趙晏林,陳昱熹,唐 周
(1.攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院,四川 攀枝花 617000;2.攀枝花學(xué)院人文社科學(xué)院,四川 攀枝花 617000)
三聚氰胺飾面板簡稱三胺板,由基材(中纖板、刨花板、防潮板、多層實木夾板等)和三聚氰胺浸膠紙(原紙浸漬特別三胺膠)高溫壓貼而成,其最大優(yōu)點是環(huán)保、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、防水、簡潔方便等,在定制家具、板式家具中用量較大[1]。三胺板加工中的下料機、封邊機、鉆孔機等設(shè)備尺寸較大,大多數(shù)三胺板車間采用雙排生產(chǎn)線布局。雙排生產(chǎn)線布局是指以主通道為基準(zhǔn),在主通道兩側(cè)高密度布置設(shè)備,主通道承擔(dān)主要物流搬運,該布局方式物流順暢,設(shè)備緊湊,布局效果良好[2]。早期的三胺板車間的雙排生產(chǎn)線布局是工程師根據(jù)工程經(jīng)驗進行,這種方式能夠得到局部滿意布局,但是隨著市場需求波動,需求方式改變,這種布局往往不能滿足市場要求。而生產(chǎn)車間布局是影響生產(chǎn)的最基礎(chǔ)因素,一成不變的工廠布局顯然不能滿足企業(yè)發(fā)展需求,優(yōu)化現(xiàn)有的生產(chǎn)布局是減少物料運料運輸距離,降低生產(chǎn)成本的最有效手段。高效優(yōu)化的生產(chǎn)布局方案可以大大縮短生產(chǎn)周期,減少物流運輸時間,提高生產(chǎn)效率[3]。筆者以三胺板車間的雙排生產(chǎn)線為研究對象,在進行了現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上,對布局現(xiàn)狀進行分析,然后對該車間布局進行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建,數(shù)學(xué)模型求解進行遺傳算法設(shè)計,最后用MATLAB 編程求解出最佳布局優(yōu)化設(shè)計,并進行效果對比,為三胺板的雙排生產(chǎn)線布局提供鑒定和指導(dǎo)。
該家具企業(yè)是集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)于一體的家具龍頭企業(yè),主要生產(chǎn)板式套房家具、沙發(fā)、餐桌椅、床墊、軟床等系列產(chǎn)品。三胺板加工車間是屬于該公司生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),該車間承接了87%(2018 年)板式原材的加工處理,主要加工02-0020 橫架板、05-0033 床鋪板、05-0052 高床箱邊底板、06-0081 高床箱下拉板、06-0071 高床箱墊板、06-0068 高床箱邊拉板、06-0069 高床箱前拉板等7 種部件,車間布局按照工藝原則進行布置,有下料、封邊、排鉆、砂染、敲預(yù)埋等加工區(qū)域。消費市場對三胺板材為原料的家具產(chǎn)品需求量巨大,并且需求規(guī)格多樣,因此生產(chǎn)車間布局中的設(shè)備位置,產(chǎn)品移動路徑和生產(chǎn)線占地面積等因素對企業(yè)成本、服務(wù)水平影響較大。
三胺板加工車間有下料、封邊、鉆孔、砂染、打磨、粘合、定厚、釘框、切料、造型、砂邊、敲預(yù)埋等12 種加工工藝。根據(jù)是否需要噴漆、粘合、加工原始材料可以大致分為4 類,單板封邊工藝、單板封邊噴漆工藝、粘合封邊工藝、粘合噴漆工藝。車間第一道加工工序均為下料,對原始加工木材進行初步處理得到粗加工的材料的工序;封邊是對下料后的材料使用封邊帶對長短方密封起保護、美化作用;鉆孔是對需要進行組合的部件使用排鉆機打孔為之后的鏈接做準(zhǔn)備;砂染是人工對加工的木材進行精加工,使部件變得光滑,去除木纖維,方便著漆;打磨也是對木材進行精加工去除瑕疵;粘合是使用粘合劑對通過由基礎(chǔ)尺寸木材組合得到尺寸木材進行粘合;定厚是將木材加工確定到精確地尺寸;釘框是對厚度小于28Mm 的的木框使用釘槍加工固定;切料是將部件多余的部分去除;砂邊是通過機器進行打磨對部件進行精加工;造型是對部件進行拉槽、開扇加工成形;敲預(yù)埋是對部件預(yù)埋金屬件降低餐桌椅、床腿的磨損,延長使用壽命。部分加工工藝路線,如圖1 所示。
圖1 三胺板車間部分生產(chǎn)工藝Fig.1 Part Production Process of Triamine Board Workshop
三胺板加工車間目前采用設(shè)備沿主通道兩側(cè)進行布置的雙排生產(chǎn)線布局形式。車間按功能進行分區(qū)并編號,從左至右從上至下依次為1 下料區(qū)、2 封邊區(qū)、3 加工中心區(qū)、4 造型區(qū)、5 砂染區(qū)、6 封邊區(qū)、7 下料區(qū)、8 封邊排鉆區(qū)、9 排鉆砂染區(qū)、10 下料區(qū)、11 封邊區(qū)、12 排鉆區(qū)、13 砂染區(qū),共計13個功能區(qū)域,布局如圖2 所示。
圖2 車間現(xiàn)狀布局圖Fig.2 Workshop Current Layout
車間布局的13 個功能區(qū)的距離從至表,如表1 所示。功能區(qū)尺寸,如表2 所示。
表1 車間距離從至表(單位:米)Tab.1 Workshop Distance from to Table(Unit:M)
表2 功能區(qū)尺寸和坐標(biāo)(單位:米)Tab.2 Functional Area Size and Coordinates(Unit:M)
三胺板加工的工藝,如圖1 所示。各部件的工藝差別不大,使用的加工的原料都是三聚氰胺浸泡過的三胺板材,車間主要加工02-0020 橫架板、05-0033 床鋪板、05-0052 高床箱邊底板、06-0081 高床箱下拉板、06-0071 高床箱墊板、06-0068 高床箱邊拉板、06-0069 高床箱前拉板的物流量,如表3 所示。因物流強度=物流量×距離,根據(jù)表1 和表3 數(shù)據(jù)可以得出車間物流強度,如表4 所示。
表3 車間物流量(單位:千克)Tab.3 Workshop Material Flow(Unit:kg)
表4 車間物流強度(單位:千克·米)Tab.4 Workshop Logistics Intensity(Unit:kg·m)
由表4 的計算結(jié)果可以得出目前車間雙排生產(chǎn)線布局的的總物流強度為1.4062×105kg·m
雙排生產(chǎn)線布局具有一個主通道,設(shè)備在主通道兩側(cè)進行布置,生產(chǎn)車間主要以矩形為主,因此功能區(qū)是縱向距離相等,橫向距離不同的形式,如圖3 所示。如圖3 構(gòu)建三胺板車間的XY坐標(biāo)系,各功能區(qū)的中心點坐標(biāo),如表2 所示。車間主通道寬度T=2.6M;功能區(qū)之間最小間距J=0.5M;生產(chǎn)線與車間墻壁的間距Q=1M;第一排的生產(chǎn)線縱向?qū)挾萳1=7.9M,第一排的生產(chǎn)線縱向?qū)挾萳2=7.7M;車間長W=57.4M,寬L=20.2M。
圖3 車間布局示意圖Fig.3 Workshop Layout Diagram
式中:M—車間最小物流強度總和;n—功能區(qū)總數(shù);F表—k 產(chǎn)品加工時,功能區(qū)i到功能區(qū)j的物流量(如表3 所示);p—車間加工產(chǎn)品的總種類數(shù);D—k產(chǎn)品加工時,功能區(qū)i 到功能區(qū)j 的距離;(xi,yi)、(xj,yj)—功能區(qū)i、j的坐標(biāo),其中,i到j(luò)的距離為|xi-xj|+|yi-yj|,例如功能區(qū)3 到功能區(qū)9 的距離等于3 到a、b到9 和a到b的距離總和,如圖3 所示。
式(4)表示生產(chǎn)線布置的換行約束。式中:t—同一排布置的總功能區(qū);w—同排布置的功能區(qū)之和;(t-1)J—同排中的設(shè)備與設(shè)備之間的間隔距離總和;2Q—同排生產(chǎn)線與兩端的車間墻壁間隔距離。
式(5)表示車間能夠放置下所有功能區(qū)。
式中:(n-2)J—所有區(qū)域之間的間隔距離;4Q—雙排生產(chǎn)線兩端靠墻的間隔距離總和;2L—雙排生產(chǎn)線的總長度。
生產(chǎn)線布局的算法在國內(nèi)外研究較多,針對中小規(guī)模的雙排生產(chǎn)線車間布局,遺傳算法具有計算方便,運算速度快,計算結(jié)果有效等優(yōu)點,因此文章采用遺傳算法進行設(shè)計、求解[4-5]。算法主要設(shè)計如下。
編碼采用符號編碼方式,數(shù)字代表功能區(qū)編號,編碼順序是從左至右,從第一排到第二排,例如編碼為(1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13),如圖3 所示。解碼根據(jù)約束條件的式(4)進行,如果順序相加編碼中的式(4)前半部分,當(dāng)大于L時,進行換行,后面的功能區(qū)從左至右布置在第二排。
算法采用最優(yōu)保存方法的選擇策略,即物流強度優(yōu)秀的個體保留在下一代,淘汰物流強度差的個體[6-8]。
交叉策略采用雙點交叉,在個體中隨機產(chǎn)生兩個交叉點,交換其中基因位置,去除相同的基因位[9-10]。變異策略采用倒序排列,如圖4 所示。
圖4 交叉變異Fig.4 Crossover and Mutation
迭代步數(shù)大于500,終止算法。
采用美國MathWorks 公司出品的Matlab2019a 進行算法求,運行環(huán)境為windows10、Intel i7-9750H、RAM 24GB、64 位操作系統(tǒng)。交叉概率pc=0.9,變異概率pv=0.1,迭代步數(shù)Iter=500代,種群數(shù)量pop=50。初始種群隨機生成,多次運行程序得到計算過程,如圖5 所示。在150 代附近求解出雙排生產(chǎn)線布局的最優(yōu)解個體為[7,13,8,10,5,12,4,6,1,2,3,11,9],對應(yīng)的坐標(biāo)為{(3,15.25),(7,15.25),(14.95,15.25),(25.1,15.25),(31.55,15.25),(36.55,15.25),(41.5,15.25),(49.7,15.25),(3,4.85),(13.85,4.85),(26.45,4.85),(36.7,4.85),(45.2,4.85)},最優(yōu)布局的總物流強度為1.1510×105kg·m,如圖5 所示。
圖5 Matlab 仿真過程Fig.5 Matlab Simulation Process
用GA 算法求解的最優(yōu)個體為[7,13,8,10,5,12,4,6,1,2,3,11,9],根據(jù)各功能中心點坐標(biāo),解碼為布局圖,如圖6 所示。[7,13,8,10,5,12,4,6]依次布置與第一排,[1,2,3,11,9]布置在第二排,如圖6 所示。優(yōu)化后的車間布局總物流強度為1.1510×105kg·m,原有布局的總物流量為1.4062×105kg·m,與原有車間相比,總物流量減少了25520kg·m,優(yōu)化比率為18.15%。
圖6 最優(yōu)布局解碼Fig.6 Optimal Layout Decoding
三胺板加工車間的設(shè)備尺寸較大,車間布局以主通道兩邊分別布置設(shè)備的雙排生產(chǎn)線布置形式為主。早期的雙排生產(chǎn)線布局是按歷史經(jīng)驗進行,缺乏科學(xué)的建模分析,隨著需求量和需求方式的變化,早期的布局很難滿足市場的要求。因此,以某家具企業(yè)的三胺板車間為研究對象,對該車間的現(xiàn)有雙排生產(chǎn)線布局進行現(xiàn)狀分析,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,求解算法設(shè)計,MATLAB 編程等,設(shè)計出最優(yōu)的雙排生產(chǎn)線布局,最終,讓新的布局比原有布局降低物流強度25520kg·m,物流效率提升18.15%。結(jié)果表明,合理的雙排生產(chǎn)線布局對三胺板車間的生產(chǎn)物流具有積極的作用。