面向大規(guī)模定制化制造模式的快速換型優(yōu)化方法

戴 瑤, 裴思愔

(1.揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州 225009; 2.長安大學, 陜西 西安 710061)

高度靈活的制造能力是大規(guī)模定制生產(chǎn)范式的核心。企業(yè)以最小的代價,實現(xiàn)快速、高質(zhì)量的換型生產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。許多工業(yè)企業(yè)為滿足產(chǎn)品多樣性的要求,對產(chǎn)品生產(chǎn)的換型過程進行精益分析優(yōu)化,以縮短設備停頓時間,提高生產(chǎn)效率。從精益價值鏈的角度看,從前一類別的最后一個產(chǎn)品到后一類別的第一個合格產(chǎn)品之間的時間間隔,是沒有產(chǎn)出價值的時間,應當盡可能縮短,以減少浪費[3-4]。換模時間主要由準備時間、換模操作時間、調(diào)整時間3部分組成。目前導致轉(zhuǎn)換時間過長的最主要因素是等待時間過長，由不規(guī)范操作帶來的調(diào)整工作量增加。因為缺乏快速轉(zhuǎn)換手段,導致重復操作增多。過程管理不善、目標要求不明確也會引起現(xiàn)場混亂和窩工[5]。

快速換模是通過工業(yè)工程的方法,將換模時間盡可能減少的方法。[6]。近年來,國內(nèi)外許多研究人員都在積極探索快速換型的優(yōu)化解決方案[7-10]。目前應用的快速換型方法的主要不足是:比較耗時,需要投入大量人員對現(xiàn)場進行分析,并且對需要兩人及兩人以上參與的換模作業(yè),沒有進行合理的工作分配,在換型過程中,存在換型人員的作業(yè)量不平衡,等待浪費明顯等問題。 雖然在生產(chǎn)調(diào)度中對參與作業(yè)人員個體的操作能力進行了相關(guān)研究,但對快速換型過程中的目標任務分配考慮不足。

筆者基于頭腦風暴確定換型作業(yè)內(nèi)容，基于方法時間測量確定基準時間,提出一種面向大規(guī)模定制化模式的快速換型優(yōu)化方法。根據(jù)換型作業(yè)人員的實際工作技能水平,優(yōu)化分配相應的作業(yè)內(nèi)容,使人員間作業(yè)量更加平衡,對人力、時間、模具等資源的利用更加高效,從而減少換型的時間,提升企業(yè)應對產(chǎn)品類型變化的能力。

1 優(yōu)化方法

面向大規(guī)模定制化制造模式的快速換型優(yōu)化方法主要由兩部分構(gòu)成,第一部分是確定換型的作業(yè)內(nèi)容,第二部分是將作業(yè)內(nèi)容借助調(diào)度與規(guī)劃的方法有效分配給換型人員。

1.1 換型的作業(yè)內(nèi)容

在設計換型作業(yè)前,需要掌握即將使用和被替換的兩套模具的相關(guān)參數(shù),例如用途、結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、輔助裝置等;另外,還需要掌握注塑機設備的相關(guān)信息,包括工作原理、安裝尺寸、操作軟件等。設計換模作業(yè)內(nèi)容時,運用頭腦風暴的方法與企業(yè)內(nèi)部團隊協(xié)作,分析并確定作業(yè)內(nèi)容,利用方法時間測量試驗計算出每一項作業(yè)所需的標準時間,并將作業(yè)流程進行優(yōu)化,得到一份標準的換模作業(yè)表。

1.2 作業(yè)內(nèi)容分配

作業(yè)內(nèi)容分配的目的是將換型作業(yè)分配給最有效的操作人員。

首先,需要考慮內(nèi)部作業(yè)內(nèi)容,分析作業(yè)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系。有一些作業(yè)內(nèi)容是先后順序,即前一道作業(yè)內(nèi)容必須完成后,后一道作業(yè)內(nèi)容才可以開始。而有一些作業(yè)內(nèi)容是并列關(guān)系,即可以同時進行。

其次,需要考慮換型操作人員的能力和數(shù)量,本文將操作人員的能力劃分為5個等級。級別1代表合格,即所需操作時間與標準作業(yè)表中的工作時間一致。級別5代表優(yōu)秀,即所需操作時間為標準作業(yè)時間的80%,在級別1至級別5之間,分別設立級別2為標準作業(yè)時間的95%,級別3為標準作業(yè)時間的90%,級別4為標準作業(yè)時間的85%。至于操作人員的數(shù)量,視具體工位的容量及生產(chǎn)線的換型節(jié)拍確定。

在確定了作業(yè)內(nèi)容及操作人員能力等級之后,可以把作業(yè)內(nèi)容分配的問題轉(zhuǎn)化為調(diào)度和規(guī)劃的問題,即對完成所有作業(yè)內(nèi)容的最短時間求解,完成作業(yè)內(nèi)容優(yōu)化分配。鑒于換型中的每一項作業(yè)內(nèi)容都同等重要,本文采用最大完成時間和無優(yōu)先級的方法建立模型。

2 案例驗證

X公司是一家專業(yè)生產(chǎn)注塑件的高新技術(shù)企業(yè),主要產(chǎn)品涉及汽車、家電及新能源領(lǐng)域。隨著客戶需求的多樣化及交期時限的縮短,注塑件生產(chǎn)面臨極大的挑戰(zhàn),一方面為滿足多品種的要求必須進行頻繁的生產(chǎn)換型,另一方面要盡可能縮短由于換型所帶來的時間損耗。因此,需要一種新的快速換型方法來解決換型時間長的問題。

2.1 確定模型的標準作業(yè)內(nèi)容

以X公司A類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中注塑模更換為例,進行快速換型的優(yōu)化，首先確定換模的標準作業(yè)內(nèi)容(如圖1所示)。

2.2 分配作業(yè)內(nèi)容

首先確定了作業(yè)內(nèi)容2至10為內(nèi)作業(yè)時間,并對作業(yè)內(nèi)容之間的關(guān)系進行分析,分析結(jié)果如圖2所示。作業(yè)2結(jié)束后才可以進行作業(yè)3,在作業(yè)3結(jié)束后,作業(yè)4至7可以同時進行,當以上作業(yè)完成后,才可以進行作業(yè)8的操作,隨后可以實施操作9,最終完成作業(yè)10。

圖2 換型作業(yè)內(nèi)容的相互關(guān)系

之后,對操作人員的數(shù)量和能力進行分析與評估。X公司計劃2名操作人員進行換模作業(yè),在與內(nèi)部人員共同評估后,得到的操作人員能力等級如表1所示。

表1 操作人員作業(yè)能力匯總

2.3 求解模型

基于上述信息,將作業(yè)2至10分配給兩個操作人員,求解完成所有工作的最短時間。通過采用最大完成時間和無優(yōu)先級的方法,建立求解模型。

設定變量i,j∈I,表示工作內(nèi)容；r∈N0，表示人員。

Pir表示工作i由人員r來執(zhí)行所需要的時間。

aij=1表示工作j必須在工作i完成后才能開始,其余情況aij=0。

xi,r表示工作i在人員r開始的時間。

yi,r=1表示工作i由人員r來執(zhí)行,其余情況yi,r=0。

zzjr=1表示工作i在工作j之前由人員r完成,其余情況zijr=0。

ci表示完成工作i時的全部時間，

ci=xi,1+xi,2+pi,1×yi,1+pi,2×yi,2

(1)

目標方程為:

Mincmax=x10,1+x10,2+p10,1×y10,1+p10,2×y10,2，

(2)

相應的約束條件:

yi,1+yi,2=1?i，

(3)

表示所有的工作都必須完成。

yi,r+yj,r≤1+zijr+zjir，

(4)

表示同一個人員不能同時做兩個工作。

xi,r+pi,r≤xj,r+M(1-zijr)

(5)

xj,r+pj,2≤xi,r+M*zijr

(6)

表示若工作內(nèi)容有先后順序,則保證不會重疊,后一道工作開始必須是在前一道工作結(jié)束之后(此處導入了“big M”方法,M為一任意大而非無窮大的正數(shù), 從而將條件結(jié)構(gòu)的非線性約束線性化)。

c2≤x3,c3≤x4,c3≤x5,c3≤x6,c3≤x7,c4≤x8,c5≤x8,c6≤x8,c7≤x8,c8≤x9,c9≤x10，

(7)

表示工作間的先后順序。

最終可以得到具體人員所推薦執(zhí)行的換型作業(yè)內(nèi)容,操作人員1將進行作業(yè)內(nèi)容3、6、7、10的操作,而操作人員2將實施其余作業(yè)內(nèi)容。 從而得到最短的換型時長為666s,較初始狀態(tài)節(jié)約42%的換型時間(如表2所示)。

表2 優(yōu)化結(jié)果匯總

3 結(jié)語

一方面,提出利用頭腦風暴法設計出合理的換模作業(yè)內(nèi)容,利用時間研究法得到相應的標準時間,并基于操作員工技能水平的實際情況,采用最大完成時間和無優(yōu)先級的方法建立優(yōu)化模型,不僅能夠減少不合理的操作內(nèi)容,而且還可將換型工作內(nèi)容有效地分配給換型操作人員,為進一步減少換型停機時間,提升注塑產(chǎn)品供應商應對多品種、小批量市場需求能力提供了新的方法。另一方面,也存在一些不足：企業(yè)對員工操作能力的評價經(jīng)驗不足；優(yōu)化的模型還需在不同工序、不同企業(yè)試點驗證；面對多副模具和較多操作人員的復雜工況,還缺少相應的模型。這些問題將在之后的研究中予以進一步解決。