基于CATIA的三维工厂设计

1 绪论

三维工厂设计的原理就是通过辅助设计系统，在计算机上建立一套完整的工厂模型，并对该模型进行循环滚动的设计和检查，以发现并修改设计过程中的不合理成分，最终建立一个完美的工厂模型，并从中生成平面图、详图、剖面图、立面图、料表等各种设计产品文档。这一理论是非常诱人的，但是要实现这一目标，必须要有功能强大的专业软件作为开发平台，此外，还要有具备扎实专业知识的人员来使用。它如同一个庞大而复杂的机器，各个部件的运转以及部件之间的协调，都需要精心呵护才能达到预期目标。

一个企业要想保持长期发展，就必须不断进行产品创新和业务流程再造。CAD/CAM 是技术创新的重要手段之一，也是工厂设计等工业工程领域的有力辅助工具。作为一个完全集成化的软件系统，CATIA以其精确可靠的解决方案为工厂设计提供了完整的2D/3D 参数化建模，为用户提供了严密的无纸化工作环境，从而帮助用户达到了缩短生产周期，提高产品质量，降低生产成本的目的。

1.1 设施物流

当前，随着全球制造业向中国的转移，制造企业间的竞争更加激烈。对现代制造业而言，降低产品成本是企业在竞争中取胜的关键环节。合理规划企业设施的总体布局，实现工厂运输及物流系统的合理化，可以大大减少物流费用，对降低成本具有直接影响，工厂物流系统的优化与改造已成为众多制造企业管理者关注的焦点。

设施规划特别是其中的工厂设计着重研究工厂总平面布置、车间布置及物料搬运等内容，其目标是通过对工厂各组成部分相互关系的分析，进行合理布置，得到高效运行的生产系统，获得最佳的经济效益和社会效益。工厂作为一个生产系统是由人员、设备、技术等多种因素所构成，整个系统的效益即总投入与总产出之比应尽可能达到最高水平。因此，工厂布置设计就是一项多因素、多目标的系统优化设计课题。

由于社会需要的多样性，生产不同产品工厂的模式必然存在着差异，这就，给工厂布置设计带来了难题。系统布置设计(SLP)方法提供了一种以作业单位物流与非物流的相互关系分析为主线的规划设计方法，采用一套表达力极强的图例符号和简明表格，通过一套条理清晰的设计程序进行工厂布置设计。这种方法为设施设计人员与生产管理人员广泛采用，实践效果良好。系统布置设计不是一种严密的设计理论，而是一套实践性

非常强的设计模式和规范的设计程序。

在新建工厂或老厂改扩建时，采用一定的技术手段和方法对工厂总体布局及设施规划过程中的物流系统进行全面分析是非常必要的。在已确定的工厂空间产所中，通过将厂房、仓库、工厂大门、厂内道路、机器设备及各种辅助设施等生产要素进行合理安排和布置，使物流路线短捷，可以提高物料在场内运输、流转的效率，降低物流费用，从而降低产品的生产成本。

1.2 设施规划的性质与意义

1.2.1 研究性质

新建企业需要进行工厂布置。老企业随着产品的更新换代，品种产量的变化，新技术新工艺的应用，都需要对原有生产系统进行调整，改进原有的平面布置。

1)、新建与扩建企业

一旦选定了厂址，就需要进行全面的工厂布置。

2)、产品需求的变化

当产品需求量远远超过了现有生产系统生产能力时，就需要新建或扩建厂房。而产品需求量发生较小变化时，会使得原有生产系统出现不平衡现象，因此需要对生产系统进行调整。

3)、产品的更新与新产品开发

新产品投入生产后，原有生产系统的平衡被打破，而且新产品往往要求新的设备或新的生产线，因此需要对原有布置重新作出调整。

4)、新技术新工艺的引入

新技术新工艺的引入往往改变原有的生产工艺过程，进而影响物流系统工作状态，此时需要对生产系统进行改进乃至重新布置。

5)、生产系统发现薄弱环节

物流系统显著不合理，也有必要进行局部的平面布置。

此外，还有许多诸如安全因素、环境因素等都可能要求对生产系统进行重新布置。

1.2.2 研究意义

合理的平面布置，能够充分发挥生产系统的生产能力。若一个不合理的平面布局投入使用就需要经常改建和调整，会给生产造成混乱，阻碍生产效率的提高，因而增加生产成本。最佳的生产系统布局可以取得以下效果：

第一，缩短流程时间：由于各台生产设备保持有机联系的布置，可以减少浪费与不合理，便于提高生产率。

第二，减少在制品：由于物流均衡，减少了生产线上的在制品停留时间，减少了生产中间的库存。

第三，提高生产设备的利用率：由于生产设备能力和负荷均衡，便于提高设备利用率。

第四，减少搬运作业量：减少生产线上在制品数量、停留时间及搬运交叉现象，可以减少搬运作业量，并能确保安全。

第五，提高生产柔性：对于多品种小批量生产，采用适当的设备布置形式，生产线易于扩大与补充，具有一定的柔性。

2 设施规划与布置设计

2.1 设施规划设计

设施规划与设计从“工厂设计"发展而来，重点探讨各类工业设施、服务设施的规划与设计概念、理论及方法，是工业工程学科的一个重要领域。在现代社会，社会需求朝着多样化方向发展，产品的更新换代周期迅速缩短，市场竞争日趋激烈，每个企业都面临着严重的挑战。加快新产品投放市场速度，提高产品质量，降低产品生产成本，是关系到企业兴衰存亡的大问题。如何提高企业的竞争力，是现代管理科学的中心课题。

设施规划与设计以企业生产系统的空间静态结构(布局)为研究对象，从企业动态结构——物流状况分析出发，探讨企业平面布置设计目标、设计原则，着重研究设计方法与设计程序(步骤)，使企业人力、财力、物力和物流、人流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，从根本上提高企业的生产效率，达到以最少的投入获得最大效益的目的。

由于各种工厂之间存在很大的差别，“工厂设计"一直没有形成系统的理论及知识体系，因而从事工厂设计的技术人员往往从经验出发，用简单的生产流程的观点实现工厂布置，使得设计结果难以满足生产要求，更难取得最佳的设计方案。随着研究的深入及系统工程、运筹学、计算机技术的发展应用，近年来形成了一些先进的设计方法，其中最具代表性的是缪瑟(R·Muther)的“系统布置设计”(即SLP—systematic Layout Planning)法，使工厂布置设计由定性阶段发展到定量阶段，相关技术也广泛应用于各种生产系统与服务系统，从而使设施规划与设计从工业工程中分支出来，形成了一个完整的学科体系。

设施规划总的目标是：使人力、物力、财力和人流、物流、信息流得到最合理、最经济、最有效的配置和安排，即要确保规划的企业能以最小的投入获得最大的效益。无论是新设施的规划还是旧设施的再规划，典型的目标是：简化加工过程，有效的利用设备、空间、能源和人力资源，最大限度地减少物料搬运，缩短生产周期，力求投资最低，为职工提供方便、舒适、安全和职业卫生的标准条件。上述目标之间往往存在相互冲突，必须要用恰当的指标对每一个方案进行综合评价，达到总体目标的最优化。

2.2 设施布置设计

设施布置设计是指根据企业的经营表和生产纲领，在已确定的空间场所内，按照从

原材料的接受、零件和产品的制造、成品的包装、发运等全过程，力争将人员、设备和物料所需要的空间做最设当的分配和最有效的组合，以获得最大的经济效益。

设施布置包括工厂总体布置和车间布置。作为物流工程的重要领域，设施布置设计是决定企业长期运营效率的重要决策，它是将系统各部门按照系统中工作（物料或顾客）移动的情况来布置的。设施布置设计对生产系统极为重要，据测算，工厂生产总运营成本的20%—50%是与物料搬运和布置有关的成本。采用有效的布置方法，可以使这些承包降低30%，甚至更多。

2.2.1 布置设计原则

设施布置的原则有：

?整体综合原则；

?移动距离最小原则；

?流动性原则；

?空间利用原则；

?柔性原则；

?安全原则。

2.2.2 布置设计方式

典型的布置方式有：

?工艺原则布置;

?产品原则布置；

?固定工位布置。

2.3 系统布置设计（SLP）

工厂布置的方法和及时医治是工业工程领域不断探索的问题。自工业革命以来研究出了许多手工设计、数学分析和图解技术。20世纪60年代以来，又发展了计算机辅助工厂布置。在众多的布置方法中，物流处于重要地位，把寻求最佳物流为解决布置问题的主要目标。

工厂布置的程序和方法，以1961年里查得谬瑟提出的系统布置设计(即SLP—systematic Layout Planning)最为著名，应用十分普遍。这是一种条理性很强、物流分析与作业单位相互关系密切程度分析相结合、求得合理布置的技术。

采用SLP法进行工厂总平面布置的首要工作是对各作业单位之间的相互关系作出

分析，包括物流与非物流的相互关系，综合得到作业单位相互关系表,然后，根据相关图中作业单位相互关系的密切程度，决定各作业单位之间距离的远近，安排各作业单位的位置，绘制作业大为位置相关图，将各作业单位实际占地面积与作业单位相关图结合起来，形成作业单位面积相关图；通过作业单位面积相关图的修正和调整，得到若干可行的布置方案；最终采用加权因素对各方案进行评价择优，并对每个因素进行量化，得分最多的布置方案就是最佳方案。

2.3.1 系统布置设计要素及阶段

在SLP方法中，Richard·缪瑟将研究工厂布置问题的依据和切入点归纳为五个基本要素，抓住这些就是解决布置问题的“钥匙”。五个基本要素是：P产品(材料)②Q数量(产量)③R生产路线(工艺过程顺序)④S辅助部门(包括服务部门)⑤T时间(时间安排)。

P_Projects指系统物料的种类。在生产系统中P是指待布置工厂将生产的商品、原材料或者加工的零件和成品等。这些资料由生产纲领和产品设计提供，包括项目、品种类型、材料、产品特征等。产品这一要素影响着生产系统的组成及其各作业单位间相互关系、生产设备的类型、物料搬运方式等方面。

Q_Quantity指数量。在生产系统中指所生产的产品的数量，也由生产纲领和产品设计方案决定，可以用件数、重量、体积等来表示。产品这一要素影响着生产系统的规模、设备的数量、运输量、建筑物面积大小等方面。

R_Routing指路线。它包括工艺路线、生产流程各工件的加工路线以及形成的物流路线。为了完成产品的加工，必须制定加工工艺流程，形成生产路线，可以用工艺过程表(卡)、工艺过程图、设备表等表示。它影响着各作业单位之间的联系、物料搬运路线、仓库及对方地的位置等方面。

S_Service指辅助生产与服务过程的部门。在实施系统布置工作以前，必须就生产系统的组成情况做一个总体的规划，大体上分为生产车间、职能管理部门、辅助生产部门、生活服务部门以及仓储部门规划等。我们可以把除生产车间以外的所有作业单位统称为辅助服务部门，其所占面积接近甚至大于生产车间所占面积，所以布置设计时应给予足够的重视。

T_Time指物料流动的时间。时间要素是指在什么时候、用多少时间生产出产品、包括各工序的操作时间、更换批量的次数。在工艺过程设计中，根据时间因素，确定生产所需各类设备的数量、占地面积的大小和操作人员数量来平衡。

只有在上述各要素充分调查研究并取得全面、准确的各项原始数据的基础上，通过绘制各种表格、数学和图形模型，有条理的细致分析和计算，才能最终求得工程布置的最佳方案。

整个系统布置设计分为四个阶段：确定位置；总体规划；详细布置；施工安装。其中第1阶段和第4阶段不属于布置设计工作，第2和第3阶段是布置设计的主要工作。

2.3.2 系统布置设计模式

系统布置设计模式如图2.1

图2.1 系统布置设计模式

有了上述P，Q，R，S，T基本要素，还要进行P_Q分析。P_Q分析是要回答采用什么样的生产方式，从而采取什么样的基本布置形式。

P_Q图是分析的基本手段。图中的横轴表示产品P(品种或种类)，纵轴表示数量Q。将各类产品按数量递减的顺序排列，绘制出P_Q曲线。曲线的左端表示数量很多而种类较少的产品，右端表示数量少而种类很多的产品。P_Q图的距离图见图2.2从图上可以看出，M区的产品数量大，品种少，适宜于采用大量生产方式，加工机床按产品原则布置。J区的产品数量少，品种多，属于单件小批生产方式，应该按工艺原则布置。在M

区和J区之间的部分，则适宜采用上述两种相结合的成组原则布置。

图2.2 P-Q分析

P_Q分析的结果不仅是确定生产方式和布置形式的基础，也是划分作业单位的基础。即把不同生产方式和布置形式的机器设备，分开配置在不同的面积内。例如，可以把产品原则布置和工艺原则布置的机器设备分别设置在不同的车间内，或者分别设置在一个车间的不同工部内。在生产作业单位确定的基础上，要相应确定辅助服务部门的作业单位。这就为下一步分析创造了条件。

2.3.3 相关图技术

1）、工艺过程R分析

物流分析包括确定物料在生产过程中每个必要的工序之间移动的最有效顺序机器移动的强度和数量。

一个有效的工艺流程是指物料在工艺过程内按顺序一直不断地向前移动直至完成，中间没有过多的迂回或倒流。各条路线上的物料移动量就是反映工序或作业单位之间相互关系密切程度的基本衡量标准，一定时间周期内的物料移动量称为物流强度，对于相似的物料，可以用重量、体积、托盘或货箱作为计量单位。当比较不同性质的物料搬运状况时，各种物料的物流强度大小应酌情考虑物料搬运的困难程度。当物料流动是工艺过程的主要部分时，物流分析就成为布置设计的核心工作。针对不同的生产类型，应采用不同的物流分析方法。

(1)工艺过程图

在大批量生产中，产品品种很少，用标准符号绘制的工艺过程图直观地反映出工厂生产的详细情况，此时，进行物流分析只需在工艺过程图上注明各道工序之间的物流量，就可以清楚地表现出工厂生产过程中的物料搬运情况。另外，对于某些规模较小的工厂，不论产量如何，只要产品比较单一，都可以用工艺过程图进行物流分析。

(2)多种产品工艺过程表

在多品种且批量较大的情况下(如产品品种为10种左右)，将各产品的生产工艺流程汇总在一张表上，就形成了多种产品工艺过程表，在这张表上各产品工艺路线并列绘出，可以反映出各个产品的物流路径。为了在布置上达到物料顺序移动，尽可能减少倒流，通过调整图表上的工序，使彼此自己有最大物流量的工序尽量靠近，直到获得最佳的顺序。

(3)成组方法

当产品品种达到数十种时，若生产类型为中、小批量生产，进行物流分析时，就有必要采用成组方法，按产品结构与工艺过程的相似性进行归类分组，然后对于每一类产品采用工艺过程图进行物流分析；或者采用多种产品工艺过程表表示各组产品的生产工艺过程，再做进一步的物流分析。

(4)从一至表

当产品品种很多，产量很小且零件、物料数量又很大时，可以用一张方阵图表来表示个作业单位之间的物料移动方向和物流量，表中方阵的行表示物料移动的源，称为从；列表示物料移动的目的地，称为至，行列交叉点标明由源到目的地的物流量。这样一张表就是从一至表，从中可以看出各作业单位之间的物流状况。

2）、物流分析与物流相关表

(1)物流分析

由上所述，P_Q关系决定了所采用的初步物流分析的方式：当产品品种很少但产量很大时，应采用工艺过程图进行物流分析；随着产品品种的增加，可以利用多种产品工艺过程表或从一至表来统计具体物流量大小。在采用SLP法进行工厂布置时，不必关心各作业单位对之间具体的物流强度，而是通过划分等级的方法来研究物流状况，在此基础上，引入物流相关表，以简洁明了的形式表示工厂总体物流状况。

制成作业单位距离从一至表、产品数从一至表、搬运量从一至表，然后将其汇总到

物流强度汇总表中。当存在物流倒流现象时，倒流物流量出现在从一至表中的下三角方阵中，此时从一至表中任何两个作业单位之间的总物流量(物流强度)等于正向物流量与逆向(倒流)物流量之和。并将其按物流强度大小排列，制成表。

(2)物流强度等级

由于直接分析大量物流数据比较困难且没有必要，SLP中将物流强度转化成五个等级，分别用符号A、E、I、0、U来表示，其物流强度逐渐减小，对应着高物流强度、特高物流强度、较大物流强度、一般物流强度和可忽略搬运五种物流强度。作业单位对或称为物流路线的物流强度等级应按物流路线比例或承担的物流量比例来确定。

(3)物流相关表

为了能够简单明了地表示所有作业单位之间的物流相互关系，仿照从一至表结构，构造一种作业单位之间物流相互关系表，称之为原始物流相关表。除掉多余的左下三角矩阵表格，将右上三角矩阵变形，就得到了SLP中著名的物流相关表。进行工厂布置时，从物流系统优化的角度讲，物流相关表中物流强度等级高的作业单位之间的距离应尽量缩小，即彼此相互接近，而物流强度等级低的作业单位之间的距离可以适当加大。3）、作业单位相互关系分析

对于布置设计，当物流状况对企业的生产有重大影响时，物流分析就是工厂布置的重大依据，但是物流分析并不是唯一的依据，当物流对生产影响不大或没有固定的物流时，工厂布置就不能依赖于物流分析，需要进行作业单位间非物流关系分析。

(1)作业单位相互关系的决定因素及相互关系等级的划分

在SLP中，产品P、产量Q、工艺过程R、辅助服务部门S及时间安排T是影响工厂布置的基本要素，P、Q和R是物流分析的基础，P、Q和S则是作业单位相互关系分析的基础，同时T对物流分析与作业单位相互关系分析都有影响。

(2)服务的频繁和紧急程度

据理查德·缪瑟在SLP中建议，每个项目中重点考虑的因素不应超过8---,10个，确定了作业单位间相互关系密切程度的影响因素以后，就可以给出各作业单位间的关系密切程度等级，在SLP中划分为A、E、I、0、U、X六个等级。

(3)作业单位间相互关系表

确定了各作业单位间相互关系密切程度以后，利用与物流相关表相同的表格形式建立作业单位间相互关系表。

4）、作业单位间综合相互关系表

在大多数工厂中，各作业单位之间既有物流联系也有非物流的联系，两作业单位之间的相互关系应包括物流关系与非物流关系，因此在SLP中，要将作业单位见物流的相互关系与非物流的相互关系进行合并，求出合成的相互关系——综合相互关系，然后由各作业单位间综合相互关系出发，实现各作业单位的合理布置。

5）、作业单位位置相关图

在SLP中，工厂总平面布置并不直接去考虑各作业单位的建筑物占地面积及其外形几何形状，而是从各作业单位间相互关系密切程度出发，安排各作业单位之间的相对位置，关系密切程度高的作业单位之间距离近，关系密切程度低的作业单位之间距离远，由此形成作业单位位置相关图。

6）、评价和选择

(1)加权因素法

每个布置方案都有一些非经济因素，可能用费用精确的衡量，因此最通用有效的评价方法就是加权因素法。

(2)费用对比法

费用对比法一般是在各个方案都已证明是合理的情况下从经济上进行对比。对一个全新的项目布置方案，一般需要进行总费用对比，对于原有布置调整的方案，常可以只对有差别的部分进行对比。在分析比较中，要正确划分和计算基建费用和生产费用。至于比较哪些指标最好，现在还没有统一意见。对新项目，可以利用的有投资收益率、投资回收期等指标。最好采用技术经纪人员推荐和接受的方法。经过比较后，可以选择一个推荐方案，绘制布置图，同时准备文字说明，简要而有说服力地说明方案的特点、与其他方案优缺点的比较及推荐该方案的理由，提请主管部门审查和批准。对于较小而简单的项目，系统布置设计的步骤可以根据项目的具体特点适当简化。

3 减速机工厂物流分析与设施规划

3.1 原始给定条件

公司有地16000m2，厂区南北为200m，东西宽80m，计划建成年产100000套减速机的生产厂。

3.2 减速机结构与零件明细

减速器的机体由机座和机盖组成。为安装方便，机座和机盖的分界面通常与各轴中心线所在的平面重合，这样可将轴承、齿轮等轴上零件在体外安装在轴上，再放入机座轴承孔内，然后合上机盖。机座上设有标尺，用于检查油面高度。为放出机体内油污，在机座底部有防油螺塞。为了便于搬运，在机体上装有环首螺钉或耳钩。机体上的轴承盖用于固定轴、调整轴承游隙并承受轴向力；机体内常用机油润滑，机盖上有观察窗，其上设有通气孔，能使机体内膨胀气体自由逸出；机座上设有标尺，用于检查油面高度。为放出机体内油污，在机座底部有防油螺塞。为了便于搬运，在机体上装有环首螺钉或耳钩。机体上的轴承盖用于固定轴、调整轴承游隙并承受轴向力。在输入、输出端的轴承盖孔内放有密封装置，防止杂物渗入及润滑油外漏。若轴承利用稀油飞溅润滑时，还常在基座的剖分面上作出输油沟，使由齿轮运转时飞溅到机盖上的油沿机盖内壁流入此油沟导入轴承。

减速器机体是用以支持和固定轴系零件，是保证传动零件的啮合精度、良好润滑及密封的重要零件，其重量约占减速器总重量的50％。因此，机体结构对减速器的工作性能、加工艺、材料消耗、重量及成本等有很大影响，设计时必须考虑。

图3.1 一级圆柱齿轮减速机示意图

通过CATIA软件设计出三维模型并计算体积后求得所有零件质量，铸铁密度计为7.2g/cm3，钢材密度计为7.8g/cm3。

表3.1 减速机零件明细表

续表3.1 减速机零件明细表

3.3 作业单位的划分

根据变速箱的结构及工艺特点，设立如表3.2所示的11个单位，分别承担原料储存、备料、热处理、加工与装配、产品性能试验、生产管理等各项生产任务。

表3.2 作业单位建筑汇总表

续表3.2 作业单位建筑汇总表

3.4 减速机生产工艺过程分析

变速箱结构比较简单，因此，生产工艺过程也比较简单，总的工艺过程可分为：零、组件的制作与外购；半成品暂存、组装；性能试验与成品存储等阶段。

3.4.1 自制零件加工工艺过程表

变速箱上的标准件、异型件如轴承、螺栓等都是采用外购、外协的方法获得，入厂后由半成品库保存，其他零件由本厂自制，其工艺过程分别见表3.3至表3.20所示。表中各工艺加工前工件重量=该工序加工后工件的重量/该工序材料利用率。

箱盖示意图及工艺过程表如下：

图3.2 箱盖示意图

表3.3 箱盖加工工艺过程表

视孔盖与手柄示意图及工艺过程表如下：

图3.3 视孔盖示意图图3.4 手柄示意图

表3.4 视孔盖工艺过程表

表3.5 手柄工艺过程表

箱座示意图及工艺过程表如下：

表3.6 箱座工艺过程表

轴承外环固定套与轴套1示意图及工艺过程表如下：

表3.7 轴承外环固定套工艺过程表

表3.8 轴套1工艺过程表

轴套2与轴示意图及工艺过程表如下：

图3.8 轴套2示意图图3.9 轴示意图

表3.9 轴套2工艺过程表

表3.10 轴工艺过程表

齿轮与大封盖示意图及工艺过程表如下：

图3.10 齿轮示意图图3.11 大封盖示意图

表3-11 齿轮工艺过程表

表3. 12 大封盖工艺过程表

大通盖与密封盖板示意图及工艺过程图如下：

图3.12 大通盖示意图 图3.13密封盖板示意图

表3.13 大通盖工艺过程表

表3.14 密封盖板工艺过程表