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机械装配系统复杂性及应用研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是工业工程论文,本文以构成装配工位任务的基本操作为最小单元,建立基本操作的行为过程模型,考虑基本操作的难度和涉及装配资源间的关系,构建基本操作的复杂性量化体系
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
2001 年中国加入 WTO,中国经济也正式加入世界经济的竞技场。中国企业在过去这些年得到了飞速发展,但是随着中国劳动力成本提高,以及顾客对产品的质量要求的提高,制造企业所面临的竞争也越来越大,企业只有通过不断创新,优化生产流程,提高产品质量和降低生产成本,才能走的更高更远。根据价值流理论,装配是企业所有增值活动中的最后一个环节,同时装配车间也集中了工厂其余车间加工后的最终产物,当装配环节由于操作不当导致零部件坏损时,浪费的不仅有装配车间的产能,而且还包括其余车间赋予在零部件上的增值活动。研究装配过程中导致质量缺陷的机理,提出改善建议,从而提高装配质量对企业有重要意义。在机械制造行业,产品通常是由很多的零部件组成,产品的品种随着顾客的个性化需求不断增强而变多,这使得产品装配很难实现自动化。虽然现在工业机器人等技术有了很大的发展,在机械行业很多产品都是在手工流水装配线上完成的,装配工人的可靠性是影响产品质量的重要因素。以往对于人的可靠性的研究主要集中在航空、航天和核电厂等领域[1-3]。在第一代人因可靠性理论中比较有代表性的为基于故障树的 THERP 理论,在第二代人因可靠性理论中基于时间压力的 HCR 理论最具代表性。但这些方法都具有很强的应用背景,将这些方法直接应用于生产制造领域,由于对生产过程不能充分描述,效果往往不是很好。根据人的行为过程理论,人的可靠性由信息感知、信息处理和操作过程三个阶段的可靠性决定。行为过程中每个阶段的复杂性是导致失误的主要原因。本文建立机械装配基本操作的行为过程模型,定义基本操作的复杂性,基于基本操作的复杂性,建立装配工位复杂性分析的框架模型,充分考虑了装配过程中工人、工具、机器、零件等装配资源对于产品质量的影响。
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1.2 国内外研究现状
本文基于基本操作的复杂性,构建机械装配工位复杂性的分析框架模型。并将该方法应用于减速器装配线的复杂性研究,并建立减速器装配线复杂性与人因失误概率的函数模型,从而为改善的结果提供量化的工具。本节将从复杂性的度量方法、装配复杂性和装配的人因可靠性三方面进行研究现状分析。复杂性科学是一门新兴的边缘、交叉学科,复杂性科学促进了科学和认知的纵向发展,为复杂不确定性事物的定量化描述提供了方法[4]。1948 年,C. E. Shannon提出了“信息熵”的概念,解决了对信息的度量问题,之后信息熵理论被广泛应用于对系统复杂性的测度。系统的不确定性和不可预测性越大,需要描绘它的信息量越多,系统复杂性越大。Mowshowitz(1968)基于信息熵的方法,对有向图的复杂性进行度量[5]。在制造系统领域,张根宝(2010)提出了用广义信息熵理论对制造过程的复杂性进行度量。他对制造过程的复杂性做出了明确的定义,建立包含制造过程所涉及到的工具和机器的数量、工人操作难度和制造过程状态多样性的三要素的信息熵测度模型[6]。很多的学者提出了基于其他理论的复杂性的测度方法。EIMaraghy(2005)构建了一个信息编码系统,这一编码系统对制造系统中的机器设备,搬运设备以及缓冲区进行编码。编码系统中的代码代表着系统零部件的多样性。代码越大,系统部件越丰富,制造系统越复杂[7]。Papakostas(2009)从非线性动态理论中得到启发,提出一种基于仿真的复杂性测量方法。该方法将系统的复杂性与系统对工作载荷、工作环境、工作时间的变化而引起的产能波动联系起来。该方法也可以把系统的复杂性的测量与产品质量和系统柔性联系起来[8]。Dominik(2012)基于公理化的设计方法,提出了在制造系统有干扰的情况下,控制系统的复杂性大小,使企业保持竞争力[9]。Samy(2015)对组成制造系统的各个机器在其相互适应的基础上进行组合,形成拥有不同模块的制造系统。在这基础上运用 Nonane 软件对系统的设备复杂性和布局复杂性进行计算,并比较了不同组合方案中两种复杂性的大小[10]。
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第 2 章 机械装配的基本操作的复杂性研究
 
2.1 装配复杂性理论概述
产品的装配是将若干个零件结合成部件或将若干个零件和部件结合成产品的操作过程。零件的质量、形状、尺寸、材料、装配工艺等固有特性是影响装配难度的主要因素,从而影响装配的复杂性。在装配过程中,产品种类、零件之间的关系、零件与安装面的关系和零件与工具之间的关系虽能与装配的难度关系不大,但是由于其对操作者的认知过程可靠性产生影响,从而影响装配的质量,所以这些也是影响装配复杂性的重要因素。装配的复杂性是描述装配系统各种状态和所需资源的信息量,他与零件数量、零件关系、工装夹具、装配工艺、和装配调整等装配过程属性有关。采用信息熵理论对装配复杂性进行度量,揭示装配过程中的各因素内在联系,对于提高产品装配质量和可靠性具有重要意义。静态复杂性与产品的结构和工艺过程有关,不存在时间依赖性。其量化可以通过测量一些系统的参数来确定,如工作站的数目、零件、自动化程度等。从信息熵的角度看,静态复杂度是描述装配系统在静止状态下各装配资源根据装配方案所预期拥有的状态需要的信息量[43]。
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2.2 机械装配的基本操作的复杂性
在机械装配系统中,每个装配工位任务都由一系列的装配基本操作组成。本文以基本操作的复杂性为最小研究单元。装配可以分为手工装配、自动装配和机器人装配三种形式。随着客户个性化需求不断加大,产品种类变多,产品更新周期变短,产品批量变小,这使得企业的生产过程尤其是装配环节要有很高的柔性,手工装配以其低投入高柔性的特点被很多机械制造企业所接收。但手工装配不可测、不可控因素多和可靠性低等缺点也影响着企业的生产效率。因此,深入研究手工装配过程,提出提高手工装配工位任务的可靠性的方法,具有理论和实际意义。机械装配工位任务的作业是由一系列的装配基本操作构成的,在零件的获取阶段作业包含抓取和搬运基本操作,在零件的装配阶段作业包含定位、紧固、压配、调整、固定、夹紧、密封和填充基本操作。此过程类似于模特法把作业分解为不同的基本动作,在不同实际应用中,基本动作的特征大致不变。在制造系统中,机器的可靠性在其制造完成后基本确定,在被正常使用的过程中可靠性波动小,可靠性数据容易获得,而操作者的可靠性由于人的复杂性和难预测性存在一定的波动。从人的行为特征入手,揭示失误行为产生的原因和机理,是研究人的可靠性的内在规律的有效方法。认知心理学主张从认知活动形成过程角度,深入研究人的信息感知、信息处理和动作过程,很好地分析了人的行为特征[13]。根据经典认知心理学理论,人的行为模式是:刺激输入(S)-人的内部反应(O)-操作处理(R)[44]。人首先通过视觉、听觉、嗅觉和触觉对刺激信息进行感知,之后大脑对信息进行处理,并做出应对刺激的方法,最后人根据大脑提出的方法进行具体操作[45]。人的行为模式又可以表示为:信息感知(S)-信息处理(O)-动作行为(R)[46]。在机械装配的过程中,每一个基本装配操作都是一个完整的行为过程,首先基本装配操作的信息对工人的眼、耳、手等感觉器官进行刺激,工人对装配信息的刺激进行感官匹配,形成对装配操作的感官认识,并经过滤波进行相应的感觉匹配,之后信息进入大脑与工作记忆进行信息匹配,若信息匹配成功,存在大脑长时记忆里的图示信息被激活。图示信息是工人在作业中不断积累的,包括操作方法、作业工具的使用、装配材料的使用、装配注意事项等信息。图示信息被激活之后,工人根据操作规则进行具体的作业过程。若信息匹配不成功,工人则通过学习的方式获得短时的工作记忆,从而指导作业过程,学习可以是阅读操作资料,也可以是通过观察实际作业情况做出的判断。
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第 3 章 机械装配工位任务的复杂性度量.........27
3.1 机械装配工位任务的复杂性构成......... 27
3.2 机械装配工位任务的复杂性量化模型.......... 28
3.3 机械装配工位任务复杂性分析的框架模型 ..........32
3.4 本章小结.......33
第 4 章 减速器装配线复杂性研究....35
4.1 减速器装配线简介........35
4.2 减速器装配线各工位任务的复杂性计算......37
4.3 基于复杂性的人因失误预测模型 .........44
4.4 本章小结.......55
第 5 章 总结与展望...........57
5.1 总结 ......57
5.2 展望 ......58
 
第 4 章 减速器装配线复杂性研究
 
4.1 减速器装配线简介
A 公司为卡车生产企业,所生产的减速器为单级减速器。单级减速器由两大部件组成:主动椎齿轮和差速器。主动椎齿轮连接传动轴,顺时针旋转,差速器上的从动伞齿轮贴在其右侧,啮合点向下转动,与车轮前进方向一致。由于主动锥齿轮直径小,从动伞齿轮直径大,达到减速的功能。减速器装配线由一条 U 型总装线、一条锥齿轮分装线和一条差速器分装线组成。装配线上共有 16 个工位。在 A 公司减速器装配线上有 16 个工位,其中有 6 个工位是调整和测试作业,3 个工位为辅助作业。本文挑选可靠性相对较差,装配作业相对复杂的 6 个工位进行复杂性计算,这 6 个工位分别为吊差速器壳体工位、拧螺栓工位、差速器总成工位、装差速器工位、锥齿轮总成工位和装锥齿轮工位。差速器是减速器的核心部件,差速器由左右半轴齿轮、从动齿轮、行星齿轮、齿轮架等零件组成,差速器总成工位任务所包含的基本操作如表 4.4 所示。
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总结
 
汽车行业对产品的质量和生产过程的稳定性都有很高的要求,汽车制造企业和汽车零部件生产企业都要满足 TS16949 的质量体系标准,高质量的产品是企业发展的立足点。本文以 A 汽车公司的减速器装配线为研究背景,从装配复杂性的角度对装配过程进行研究,建立装配复杂性与人因失误的预测模型,为装配质量的提高,提出改善方向和建议。本文首先对机械装配基本操作进行研究,建立机械装配基本操作的行为过程模型,根据该模型,定义了基本操作的三个复杂性指标,并建立了相应的量化体系。基于基本操作的复杂性,将装配工位任务的复杂性展开为五个复杂性指标,对每个复杂性指标都进行了度量,从而提出了机械装配工位复杂性分析的框架模型。根据框架模型计算出研究背景中工位任务的复杂性,运用 SPSS 的回归分析功能建立工位任务的复杂性与工位的人因失误率之间的函数模型,最后通过分析失误率预测模型为企业的改善过程提供方向和建议。该研究思路和对工位任务的复杂性的量化方法对于其他背景同样适用,本文的研究具有理论和实际意义。本文的具体研究内容为三个大的模块,每个模块的内容与其成果如下:
1. 机械装配工位任务是由定位、紧固、压配、调整、固定、夹紧、密封、填充、搬运、抓取和定向这些基本操作构成的。本文在经典认知心理学中人的行为模式理论的基础上,建立符合机械装配作业的人的行为过程模型,将基本操作的复杂性细分为基本操作的信息感知、信息处理和动作行为三个阶段的复杂性,并建立相应的量化体系。
2. 机械装配工位任务是由装配基本操作构成的,本章基于基本操作的复杂性,将装配工位任务的复杂性展开为五个复杂性指标:工位任务的动作过程复杂性、工位任务的动作状态复杂性、工位任务的感知过程复杂性、工位任务的信息处理过程复杂性和工位任务的信息处理状态复杂性,对每个复杂性都建立了度量体系,从而提出了机械装配工位复杂性分析的框架模型。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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