劉艷梅,任 佳,江支柱,劉曦澤,祁國(guó)寧
(1.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系工業(yè)工程中心,浙江 杭州 310027;
2.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.友嘉實(shí)業(yè)集團(tuán),浙江 杭州 310018;
4.中國(guó)計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)
大批量定制是指以接近大批量生產(chǎn)的成本和速度,提供定制的個(gè)性化產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)模式[1]。作為大批量定制的生產(chǎn)模式之一;按訂單裝配(Assemble to Order,ATO)是指產(chǎn)品的原材料和子裝配件按照預(yù)測(cè)提前采購(gòu)和裝配,最終裝配產(chǎn)品,直至客戶訂單到來(lái)后進(jìn)行的一種制造策略。典型的面向大批量定制的ATO產(chǎn)品有汽車、計(jì)算機(jī)等,這些產(chǎn)品由于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)相似且工藝、尺寸接近,大多在流水線上進(jìn)行混合裝配,合理制定這類產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃,可增強(qiáng)生產(chǎn)的柔性,減少生產(chǎn)能力的浪費(fèi)和在制品的占用量。
典型的生產(chǎn)計(jì)劃與控制模式有:物料需求計(jì)劃(Material Requirement Planning,MRP)、準(zhǔn)時(shí)化生產(chǎn)方式(Just in Time,JIT)、最優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)(Optimization Production Technology,OPT)等,生產(chǎn)計(jì)劃與控制模式的選擇應(yīng)與企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境相適應(yīng)[2]。
MRP方法不適合大批量定制產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃制定,其不足在于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提前期和生產(chǎn)批量等信息均確定,固定的生產(chǎn)提前期與批量無(wú)關(guān),且能力約束考慮不足,容易造成計(jì)劃結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)不符,導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃與控制分離,僅適用于大量重復(fù)性生產(chǎn)中[3]。
大批量定制生產(chǎn)中,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)只有在顧客訂單確認(rèn)后才明確,為了避免過(guò)多的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間,不同產(chǎn)品交錯(cuò)生產(chǎn)以及相似產(chǎn)品成批生產(chǎn),生產(chǎn)提前期主要依賴于實(shí)際的工作負(fù)荷、批量大小、訂單在車間的下達(dá)狀況等,因而生產(chǎn)提前期無(wú)法設(shè)置為固定值。如何合理設(shè)置零部件的生產(chǎn)提前期,成為制定大批量定制生產(chǎn)計(jì)劃的關(guān)鍵問(wèn)題之一[4]。
JIT是大批量定制生產(chǎn)的初級(jí)階段[1],其內(nèi)涵是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的均衡與同步。產(chǎn)品裝配順序是實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)的關(guān)鍵,可利用目標(biāo)追蹤法確定[5]。文獻(xiàn)[6-7]提出利用遺傳算法和混合遺傳算法進(jìn)行產(chǎn)品裝配順序求解,其優(yōu)化目標(biāo)均包含零部件消耗速率的均衡,本質(zhì)上與目標(biāo)追蹤法一致。
OPT認(rèn)為應(yīng)該追求物流的平衡,而不是能力的平衡。物流平衡是指各個(gè)工序都與瓶頸機(jī)床同步。批量分為轉(zhuǎn)運(yùn)批量和加工批量,一批物品(指加工批量)分多次運(yùn)輸,可大大縮短生產(chǎn)周期,即搬運(yùn)批量可以不等于加工批量。傳統(tǒng)的加工批量根據(jù)經(jīng)濟(jì)批量法確定后不再變化,但由于市場(chǎng)需求的波動(dòng),基于OPT的約束理論認(rèn)為加工批量可變,且提前期是作業(yè)計(jì)劃的結(jié)果,而不是固定值。
ATO產(chǎn)品的主要生產(chǎn)過(guò)程以人工裝配為主,僅使用簡(jiǎn)單的工具和小型機(jī)器設(shè)備,機(jī)加工所占比重較小,生產(chǎn)能力主要取決于單位作業(yè)時(shí)間、工人數(shù)量和工作班次時(shí)間。為了及時(shí)獲得市場(chǎng)需求信息,維持較低的庫(kù)存水平,ATO產(chǎn)品通常采用滾動(dòng)方式進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃,合理的安全庫(kù)存水平和準(zhǔn)確的需求預(yù)測(cè)是ATO產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)對(duì)需求不確定的兩大策略[8]。對(duì)ATO產(chǎn)品生產(chǎn)管理的研究主要集中在零部件庫(kù)存管理和裝配線平衡等領(lǐng)域,分為單一產(chǎn)品、多種產(chǎn)品、單一階段和多個(gè)階段四種情況[9]。
然而,對(duì)ATO產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃的研究通常假定需求過(guò)程與零部件提前期的分布均為給定值,顧客訂單按照先到先裝配的原則履行[8,10],且裝配時(shí)物料總是能夠及時(shí)供應(yīng)裝配,不存在廠內(nèi)加工環(huán)節(jié),如表面處理、噴漆等。而且單獨(dú)研究產(chǎn)品裝配順序或零部件加工順序,將產(chǎn)品裝配與零部件裝配前的加工環(huán)節(jié)割裂開來(lái),不考慮裝配前的物料采購(gòu)、加工與裝配的同步性[11]。因此,所提出的生產(chǎn)計(jì)劃方法難以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中并有效控制原材料和在制品庫(kù)存。
同步生產(chǎn)的核心是有效利用企業(yè)資源,建立與市場(chǎng)需求同步的均勻、連續(xù)的產(chǎn)品流[12]。產(chǎn)品裝配順序是實(shí)現(xiàn)同步控制的基本要素[13]。同步生產(chǎn)能夠更好地滿足大批量定制生產(chǎn)中產(chǎn)品的多樣性需求,有利于減少在制品庫(kù)存,簡(jiǎn)化生產(chǎn)調(diào)度,縮短制造周期并及時(shí)響應(yīng)顧客需求[14]。
文獻(xiàn)[15]提出作業(yè)車間環(huán)境下同步生產(chǎn)的評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[16]提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,以實(shí)現(xiàn)看板生產(chǎn)線中物料流動(dòng)的同步化,有利于生產(chǎn)過(guò)程與顧客需求保持同步,但該方法的應(yīng)用局限于單一產(chǎn)品生產(chǎn)線,能否應(yīng)用于大批量定制下產(chǎn)品種類豐富的生產(chǎn)狀況,仍需進(jìn)一步檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[17]分析了單件生產(chǎn)模式下同步生產(chǎn)的含義及生產(chǎn)調(diào)度方法,由于單件生產(chǎn)模式更多地代表了按訂單設(shè)計(jì)(Engineering to Order,ETO)產(chǎn)品的生產(chǎn),且ATO產(chǎn)品的生產(chǎn)周期較短,產(chǎn)品零部件周轉(zhuǎn)速度較快,對(duì)生產(chǎn)的同步性要求相對(duì)于ETO產(chǎn)品更高,因而有必要研究大批量定制下ATO產(chǎn)品的同步生產(chǎn)計(jì)劃方法。
為解決大批量定制下ATO產(chǎn)品提前期設(shè)置及零部件加工與產(chǎn)品裝配同步的問(wèn)題,本文結(jié)合JIT
和OPT的思想,提出基于目標(biāo)追蹤法和工程深度指示的同步生產(chǎn)計(jì)劃方法,將目標(biāo)追蹤法用于確定產(chǎn)品裝配順序,以利于均衡生產(chǎn)和同步控制,將工程深度指示用于制定零部件加工及產(chǎn)品裝配的生產(chǎn)提前期,以保證零部件加工和產(chǎn)品裝配的同步性,并進(jìn)一步將該方法應(yīng)用到叉車的實(shí)際生產(chǎn)中,驗(yàn)證了該方法的有效性。
大批量定制因按訂單生產(chǎn),其需求數(shù)量不穩(wěn)定。企業(yè)為了充分利用生產(chǎn)能力,及時(shí)供貨和均衡生產(chǎn),通常在顧客訂單到來(lái)之前,進(jìn)行部分通用零部件的提前生產(chǎn)和裝配。顧客訂單確定后,再針對(duì)具體的客戶需求完成其余定制零部件的生產(chǎn)和裝配[18]。因此,盡管產(chǎn)品需求數(shù)量不穩(wěn)定,但制造企業(yè)在一段時(shí)期內(nèi)的產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量仍可保持穩(wěn)定。
工程深度指示本質(zhì)上是一種定期定量的生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法(Period Batch Control,PBC),該方法具有統(tǒng)一的生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)時(shí)間、下達(dá)頻率和生產(chǎn)提前期,適用于含若干階段、并按一定順序生產(chǎn)的情況,不適用于單一生產(chǎn)階段或生產(chǎn)階段數(shù)量太多的情況,學(xué)校家具的生產(chǎn)裝配是該方法的典型應(yīng)用[19]。但從現(xiàn)有文獻(xiàn)中未見該方法的具體計(jì)算過(guò)程,并將其應(yīng)用于大批量定制生產(chǎn)中,本文提出的工程深度指示方法正是基于上述PBC思想,提出具體計(jì)算過(guò)程,并應(yīng)用于大批量定制下ATO產(chǎn)品同步生產(chǎn)計(jì)劃與控制中。
大批量定制下ATO產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程符合這一定期定量的生產(chǎn)計(jì)劃方法的應(yīng)用前提,其提前期的計(jì)算基于一定時(shí)期內(nèi)每日生產(chǎn)相同數(shù)量的產(chǎn)品。利用目標(biāo)追蹤法制定產(chǎn)品裝配順序,建立裝配順序和大批量定制的個(gè)性化產(chǎn)品之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并實(shí)現(xiàn)零部件使用數(shù)量和產(chǎn)品裝配工時(shí)的均衡[9],因此基于目標(biāo)追蹤法和工程深度指示的同步生產(chǎn)計(jì)劃方法能夠應(yīng)用于面向大批量定制的ATO產(chǎn)品同步生產(chǎn)計(jì)劃與控制中。
目標(biāo)追蹤法主要考慮如何編制產(chǎn)品裝配順序,使零部件的使用速度一致。其基本原理是假設(shè)已知n臺(tái)產(chǎn)品的上線裝配順序,在確定第n+1臺(tái)產(chǎn)品時(shí),選擇對(duì)目標(biāo)函數(shù)值影響最為有利的那臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行裝配。
假設(shè)某生產(chǎn)線一日內(nèi)需裝配m種產(chǎn)品,第i種產(chǎn)品需要裝配的數(shù)量為Qi,該日生產(chǎn)的產(chǎn)品總量為Q,裝配這些產(chǎn)品主要用到n種零部件,第i種產(chǎn)品需要第j種零部件的數(shù)量為bij,第j種零部件該日的總需求量為Nj,平均每臺(tái)產(chǎn)品中第j種零部件的需求量為Nj,則,其中i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。工程深度指示的計(jì)算包括以下步驟。
假設(shè)第j種零部件按從1號(hào)~K號(hào)的順序生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)消耗的總數(shù)量為NKj,生產(chǎn)K個(gè)產(chǎn)品時(shí)第j種零部件的平均需求量為NKj,則,此時(shí)如果N盡可能
Kj接近NKj,則產(chǎn)品裝配順序能夠保持各種零部件的使用速度一致。
定義DKi為產(chǎn)品裝配順序計(jì)劃中第K位裝配第i種產(chǎn)品時(shí),零部件實(shí)際使用量NKj與平均使用量NKj的差距,即
步驟1 設(shè)K=1,此時(shí)NKj=N0j=0,j=1,2,…n,Sk-1={1,2,…,m}。
步驟2 在順序計(jì)劃的第K位放入使距離DKi最小的產(chǎn)品i。
步驟3 如果把產(chǎn)品i全部排好順序、編入順序計(jì)劃,則設(shè)Sk=Sk-1-{i*};如果產(chǎn)品i的一部分還沒(méi)有排好順序,則設(shè)Sk=Sk-1。
步驟4 如果Sk=?,則程序結(jié)束;如果Sk≠?,則計(jì)算NKj=Nk-1j+bij,j=1,2,…,n,設(shè)K=K+1,返回步驟2。
目標(biāo)追蹤法的每一步均從當(dāng)前可選擇策略中選取使目標(biāo)函數(shù)值增加最少的策略,每一步只考慮當(dāng)前的狀態(tài),而不考慮全局狀態(tài)。雖然這樣得到的結(jié)果常常為局部最優(yōu)解,但由于算法易于理解和實(shí)現(xiàn),仍然可以較好地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。
工程深度指示(Engineering Depth Indication,EDI)計(jì)算的本質(zhì)是將每日工作時(shí)間視為能力約束,根據(jù)每日工作班次時(shí)間和零部件加工的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間,計(jì)算每日各工序的加工批量和安全存量,再根據(jù)每日生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量,得到零部件的生產(chǎn)提前期。
EDI的計(jì)算過(guò)程基于以下假設(shè):①一條流水線上裝配多個(gè)相似產(chǎn)品;②不考慮不同產(chǎn)品之間的加工或裝配工時(shí)差異。假設(shè)①在實(shí)際生產(chǎn)中普遍存在,通常企業(yè)會(huì)將產(chǎn)品分類并組成系列,按照系列類別進(jìn)行計(jì)劃和生產(chǎn)。假設(shè)②可通過(guò)業(yè)務(wù)過(guò)程改善實(shí)現(xiàn),且實(shí)際生產(chǎn)中可采取各種方法消除不同產(chǎn)品的工時(shí)差異,如進(jìn)行異常作業(yè)和設(shè)置副線工序、專用生產(chǎn)線等[5]。這兩個(gè)假設(shè)體現(xiàn)了大批量定制生產(chǎn)中的相似性原理和減少外部多樣性對(duì)企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)影響的思想。
EDI的計(jì)算過(guò)程包括以下步驟。
假設(shè)企業(yè)計(jì)劃日裝配Q臺(tái)產(chǎn)品,這Q臺(tái)產(chǎn)品在同一條流水線上進(jìn)行裝配,該系列產(chǎn)品有m個(gè)關(guān)鍵零部件,每個(gè)零部件由相應(yīng)的加工工序組成,第i個(gè)零部件有n道工序,則用ai,j表示第i個(gè)零部件第j道工序的作業(yè)時(shí)間,bi,j表示第i個(gè)零部件第j道工序的干燥時(shí)間,如不需干燥,則bi,j=0,其中i=1,2,3,…,m,j=1,2,3,…,n。
步驟1 根據(jù)作業(yè)時(shí)間和干燥時(shí)間,可以求得該系列產(chǎn)品第i個(gè)零部件第j道工序的安全存量時(shí)間ti,j=k×max(ai,j,bi,j),其中k為安全存量系數(shù)且k≥1,其值取決于企業(yè)所能接受的工序間緩沖時(shí)間長(zhǎng)短,最理想的情況是k=1,此時(shí)表示該工序完成后零部件馬上轉(zhuǎn)移到下一道工序進(jìn)行加工,然而實(shí)際生產(chǎn)中很難做到,通常工序之間會(huì)有等待時(shí)間,故k≥1。
步驟2 假設(shè)每日一班制工作共c h,不考慮產(chǎn)品間工時(shí)的差異,則第i個(gè)零部件第j道工序的安全存量,由于安全存量結(jié)果有可能是小數(shù),將其調(diào)整成為轉(zhuǎn)運(yùn)批量NTb倍數(shù)的自然數(shù),從而以NTb進(jìn)行周轉(zhuǎn),可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。NTb最理想的取值為1,表示上道工序完工后馬上流轉(zhuǎn)到下道工序,則安全存量為0,即完全沒(méi)有在制品庫(kù)存。但考慮到實(shí)際生產(chǎn)中較難實(shí)現(xiàn),故可根據(jù)搬運(yùn)、包裝、存儲(chǔ)空間等實(shí)際生產(chǎn)狀況合理設(shè)定NTb的取值。
步驟3 根據(jù)每道工序調(diào)整后的安全存量,可以逐步計(jì)算出每道工序上生產(chǎn)的產(chǎn)品順序號(hào)。設(shè)混流裝配線的工位數(shù)為d個(gè),從最后一個(gè)工位開始編號(hào)為1,則全部線上工位編號(hào)為1,2,3,…,d,考慮線下部分零部件加工工藝的安全存量,如車體噴涂或車體焊接,在相應(yīng)工序后加入該部分的安全存量。
步驟4 對(duì)每個(gè)關(guān)鍵零部件都進(jìn)行以上計(jì)算,直至i=m,得到產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的EDI。
步驟5 根據(jù)關(guān)鍵零部件EDI對(duì)應(yīng)的編號(hào),除以每日裝配的產(chǎn)品數(shù)量,得到各道工序的生產(chǎn)提前期。
以上EDI各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算方法如表1所示。
表1 EDI各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算方法
根據(jù)上述EDI,可進(jìn)一步計(jì)算出關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)提前期(Lead Time,LT),根據(jù)LT和產(chǎn)品裝配順序,可以得到零部件經(jīng)過(guò)各道工序的加工進(jìn)度計(jì)劃以及原材料的采購(gòu)計(jì)劃,并確保關(guān)鍵零部件的加工順序和進(jìn)度能夠同步匹配產(chǎn)品裝配。
上述EDI的計(jì)算基于均衡生產(chǎn)的原則,即日裝配數(shù)量在一定時(shí)期如一月或數(shù)周內(nèi)通常保持穩(wěn)定。當(dāng)市場(chǎng)需求發(fā)生波動(dòng)時(shí),企業(yè)一段時(shí)期內(nèi)的日裝配數(shù)量會(huì)發(fā)生變化,此時(shí)應(yīng)根據(jù)上述原理重新計(jì)算產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的EDI及相應(yīng)的LT,從而更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。
此外,EDI的計(jì)算與企業(yè)工作時(shí)間及人力配置也有關(guān),當(dāng)生產(chǎn)由一班制變?yōu)閮砂嘀苹蛎堪喙ぷ鲿r(shí)間發(fā)生變化時(shí),EDI應(yīng)重新計(jì)算。
將本文提出的同步生產(chǎn)計(jì)劃方法應(yīng)用在叉車生產(chǎn)中,以驗(yàn)證方法的有效性。叉車是典型的面向大批量定制的ATO產(chǎn)品,按照燃料、噸位、車型和發(fā)動(dòng)機(jī)可分為多個(gè)品種。構(gòu)成產(chǎn)品的零部件中,尺寸較大的零部件如車體、門架、配重等,由于搬運(yùn)不便、占用存儲(chǔ)空間較大、成本較高等原因,需要重點(diǎn)計(jì)劃和控制生產(chǎn)進(jìn)度及在制品庫(kù)存,故將EDI方法應(yīng)用在上述關(guān)鍵零件的加工與裝配中。由于車體必須配合車型和發(fā)動(dòng)機(jī),關(guān)鍵零部件增加為車體、發(fā)動(dòng)機(jī)、門架和配重共四種。設(shè)企業(yè)某日計(jì)劃裝配A,B,C,D和E五種車型,其關(guān)鍵零部件用量情況如表2所示。
表2 產(chǎn)品型號(hào)及其關(guān)鍵零部件用量情況表
假設(shè)日計(jì)劃裝配25臺(tái)產(chǎn)品,對(duì)應(yīng)這五個(gè)型號(hào)分別為12,5,3,3和2臺(tái),則根據(jù)目標(biāo)追蹤法得到該日上線順序計(jì)劃為:AABBBBBAAAAAAAAAADDDCCCEE。
假設(shè)上述產(chǎn)品均在一條具有10個(gè)工位的流水線上混合裝配,轉(zhuǎn)運(yùn)批量NTb為5,安全存量為5的倍數(shù)。根據(jù)EDI的計(jì)算原理,得到產(chǎn)品關(guān)鍵零部件車體、配重和門架的安全存量分別為60,30和75,具體計(jì)算結(jié)果如表3~表5所示,其中時(shí)間均以h計(jì),安全存量均以臺(tái)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)由于進(jìn)廠直接裝配,不需要加工環(huán)節(jié),發(fā)動(dòng)機(jī)的EDI可以不予考慮。
表3 車體各工序安全存量
續(xù)表3
表4 門架各工序安全存量
表5 配重各工序安全存量
根據(jù)關(guān)鍵零部件車體、配重和門架各工序的安全存量,得到產(chǎn)品主要零部件的EDI如圖1所示。
根據(jù)上述EDI,進(jìn)一步計(jì)算出關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)提前期,可知車體的LT為5d,門架的LT為5 d,配重的LT為7d。表明計(jì)劃在某日裝配的25臺(tái)產(chǎn)品,所對(duì)應(yīng)的車體、配重、門架分別需提前5d,5d和7d進(jìn)入第一道加工工序,并按照產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的順序號(hào)流轉(zhuǎn)到各道工序,才能保證關(guān)鍵零部件同時(shí)加工完畢并上線裝配。還可以根據(jù)順序號(hào)除以每天裝配的數(shù)量,得到關(guān)鍵零部件每天應(yīng)流轉(zhuǎn)到哪些工序,以此控制關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)進(jìn)度。
將上述方法應(yīng)用到該叉車生產(chǎn)企業(yè)后表明,該方法能為企業(yè)制定合理的日裝配順序計(jì)劃、加工車間生產(chǎn)計(jì)劃和采購(gòu)計(jì)劃,可對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行有效的控制,保證零部件加工和產(chǎn)品裝配的同步,改善企業(yè)由于零部件過(guò)早到達(dá)造成的物料堆積狀況,降低在制品庫(kù)存,加快零部件周轉(zhuǎn)速度。
本文針對(duì)大批量定制下的ATO產(chǎn)品提出基于目標(biāo)追蹤法和工程深度指示的同步生產(chǎn)計(jì)劃方法。目標(biāo)追蹤法用以確定產(chǎn)品裝配順序,以利于生產(chǎn)的均衡性,工程深度指示計(jì)算生產(chǎn)能力約束下的加工批量和生產(chǎn)提前期,使零部件加工和產(chǎn)品裝配兩個(gè)階段同步。最后,將該方法應(yīng)用于叉車實(shí)際生產(chǎn)中,驗(yàn)證了方法的有效性。今后可以進(jìn)一步研究產(chǎn)品裝配順序的優(yōu)化問(wèn)題,對(duì)同步生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型并求解,還可以進(jìn)一步開發(fā)支持該方法的軟件支持工具。
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