的情况宜采用环流模式。,42,对工艺原则布置，工作站间的流动应当尽量少，流动应当在工作站和通道之间,Aisle,Aisle,Aisle,Dependent on,interactions among workstations,available space,size of materials,Uncommon,Aisle,Aisle,One way,One way,PARALLEL,PERPENDICULAR,DIAGONAL,44,5,种基本的流动模式,部门间,直线形是最简单的流动模式，它将入口和出口分开。,L,形适用于设施或建筑物不允许直线流动的情形。,U,形最大的好处是收发口在同一位置，有利于物料搬运，人员、搬运设备和站台都可以只建一个，形成既不占很大空间又具有高速度的生产线。它能减少工人数量，还是一种有利于,JIT,布置的物流模式，工人位于,U,形的中心，因而可以互相看到彼此的进展且易于合作。,环形流动模式常见于由物料搬运机器人服务的制造单元中，,S,形则常用于长的流水装配线布置。,Flow Patterns,Store,Turning,Milling,Press,Plate,Assembly,Warehouse,Stores Turning Milling,Warehouse AssemblyPlate,Press,Stores Press Plate Assembly,Turning MillingWarehouse,Stores Milling Warehouse,Turning Press Plate Assembly,Straight-line flow,U-shaped flow,W-shaped flow,S-shaped flow,考虑出入口位置的设施内流动,At the same location,On adjacent sides,Flow within a facility considering the locations of entrance and exit (cont.),On the same side but at opposite ends,On opposite sides,竖直流动模式,Vertical Flow Pattern,Flow between buildings exists and the connection between buildings is elevated,Ground level ingress (entry) and egress (exit) are required,Ground level ingress (entry) and egress (exit) occur on the same side of the building,Travel between floors occurs on the same side of the building,Some bucket and belt conveyors and escalators result in inclined flow,Backtracking occurs due to the return to the top floor,流动规划,要规划有效的流动涉及到上节介绍的各种流动模式的组合，并要留有足够的通道以满足从起点到终点的畅通移动。,有效的流动要遵守以下的原则：有向流的路径最大化原则，流量最小化原则，流动成本最小化原则。,Uninterrupted flow paths,Interrupted flow paths,有向流的路径最大化原则,有向流路径是从起点到终点、连续不中断的流动路径。这里不中断是指不与其他路径交叉。从起点到终点的有向流路径还应当是没有回退的路径。,Flow Planning (cont.),最小流量原则就是工作简化原则在物料流动中的应用。这一原则包括以下内容：,消除不必要的流动。通过规划使得物料、信息和人员的交付直接发生在最终使用点，消除中间步骤。,多次流动最小化。通过规划使得两个连贯使用点之间的流动尽可能次数少，最好是一次。,尽可能合并流动和作业。通过规划使得物料、信息或人员的移动与下一步骤合并。,流动成本最小化原则：,尽量减少手工搬运，包括尽可能减少行走次数、距离和动作；,通过流动过程的机械化和自动化，尽量消除手工搬运,流动成本最小化原则则要综合考虑人工搬运和机器搬运甚至全自动搬运的方式和成本，平衡工人的生产时间和搬运时间。,选择流动模式时主要考虑收发口、场地和建筑物的限制、生产流程和生产线的特点、通道和运输方式等。,实际设施布置的流动规划常常是上述几种模式的组合。,如组合成分枝和脊柱式，最适用于离散制造中部件和产品的装配，分枝为部件装配，主干为总装，两边对称的分枝就是脊柱式。好的设施布置要认真进行流动规划，使之合理有效。,5.3.2,空间与人员需求,现代制造技术使得生产、存储和办公的空间需求发生了显著的变化。,空间需求的减少主要原因是：, 更小的批量和集装单元大小来配送到使用点, 在使用点设置分散化的存储区；, 库存保有量更少, 采用更高效的布置安排方式（如制造单元）, 公司规模减小, 共享式办公室和电信技术的采用。,确定空间需求,采用“从下到上”的系统的方法。,对制造和办公设施，空间需求的确定要先从单个工作站开始，然后才是工作站集合而成的部门需求。,在确定仓储作业的空间需求时，则要考虑库存水平、存储单位、存储方法和策略、设备需求、建筑物条件和人员需求,因为存在多种不确定因素，各部门人员为求稳妥，给出的空间需求数据都偏大。,设施规划人员面对未来的不确定因素，要预测真正的空间需求就很困难。,工作站空间 设备、物料、人员,入口,部门空间,并非各工作站空间的简单相加,工作站之间有很多空间可共享,每个部门内需要有内部物料搬运的通道空间。在布置还没有确定时，可以根据经验估算通道的空间需求,通道需求：,货物最大面积,1.5m2,加,30-40%,5.4,流水线平衡与设计,流水线已在世界各国广泛应用，并且在内容和形式上不断地创新。,本节内容：,流水线相关概念：期量标准、节拍规则、分类。,流水线平衡：问题描述、基本方法、韩,-,伯方法、进一步探讨,流水线设计：平面布置、搬运设备、传送带与式作站布置类型、传送带速度计算、示例。,59,5.4.1 流水线相关概念,一、期量标准,也称作业计划标准，是经过科学分析和运算，对加工对象在生产过程中的运动所规定的一组时间和数量标准。,先进合理的期量标准是流水线设计和运行的基本保障。,流水线期量标准包括：节拍、作业指示图表、在制品占用量定额。,节拍,Takt time,指流水生产一件产品所需的时间，即一天的工作时间除以一天要生产产品的数量。,一天的所需生产数量是根据生产计划来确定的，而生产计划是基于市场预测和订单情况制定的。,生产节拍实际是一种目标时间，是随需求数量和需求期的有效工作时间变化而变化的，是人为制定的。,节拍是不能测量的，而是要计算的。,节拍,=,每日有效工作时间,/,计划每日产量,年产,6,万台发动机的节拍？,考虑稼动率和合格率,节拍,=,每日有效工作时间,生产线稼动率,计划每日产量,/,合格品率,稼动率,Performance Rate,：设备实际工作时间与有效工作的时间的比值，去掉无效时间,downtime,利用节拍，我们能够平衡不同资源的负荷并识别瓶颈。而通常把流水线中生产节拍最慢的环节叫做“瓶颈”（,Bottleneck,），瓶颈限制了流水线的产出速度。,概念比较,节拍周期时间节距时间,周期时间（,Cycle Time,）反映流水线的生产速度，以生产一件产品所需要的时间（秒）来表示。,周期时间是可以测量的，它可以小于、大于或等于节拍时间。,在组织同步化生产过程中，一定要追求生产周期与生产节拍的基本一致，否则会产生浪费。,周期时间是生产效率的指标，比较稳定，它受一定时期的设备加工能力、劳动力配置情况、工艺方法等因素影响，只能通过管理和技术改进才能缩短。,节距时间,(Pitch Time),是流水线传送带流过两相邻工作站的时间，一般取节距时间等于周期时间,（,2,）作业指示图表,为确保流水线按规定的节拍工作，必须对每个工作地详细规定它的工作制度，编制作业指示图表,作业指示图表对提高生产效率、设备利用率、减少在制品起着重要作用。指示图表根据节拍和工序时间定额来确定。,最常见的是,SOP,（,Standard Operation Procedure,），即标准作业程序或作业指导书，将作业标准操作步骤和要求以统一的格式描述出来，用来指导和规范日常的作业。,标准是尽可能地将相关操作步骤尤其是关键控制点进行细化、量化和优化。,SOP,根据流程图、具体工艺和质量控制等来制定,SOP,2,50s,节拍规则,节拍按周期时间和机器速度人为制定，那么多少节拍是最合适的呢？,全自动化的流水线，节拍主要由机器速度来决定,对以人为操作、看管为主的流水线则有,5060s,的最优范围。,如日本丰田市就有,14,家丰田工厂，但很多工厂只生产一班，少量两班，但绝无三班。为什么不采用一半的节拍，产量加倍、工厂资产减半？,经验表明，重复性手工作业的周期时间最好不要低于,50s,。当需要更多的产量时可以加班，或设置慢节拍的生产线（如两条,90s,的而不是一条,45s,的）应对产量的波动。,50s节拍的优越性,1,）生产率（,Productivity,）。,动作浪费比例小，,3s/30s=10%,与,3s/50s=6%,可容许，比例适当，还有调整回旋的余地。,更长的节拍则导致产出率难以达到一定的规模。,实践表明节拍在,50,多秒的流水线比更快节拍的流水线，在生产率上可提高,30%,2,）安全与人因工程（,Safety & Ergonomics,）。短时重复操作易致人体有关部位的累积性疲劳与伤害。更宽的范围（如,50-60s,）内容多变，肌肉组织有恢复时间。动素分析，在,50s,内分配的操作要素既不单调，也不太多正适合操作工人掌握和形成连贯动作。,3,）质量（,Quality,）。几项操作由一人做，会更注意质量,4,）员工士气（,Morale,）。实验表明，在其他条件一致的情况下，工人重复完成,54s,周期的作业比,27s,的更具有工作成就感。,卓别林的喜剧,3,流水线分类,福特流水线与T型车,流水线发明百年来给生产效率带来了巨大的提高，世界各国广泛采用，也产生了各种各样的流水线。,流水线可按多种形式分类，如按生产对象、移动方式、转换方式、节拍等。,分类标志,对象移动方式,对象数目,对象轮换方式,连续程度,节奏性,机械化程度,连续,流水线,间断流水线,自动流水线,手工流水线,机械化流水线,粗略节拍流水线,自由节拍流水线,强制节拍,流水线,固定,幻灯片,129,流水线,移动,幻灯片,130,流水线,流水线,Assembly line,单一对象,幻灯片,131,流水线,多对象流水线,可变流水线,不变流,幻灯片,132,水线,成组流水线,Better,5.4.2,流水线平衡,流水线规划设计的核心是流水线平衡。,所谓流水线平衡就是把作业要素进行适当合并，并分配给每个工作地，使各工作地的作业时间等于周期时间或周期时间的整倍数。,（Assembly Line Balancing，ALB）,ECRS(消除、合并、简化、重排),生产线平衡-目的,物流快速,縮短生,产,周期,減少或消除物料或半成品周轉場所,消除生產瓶頸,提高作業效率,提升工作士氣,改善作業秩序,穩定產品質量,1问题的描述,装配一个工件所需要的所有工艺分为,n,项作业（,tasks,），它们形成集合,V,= 1,n,。作业是最小的独立工作单元，对一项作业,j,，都有一个作业时间,t,j,。,由于装配工艺的要求，作业顺序并不是任意的，而是有一定的先后次序，我们可以用先后次序图（,Precedence Graph,，也称前列图）来表示。,可行的平衡方案要满足先后次序约束。集合,S,k,表示分配给工作站,k,的所有作业，这些作业的合计时间为该工作站时间。,流水线,100%,平衡时，所有工作站的周期时间都等于流水线周期时间,C,。,如果不是,100%,平衡时，工作站的周期时间只能小于流水线周期时间，这时会有非生产性的空闲时间（,Idle Time,）。对工作站,k,，它的空闲时间为,C,t,(,S,k,),。显然要提高平衡率，必须尽量降低全部工作站的空闲时间。,为组合优化问题，难以求解，常用启发式算法,生产周期时间和最少工作站（或工作地点）数目，接下来才是按不同方法确定工作站的作业分配。,第一步：确定工作周期时间,C=H/Q,H,每天生产时间；,Q,每天在,H,时间内要求的产量；,第二步：确定最少工作站数目,K,0,注意实际分配工作站数,m,K,0,）；,t,sum,完成一件产品全部作业的时间总和。,完成工作站分配后，要计算流水线效率（也称为平衡率）。流水线效率为全部作业的时间总和与实际工作站总数,m,与周期时间乘积的百分比，即：,*,简单的手工作业,*,各作业各配置1名作业人员,*,日工作时间,: 480,分,*,Neck,（,瓶,颈,）,作业,:,第,5,号工程,(42,秒,),*,流水线平衡率,LB=(30+32+31+33+42+33+34+35+31+36)/(4210),100,%,=337/420,100,%,=80.2%,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,5,10,15,20,25,30,35,40,时间,(Seconds),31,32,31,33,42,33,34,35,31,36,2基本平衡方法,以例说明,某手推车要在一个传送带流水线上组装，每天需生产,500,辆，每天的生产时间为,420min,。下图是该手推车的装配网络图（双代号），请根据周期时间和作业次序限制，求使工作地数量最小的平衡方式。,确定工作站节拍,= 42060,500 = 50.4,（,s,），则周期时间,C,也要达到,50.4s,。,计算满足节拍要求的最少工作站理论值（取不少于计算值的最小整数）,K,0,=,t,sum,/,C,= (45+11+9+50+15+12+12+12+12+8+9),50.4 = 195,50.4 = 3.874,选择作业分配规则，以确定流水线平衡。,规则,1,：优先分配后续作业较多的作业,先对作业进行排序,分配各工作站的作业，分配结果如下,作业,剩余的未,分配时间,工作站,1,作业,时间,可行的,遗留作业,最多的,后续作业,操作时间,最长的作业,A,45,5.4,C,=50.4,K,0,=4,无,工作站,2,D,50,0.4,无,作业,时间,A,45,B,11,C,9,D,50,E,15,F,12,G,12,H,12,I,12,J,8,K,9,工作站,3,B,11,39.4,C, E,C, E,E,E,15,24.4,C, H, I,C,C,9,15.4,F, G, H, I,F, G, H, I,F, G, H, I,F,12,3.4,工作站,4,G,12,38.4,H, I,H, I,H,12,26.4,I,I,12,14.4,J,J,8,6.4,工作站,5,k,9,41.4,计算流水线平衡后的效率,E,1,=195,(550.4) =77%,合计,195,高吗？,由于平衡效率不高，根据规则,2“,优先分配操作时间最长的作业,”来确定,作业,剩余的未,分配时间,工作站,1,作业,时间,可行的,遗留作业,最多的,后续作业,操作时间,最长的作业,D,50,0.4,C,=50.4,K,0,=4,无,工作站,2,A,45,5.4,无,作业,时间,A,45,B,11,C,9,D,50,E,15,F,12,G,12,H,12,I,12,J,8,K,9,工作站,3,E,15,35.4,B, H, I,B,H, I,H,12,23.4,B, I,I,I,12,11.4,B,F, G, H, I,F, G, H, I,B,11,0.4,工作站,4,C,9,41.4,F, G,F, G,F,12,29.4,G,G,12,17.4,J,J,8,9.4,k,9,0.4,合计,195,2,5,6,1,3,4,4,4,4,7,6,F, G,G,K,工作站间时长优先,工作站内考虑约束,计算流水线平衡后的效率,E,2,=195,(450.4) =97%,79,3,韩格逊,-,伯尼法,也称位置加权法或矩阵法。,首先根据先后次序图求出每个作业单元的位置权值,(Ranked Positional Weight),作业时间与其后续所有作业时间的总和，然后根据位置权值的高低进行作业安排，优先安排权值高的作业，从而尽量减少工作站数。,例现拟在传送带上组装某部件。该部件每天需组装,369,台，每天的生产时间,480min,。装配顺序及装配时间如下表。根据周期时间和作业顺序限制，求工作站数最少情况下的平衡流动及装配线效率。,80,作业,作业时间,紧前工序,说明,1,50s,-,吊运箱体、定位,2,25,1,装入齿轮,3,20,2,放入前浮动膜片,4,30,2,放入后膜片,5,25,3,4,安装后盖,6,25,5,安装前盖,7,12,6,拧紧螺栓、螺母,8,14,6,拧紧螺栓、螺母,9,20,7,8,装连接盘,81,解 共,4,步,(1),确定周期时间和最少工作站数,将已知的数据（,该部件每天需组装,369,台，每天的生产时间,480min,）,代入得周期时间：,C,=,H,/,Q,=480*60/369=78,秒,用下式计算满足周期时何要求的最少工作站数：,K,=,t,/,C,=(50,25,20,30,25,25,12,14,20)/78 =2.833,故最少需,3,个工作站。,82,(2),画出其先后次序图和先后次序矩阵表。,依照装配程序表的要求可以画出先后次序图。图中圆圈为作业，箭头为操作顺序。,83,装配先后次序矩阵表,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,+1,-1,领先,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,延后,-1,0,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,0,0,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,0,0,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,0,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,-1,-1,84,(3),完成位置权值计算,1,2,3,4,5,6,7,8,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,+1,-1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,0,+1,+1,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,0,0,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,0,0,+1,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,0,+1,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,+1,+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,+1,0,-1,-1,-1,-1,-1,-1,0,-1,-1,T,i,秒,50,25,20,30,25,25,12,14,20,pw,a,221,171,116,126,96,71,32,34,20,14,12,25,25,30,20,25,50,20,t,i,位置权值,pw,a,为该单元及所有带,+1,单元时间之和,位置权值矩阵表,85,(4),分配工作站的作业，平衡装配线,工作站,K,1,1,2,2,2,3,3,3,3,单元时间,t,i,秒,50,25,20,30,25,25,12,14,20,装配线平衡表,1,2,3,4,5,6,7,8,9,单元,i,221,171,116,126,96,71,32,34,20,位置权值,pw,a,-,1,2,2,3,4,5,6,6,7,8,紧前,单元,工作站时间,t,i,秒,50,75,50,30,75,25,51,39,71,平衡,延迟秒,28,3,28,48,3,53,27,39,7,递减顺序,按位置权值递减的次序，在满足先后次序限制的条件下，指派尽可能多的单元至一工作站，直至接近该站的周期时间。,=,周期时间,(78,秒,)-,工作站时间,86,装配线效率,=,完成作业所需时间总和,/,（实际工作站总数*节拍）,=,我国企业的普通流水线平衡率一般在,80%,左右，而日本等国家的先进企业普遍在,90%,以上。,这一差距不仅反映在流水线设计与平衡上，更反映背后的生产工艺、技术水平、组织管理和生产计划等多方面的不足。这需要我们不断的努力。,4流水线平衡问题进一步探讨,流水线平衡问题的线段表示,(a),先后次序图,(b),工作站及周期时间,(c),平衡的工作站作业分配,来源,：,Dyckhoff H, 1990. Typology of cutting and packing problems. European Journal of Operational Research, 44 (2), 145-159,流水线平衡问题与下料问题都是属于切割与装箱问题,流水线平衡问题当然可以用计算机编程来计算，如,COMSOAL,（,Arcus AL, 1966. COMSOAL: A Computer Method of sequencing Operations for Assembly Lines.,International Journal of Production Research, Vol. 4, No 4,）和,ASYBL,（,General Electrics Assembly Line Configuration program,）在美国广泛使用，可以处理上千的作业单元问题。,但对简单问题可以用,Excel,和,VBA,来编制简单程序计算，十分方便。,sample,自平衡装配线与消防队传递作业法（,Bucket brigades,）。,GATECH,与传统流水线平衡找瓶颈再分配的方法不同，这种方法吸取蚂蚁、蜜蜂等社会性动物传递作业的本能经验，按工作量来自平衡流水线，协调人员劳动强度。,如同消防队救火时传递水桶一样，工人按作业快慢排序，最慢的排在流水线的始端，最快的在终端。,装配启动时，每一工人都独立开始一件产品的装配。最后的工人（最快）完成之后，接手他前面人的产品，如此传递，第一个工人再开始新的一件装配。,这样所有工人都会获得最佳工作量分配，整个流水线产出率最高,Bucket brigades,方法不需要复杂的测时和平衡工作，生产灵活，产出率高，值得研究,上面探讨的都是简单的流水线平衡问题（,SALP,），更一般的问题还要考虑诸如,U-,形流水线、区域限制、学习曲线、随机作业时间、并行工作站和其他工艺方案等。,由于流水线在企业的普遍应用，流水线平衡问题在理论上和实际应用都有很重要意义。,流水线平衡问题还在不断发展中，典型的有再平衡问题，如在我国很多劳动密集型流水线工人流动很频繁，如何在新工人不断加入的情况下，按照流水线平衡和学习曲线的原理，随时对流水线进行再平衡,解决流水线平衡问题，尤其是改善时可使用山积表。,所谓山积表就是用柱状图表示顺序排列的各项作业所用的时间，从中查找动作和时间的浪费，重新对作业的顺序进行有效组合，以提高作业效率、减少或调整劳动负荷和减少人工成本的一种管理技术工具。,山积表分为负荷山积表和要素山积表。,还有部装线（,feeder or subassembly lines,）与总装线的混合平衡问题也是离散型装配工厂经常碰到的问题；,以及综合考虑流水线平衡与进线上料（如第三方物流直供上线、,Just-In-Sequence,上线）的流水线布置设计问题；多工艺路线的处理和拆装线平衡（,Disassembly line Balance, DLB,）问题等等,平面布置,搬运设备,传送带与工作站布置类型,5.4.3 流水线设计,传送带速度计算,设计示例,1,、流水线的平面布置设计,进行流水线平面布置设计时应遵循以下原则：,有利于工人操作方便；,在制品运动路线最短；,有利于流水线之间的自然衔接；,有利于生产面积的充分利用。,这些原则同流水线的形状、流水线内工作站的排列方法、流水线的位置以及它们之间的衔接形式有密切的关系。,流水线的形状直接反映流动模式。每种形状的流水线在工作站的布置上又有单列和双列之分。,93,流水线单列和双列直线布置示意图,94,单列直线形流水线，多在工序数少、每道工序的工作站也少的条件下应用。这种平面布置的主要优点是安装和拆卸设备方便；容易供应毛坯；容易取下成品；容易清除残料切屑；工作站同流水线的配合比较简单。,当工序与工作站的数量较多而空间的长度不够大时，可采用双列直线排列。,当工序或工作站更多时，可采用,L,形、,U,形和,S,形等布置。山字型常用于零件加工与部件装配相结合的情况，环形布置多采用于工序循环的情况下。,95,流水线内工作站的排列，首先应符合工艺路线，其次当每道工序的工作站为两个及以上时，就应当考虑同类工作站排列方法的问题。,如果有两个、四个同类工作站时，一般将它们分别列在在制品运输路线的两侧；如果有三个同类工作站时，可考虑采用三角形排列。当几台设备由一名工人看管时，应考虑工人作业的方便和巡回路线最短问题。,流水线的位置以及流水线之间的衔接，应根据加工、部装和总装和系统图所要求的顺序安排，尽可能使零件加工的完结处，恰好是部件装的开始处，而部件装配的完结处正是该部件进入总装的开始处，从而使所有流水线的布置符合产品生产过程的总流向。,96,上述流水线布置均指单层厂房的情况，若为多层厂房，流水线的布置形状又可分为上升型、下降型、升降机集中型、升降机分散型流水线等，以及这几种形式的组合型流水线。立体流水线通常人适用于小型且加工度较高的产品，如精密机械、电子和仪器仪表等。,在厂房的每一层中，按单层的情况考虑平面形状。,在现场布置中一定要考虑流动，不要形成孤岛。不考虑人和机器的平衡就推进自动化，这是造成孤岛的原因。,97,做好作业间的组合，实施能够互相支援的流动作业分配，才能达到,“,少人化,”,的目标。另外一人看守一台机器的话，无论怎样都会产生空手等待的浪费。因此，为了消除浪费，应让这位员工多拥有一台机器，在一台机器加工的期间，给另一台机器安装、取下零部件。,流水线的布置除遵循上述的一般原则之外，还必须考虑具体条件，如车间的生产面积、开间长度、设备种类、尺寸与数量、运输方式的种类与毛坯运入、成品运出的条件、通信设备与动力系统的位置等。,98,2 流水线物料搬运设备,流水线最典型的物料搬运设备就是传送带,强制节拍流水线,物料搬运设备,:,分配式传送带：单件制品的加工时间有轻微的变化，以一定保险在制品量来保证流水线的流畅性。,适合于产量较大的小型产品的生产,连续工作传送带：按照节拍要求的速度运行，产品的加工和装配都在传送带上进行，,用于产量较大的大型产品的生产,脉冲式传送带：时停时开，停止时进行加工和装配，开动和停止的周期与流水线的节拍相符，,适用于工序时间较长、产量不太大、产品精度要求较高的产品加工或装配,自由节拍流水线,：以一定量的在制品调节节拍的抖动。除了可以采用传送带外，还可以用滑道、滚道、手推车、运输箱等装置,粗略节拍流水线,：不采用自动化的物料搬运设备，可变路线的,MHE,， 缓冲区,3 传送带与工作站的布置类型,对于有多项作业的非固定节拍流水线，为了生产流的平稳，通常需要工作站本地暂存，这就使得流水线设计更加复杂和困难。传送带要同时满足周期时间长短不同的工作站的需要。,如果物料流动灵活性高，工人或机器人就能按自己的步伐来自由地完成工作。这就要求工作站模块设有集纳产品的容器和离线工作的缓冲空间，工人或机器人就不必赶上主流动节拍。,4,传送带速度的计算,Sc,=,Ls,/,C,Sc,为传送带速度，,Ls,为工作站沿传送带方向的长度，,C,为周期时间,流水线传送带的长度：,L,=,m,Ls,+,X,L,为传送带长度，,m,为工作站数量，,X,为传送带两端的富裕量。,例如某产品装配每个工作站需要,1200mm,的长度，该产品的周期时间为,1.5,分钟，则传送带速度为,0.8,米,/,分。而且此时每件产品在传送带上的间隔应为,1.2,米（称为节距线）。,若工作站长度不一，取平均值，或传送带分段处理,例,某流水线设计日产量为,800,件，工作时间为,8,小时制，其中午餐休息,45,分钟，上下午另外各休息,10,分钟,已知传送带上共有,16,个工作站，各工作站的平均间距为,1.44,米。,生产线的稼动率为,95%,，产品的装配合格率为,97%,。,试确定：,1,）该流水线的节拍；,2,）传送带速度。,1,）节拍,= (860 - 45 - 10 - 10)0.95/ (8000.97)0.5,分钟，则周期时间也取,0.5,分钟