摘要：在工厂布局中，布局设计实质上是物流模式设计。在机械加工的过程中，布局设计是一项非常重要的环节，实际生产的顺利与否、相关成本的高低和布局方法的好坏有着很大的关系。因此，本文首先对机械加工设备布局优化方法进行了研究，接着对相关的仿真技术进行了研究。希望能够提供相关的借鉴。
关键词：机械加工；设备布局；仿真；研究
引言
我国最近几年一直在提倡智慧工厂、智能工厂，也有很多企业在抓紧机遇进行工厂升级，而这其中的关键点也就是工厂布局受到了很大的挑战，一个好的工厂布局能够给工厂升级提供非常大的帮助。在现阶段的智慧工厂中，主攻的方向是智能物流，而物流的模式就是布局，所以就要对机械加工设备的布局进行优化。仿真技术的出现给机械加工设备布局优化工作提供了极大的便利，也使布局优化工作更加简单。本文主要对布局优化和仿真技术进行分析。
1.机械加工设备布局优化研究
1.1物流模式分析
在前文中提到了布局设计实质上是物流模式设计，在工厂中，布局追求的主要目标是最小化物料搬运成本。主要物流模式有以下6种：
最简单的形式是直线型，缺点是接收与输出时的地点与人员是分离的。当场地与生产线的配置需要的时候，L型物流模式可以替代直线型。U型物流模式的优点是接收与输出在于同一位置。圆型类似于U型。当整条生产线对场地需求过大时，其他物流模式都不适用，剩余的两种模式可能适用。
1.2布局类型分析
不同的布局设计原则适用于不同的制造环境。在机械加工工厂，可分为：固定布局、产品布局、工艺流程布局、成组布局四种。固定布局适用于太大的产品，不易搬运的产品，所以产品固定放置而布局随产品的大小尺寸而设计，例如：大型飞机、轮船、建筑等。产品布局适用于典型的大批量生产模式，是流式大量生产的理想模式，生产节拍最快。缺点是换线即贵又不易改变，换线时间长，线上某处停滞整条线就会停机直到问题解决。工艺流程布局在中小规模制造中最为普遍，是将拥有相似功能的相似机器放在一起，原则有最小化机器闲置时间的优点，缺点是物流模式多变。成组布局，近几年随着小批量、多品种按需生产的需求，自动化工厂与柔性制造系统的不断发展，成组布局得到了非常大的发展。实施成组布局，产品必须按照制造中的功能和设计的相似性区别开来分成不同的产品簇，根据产品簇的共性设计适合的布局。优点在于降低在制品库存、减少调整时间、减少物料搬运成本、更好的排程。缺点在于很难决定合适的产品簇、机器数量的成倍增加。
1.3布局定量分析
传统的布局方法采用定性的方法较多，诸如模型、沙盘等，总的来说主要依靠个人经验和简单分析，偏重直观判断。发展至今，定量分析在布局中的应用应运而生，典型的定量分析有活动关系表和从至表。其中活动关系表使用图形的方式来描述相互关联的操作对位置的需求，临近程度显示在活动关系表中，活动关系表可为每对设备详细制定适合的接近程度。从至表用于分析各设备间的物料流。最普遍的两种形式是设备间的距离表和每天设备间的物料搬运频度表。
1.4布局优化分析
第一步，绘制原型布局，收集产品信息、生产路径、需求预测、生产批量等信息统计到数据库里，这样在后续优化设计中能够直接从数据库里提取数据，极大方便了工作。
第二步，将收集到的信息转换成从至表，给出每天设备间的搬运次数，设备与设备中心之间的距离。根据搬运的单位成本，计算出每天物料搬运成本的从至表。
第三步，根据物料搬运成本的从至表，获得活动关系表，只使用A，E，I，O，U 5种层级，A表示最多的成本，U表示最少的成本。
第四步，根据活动关系表，按照设备需求面积，调整两两设备相邻距离，再重新计算从至表，分析优化后与优化前的数据。可以一直循环优化，在产品的不同生命周期，产品信息也在不断的变化，设备布局是在一个相对更优的方向进行调整。
2.机械加工设备布局仿真技术
在以上分析中，当涉及到的范围越来越广，设备越来越多的时候，信息的数据会非常大，靠人工去分析将会非常复杂，这时应用计算机辅助布局设计进行求解将会节约很多时间和成本。计算机辅助布局求解分为两类：改进型和构建型。改进型方法是对已有布局，通过改变其中多个设备的位置来观察效果，得到一个以降低物料搬运成本的布置方案。构建型方法是从物流数据、活动关系表的信息出发，采用优先评价法进行设计，往往得到的是一个特殊形状的布局设计。本文是基于原有布局的基础上进行优化研究，将会着重讲述改进型方法。
改进型计算机辅助布局设计程序主要有CRAFT与COFAD两种，COFAD是对CRAFT的改进，考虑了设备利用率与成本，算法与CRAFT大致一样。
CRAFT算法的两个基本假设为：
（1）搬运成本与设备使用率无关；
（2）搬运成本与搬运距离呈线性相关；
当这些假设不能确定时，只有假定单位成本为1。
CRAFT算法的目标是使总运输成本最小化，这里的运输成本是由设备到设备之间单位物料搬运成本和两设备之间的距离决定的。在这里，设：n=设备数量；Mas=单位时间内从设备a到设备s的物料搬运量；Vas=设备a到设备s的单位距离单位物料的搬运成本；Las=设备a到设备s之间的距离；Yas=Vas·Mas为单位时间间隔内从a到s总物流量的单位距离搬运成本；Yas·Las为从a到s的物料搬运成本。所有设备之间的物料搬运成本为
由从至表中可以得出M和V，L可以通过初始布局计算出来。CRAFT算法是在初始布局的基础上，通过改变相邻设备的位置，计算物料搬运成本的改变量来实现的，这种算法通过两两交换设备的位置达到成本最小化。
结语：
因为机械加工设备布局过程中具有多种复杂的因素，而且计算机辅助布局程序本身有较大的局限性，不同的情况需要有不同的考虑，计算结果可以是一个很好的借鉴。
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论文作者:侯翰城
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
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