生产线优化中的实验设计论文

摘要：针对锻造生产过程中存在的工人劳动强度大和生产效率低等问题，本文对某生产线专用锻造机械臂进行轻量化设计。通过对机械臂夹持器进行创新设计，减小夹持工件时夹持器所需的最大驱动力，并采用有限元软件，对机械臂进行极限位置处的静力学分析，得到了机械臂最大变形约3.64mm，最大应力约38MPa。今天小编给大家找来了《生产线优化中的实验设计论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

生产线优化中的实验设计论文 篇1：

浩丰喷涂车间装配线优化研究

[摘要]随着企业的发展及市场需求的快速变化，如何提高生产线的作业效率越来越受到企业的重视，降低成本、保证产品质量成为现代制造的主要目标之一。文章以浩丰公司喷涂车间为研究对象，先通过实验设计对装配线人员配置进行初步优化，再结合装配线平衡方法与工业工程理论对整条装配线进行分析和改善，并对改善后的效果进行评价。

[关键词]装配线；实验设计；作业测定；生产线平衡

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.23.067

当今，手机是世界上最普通的通信工具之一，随着时代的发展，人们越来越热衷于轻便、个性化的手机。制造技术的发达，使得我们对手机外观装饰技术的要求也越来越高。近几年手机外壳大部分都是采用塑料注塑成型再进行喷涂的方法，外壳装饰技术直接关系到手机外观及其使用性能，所以手机注塑件喷涂受到该行业的重视。

喷涂工艺是在需要喷涂的外壳表面喷涂油漆得到有保护、修饰及特定功能的，而且能够牢固附着的连续涂层的表面加工工艺。[1]文中主要应用实验设计和作业测定两大方法对浩丰公司喷涂车间装配线进行改善。实验设计的思想最开始是费歇尔 R.A.费希尔为实现农业实验合理化，在20世纪 20 年代提出的可以用来安排实验并研究实验数据的方法。[2]姜宏在喷涂色差的评定实验中利用了正交试验的方法，通过分析提高了手机的喷涂质量。[3]鲁建厦、兰秀菊和陈勇等人以电能表装配线为研究对象，通过操作分析、动作分析和作业测定对工序、工位进行研究，改进其中不合理的操作和动作。[4]

1问题描述

浩丰公司主要进行各种精密模具和机器零部件的加工制造以及注塑件的喷涂。该公司分四大部门，分别是模具部、注塑部、喷涂部和组装部，主要产品为手机外壳。手机外壳的喷涂工艺流程为：手动静电除尘—无尘布擦拭—装配喷涂治具—上件—自动静电除尘—底漆喷涂—烘干—色漆喷涂—烘干—UV喷涂—烘干—下件。该流程又可分为两大工序：前处理工序和喷涂工序。前处理工序包含手动静电除尘、无尘布擦拭以及装配喷涂治具三大工步。其中，手动静电除尘工步包含对注塑件和夹具的静电除尘，无尘布擦拭工步包括对夹具和产品的擦拭，装配喷涂治具工步包括夹具上盖、下盖和七爪轮的组装，本工序均在装配线上进行。喷涂工序主要包含上件、底漆喷涂、色漆喷涂、UV漆喷涂和下件，该工序是在喷涂线上进行。

计划部门根据订单下达喷涂计划，按照计划喷涂部门需每天产出 10000pcs。但就目前的情况来看，喷涂车间每天的产量维持在 8000pcs 左右（按 10H 计算），远远低于计划产量，必须每天都安排加班才能完成计划。所以装配效率是影响喷涂车间生产效率的关键，影响装配线效率的原因主要有以下两点：

（1）前期处理工序所在装配线中，无尘布擦拭产品工步的人员安排不固定。生产组长往往根据作业员人数的多少随意进行人员和作业安排，经常在擦拭1次、2次、3次和不擦拭之间变化。这不仅会影响装配效率，还可能影响到装配产品的除静电和除杂质效果。

（2）前处理工序所在装配线各工步，作业时间不均衡。装配过程中有些工位一直在不停的作业，有些工位却干干停停，等待现象比较严重，装配线效率低。

如何对装配线进行优化，达到提高装配线装配效率，满足客户需求成为喷涂车间内部急需解决的一个问题。

2无尘布擦拭作业员配置优化

2.1实验设计

单因素多水平设计即在实验中只涉及一个含n 个水平（n≥3）的实验因素，而其他的因素维持不变。[5]

（1）实验目的和响应

装配作业指导书要求：产品除尘后必须干净，不得有颗粒、毛丝、油污，同时达到除静电要求（静电值小于 1KV）。所以本文实验过程中的响应有两个，即静电值和不良品率。

（2）实验因子确定。装配线人员配置方案的不同体现在进行产品擦拭作业的人员安排上，选定装配人员配置方案为因子A，现有的四种不同的人员配置方案，作为因子 A 的四个水平，分别记为A1 不安排作业员用无尘布对注塑件进行擦拭；A2 安排一个作业员用无尘布对注塑件擦拭一次；A3 安排两个作业员用无尘布各对注塑件擦拭一次；A4 安排三个作业员用无尘布各对注塑件擦拭一次。

（3）实验过程。运用单因素实验设计的方法进行实验，为保证实验条件的一致性，采用同一批产品进行实验。另外，实验过程中无尘室的条件设定为：无尘室洁净度为一万级无尘室，温度为23℃，湿度为50%。

每种实验方案下重复加工21件产品。由同一位检验员检验所有实验样品的合格率，并测量其静电值，将得到的静电值结果记录到表1。表1实验测得的静电值数据（单位：kV）重复A1A2A3A410.130.110.320.2120.120.010.240.14..........200.080.120.290.25210.000.140.320.13均值0.0630.1340.2960.119

2.2实验数据分析

由不良品检验结果可知，方案A1中的不良品为8个，不良品率为38.1%，远远超出了产品的不良品率要求，直接放弃该方案。另外三种方案的不良品率均0%，在要求范围之内，因此对方案A2、A3和A4继续分析。

由表1可知，A2、A3和A4的静电值都小于1KV，均在要求范围之内，但是没有明显证据表明静电值相对于均值的变异性依赖于人员配置方案的不同，因此，需要用方差分析来对其进行验证。目的是研究实验数据中各种来源的变异对总变异的贡献大小，确定实验中的自变量对因变量是否有重要影响。用Minitab统计软件对所得的静电值数据进行方差分析，分析结果如表2所示。

3装配线平衡优化

3.1装配线现行平衡率

在规范了无尘布擦拭工步的作业人员之后，对整个前处理工序所在的装配线进行生产线平衡。喷涂车间装配线的整个周程时间远远小于三十分钟，仅做整个过程的评定即可。为了计算装配线的平衡率，首先选择秒表测时法测定装配线各个工位的基本作业时间，基于此计算各工位的标准作业时间。每个工位预测进行二十次，并记录，计算均值和标准差，利用误差界限法获得需补测的次数。数据测量完成后，根据三倍标准差法去除异常值，获得每个单元平均值，确定评比系数和宽放率后，通过计算得到每个工位的作业时间。

在整个研究过程中，选择具有一定作业经验，能代表正常工作速度的作业人员，因此确定计算正常时间的评比系数是 1。鉴于作业人员的生理需求和疲劳造成的效率降低等诸多方面的影响，把宽放率设为10%。将收集到的数据记录在表3中，计算观测时间均值和标准作业时间。

3.2装配生产线不平衡的原因分析及改善

依照表3可以看出有的工位作业时间相差较大，说明各个工位作业量不平均。其中工位6和工位7用时较短，有大量空闲时间。而工位1与工位2的作业时间较长，工作量较大，这两个工位即为该装配线中的瓶颈工位。

首先分析瓶颈工位。以工位1为例，工位1的作业员是对注塑件进行静电除尘，装注塑件的周转箱和静电除尘柜分别在作业员身体的正右方和正左方，作业员每次作业都需要从周转箱取出注塑件再转身至静电除尘柜对注塑件进行静电除尘。为了方便作业，将可移动车移至静电除尘柜和作业员之间，且工位1和工位2的作业员将进行完静电除尘后的注塑件和夹具按照一定的顺序和方向放置在传送带上，即按注塑件、夹具上盖和夹具下盖的顺序摆放。

工作场地进行重新布置后，工位1的作业员作业时减少了转身和移动动作，降低了作业时的疲劳感。通过标准时间测定，得到工位1和工位2标准作业时间分别是4.12s和4.40 s，较为合理。

有大量空闲时间的工位6和工位7都是对夹具上盖进行操作，且工位 6 为单手作业，左手一直处于闲置状态。因此改进时常遵循 ECRS 四大原则[6]，将两工位合并，合并后的工位是将夹具上盖与下盖结合并进行卡和的一种操作。对新工位进行标准时间测定，得到该工位的标准作业时间等于 4.26s。

3.3装配线平衡优化方案评价

通过线平衡研究，对装配生产线全面分析和调整后，重新确定了每个工位的标准时间，其中工位3用时最长，时间为4.84秒，工位7用时最短，时间为3.74秒，其余工位的用时均在4秒，每个工位的作业量较之前均衡了很多，7个工位的总时间为 29.83秒。

按照已提出的优化方案进行改善后，装配生产线的平衡率计算如下：

P=Ti÷（Tmax×N）=88.05%（式2）

即改善后装配线平衡升高到了 88.05%，相比改善前的线平衡率提高了 19.19%，改善效果明显。

4结论

本文以浩丰公司喷涂车间为例，分两个层次对装配线进行优化。改善后装配作业流程实现了标准化，固定安排一个作业人员用无尘布擦拭注塑件一次；喷涂车间装配生产线的平衡率由 68.86% 提高到了 88.05%，在保证产品的装配质量的同时，也取得了一个较满意的平衡结果。

参考文献：

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作者：张文华 宋运芝 赵文燕

生产线优化中的实验设计论文 篇2：

专用锻造机械臂轻量化设计及仿真分析

摘要：  针对锻造生产过程中存在的工人劳动强度大和生产效率低等问题，本文对某生产线专用锻造机械臂进行轻量化设计。通过对机械臂夹持器进行创新设计，减小夹持工件时夹持器所需的最大驱动力，并采用有限元软件，对机械臂进行极限位置处的静力学分析，得到了机械臂最大变形约3.64 mm，最大应力约38 MPa。同时，以最大变形为约束条件，以横梁质量最轻为优化目标，建立有限元数学模型，在满足机械臂末端承载能力的前提下，采用有限元整体分析和响应面优化相结合的方法，对机械臂进行优化设计。优化结果表明，优化后的机械臂最大变形减少约8%，机械臂横梁质量减少约25%，达到了专用锻造机械臂轻量化设计的目的。该研究为机械臂的后续优化工作提供一定的参考价值。

关键词：  机械臂; ANSYS Workbench; 静力学分析; 响应面优化; 轻量化

收稿日期： 20210517; 修回日期： 20210620

作者简介：  张泰源（1997），男，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为机械系统数字化设计及仿真。

通信作者：  张继忠（1964），男，博士，教授，主要研究方向为机械系统数字化设计。 Email： zjzqdu@163.com

近年来，机器人应用水平已经成为一个国家综合国力的重要体现形式，工业机器人技术发展的高低也成为衡量各国工业自动化技术水平的主要标准[12]。其中，机械手臂是工业应用和理论研究中最典型也是最早出现的工业机器人，随着科学技术的不断发展，轻量化成为机器人发展的主要方向之一[35]。目前，轻量化设计主要是从材料和结构两个方面实现。基于材料轻量化主要采用低密度和高强度材料，在不影响强度的前提下，实现降低自重[67]，如德国宇航局采用碳纤维材料来搭建主体的第3代轻型机械臂[8]。而基于结构的轻量化则是在原有材料的基础上，通过改变结构形状或尺寸来实现轻量化[910]。汤爱军等人[11]结合中心复合实验设计方法建立响应面模型，并采用多目标优化设计方法，对响应面模型进行优化，从而实现链轮支架的轻量化;Lee DongChan等人[12]运用拓扑优化和形状优化，获得了铝制悬架控制臂的最佳布局和结构。两种方法都可以实现轻量化的目的，但基于材料进行的轻量化设计，成本高且加工难度大，所以基于结构轻量化则成为轻量化设计的主要方法[13]。在结构优化时，利用等效约束对单个部件进行优化并不能实际反映构件受力情况，因此应采用整体分析的方法对部件进行优化，以得到符合实际的优化结构[14]。基于此，针对锻造生产过程中存在的工人劳动强度大、生产效率低等问题，本文对专用锻造机械臂进行轻量化设计及仿真分析，设计一种可以搬运不同尺寸圆柱形工件的专用锻造机械臂，在对机械臂夹持器机械结构轻量化设计的基础上，采用有限元整体分析和响应面优化相结合的方法，对机械臂进行优化，在保证可靠性的前提下，实现总体质量轻的特点。该研究对提高企业自动化技术水平具有重要意义。

1 夹持器轻量化设计

本文设计的机械臂主要用于夹取加热炉上的工件，并将其搬运到锻造台上，在工业上，通常采用指端为V型的夹钳式机械手夹取圆柱形工件，其具有夹紧平稳可靠和夹持误差小[15]的特点。因此，机械臂夹持器的设计采用液压缸驱动六杆机构带动机械手，实现对圆柱形工件的夹取，夹持器所夹工件为圆柱形，其直径为200～260 mm，高度为200 mm。在夹持不同尺寸工件时，所需最大驱动力对液压缸选型和其它机械结构设计起决定性作用。当工件直径为200 mm时，圆柱形工件受力分析如图1所示。

根据圆柱形工件受力分析，得力学平衡方程为

Fn1=Fn2=mg2μ（1）

F1=F2=12Fsin β（2）

Fn1a=F1bsin（α+β）（3）

式中，a是铰点O2到夹块中点的距离;b是铰点O2到铰点C的距离;F为所需驱动力;Fn1和Fn2分别是2个V型块所受外力的合力;摩擦因数μ取0.15。在夹紧工件时，a=180 mm，b=270 mm，α≈74°，β≈32.5°，将其代入上述公式，得Fn1=1 393 N。

当工件尺寸增大时，增大的圆柱形工件受力分析如图2所示。

根据受力分析， 得力学平衡方程为

Fn1=Fn2=mig2μ（4）

F1=F2=12Fsin β（5）

Fn2acos θ=F2bsin（α+β） （6）

分别计算工件尺寸每增加10 mm所需的驱动力，不同尺寸工件所需驱动力如图3所示。由图3可以看出，随着工件尺寸的增大，所需驱动力越来越大，也就需要更大尺寸的液压缸，同时夹持器连杆、抓手等零件的截面尺寸也要加大，这都会带来机械臂整体质量的增加，不符合轻量化设计的原则。为减少夹持工件所需的最大驱动力，需要对夹持器进行创新设计。改进后的夹持器夹取工件时，首先转动曲柄轴，通过2个小连杆带动2个滑块移动相同的距离，待滑块到达合适位置后再进行固定，这样便可安全可靠地夹取不同外径尺寸的圆柱形工件。改进后的夹持器如图4所示。

对改进后的夹持器夹取不同尺寸的工件進行受力分析，将计算出的驱动力和改进前进行对比，驱动力对比结果如图5所示。由图5可以看出，在对夹持器的机械结构进行改善后，夹持大尺寸工件所需的驱动力明显减小，因此夹持器连杆、抓手等零件的截面尺寸可相对减小，符合轻量化设计的原则。采用SolidWorks对机械臂的其它部分进行建模并装配。装配体三维视图如图6所示。

2 机械臂静力学分析

2.1 建立有限元模型

将模型简化后导入ANSYS Workbench，对模型赋予相应材料后进行网格划分[16]。在划分网格时，将单元尺寸设置为15 mm，其它设置均默认进行网格划分，最终生成120 324个单元，432 895个节点。

2.2 静力学分析

对机械臂底座施加固定约束，对整体添加Y轴负方向的重力加速度，加载后，对机械臂整体变形和等效应力进行求解，整体变形云图如图7所示，等效应力云图如图8所示。由图7和图8可以看出，最大变形约3.64 mm，最大应力约38 MPa，变形量小于设计要求，且最大应力远小于材料许用应力，满足强度和刚度要求，验证了机械臂整体结构的合理性。

3 优化设计

要实现专用锻造机械臂的预期功能，机械臂的尺寸会很大，致使机械臂的质量非常重，因此，在满足机械臂末端承载能力的前提下，应减小机械臂本体质量，以提高其动力学性能[17]。

3.1 轻量化数学模型

将横梁底板厚度、侧板厚度、侧板高度以及底部凸台长度、宽度、高度参数化，为减少参数个数，设置凸台宽度与两侧板的厚度相等。对装配好的模型进行静力学分析，求解完成后，将机械臂最大变形和横梁质量参数化。轻量化数学模型为

Find P=[P1，P2，P3，P4，P5]Ts.t. δ ≤ 3.5 mms.t. σs≤ 235 MPaminF（x）=m（7）

式中，P1～P5为设计变量，其中P1为横梁底板厚度，P2为横梁侧板高度，P3为凸台宽度，P4为凸台长度，P5为凸台高度;δ为最大变形;σs为最大应力;F（x）为优化目标;m为横梁质量。

3.2 响应面分析法优化

通过Design of Experiments模块进行优化实验设计[18]，设计变量范围如表1所示。设置参数后，更新得到27组实验设计点，实验设计点响应结果如表2所示。

响应面更新后，由灵敏度分析图可知，P2（侧板高度）、P3（凸台宽度）对P6（变形）影响较大，P1（侧板厚度）、P3对P7（质量）影响较大，为了直观的观察分析结果，分别生成P2、P3对P6的响应和P1、P3对P7的响应，变形响应图如图9所示，质量响应图如图10所示。

3.3 优化结果及优化前后对比

通过Optimization模块进行优化求解设置，设置最大变形不超过3.5 mm，优化目标为质量最小值。Screening算法是基于采样和排序的简单方法，MOGA算法是基于NSGAII的一个变种，适合计算全局最大值或最小值[19]。因此，本文采用MOGA算法，最后生成3个候选点，设置完成后进行求解，求解结果如表3所示。取参考点3为设计点，将数据圆整后的模型重新进行静力学分析，整体变形云图如图11所示，机械臂优化前后各参数对比结果如表4所示。由表4可以看出，通过对比优化前的最大变形和质量，可知机械臂最大变形减少约8%，机械臂横梁质量减少约25%。

4 结束语

本文以机械臂为研究对象，采用ANSYS Workbench软件，对机械臂进行了静力学分析。同时，以最大变形为约束条件，以横梁质量最轻为优化目标，建立有限元数学模型，得到极限载荷下的应力和变形云图，并采用有限元整体分析和响应面分析方法，对横梁部分进行尺寸优化设计。通过对比优化前的最大变形和质量，可得机械臂最大变形减少约8%，机械臂横梁质量减少约25%。该设计在满足工作要求的前提下，减轻了零件质量，得到了机械臂横梁的最优尺寸，实现了质量、成本和结构等方面的最优组合。该研究为该机械臂的后续优化工作提供了理论参考。

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Lightweight Design and Simulation Analysis of Special Forging Manipulator

ZHANG Taiyuan， ZHANG Jizhong， CUI Xianggui， JIANG Jinhua

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266000， China）

Key words： manipulator; ANSYS Workbench; static analysis; response surface optimization; lightweight

作者：张泰源 张继忠 崔向贵 姜锦华

生产线优化中的实验设计论文 篇3：

摩托罗拉Ｐｕｌｓｅ：超越５西格玛

在六西格玛领域，Motorola贡献了两种软件产品：Manufacturing Intellitrak和Manufacturing Pulse。Motorola位于伊利诺伊州的Elk Grove Village公司的产品经理Michael Motherway介绍说，Intellitrak 从Motorola引入六西格玛的初始阶段就被开发出来了。

Manufacturing Intellitrak中包含大量的用于各种用途的工具，这些工具用来计算缺陷和控制产出及效益；这些工具在联系和协调Motorola众多的供应商方面颇具弹性。苏格兰Motorola商业开发经理Willie Henderson介绍：通过利用企业内部互联网，Manufacturing Intellitrak允许使用者在一段时间内的组织内观察多种类业务线，“如果我想查看一下在中国或巴西的业务线，我可以在我的办公桌前完成；然后我会据此比较这里的工厂和中国某一工厂的情况。”Henderson说，这个软件减少了影响过程数据的有效性和可靠性的那些完全不同的应用中人为的干预和由此造成的差异性。

Motherway解释，从Manufacturing Intellitrak再发展到Manufacturing Pulse是一个自然的过程，就好比是先抓住挂在低处的水果，然后在去摘高处的果子一样。他解释，许多公司都是从简单的事情做起，这些事情通常意味着跟踪缺陷和找出产生缺陷的机会，这通常被称作DPMO（defects per million opportunities，每百万几率中的缺陷率）。“你会对你的复杂产品有一个概念，每次出现一个错误，不管是人为的或是机器产生的，你就要去计算它。这成了六格玛定律——目标是在百万个机会中只有3.4个缺陷。”

“企业在这一方面有很多成功的应用，他们将问题罗列出来，发现根源并解决它们。应该说，遵循这一定律做到5个西格玛或者5.5个西格玛是可能的，但是之后，尤其在你达到了一定高度之后，这一简单的计算缺陷的方法就会使你偏离方向，然后你只能寻找更好一些的办法。”Motherway说，“我们发现的办法包括过程控制、即时过程控制、实验设计和流程优化。”

Manufacturing Pulse允许使用者在不受人为干预的情况下从设备里直接、即时地搜集信息；它允许使用者去设定警戒线和流程控制。“你让计算机去做它们擅长的事，这些事是收集并分析所有数据，确定流程何时失去控制和通知何人。如果这些能即时完成，你就能够在缺陷产生之前非常快地做出修正。”Motherway解释。

Motorola不但是个软件开发者，也是它自己开发软件的最大的最终用户，正像Motherway开玩笑说得那样：“我们吃自己的狗的食物。”Motorola设立了一个内部机构，Motherway将它称作新产品介绍中心。“我们可以去那儿并得到准确的反馈；这些信息经常会让我们发现一些吃惊的事情，这很好。你不必出门到客户那里去听取意见或接受打击。通过这个中心我们可以立即处理掉刚出现的任何问题。”Motherway说。

他进一步介绍，在一个自己使用的产品在企业内部发布之前，这个产品将会被带往一个工厂接受检验，以确保有关这个产品的所有工作都已经被正确地执行。

从Manufacturing Pulse 4年前发布到现在，Henderson一直将其用于苏格兰Motorola的运营。他说，这款产品在发布后已经被改进过许多次，包括：使更多的使用者有权限去丰富这一产品，加入并整合了更多的菜单以使其更好地被应用。“你将控制生产线上的机器参数而非控制正在发生的操作，它意味着，打个比方，如果一个产品线正在运转，而它却不符合目标要求，那么督导者将会以e-mail、纸文件或其他手段被通知。”Henderson解释。

由于互联网的繁荣，Manufacturing Pulse从它最初的状态已发展为其各种功能都可以通过网络来实现，Motherway介绍，这使这一软件开始席卷全世界各地的工厂，甚至也被用于计划维修管理。

Motherway认为，Motorola区别于竞争对手的另一个特点是供应商的多样性。“因为公司从许多供应商那里购买工厂设备，我们可以在许多机器中测试我们的软件解决方案，并使其具备很好的兼容性。”

作者：夏　诚