基于制造系统功能的设施布局设计研究

论文摘要

设施布局设计是制造系统设计的重要组成部分,满足制造系统功能要求的布局设计将成为现代工厂设计的重要发展方向,具有广阔的市场应用前景。本文以建立基于制造系统功能的设施布局形式为研究目标,通过客户需求与制造系统功能的关系研究,将满足客户需求转化为实现制造系统功能,研究基于制造系统功能的设施布局拓扑结构形式,并对设施布局形式进行仿真与评价研究,为制造企业设计、选择合适的布局形式提供重要的理论依据和技术支撑。构建制造系统设施布局设计的框架体系,建立设施布局设计的研究层次。根据生产系统、制造系统与设施三者的关系,以制造系统设施布局设计为研究对象,将设施布局问题分为布局问题类型研究、布局形式研究和设备具体位置研究三个内容。建立并研究静态设施布局、动态设施布局和鲁棒性设施布局三类布局问题类型之间的相互转化关系。结合设施布局设计和可重构制造系统设计的相似之处,提出将设施布局问题分为新建厂房布局与现有车间布局两个研究层次,引入设备可重组性并对相应层次的布局方法进行研究。分析布局问题的研究范围,依据制造系统设施布局设计的研究对象,确定制造系统设施布局设计在设施设计理论体系中的位置。提出基于制造系统功能的设施布局设计方法。建立客户需求与制造系统功能、制造系统结构、设施布局设计之间的联系,将满足客户需求的制造系统设计问题转化为基于制造系统功能的设施布局设计问题。以制造系统功能的分类为依据,研究制造过程所体现的制造系统功能——功能质量、制造成本和按期交货。利用公理设计理论指导基于制造系统功能的设施布局设计过程,研究基于制造系统功能设施布局设计的用户需求、功能要求,分析两项功能要求——制造成本和按期交货的构成,提出基于制造系统功能设施布局的设计参数与工艺变量。研究公理设计理论和多目标优化理论,指出两者之间的从属关系,建议将两者用于设计过程的不同阶段。结果表明,公理设计理论可用于指导基于制造系统功能的设施布局设计过程,多目标优化设计理论可用于评价基于制造系统功能的设施布局问题。提出物理模型、数学分析模型和仿真模型相结合的模型结构,建立基于制造系统功能设施布局设计的数学分析模型。对制造系统设施布局设计的优化目标与约束条件进行研究,确定适合生产线的典型块状布局模型。在设施布局优化目标与数学分析模型映射关系的基础上,建立基于制造系统功能——制造成本和按期交货的设施布局数学分析模型。研究结果表明,基于制造成本的设施布局数学分析模型包括最小化物料传输费用模型、最大化面积利用率模型、最大化设备利用率模型和最大化工人工时利用率模型,基于按期交货的设施布局数学分析模型为最小化物料传输时间模型。研究设施布局形式的拓扑结构。针对不同的分类标准,研究设施布局形式的适应范围、优缺点。借鉴计算机网络拓扑结构与制造系统的物料流动形式,预测制造系统设施布局的可能存在形式。利用拓扑学中图形的拓扑性质,用图形的同胚性证明两种布局形式的拓扑性质相同,用拓扑不变量证明两种布局形式是不同胚的,从图形的同胚性与拓扑不变量两方面对预测的设施布局形式进行修正,建立制造系统设施布局的拓扑结构形式。研究结果表明,制造系统设施布局的拓扑结构形式包括总线型(单行与双行)、网型、环型、星型与树型。对基于制造系统功能的设施布局设计进行应用研究,建立活塞117生产线的仿真模型,对仿真结果进行评价。以活塞117生产线布局形式拓扑结构的物理模型为基础,结合基于制造系统功能的设施布局设计数学分析模型,在Deneb/QUEST软件平台上建立其仿真模型,仿真研究基于制造系统功能的设施布局形式。建立基于制造系统功能的布局形式两层评价指标体系,利用熵值法确定各层评价指标的权重。得到如下研究结果:为使活塞117生产线实现较低制造成本,选用环型布局形式;为实现较短交货期,选用半圆形布局形式;为实现较优的综合效益,则选用环型布局形式。本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金“快速可重构活塞自动生产线的虚拟设计(20040422023)”和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金“面向对象的虚拟可重构多生产线规划设计与仿真的研究(2005BS05001)”的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 设施布局问题的研究现状
• 1.2.1 设施布局问题研究概述
• 1.2.2 设施布局问题类型的研究现状
• 1.2.3 设施布局形式的研究现状
• 1.3 计算机仿真技术在设施布局中的应用现状
• 1.4 设施布局设计评价技术的研究现状
• 1.5 存在问题
• 1.6 研究内容与论文结构
• 第2章 制造系统设施布局设计的框架体系
• 2.1 设施布局涉及的基本概念
• 2.1.1 生产系统与制造系统
• 2.1.2 制造系统的特性与分类
• 2.2 设施布局设计的体系结构
• 2.2.1 设施设计与布局设计
• 2.2.2 制造系统设施的布局设计
• 2.2.3 设施布局设计的研究层次
• 2.3 制造系统设施布局问题的起因
• 2.4 设施布局问题的类型
• 2.4.1 静态设施布局问题
• 2.4.2 动态设施布局问题
• 2.4.3 鲁棒性设施布局问题
• 2.5 设施布局问题类型的关系研究
• 2.5.1 静态设施布局问题与动态设施布局问题的关系
• 2.5.2 动态设施布局问题与鲁棒性设施布局问题的关系
• 2.5.3 设施布局问题类型之间的关系
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于制造系统功能的设施布局设计方法
• 3.1 制造系统的功能
• 3.1.1 竞争优势与制造系统功能的关系
• 3.1.2 制造系统功能与设施布局的联系
• 3.1.3 制造过程所体现的制造系统功能
• 3.2 设施布局设计的理论基础
• 3.2.1 公理设计理论
• 3.2.2 多目标优化设计理论
• 3.2.3 公理设计理论与多目标优化设计的关系
• 3.3 基于制造系统功能的设施布局设计过程
• 3.3.1 基于制造系统功能的设施布局设计方法
• 3.3.2 基于制造系统功能设施布局设计的用户需求
• 3.3.3 基于制造系统功能设施布局设计的功能要求
• 3.3.4 基于制造系统功能设施布局设计的设计参数与工艺变量
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于制造系统功能的设施布局建模方法研究
• 4.1 设施布局问题的优化目标与约束条件
• 4.1.1 设施布局问题的优化目标
• 4.1.2 设施布局问题的约束条件
• 4.2 设施布局问题的建模方法与模型
• 4.2.1 设施布局问题的建模方法
• 4.2.2 设施布局模型的分类
• 4.3 基于优化目标的生产线设施布局数学分析模型
• 4.3.1 生产线设施布局的二次分配模型
• 4.3.2 生产线设施布局建模前的准备工作
• 4.3.3 优化目标与设施布局模型的映射
• 4.4 基于制造系统功能的设施布局数学分析模型
• 4.4.1 基于制造成本的设施布局数学分析模型
• 4.4.2 基于按期交货的设施布局数学分析模型
• 4.5 基于制造系统功能设施布局的功能独立性
• 4.5.1 功能域内功能要求与优化目标之间的映射
• 4.5.2 制造系统功能独立性研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 设施布局形式的拓扑结构研究
• 5.1 设施布局形式的分类
• 5.1.1 基于物流路径的布局形式
• 5.1.2 基于设备位置关系的布局形式
• 5.1.3 基于约束的布局形式
• 5.1.4 基于设备排列与物流路径的布局形式
• 5.2 制造系统的物料流动形式
• 5.3 网络拓扑结构
• 5.3.1 网络拓扑的概念与分类
• 5.3.2 网络拓扑结构的特点
• 5.4 设施布局形式的拓扑性质
• 5.4.1 设施布局形式
• 5.4.2 拓扑变换及图形的拓扑性质
• 5.4.3 基于拓扑不变量研究设施布局形式
• 5.4.4 基于拓扑性质的设施布局形式分类
• 5.5 设施布局形式的拓扑结构模型
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于制造系统功能设施布局设计的应用
• 6.1 应用实例——活塞117生产线简介
• 6.1.1 活塞117生产线工序时间安排
• 6.1.2 活塞117生产线的基本数据
• 6.2 基于QUEST的活塞117生产线设施布局设计仿真
• 6.2.1 活塞117生产线设施布局形式物理模型
• 6.2.2 活塞117生产线的设施布局设计仿真过程
• 6.2.3 活塞117生产线的仿真参数设定及假设
• 6.3 基于制造成本的活塞117生产线布局设计
• 6.3.1 物料传输费用的仿真分析
• 6.3.2 面积利用率的仿真分析
• 6.3.3 设备利用率的仿真分析
• 6.3.4 工人工时利用率的仿真分析
• 6.4 基于按期交货的活塞117生产线布局设计
• 6.5 活塞117生产线设施布局形式的综合评价
• 6.5.1 设施布局形式评价指标体系的建立
• 6.5.2 多种设施布局形式的综合评价
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研情况
• 一、攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 二、攻读博士学位期间所参与的科研项目
• 三、攻读博士学位期间所获得的奖励
• 致谢
• 已发表英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表