1、1,第5章 设施布置设计Facility Layout Design,2,引导案例,12600多个零件,12.6公里,36700道工序,3,引导案例,东风汽车公司前身是1970年代开始建设的第二汽车制造厂，它位于湖北省西北山地十堰市。十堰、襄樊、武汉、广州四大基地 二汽的22个专业厂分布于十堰市各山坳内，布局十分分散，东西距离近30公里。没有考虑汽车制造这种大物流量生产所必需遵循的“移动距离最小原则”，在生产系统规划与设计中没有进行正确的物流分析，在厂际间建设了70多公里的铁路专用线及与之配套的仓库等设施。最后，不得不用汽车运输取代了原定的厂际间的铁路运输。由于零件工艺线路长，专业厂相互之间复
2、杂的协作关系，加上厂房车间地域上的分散，东风公司的生产组织极其复杂，物流始终是压在企业肩上的一个重担。,4,十堰基地也给东风汽车公司的后续发展带来障碍，公司不得不另址规划其载重车和轿车的生产厂址，不过，通过总结教训和学习，从襄樊到武汉，公司工厂布置与设计已经发生了质的飞跃。,5,工厂基本建设是工厂生产的前提条件，没有工厂的基本建设，工厂要进行生产，并产出合格的产品是根本不可能的。可是工厂基本建设中，物流方面却占着相当大的比重。根据统计，二汽原十万辆设计中，物流设备占设备总台数的24.9%，物流设备的原价占全厂设备原价的16.1%；物流方面的面积占全厂工业建筑总面积约29%，物流方面的土建费用占
3、全厂一般土建总费用的47.6%。设备面积及其投资是工厂基本建设的主体，物流方面却占着很大一部分，看起来是建工厂，而实质上为生产服务的物流方面却是极其重要的组成部分。,6,“1984年我们曾分析过，在工厂管理成本中物流方面占31%，在全部生产成本中物流方面占10.4%，国外的汽车厂由于人工费用高，物流方面占的比重还要高。从上述例子中还可以看出，在物流方面降低成本的潜力是很大的。所以国外厂家总结出的一句名言是：“物流企业是获取利润的第三个源泉。”这名话是很有道理的”。,7,从工厂的布局和长远发展上看： 在物料数量确定之后，物料的运输或搬运的距离和场地的条件是实施物流的重要条件，因此企业在地理位置和
4、区域位置的布置、企业的总平面布置、车间和仓库的工艺布置是物流合理化的基础，同时物流也是上述各项布置的先决条件。工厂生产工艺路线是否合理，实质是物流是否合理的问题。在工厂地理位置的选择中，要把供、协、产、销、运紧密的结合起来。,8,国外汽车厂家在工厂地理位置和区域的选择时，都把物流作为一个重要的先决条件。例如，日本丰田汽车公事的主要工厂布置在丰田市周围的几十公里范围内，半小时的运输里程.法国贝利埃汽车公司布置在以里昂市为中心的75公里范围内，1小时的运输里程；苏联的高尔基、伏尔加、卡马河三大汽车基地，都布置在伏尔加河流域的水陆交通枢纽上；美国主要汽车公司的制造厂集中在底特律为中心沿大湖区的四五个
5、洲内，总装厂却分散在全国各地.通用和福特公司公别在全国设了25个和18个总装配厂，便于产品的销售。,9,5.1 布置决策,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：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
6、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。,10,一、设施布置的内容,设施布置最早起源于工厂设计。一个工厂的设施布置包括工厂总体布置和车间布置。工厂总体布置设计应解决工厂各个组成部分，包括生产车间、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，同时应解决物料的流向和流程、厂内外运输的联接及运输方式。车间布置设计应解决各生产工段（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、管线之间相互位置，同时，应解决物料搬运的流程及运输方式。,11,最早的设施规划与设计是工厂设计经验的总结，
7、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,设施布置的内容,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
8、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。,13,作业单位的层次,设施,部门,部门,部门,部门,块状布置图,详细布置图,工作地布置,14,“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
9、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)。,15,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。,16,二、设施布置的原则,设施布置的好坏直接影响整个系统
10、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。,17,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
11、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。,18,5.2 典型布置形式,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。生产设施的三种基本的布置形式：固定式布置产品原则布置工艺原则布置混合布置：成组原则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,19,1、固定式布置,固定式布置 (Fixed-Position Layout) 也称项目布置
12、，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。,20,21,22,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（生产标准化程度低）。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
13、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。,23,2、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。,24,图 汽车装配生产线,25,图4 汽车焊接生产线,26,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
14、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。,27,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
15、，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；可使用专用设备和机械化、自动化搬运方法；人力与设备得到了充分利用。缺点：主要在于但它要求较多的设备，一次性投资比较高，维修和保养费用高；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。,28,3、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
16、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。 适合多品种小批量生产,29,工艺原则示意图,30,图 钻削加工工段,31,图 车削加工工段,32,33,工艺原则布置的优缺点,工艺原则布置方式具有较高的柔性，无论是对产品品种、数量的变化，还是对于加工设备的故障响应，由于批量加工及闲置设备的存在，个别设备的故障或人员的缺勤不会对生产系统造成大的影响；设备维修费用较低，设备备用件数量
17、较低；操作人员作业多样化，有利于提高工作兴趣和职业满足感；但是，这种布置方式存在机器利用率较低、在制品的数量较高的缺点。同时，由于采用通用搬运设备，其运输效率低下，单位运输费用较高，单位产品的成本较高，整个生产时间必然较长，且整个车间的物流比较混乱；另外，这种生产模式对操作人员的技术水平要求较高，组织和管理工作也较困难。,34,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
18、共图书馆都属于这一类。,35,4、组合布置,上述三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。制造商在工艺原则布置的基础之上，向产品原则布置靠拢。这样，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。,36,1、成组原则布置（Group Layout）,成组原则布置在制造业中又称单元制造（Cellular Manufacturing），
19、是一种较为先进的布置方法。由于顾客需求的多样化，多品种、少批量生产模式已成为当前生产的主流。成组技术正是适应这种需要而发展起来的。,37,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，称作机器组。这些机器组即制造单元。成组原则布置可以认为是产品原则布置的缩影，是将工艺原则布置系统转化为接近产品原则布置系统。相比于工艺布置，由于经过分组，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。,38,成组原则示意图,39,成组原则布置优缺
20、点比较,优点：1、由于产品成组，设备利用率高2、流程通畅，运输距离较短，搬 运量少3、有利于发挥班组合作精神4、有利于扩大员工的作业技能5、兼有产品原则布置和工艺布置 的优点,缺点：1、需要较高的生产控制水平以平衡各单元之间的生产流程2、若单元间流程不平衡，需中间 储存，增加了物料搬运3、班组成员需掌握所有作业技能4、减少了使用专用设备的机会5、兼有产品原则布置和工艺原则布置的缺点,40,5.3 流动模式,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。(空间需求)流动模式可以分为水平和竖直的，如是单层设施，就只考虑水平流
21、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。,41,5种基本的流动模式,直线形 L形 U形 环形 S形,42,5种基本的流动模式,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.(重要性)它能减少工人数量，还
22、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，如汽车装配线。,43,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。,流动模式选择,44,5.4 流水线平衡与设计,流水线已在世
23、界各国广泛应用，并且在内容和形式上不断地创新。流水线的设计包括：技术设计（“硬件”设计）是指工艺路线、工艺规程的制订、专用设备的设计、设备改装设计、专用工具设计、运输传送装置的设计以及信号装置的设计等。组织设计（“软件”设计）是指流水线的节拍和生产速度的确定、设备需要量和负荷的计算、工序同期化设计、工人配备、生产对象运输传送方式的设计、流水线平面设计、流水线工作制度、服务组织和标准计划图表的制订等等。,45,这里主要介绍流水线的组织设计，它是进行技术设计的前提和依据，技术设计应当保证组织设计每一个项目的实现。当然组织设计时也要考虑技术设计的可能性，但都要符合技术上先进、经济上合理的原则。本课程
24、产品原则布置设计主要讲述两个问题：流水线的平面布置设计流水线平衡问题。,46,1、流水线的平面布置,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。,47,流水线单列和双列直线布置示意图,48,图 单列直线流水线布置,49,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；
25、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。,50,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
26、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。,51,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。,52,做好作业间
27、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。,53,为什么生产线平衡？,浪费时间资源；忙闲不均，引起矛盾；浪费人力资源。,节省时间；提高效率；降低成本。,生产线平衡,5分/件,54,装配线平衡（工序同期化） 流水线的节拍确定以后，要根据节拍来
28、调节工艺过程，使各道工序的时间与流水线的节拍基本相等或成整数倍比例关系。,装配线平衡步骤 确定装配线节拍（生产周期）计算装配线上需要的最少工作站的数目组织工作站（作业分配）,55,56,57,58,2.流水线生产平衡 （1）生产线平衡的定义,生产线的平衡：要根据产品设定工作站数目，再将各工作单元分配到工作站，并使各工作站分配的工作量大致平衡，而每个操作工人在工作站上完成指定工作单元的工作，同时要使得生产线所需得工作地和用工人数最少的方案。按萨尔凡森提出“在规定的装配线速度下，使总的空闲时间最少，或使做一额定工作量的操作人数最少以使平衡延迟最少”的原则进行装配线平衡调整。,59,流水线生产平衡方
29、法,1确定工作周期时间C。 C=H/Q 式中：H每天生产时间； Q每天在H时间内要求的产量； C周期时间。2确定最少工作站（工作地点）数目K， K= t /C 式中：K最少工作站数； t 完成作业所需时间总量。工作站的作业分配问题可使用三种规则：韩格逊-伯尼的位置权值规则、有限分配后续作业较多的作业、优先分配操作时间最长的作业,60,例4-1,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。,61,62,解 共4步,(1) 画出其先后次序图和先后次序矩阵表。依照装配
30、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。,63,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,-
31、1,-1,-1,-1,-1,0,-1,-1,64,(2) 完成位置权值计算,1,2,3,4,5,6,7,8,9,pwa,221,171,116,126,96,71,32,34,20,位置权值pwa 为该单元及所有带+1单元时间之和,位置权值矩阵表,65,(3) 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=(502520 302525121420)/78 =2.833故最少需3个工作站。,66,(4) 分配工作站的作业，平衡装配
32、线,工作站K,1,1,2,2,2,3,3,3,3,单元时间ti 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pwa,-,1,2,2,3,4,5,6,6,7,8,紧前单元,工作站时间ti 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,67,装配线效率=完成作业所需时间总和/（实际工作站总数*时间周期） =,其它两种分配规则的范例参见P123例5-1,68,本章复习重点,1.设施布置的内容2.设施、部门、工作中心、工作地的相互关系3.四种常见布置类型的概念（适用的场合、定义、主要优缺点）4.流水线平衡设计的方法,
