洗衣机装配生产线的仿真设计(共38页).doc

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中文摘要本文介绍了波轮洗衣机制造企业中总装车间装配生产线的设计，设计出充分符合当今制造企业的新型装配生产流水线。首先利用模特法mod得到各个工位的标准时间，并计算产能；其次利用生产线平衡率的方法对该生产线进行评定，确定该装配线是否需要改进；再次应用ECRS原则和5W1H六大提问法分析未达到平衡的装配生产线上所存在的问题并找到解决方法，以及对生产线连续流的改造,从而平衡优化装配生产线。最后借助于面向对象的eM-plant软件,对设计出来的装配生产线进行快速仿真,来分析工人利用率、产量的控制和工厂管理等状况,以辅助企业管理者正确决策。讨论先进装配生产流水线技术被应用于当今制造企业中的必要性和仿真技术作为一个重要的分析手段,以及它们在广大制造企业转变生产方式中的应用。关键词：装配平衡，模特法，ECRS原则，5W1H六大提问，eM-Plant仿真The washer assembly line design and simulation Abstract This article introduced in the impeller washer manufacture enterprise the general equipment department workshop production line design,designs tallies fully makes the enterprise now the new assembly assembly line.First obtains each location standard time using model law mod,and calculates produces energy;Next carries on the evaluation using the production line equilibrium ratios method to this production line,determined whether this assembly line does need to improve;Once more divides using the ECRS principle and the 5W1H six big inquiry law had not achieved the balance the question which analyzes in the assembly line to exist and found the solution,as well as to production line continuum transformation,thus balances optimizes the assembly line.Finally draws support the object-oriented eM-Plant software,to the assembly line which designs carries on the fast simulation,analyzes worker conditions and so on use factor,output control and plant management,by assists the enterprise the superintendent correct decision-making.Discusses the advanced assembly line technology to apply in makes now in the enterprise the necessity as well as the simulation technology took an important analysis method,transforms producer in the formula in the general manufacture enterprise the application.Key word:Assembles the balance,the model law,the ECRS principle,the 5W1H six big inquiries,the eM-Plant simulation目录1绪论1.1企业简介1.1.1企业发展历程苏州宏达公司是生产和供应洗衣机的中国具代表性的家电企业。自1990年成立起，企业通过实现生产、营销、研发、人才的本地化，构筑了当地一条龙事业结构。通过不断提高品牌知名度和积极开展营销活动，宏达公司的销售额每年都保持稳步增长。截止到2004年，宏达公司洗衣机的市场占有率名列全国前十。1.1.2企业发展理念为顾客创造和提供有益的价值是企业存在的目的；为顾客创造价值是要求宏达不断通过自我革新和自我开发，做到比别人更早地发现和满足顾客所希望的要求，从而达到不断前进。这就是苏州宏达公司的发展理念。1.1.3企业现状大约在十几年之前，当时的生产规模和生产线还比较落后，年产量较低，可是现在，公司的生产规模、生产装配线、厂区、产品线等已经成功地蜕变，现在的公司具备了强有力的事业结构。但全球环境急剧变化，行业竞争日益激烈，面对这些危机状况，公司需要拿出热情和挑战精神去克服，不能只满足于现状。公司采用新型流水装配生产线，最大限度的满足了当今制造企业的需求，将真正的装配线平衡应用到实际生产当中来。之外，为了保护自然环境、维护生产安全、保证员工健康、节约有限能源，企业在这些方面做了大量的工作，在环境方面，通过降低废水COD（重铬酸钾）含量，废油集中处理等方面的工作，将工厂变为了绿色工厂。在维护生产安全方面，建立了完善的生产安全保证系统，建立了专门的防灾中心，从每一个环节保证工厂的安全无灾害生产，取得了良好的成绩。在保证员工健康方面，结合工厂实际，从实践中摸索出了一套行之有效的保护员工健康的方法，实施了完善的劳动保护措施。在节约能源方面，秉承可持续发展的理念，从水、电、办公用品、物资循环利用等各个方面厉行节约，企业上下养成了节约为荣的观念，努力向着无浪费工厂的目标奋力前进！1.2流水线概述1.2.1流水线起源1913年10月，在海兰园福特汽车建造了第一条装配流水线，几乎使装配速度提高了8倍，第一次实现每10秒钟诞生一部汽车的神话。这种新型装配线对世界各地的各种制造业产生了极大的影响，今天，在机器人和其他自动化形式的协助下，从烤箱到香水每一样东西都是在流水线上完成的。于是人们对流水线做出这样的定义，流水线生产是指生产对象按照一定的工艺路线顺序地通过各个工作地，并按照统一的生产速度完成工艺作业的生产过程。福特依据前人的经验重新模拟设计这个装配过程，看是否能加快汽车引擎中那部分称作磁电机的生产速度。不是让每个工人组装一台完整的磁电机，而是将磁电机的一个部件放在传送带上，在它经过时，每个工人都装配一个部件。特拉华大学的教授是研究工业发展的专家，他讲述了这一发展过程：“先前，要完成整个过程，平均每个工人装配一个需20分钟。但采用装配线后，流水线上的人每人平均每13分10秒装配一个。”一年之内，时间就缩短到5分钟。1913年福特将此方法贯彻于汽车装配的全过程。部分装配的汽车用绳子吊起，拉着经过工人，他们就在一个时间里完成一个部分的装配工作。不久之后，福特就可以在一年之中生产几十万辆汽车，成绩斐然。这个新的系统既有效又经济，结果他把汽车的价格削减了一半，降至每辆260美元，使得此前一直买不起汽车的人都能担负得起了。很快全世界的汽车制造商都仿照他这样做。1.2.2流水线产生的必要条件随着时代的发展，市场竞争的重点由“商品的价格竞争”转向“商品的差异化竞争”。在工业经济时代，由于生产力低下，商品的供给不足，尚未开发的潜在市场规模巨大，消费模式单一，企业通过不断扩大生产规模，降低产品的成本和价格就能在市场上获取竞争优势，追求到所谓的“规模经济效益”。而到了信息经济社会，由于市场饱和或趋于饱和，消费呈多样化趋势，市场的竞争从主要依靠商品的价格竞争转向商品的差异化竞争。这里的差异化，不单包括产品种类的差异化，也包括产品数量的差异化。由于根据订单进行生产，就要求企业能随时调整自己的生产周期以符合符合预定要求。多余的生产占用大量的流动资金，浪费人力物力，这与我们极力倡导的精益生产格格不入。在许多企业的装配线中,普遍还存在着工序安排不合理、在制品过多、生产周期长、人员待工时间多等一系列的问题。由于顾客需求日趋多样化,迫使企业改变现有的生产方式,然而生产方式的变动,必将导致停产和装配生产线的重新平衡,这样会给企业带来巨大的损失[1]。福特的流水线的产生不仅解决了规模经济的问题，还使得企业解决了装配不平衡的一系列问题，对现代工业的影响是前所未有的，以至于在几代人的观念里传送带式的流水线生产似乎成为工厂现代化的象征和标志，从而精益生产理念应运而生。20世纪30年代，对社会现实问题具有敏锐洞察力的著名演员卓别林，以其卓越的艺术表现才干将其搬上荧幕，取名“摩登时代”，使人们无意识中将流水生产线和现代化划上了等号。要搞现代化大工业，就必须装配流水生产线；要提高生产效率就必须进行细分工，就必须提高机械化和自动化水平，这些原理原则，似乎已经成为工业经济时代工人的常识。1.2.3现今企业中的流水线现在,众多企业中福特建造的单一流水线已不能满足当今时代企业的精益制造的需求,人们开始对流水线的大规模生产进行反思，作为工业经济时代现代化大工业象征的“流水生产线”,正在被新的分工不细,机械化和自动化水平不高的“细胞生产方式”（即单元式生产）所取代。在那些毅然采取果断措施,淘汰沿用了几十年的流水生产线,积极采用细胞生产方式的企业中，基本都是国外知名企业。实施这种生产方式转型最早和最著名的是索尼公司,早在1989年索尼的美浓加茂工厂就淘汰了流水生产线,开始了新的“细胞生产方式”的探索，在日本的大企业里面可谓先驱。松下电器公司也不甘落后，到2002年1月已完成这种生产方式转型的工厂占90%，现阶段已全部完成转型。目前在日本的手机电脑复印机印刷机录像机显微镜医疗器械汽车零部件机械零部件机车木工缝纫等众多行业中都能找到用细胞生产方式取代流水线的实例[2]。日本的这种全面的转型引起了欧美国家的关注。在上个世纪90年代，一批科学家和技术人员就开始对日本的这种现象进行研究，不仅对该生产方式进行了全面系统的归纳，也提出了先进的理论模型。如今苏州宏达公司正是摆脱了早先的单一流水线的生产模式，企业的生产装配线、厂区、产品线等得到了成功地蜕变，新型流水线被沿用至今。1.3计算机仿真技术在当今的应用1.3.1系统仿真技术概述系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。最初，仿真技术主要应用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大、实际系统试验难以实现的少数领域，后来逐步发展到电力、石油、化工、冶金、机械等一些主要工业部门，并进一步扩大到社会系统、经济系统、交通运输系统等一些非工程系统领域。可以说，现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段，其应用范围在不断扩大，应用效益也日益显著[3]。1.系统仿真的定义系统仿真指的是建立逻辑模型的基础上，通过计算机实验，对一个系统按照一定的决策原则或作业规则由一个状态转换为另一个状态的动态行为进行描述和分析。系统仿真也指针对真实系统建立模型，然后在模型上进行实验，用模型代替真实系统，从而研究系统性能的方法。系统仿真将能一一仿效系统的各种动态活动，并把系统动态过程的瞬间状态记录下来，最终得到用户所关心的系统统计功能。1.3.2系统仿真的实质（1）仿真是数值技术。对于大多数具有随机因素的复杂系统，往往很难甚至无法用准确的数学模型表述，从而也无法采用解析的方法进行评价，于是系统仿真通常就成为解决这类问题的好方法。（2）仿真是一种“人工”的实验手段。通过仿真我们能够对所研究的系统进行类似于物理、化学实验那样的实验，它和现实系统实验的主要区别在仿真实验依据的不是现实系统本身及其所在的实际环境，而是作为系统映像的系统模型以及相应的“人工”环境。显然仿真结果的正确程度完全取决于模拟模型和输入数据是否客观地、正确地反映现实系统。（3）由于电子计算机可以加快模拟过程和减少仿真误差，所以电子计算机仿真在整个仿真系统中占据着日益重要的位置。（4）尽管在仿真系统中，我们要研究某些特殊的时间点的系统状态，但一般来说，仿真是对系统状态在时间序列中的动态写照。（5）大多数的系统仿真属于随机性系统仿真。但这并不排斥在某些情况下，为简化起见，我们采用确定性系统仿真来处理所研究的问题。1.3.3系统仿真的作用（1）对于现有的实际运行的系统，如果为了对其进行深入的了解和改进，而在实际系统中进行实验，往往要花大量的人力、物力、财力和时间，有时甚至不可实现。但是通过计算机仿真，可以使得系统正常工作不受干扰，经过分析模拟结果，对现有系统在拟定的工作条件下的性能分析和评价，并预测其未来发展，提出改进方案。（2）对于新系统的设计，在未能确定它的优劣的情况下，可以不必花费太大的投入去建设它，而采用计算机仿真，对新系统的可行性和经济效益做出正确的评价，帮助人们选择最优或较优的装备设计方案和保障方案。（3）在维修保障系统管理的宏观、微观决策中，通过收集、处理和分析有关信息，可以拟定多个不同的决策方案，它们具有不同的决策变量或参数组合。针对这些不同的决策方案，进行计算机的多次运行，按照既定的目标函数对不同的决策方案进行分析比较，从中选择最优方案。1.3.4仿真的基本步骤和方法（1）选择合适的计算机仿真软件适于装配生产线仿真的软件有许多，要根据企业生产线的实际情况和需要进行选择。本文根据实际需要和条件选择利用eM-Plnat软件来完成对波轮洗衣机装配生产线的计算机仿真。（2）建立仿真模型根据洗衣机生产装配线的需求和工艺流程建立系统的计算机仿真模型，并确立系统基本设备的运行参数。（3）编写逻辑控制程序根据系统的工艺流程和系统的逻辑控制关系，以及物料流动过程中，设备处理该物料所需的时间等编写逻辑控制程序。（4）运行仿真系统根据各工序的需求流量，计算出物料出现的时间频率，把这个频率值输入系统，即可运行此仿真系统。仿真运行时间可以根据实际物流系统的生产班次，也可按照最大物流量进行模拟。（5）仿真结果分析和优化根据仿真运行结果，进行分析确定，系统是否存在瓶颈，流程是否畅通，物流量能否满足需求。根据最后的数据统计结果，分析物流量能否满足需求。如果系统运行后，结果有不理想之处，要根据相应的原因，调整方案或者改变参数，直至满足物流系统的生产需求。生成动画输出结果及仿真报告，提交给自动化物流系统的管理者和设计者，进一步优化和完善。由于采用计算机仿真技术，系统规划设计周期短，管理者在实际生产系统未建立前就能够直观地看到并了解系统实际运行的全部信息，因此，使管理者和系统方案设计者对方案的实际运行便于直接调整和改进。合理的应用系统仿真是建立一个科学的生产线的前提。2洗衣机装配生产线设计2.1流水线简述流水线生产是指生产对象按照一定的工艺路线顺序地通过各个工作地，并按照统一的生产速度完成工艺作业的生产过程。2.1.1流水线一般特征当今企业的生产具有以下一般特征流水[4]：（1）专业性：每条流水线专门生出一种或有限的几种制品；每个工作地完成专门的工序。（2）节奏性：按节拍进行组织生产。（3）封闭性：按对象原则布置生产。在车间内，工作地依工艺顺序有机地连接在一线。（4）顺序性：劳动对象在序间单向移动。（5）连续性：劳动对象如流水一样在序间流动。2.1.2流水生产的分类流水线有多种形式，可按不同标准分类：（1）根据生产对象移动与否，流水线可分为固定流水线和移动流水线。（2）根据流水线上生产对象的数目，可以分为单一对象流水线和多对象流水线。（3）根据流水线生产的连续程度，流水线和分为连续流水线和间断流水线。（4）根据流水线所达到的节奏性程度不同分为强制节拍流水线、自由节拍流水线和粗略节拍流水线。（5）根据流水线的机械化程度，可分为手工流水线、机械化流水线和自动流水线。2.2波轮洗衣机简述苏州宏达公司是生产洗衣机的老企业，主要以生产波轮和滚筒洗衣机为主，现有的厂房规模已不能够满足当今的市场需求，于是决定重新建造生产装配厂房，同时设计出一条符合新车间的装配生产线用于扩大生产。宏达公司生产的洗衣机采用一种多品种、大批量订单生产的生产规模，这里主要以设计普通型号为XQB系列（内销波轮，出口型号表示为WD）波轮洗衣机的生产装配线为主。2.2.1波轮洗衣机优点诞生于上世纪五六十年代，由日本研制出来的波轮式洗衣机是大家最熟悉、也是市场占有率最高的洗衣机种类。早期的波轮洗衣机一般采用偏置波轮，而不是目前常见的位于内桶中央的设计。把波轮设计在内桶边上的目的是为了提高洗衣机的洗净力，当然这种设计也会加大衣物的磨损率，衣物也容易缠绕打结，洗不干净。进入20世纪80年代后，出现了新型波轮设计和新型水流方式:波轮在桶的底部，水流方式一般为正向旋转1至3秒，停0.5至1秒，再反向旋转1至3秒，再停0.5至1秒，这和旧式水流大不一样，这种方式也是多年研究的成果，有利于各因素之间的平衡，兼顾了洗涤力、磨损率、缠绕状况、洗涤均匀度等因素。波轮洗衣机最大的优点是，洗涤速度要比滚筒洗衣机快得多。在技术上，越来越多的新技术被运用在波轮洗衣机上，如DD直接驱动电机以及变频技术，都大大提高了波轮洗衣机的性能。2.2.2波轮洗衣机工作原理波轮式洗衣机是洗衣机的一种，由电动机带动波轮转动，衣物随水不断上下翻滚。洗涤衣物有单桶、套桶、双桶几种。它的结构比较简单，维修方便，洗净率高，但对衣物磨损率大，用水多。目前随着科技发展，出现了电脑控制的新水流洗衣机，采用大波轮、凹型波轮等。优点是对衣物缠绕小，洗涤均匀损衣率低；洗涤缸缸体有全塑、搪瓷、铝合金、不锈钢四大类。波轮式洗衣机工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地磨擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。波轮洗衣机简图如下：图2-1波轮式洗衣机简单的概括，波轮洗衣机特点是低噪音及振动，节能、节水并具有最好的洗涤性能。2.2.3企业生产装配线简述由于实行批量生产,企业从前装配存在着:在制品过多,主轴装配区、面板装配区与后道装配区有多台机器待装；车间装配单元不是按照工序装配先后顺序布置,引起物料搬动频繁,导致搬运工具损耗严重；现场混乱,人员没有固定的工作地点和工作任务,现场存在着大量的人员走动与待工。针对这些问题引进新型流水线进行装配线的设计，达到装配线平衡，充分满足当今制造企业的需要。装配线平衡指的是排列装配加工各工序及装配线上的装配任务,保证每个工序或每个工作站的总加工和装配作业时间相近,并有相同或近似相等的总作业时间。使装配线上每个组成单元的物件流动为同一生产率,而不会出现“等待”或传送零件过程中零件的“堆积”失衡等现象,是装配流程设计与作业标准化必须考虑的最重要的问题。装配线平衡的目的是通过平衡装配线使现场更加容易理解“一个流”的必要性及“小单元生产”的编制方法,它是一切新理论新方法的基础[5]。平衡生产线的目标：提高附加价值的比例、缩短闲置时间、使用较小的空间、最理想的使用员工。好处是：缩短闲置时间、加大灵活性、提高品质、降低库存、缩小空间、增强交货期的表现、员工自主权与作业再设计。现对该装配车间的一种型号系列的洗衣机的主装配生产线进行设计。波轮洗衣机主要由外箱体，内胆，电机，排水电机，排水阀，内胆组件，平衡吊杆，上顶盖，后顶盖等主要部分组成。所以设计这条装备线设计为有19个作业工位，由皮带运送半成品，工人的装配过程在皮带上进行。根据装配车间厂房的情况，这里采用直线型生产装配线，成品、半成品和原料的搬运有专人负责，同时该员工也负责半成品送回前工序返工[6]。工序图见图如下（其中三角形为装配工序，菱形为检验工序）：图2-2波轮洗衣机装配线工序图2.3利用模特法MOD法进行产能计算2.3.1预定时间标准法的概念预定时间系统[7]（Predetermind Time System），简称PTS法，在我国常称预定时间标准（法），是国际公认的制定时间标准的先进技术。它利用预先为各种动作制定的时间标准来确定进行各种操作所需要的时间，而不是通过直接观察来测定，把时间量加到动作研究上是由美国人西格在1924年提出的，在他发表的第一个预定时间标准——动作时间分析（Motion Time Analysis）的论文中叙述到:“在实际条件的范围内，所有熟练人员完成真正基本动作所需要的时间是常量。”他的动作时间分析（简称MTA）引起了产业界的极大注意，推动人们开始研究各种预定时间标准。此后相继出现了各种PTS法：如工作因素法（简称WF法），方法时间衡量（简称MTM）。但是随着科技的发展，产品趋向于周期短，批量小时，以上方法仍存在诸多不便，往往出现了生产批量已完成，而标准作业时间尚未得及修订好的情况。因此必需寻求更简单且便于使用的PTS法。1966年澳大利亚的海特（G.C.Heyde）博士，在长期研究的基础上所建立的模特排时法（Modolar Arrangement of Predetermind Time Standard，MOD法）便是一种，使动作与时间融为一体时，而精度又不低于传统的PTS技术的更为简单且易掌握的PTS技术。预定时间标准法的特点:（1）在作业预定中，不需要对操作者的速度及努力程度等进行评价，就能客观的确定作业的标准时间。（2）可详细的记述操作方法并得到各项基本动作时间值，从而对操作进行合理的改进（3）可以不使用秒表，在工作前就决定标准时间，并选定操作规程（4）当作业方法变更时，必须修订作业的标准时间，但所依据的预定动作时间标准不变（5）用PTS法平整流水线是最佳的方法2.3.2模特法MOD原理1.模特法的基本原理[8]（1）所有人力操作均包括一些基本动作通过大量的研究，模特法把生产实际中操作的动作归纳为21种。（2）不同的人做同一动作（在条件相同时）所需的时间值基本相等这里所说的条件相同，是指操作条件相同。例如，手在无障碍物时的移动和在有障碍物时的移动，以及不同高度的障碍物时的移动，其时间值是不同的。这里所说的不同人做同一动作所需时间值基本相同，是指对大多数而言，对于少数特别快或特别慢得人不包括在内。（3）使身体不同部分动作时，其动作所有的时间值互成比例如手的动作是手指动作的2倍，小臂的动作是手指动作的3倍等，因此，可以根据不同身体部位动作的时间值来相互推算。从理论上说，时间性单位的量值愈小，愈能精确地测量各种动作的时间值。对于各种PTS法时间量值的一般选择原则是，应小于该种PTS法中速度快的基本动作，动作一次所需时间值的某一量为该法的时间单位。模特法在人体工程学实验的基础上，动作一次所需时间值的某一量为该法的时间单位。模特法在人体工程学试验的基础上，根据人的动作级次，选择以一个正常人的几次最低、速度最快、能量消耗最少的一次手指动作的时间消耗值，作为它的时间单位，即1MOD=0.129s。模特法21种动作都以手指一次（移动约2.5cm）的时间性消耗值为基准进行试验。比较，来确定各动作的时间值。大量的试验研究表明，一个人（或不同的人）以最快速度进行操作时其动作所需时间，与这个人（或不同人）以正常速度进行操作时其动作所需时间性之比，是一常数（或基本接近常数）。2.MOD法的时间单位MOD法时间单位的设定，根据人的动作级次来确定。以一个正常人的级次最低，速度最快，能量消耗最少的一次手指动作的时间消耗值，作为时间单位，及1 MOD=0.129s。同时，还可以在运用中根据企业的实际情况，决定MOD时间值的大小。如：MOD=0.1s高效值，熟练工人的高水平动作时间值；MOD=0.12s快速值，比正常值快7%左右；MOD=0.143s包括恢复疲劳时间的10.75%在内的动作时间。试验表明，其他部位动作一次的MOD数都大于1MOD，通过四舍五入简化处理，得到其他动作一次所需的正常时间值均为手指动作一次MOD数的整数倍。3.MOD法的特点(1)易懂、易学、易记模特法将动作归纳为21种，不像其他方法有几十种甚至100多种。这里有21个动作，21个动作分两大类：上部为基本动作，11种；下部为身体及其他动作，10种。上部的11种动作分为三大类：即移动作（M）、抓取（G）、放置（P）。每个动作右边的数字表示相应动作的时间值，下部分10种动作，表示身体及其他方面的动作，同时也反映了时间值。模特法把动作符号与时间值融为一体。如G3表示复杂的抓取动作，同时也表示了该动作的时间为3MOD=3*0.129s=0.387s。如果是移动小臂去抓放在零件箱中的一个小螺钉（抓时时同时扒开周围的其他零件），在模特法中的M3G3表示，其中M3表示小臂的移动，G3表示复杂的抓取，M3G3时间值是6MOD（其中M3为3MOD，G3为3MOD），因此，只要知道动作的符号，也就知道了时间。在模特法的21种动作中，不相同的时间值只有“1，2，3，4，5，17，30”8个，而且都是整数。这样只要有了动作表达式，就能用心算很快计算出动作的时间值。(2)实用采用模特法不需测时亦不要进行评比，就能根据其动作决定正常时间。因此，使用它来分析动作、评价工作方法、制定标准时间、平整流水线，都比其他PTS法容易，切见效快。4.模特法动作分类根据工业生产的实际统计，一般最常见的手工操作，其操作动作有95%以上是上肢为主的动作，而且上肢动作的基本特点是由成对出现的“移动动作”和“终结动作”结合而成的。一个操作动作的完成就对应着“移动—终结”动作及一些其他少量的附加因素的组合。其动作分类见下表：表2-1模特法动作分类在工厂中常见的操作动作上肢动作（基本动作）移动动作移动动作。