錫柴刀具準(zhǔn)備的作業(yè)調(diào)度模型及優(yōu)化求解*

張?jiān)柿?，錢　峰

(1.大連機(jī)床集團(tuán) 技術(shù)中心，遼寧 大連　116620；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連　116024)

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錫柴刀具準(zhǔn)備的作業(yè)調(diào)度模型及優(yōu)化求解*

張?jiān)柿?，錢峰2

(1.大連機(jī)床集團(tuán) 技術(shù)中心，遼寧 大連116620；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

摘要：文章基于錫柴刀具管理系統(tǒng)平臺，研究刀具準(zhǔn)備活動(dòng)的作業(yè)調(diào)度問題。建立優(yōu)化模型，定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采集相關(guān)狀態(tài)信息，并用遺傳算法進(jìn)行求解。通過與實(shí)際手工排產(chǎn)的案例對比，效果高且結(jié)果優(yōu)，具有一定的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：刀具管理；作業(yè)調(diào)度；軟件系統(tǒng)；遺傳算法

0引言

隨著ERP/MES等系統(tǒng)的不斷深化應(yīng)用，刀具管理越來越受到重視，很多學(xué)者對刀具展開了相關(guān)研究，涉及刀具管理信息系統(tǒng)[1-4]、刀具選配規(guī)律[5-6]、刀具編碼及組件共享[7-8]、刀具調(diào)度與生產(chǎn)協(xié)同調(diào)度[9-11]等方面，上述研究成果一定程度上提升了刀具的管理水平。

由于刀具管理的技術(shù)特性，在生產(chǎn)線使用之前涉及大量的準(zhǔn)備工作，涵蓋檢驗(yàn)、庫房、組裝、對刀、拆解、修模、報(bào)廢等工序，刀具準(zhǔn)備在批量制造企業(yè)已經(jīng)專業(yè)化，并形成固定的管理團(tuán)隊(duì)。隨著生產(chǎn)品種增多、制造柔性化不斷提升，刀具準(zhǔn)備作業(yè)的數(shù)量不斷增大，其作業(yè)調(diào)度的效率問題也逐漸凸顯，而目前文獻(xiàn)中卻鮮有專門針對刀具準(zhǔn)備作業(yè)的調(diào)度研究。

綜上所述，本文基于錫柴實(shí)際情況，結(jié)合國家科技重大專項(xiàng)的實(shí)施，在企業(yè)自主開發(fā)的刀具全生命周期管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究刀具準(zhǔn)備作業(yè)的調(diào)度規(guī)劃問題，以期尋找刀具內(nèi)部管理效益的改進(jìn)思路。

1刀具準(zhǔn)備的作業(yè)調(diào)度模型

刀具準(zhǔn)備的作業(yè)調(diào)度問題屬于車間調(diào)度類問題，是指在組裝、對刀等管理環(huán)節(jié)合理分配刀具及作業(yè)順序，在保證滿足正常生產(chǎn)用刀需求的前提下盡量均衡各個(gè)管理單元的工作負(fù)荷，從而能夠合理高效利用企業(yè)生產(chǎn)管理資源。

刀具排產(chǎn)調(diào)度管理工作始于信息終端，信息終端將采集的剩余刀具壽命信息、當(dāng)前備刀數(shù)量信息、各種刀具的額定組裝時(shí)間以及額定對刀時(shí)間等信息傳入刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，刀具管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫信息，生產(chǎn)管理人員可以通過管理看板查看當(dāng)前的刀具管理情況，系統(tǒng)依據(jù)排產(chǎn)調(diào)度算法時(shí)時(shí)進(jìn)行排產(chǎn)調(diào)度方案調(diào)整，生產(chǎn)管理人員依據(jù)排產(chǎn)方案安排刀具的組裝及對刀順序。刀具完成組裝及對刀后送至待用區(qū)，刀具可用數(shù)量信息發(fā)生變化，系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息反饋，從而驅(qū)動(dòng)新一時(shí)刻下的刀具排產(chǎn)調(diào)度管理，如圖1所示。

圖1　刀具排產(chǎn)調(diào)度模型

現(xiàn)以刀具的組裝和對刀環(huán)節(jié)為例構(gòu)建刀具排產(chǎn)調(diào)度模型如下：

⑤刀具物流時(shí)間T物流，在緊急情況下刀具物流時(shí)間相對刀具使用時(shí)間可以忽略，所以此處假設(shè)T物流=0。

⑦組裝工位數(shù)N1，表示組裝環(huán)節(jié)共有N1個(gè)工位可以同時(shí)進(jìn)行操作。

⑨對刀工位數(shù)N2，表示對刀環(huán)節(jié)共有N2個(gè)工位可以同時(shí)進(jìn)行對刀操作。

基于以上刀具管理信息可以構(gòu)建如下排產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化模型：

(1)

(2)

其中：di、ti、mi、σi、fi、N、N2含義如上述數(shù)學(xué)模型所示；

ki,j為在第j個(gè)對刀工位上進(jìn)行對刀的i型刀具數(shù)量；

Qj為在第j個(gè)對刀工位上進(jìn)行對刀的刀具總數(shù)；

mi,j為i型刀具每次發(fā)生數(shù)量變化后的可用刀具數(shù)量。

3模型求解算法設(shè)計(jì)

本文采用遺傳算法進(jìn)行求解。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)信息編碼

定義染色體為刀具的組裝以及對刀序列。設(shè)當(dāng)前刀具有N把，管理環(huán)節(jié)數(shù)量為M(此處M=2)，則單條染色體長度為2NM，其中前半部分?jǐn)?shù)據(jù)為刀具投放順序，后半部分?jǐn)?shù)據(jù)為刀具管理工位號，例如：

其中前半段數(shù)據(jù)代表刀具投放順序：刀具2→刀具3→刀具1→刀具1→刀具2→刀具3；后半段表示刀具管理的工位號：工位1→工位3→工位2→工位6→工位4→工位5，其中工位號代表了組裝環(huán)節(jié)和對刀環(huán)節(jié)的工位。

(2)適應(yīng)度計(jì)算

定義適應(yīng)度值為所有刀具完成組裝和對刀管理所用的時(shí)間，所以適應(yīng)度公式為：

(3)

其中，time越小則染色體越好。

(3)選擇操作

染色體的選擇過程采用了輪盤賭法，并依據(jù)適應(yīng)度進(jìn)行選擇，各染色體選中概率為：

(4)

(5)

(4)交叉操作

交叉操作是染色體在遺傳過程中最重要操作，染色體通過交叉得到新個(gè)體。在交叉操作過程中，隨機(jī)選擇兩個(gè)個(gè)體，然后將染色體對應(yīng)部分進(jìn)行交叉互換。

由于交叉操作過程中出現(xiàn)刀具個(gè)體缺失或管理環(huán)節(jié)缺失現(xiàn)象，例如染色體2交叉操作后2號刀具缺失，所以需要對交叉后的染色體進(jìn)行調(diào)整操作。

(5)變異操作

隨機(jī)選擇進(jìn)行變異操作的染色體，然后選擇變異位置pos1和pos2，最后將兩個(gè)變異位置的編碼信息互換，現(xiàn)以變異位置2和4為例進(jìn)行示范：

如果變異過程中出現(xiàn)信息缺失現(xiàn)象，需要采取與交叉操作過程中類似的染色體調(diào)整操作，從而保證信息的完整度。

4刀具排產(chǎn)實(shí)例

(1)刀具排產(chǎn)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)線所需刀具信息如表1所示，現(xiàn)需在最短時(shí)間內(nèi)完成組裝及對刀工作。

表1　刀具排產(chǎn)信息表

表1包含所需刀具的類型、數(shù)量、管理工位及管理用時(shí)信息，以A型刀具為例：現(xiàn)需該型號刀具2把，刀具序號分別為1、2，組裝可以在1、2號工位操作，組裝用時(shí)分別為7min和8min，對刀操作可以在7、8號工位開展，對刀用時(shí)分別為1min和1.5min。

(2)排產(chǎn)優(yōu)化方案

本實(shí)例排產(chǎn)方案優(yōu)化過程中所采用的優(yōu)化參數(shù)分別為：遺傳代數(shù)gen=50，變異率α=0.8，交叉率β=0.6，排產(chǎn)方案的優(yōu)化求解過程如圖2所示：

圖2　遺傳算法搜索過程

從圖中可以看到算法收斂趨勢明顯，最終排產(chǎn)方案管理用時(shí)為42min，與手工排產(chǎn)方案用時(shí)49min相比，相當(dāng)于減少了企業(yè)7個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍，效率提升14.3%，對于批量生產(chǎn)而言效果顯著。具體的排產(chǎn)方案見圖3。

圖3　刀具排產(chǎn)甘特圖

圖中1~6號為組裝工位，7~9號為對刀工位。以25號刀具為例，其組裝編碼為2501，對刀編碼為2502，從圖中可以看到該刀具于第0~7min在5號工位進(jìn)行組裝，并于第28.5~35.5min在9號工位進(jìn)行對刀。

5結(jié)論與展望

通過上述實(shí)力分析，本系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果比傳統(tǒng)手動(dòng)規(guī)劃方式效率高，結(jié)果優(yōu)，有很好的可行性。下一步，將以錫柴刀具全生命周期管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將本部分模塊進(jìn)行集成與嵌入，同時(shí)提高算法運(yùn)行效率，以提高生產(chǎn)線的刀具精益化管理能力。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Ranjit Singh, C Patvardhan, D Ganeshwar Rao. Intelligent Tool Management Strategies for Automated Manufacturing Systems[J]. Intelligent Control and Automation, 2011, 2(4), 405-412.

[2] 房亞東，杜來紅，孫波，等.刀具全生命周期管理過程建模與信息編碼的研究[J].工具技術(shù),2008,42(7):30-34.

[3] 馮永濤，公冶凡強(qiáng). 基于DNC的刀具管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]. 航空精密制造技術(shù)，2004，40(5): 26-29.

[4] 殷銳，何衛(wèi)平，和延立，等. 面向數(shù)字化生產(chǎn)線的刀具管理系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 機(jī)床與液壓， 2006，29(9): 29-32.

[5] 徐和國，王玉，周雄輝. 基于實(shí)體模型的計(jì)算機(jī)輔助刀具選擇系統(tǒng)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(1): 113-120.

[6] Ayten Turkcan, M Selim Akturk, Robert H Storer. Due date and cost-based FMS loading, scheduling and tool management[J]. International Journal of Production Research, 2007, 45(5):1183-1213.

[7] 楊杰，劉云. 基于CIMS環(huán)境的刀具編碼系統(tǒng)的研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù) ，2004,33(3): 23-24.

[8] 陽厚森，張?zhí)祉?，張吟松，? 基于柔性制造系統(tǒng)(FMS)的刀具編碼研究[J]. 現(xiàn)代機(jī)械 ，2006(1): 29-30.

[9] Bradley Skinner，Shuai Yuan，Shoudong Huang，et al. Optimisation for job scheduling at automated container terminals using genetic algorithm[J]. Computers & Industrial Engineering, 2013,64 (1):511-523.

[10] 陳國良. 遺傳算法及其應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,1996.

[11] 王凌. 車間調(diào)度及其遺傳算法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

(編輯李秀敏)

A Tool Preparing Job Scheduling Model and Its Optimization

ZHANG Yun-liang1，QIAN Feng2

(1.Technique Center, Dalian Machine Tool Group, Dalian Liaoning 116620,China；2.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024,China)

Abstract：A new approach is presented to solve the problem of tool preparing job scheduling. First An optimization model was established based on a redefined data structure. Secondly, a genetic algorithm was programed to solve it. By comparision with actual manual scheduling of cases, the effect is high and the results are excellent.

Key words：tool management; job scheduling; software system; genetic algorithm

中圖分類號：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張?jiān)柿?1971—)，男，遼寧大連人，大連機(jī)床集團(tuán)高級工程師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)床設(shè)計(jì)，(E-mail)zhangyldl@sina.com。

*基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX04012-071)

收稿日期：2015-12-22；修回日期：2015-01-25

文章編號：1001-2265(2016)03-0128-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.035