硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型構(gòu)建

龍 丹，張宇奇，肖斯麒

（1.南昌交通學(xué)院，南昌 330100；2.南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，南昌 330013；3.華東交通大學(xué)，南昌 330000）

0 引言

硬質(zhì)合金擠壓成型技術(shù)始于20世紀(jì)40年代左右，我國(guó)在前蘇聯(lián)引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，硬質(zhì)合金擠壓成型技術(shù)也得到快速發(fā)展，無(wú)論是在擠壓工藝還是擠壓設(shè)備方面均得到了飛速的發(fā)展。硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備發(fā)展至今，技術(shù)逐漸成熟，質(zhì)量也得到不斷提升。硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備的主要優(yōu)勢(shì)是大規(guī)模大批量生產(chǎn)，為了確保獲取合理的成型工藝，需要保證胚體均勻的結(jié)構(gòu)以及高致密度。設(shè)備全生命周期效率是確保產(chǎn)品制造質(zhì)量的必要條件，同時(shí)也是確保產(chǎn)品數(shù)量和規(guī)模的重要前提和基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)相關(guān)專家針對(duì)設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型方面的內(nèi)容展開(kāi)了大量研究，例如白浩等人[1]優(yōu)先組建了含有儲(chǔ)能裝置的四端SOP，以此為依據(jù)，組建了對(duì)應(yīng)的運(yùn)行效率優(yōu)化模型，通過(guò)半定規(guī)劃方法求解模型，最終輸出效率優(yōu)化方案。胡鑫凱等人[2]通過(guò)電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)力場(chǎng)以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)耦合求解，同時(shí)組建仿真模型，采用優(yōu)化算法求解模型，最終得到最佳效率優(yōu)化方案。

在以上兩種模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一種硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，所提模型不僅能夠有效縮短施工時(shí)間，同時(shí)還能夠有效提升設(shè)備的總作業(yè)時(shí)間和可用運(yùn)行時(shí)間，增強(qiáng)機(jī)械可用率。

1 方法

1.1 硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型構(gòu)建

設(shè)備全生命周期效率的實(shí)質(zhì)即為設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)出的合格產(chǎn)品數(shù)量好的設(shè)備和實(shí)際負(fù)荷時(shí)間內(nèi)的理論產(chǎn)量比值。對(duì)于生產(chǎn)線以及設(shè)備而言，硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化代表設(shè)備的利用率和合格率全部得到有效提升，同時(shí)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也會(huì)隨之降低。

硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率作為一種獨(dú)立的測(cè)量工具，主要用來(lái)描述設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)能力和理論產(chǎn)能兩者之間的比值，主要是由時(shí)間開(kāi)動(dòng)率、性能開(kāi)動(dòng)率以及產(chǎn)品合格率三個(gè)關(guān)鍵要素的乘積構(gòu)成，詳細(xì)的計(jì)算式如下：

式(1)中，Avaliabiliy代表時(shí)間開(kāi)動(dòng)率；Quality代表合格率；Performance代表性能開(kāi)動(dòng)率。

分析硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率主要具有以下四方面特征：

1）硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率不僅要考慮設(shè)備的時(shí)間利用情況，同時(shí)還需要全面考慮員工的作業(yè)熟練程度以及產(chǎn)品合格率等相關(guān)問(wèn)題，進(jìn)而可以深入分析引發(fā)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的主要原因。

2）準(zhǔn)確識(shí)別出由于系統(tǒng)依存關(guān)系導(dǎo)致的瓶頸工序設(shè)備可利用的時(shí)間損失，在設(shè)備正常運(yùn)行情況下，設(shè)備損失的產(chǎn)能常被忽略，所以還需要進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，確保企業(yè)的產(chǎn)能得到有效提升。

3）影響硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率的主要影響因素分別為：設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造以及檢修等操作環(huán)節(jié)，同時(shí)也體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的要求，后續(xù)將對(duì)設(shè)備綜合利用率展開(kāi)更加深入的分析，確保后續(xù)管理工作的順利開(kāi)展。

4）通過(guò)硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化可以有效確保設(shè)備處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，同時(shí)還有利于避免產(chǎn)生拼設(shè)備的短期行為。

通過(guò)對(duì)硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率的分析，可以從組成設(shè)備綜合效率的三個(gè)因素來(lái)分析影響設(shè)備效率的主要損失，如圖3所示。

圖1 硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備主要損失構(gòu)成圖

1）故障停機(jī)損失

主要是因?yàn)樵O(shè)備由于故障而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間損失以及設(shè)備生產(chǎn)出的缺陷產(chǎn)品產(chǎn)出損失。由于偶發(fā)故障是十分明顯的，所在在整體損失比例中占據(jù)比較大的比例，需要投入大量的時(shí)間和精力搜索偶然事故發(fā)生的原因，同時(shí)采取對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施。

2）計(jì)劃維護(hù)停機(jī)損失

在設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品的過(guò)程中，需要對(duì)設(shè)備實(shí)施定期維護(hù)以及保養(yǎng)，同時(shí)有效預(yù)防故障的發(fā)生。

3）換線以及生產(chǎn)設(shè)備損失

生產(chǎn)產(chǎn)品型號(hào)變換和生產(chǎn)設(shè)備故障而產(chǎn)生的停機(jī)損失。即當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)束后，需要采用設(shè)備生產(chǎn)另外一種型號(hào)的產(chǎn)品，在準(zhǔn)備階段會(huì)產(chǎn)生一定的損失。

4）設(shè)備調(diào)試損失

主要是指工作人員因?yàn)槎ㄆ谡{(diào)試和檢修設(shè)備而產(chǎn)生的損失。

5）設(shè)備待料或暫停損失

主要是由于操作失誤或者設(shè)備停頓而產(chǎn)生的損失。這類損失的產(chǎn)生大部分是因?yàn)樵O(shè)備停機(jī)突然發(fā)生的，為了有效降低停機(jī)損失，優(yōu)先需要確保物料供應(yīng)正常，同時(shí)還需要全面提升企業(yè)員工的操作技能。

6）啟動(dòng)損失

即在產(chǎn)品生產(chǎn)初期階段產(chǎn)生的損失，由于啟動(dòng)損失是無(wú)法避免的，所以需要維護(hù)工序狀態(tài)的穩(wěn)定性。

7）速度低下?lián)p失

即設(shè)計(jì)速度和機(jī)器實(shí)際運(yùn)行速度兩者之間的差異產(chǎn)生的損失。

8）質(zhì)量缺陷和返工損失

主要是因?yàn)樵O(shè)備發(fā)生故障而導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，進(jìn)而需要返工。

在設(shè)備比較集中的企業(yè)內(nèi)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障停產(chǎn)以及產(chǎn)品質(zhì)量不合格等問(wèn)題，同時(shí)會(huì)對(duì)企業(yè)效益產(chǎn)生直接影響，對(duì)企業(yè)展開(kāi)實(shí)際改善過(guò)程中，優(yōu)先選擇單獨(dú)精益生產(chǎn)改善。

隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新速度也快速增加，電動(dòng)工具行業(yè)也需要提升發(fā)展速度，全面推進(jìn)產(chǎn)品的不斷更新，為企業(yè)發(fā)展帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。

為了更好管理和提升硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率，將OEE技術(shù)引入到企業(yè)生產(chǎn)管理中[3]，由于考慮到企業(yè)產(chǎn)線區(qū)域比較多，所以可以將工序的硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化作為改善的起點(diǎn)。

為了確保硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率得到有效優(yōu)化，需要結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況展開(kāi)分析和研究，同時(shí)對(duì)硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率損失重新規(guī)劃處理，經(jīng)過(guò)重新規(guī)劃后的損失分類更加有助于分析企業(yè)的實(shí)際損失，明確后續(xù)的發(fā)展方向。

通過(guò)OEE的計(jì)算，需要?jiǎng)澐衷O(shè)備時(shí)間，詳細(xì)的劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率計(jì)算的時(shí)間分解

通過(guò)上述分析，重新制定和規(guī)范企業(yè)的換線操作步驟，同時(shí)完善故障處理程序，以設(shè)備最小損失和最大產(chǎn)品合格率為目標(biāo)，構(gòu)建硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型R，如式(2)所示：式(2)中，minS(m，n)代表設(shè)備最小損失；maxL(i，j)代表設(shè)備最大產(chǎn)品合格率。

1.2 模型求解

遺傳算法[4，5]主要采用目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)展開(kāi)整體搜索和優(yōu)化，為復(fù)雜問(wèn)題的求解提供了通用框架，所以在各個(gè)領(lǐng)域均得到了十分廣泛的應(yīng)用。

編碼是遺傳算法中占據(jù)十分重要的地位，以下主要采用二進(jìn)制編碼方式，詳細(xì)的操作步驟如下：

1）染色體初始化處理。

2）通過(guò)人為設(shè)定的復(fù)制比例，依次對(duì)不同群體展開(kāi)復(fù)制操作，經(jīng)過(guò)復(fù)制處理后，需要保證種群規(guī)模和原來(lái)一致。

3）對(duì)原始種群依次執(zhí)行交叉和變異操作。根據(jù)事先設(shè)定的交叉概率，隨機(jī)形成染色體，在原有染色體的基礎(chǔ)上實(shí)行交叉操作，進(jìn)而構(gòu)建多個(gè)交叉點(diǎn)，形成多個(gè)全新的染色體。其中，交叉點(diǎn)的前半部分采用全新染色體替換；而后半部分則使用原始種群替換。

4）計(jì)算適應(yīng)度取值，同時(shí)輸出最優(yōu)解空間。

5）結(jié)束計(jì)算。

二進(jìn)制編碼主要具有以下四方面的優(yōu)勢(shì)：

1）編碼和解碼過(guò)程十分簡(jiǎn)單。

2）在二進(jìn)制編碼過(guò)程中，交叉以及變異操作都是十分容易實(shí)現(xiàn)的。

3）二進(jìn)制編碼符合設(shè)定的編碼規(guī)則。

4）二進(jìn)制編碼有利于采用模式定理展開(kāi)相關(guān)的理論分析。

在遺傳算法中，適應(yīng)度也是一個(gè)十分重要的衡量指標(biāo)。其中，適應(yīng)度取值越大，則說(shuō)明存活和生殖的概率就越高。

當(dāng)求解目標(biāo)函數(shù)的最大值時(shí)，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為正值，則目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度取值兩者之間的關(guān)系如式(3)所示：

式(3)中，f(x)代表目標(biāo)函數(shù)；F(x)代表個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)，C為常數(shù)。

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)的取值最小時(shí)，需要在其中加入一個(gè)負(fù)號(hào)，使其轉(zhuǎn)換為求解最大值問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的計(jì)算式為：

在大部分優(yōu)化問(wèn)題中，所使用的目標(biāo)函數(shù)具有正負(fù)值之分，同時(shí)求解目標(biāo)函數(shù)的最大和最小值。所以，通過(guò)以上變換并不能確保獲取的適應(yīng)度取值全部為負(fù)數(shù)。所以，在特定情況下，需要對(duì)適應(yīng)度函數(shù)展開(kāi)變換操作，詳細(xì)的變換步驟如下所示。

1）當(dāng)求解目標(biāo)函數(shù)的取值最大，則變換方式如式(5)所示：

式(5)中，Cmin代表事先設(shè)定的最小數(shù)值。

2）當(dāng)求解目標(biāo)函數(shù)的最小值時(shí)，則對(duì)應(yīng)的變換方式可以表示為以下的形式：

式(6)中，Cman代表事先給定的最大數(shù)值。

在遺傳算法操作過(guò)程中，收斂速度也是一項(xiàng)十分重要的因素。經(jīng)過(guò)以上分析可知，由適應(yīng)度取值大小決定個(gè)體可以遺傳到下一代的概率。但是單純通過(guò)以上算法展開(kāi)轉(zhuǎn)換，一定會(huì)存在部分算法收斂速度快以及部分算法收斂速度慢的問(wèn)題。

在線性變換前期和后期需要保持線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)變換后的適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算式如式(7)所示：

式(7)中，F(xiàn)`(x)代表初始適應(yīng)度函數(shù)，α和β代表系數(shù)。

根據(jù)適應(yīng)度取值設(shè)定系數(shù)α和β對(duì)應(yīng)的約束條件，則經(jīng)過(guò)線性變換獲取的系數(shù)表示如式(8)的形式：

式(8)中，favg代表適應(yīng)度的平均取值；fmax代表經(jīng)過(guò)變換后的適應(yīng)度最大值。

在遺傳算法中，需要采用選擇算子完成選擇操作，詳細(xì)的操作步驟如(9)所示：

設(shè)定種群的大小規(guī)模為n，個(gè)體的適應(yīng)度取值為fi，則個(gè)體被選中的概率Pi的表示如下所示：

通過(guò)以上分析，可以獲取遺傳算法的詳細(xì)操作步驟如下：

1）形成一定數(shù)量的初始種群，同時(shí)將種群中的個(gè)體作為研究對(duì)象展開(kāi)研究。

2）計(jì)算不同個(gè)體的適應(yīng)度取值，同時(shí)將適應(yīng)度取值和適應(yīng)度準(zhǔn)則對(duì)比分析，假設(shè)滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，則將其設(shè)定為最佳個(gè)體；反之，則繼續(xù)步驟3）。

3）選擇適應(yīng)度取值較高的個(gè)體展開(kāi)交叉和變異操作，同時(shí)計(jì)算下一代的適應(yīng)度取值，將其和優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)比分析，同時(shí)判定其是否滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，假設(shè)滿足，則輸出最優(yōu)個(gè)體；反之，則重復(fù)上述操作步驟，直至獲取個(gè)體的最優(yōu)解為止。

將遺傳算法應(yīng)用到硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型中，詳細(xì)的操作步驟如下：

1）編碼和產(chǎn)生初始種群

結(jié)合實(shí)際問(wèn)題選擇滿足需求的編碼方式，同時(shí)確定染色體長(zhǎng)度，以此為依據(jù)組建初始種群。

2）計(jì)算種群中不同染色體的適應(yīng)度取值。

3）假設(shè)算法滿足設(shè)定的收斂準(zhǔn)則，則直接輸出搜索結(jié)果；反之，則繼續(xù)執(zhí)行步驟4）。

4）選擇操作

通過(guò)不同個(gè)體的適應(yīng)度取值計(jì)算被選擇的概率。

5）交叉操作

將步驟4）得到的概率實(shí)行交配處理，進(jìn)而獲取染色體組建的群體。

6）變異操作

采用較小的概率判定染色體組建全新的群體。

7）判定個(gè)體的適應(yīng)度取值是否滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，假設(shè)是，則輸出最佳個(gè)體，獲取最佳硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化方案；反之，則跳轉(zhuǎn)至步驟2）。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

在CAK6132數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率實(shí)驗(yàn)，機(jī)床設(shè)備如圖3所示。硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備刀具為YT19合金，工件為50Cr，刀具幾何參數(shù)如表1所示。硬質(zhì)合金生工藝參數(shù)：背吃刀量αp=0.8m m，轉(zhuǎn)速n=500r/min，進(jìn)給量f=75mm/min。

表1 CAK6132數(shù)控機(jī)床幾何參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備

機(jī)械設(shè)備利用率是指每年度設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間占計(jì)劃用時(shí)的百分比，該指標(biāo)代表設(shè)備的使用效率，可反映設(shè)備工作狀態(tài)及生產(chǎn)效率。硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備的可用率的計(jì)算式為：

應(yīng)用提出設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化方法前后的機(jī)械可用率變化如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后機(jī)械可用率測(cè)試結(jié)果分析

分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在采用所提模型對(duì)硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化處理之后，機(jī)械可用率相比之前得以提升，全面驗(yàn)證了所提模型的優(yōu)越性。

為突出提出模型的應(yīng)用效果，采用文獻(xiàn)[1]提出的基于四端E-SOP的有源配電網(wǎng)運(yùn)行效率優(yōu)化模型、文獻(xiàn)[2]提出的電磁斥力機(jī)構(gòu)樣機(jī)效率優(yōu)化模型作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，與提出模型的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。測(cè)試指標(biāo)為不同設(shè)備的可用運(yùn)行時(shí)間和總作業(yè)時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同模型的設(shè)備可用運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

圖6 不同模型的設(shè)備總作業(yè)時(shí)間對(duì)比

分析圖5和圖6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在經(jīng)過(guò)不同模型優(yōu)化處理后，不同模型對(duì)應(yīng)的設(shè)文獻(xiàn)[1]模型和文獻(xiàn)[2]模型相比，所構(gòu)建模型的設(shè)備的總作業(yè)時(shí)間和總可用運(yùn)行時(shí)間明顯更高一些，說(shuō)明所提模型可以有效減少損失，全面發(fā)揮設(shè)備的利用價(jià)值。

以下實(shí)驗(yàn)分析設(shè)備經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，工期的變化情況，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 所構(gòu)建模型應(yīng)用前后的設(shè)備工期縮短率測(cè)試結(jié)果

由表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用提出的硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型后，設(shè)備工期明顯縮短，在1000次測(cè)試中，提出模型應(yīng)用前設(shè)備工期的平均縮短率為2.37%，提出模型應(yīng)用后設(shè)備工期的平均縮短率為2.89%。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明本研究所構(gòu)建的模型有效降低了施工強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備效率優(yōu)化模型存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種硬質(zhì)合金生產(chǎn)成型設(shè)備全生命周期效率優(yōu)化模型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，所提方法具有較高的機(jī)械可用率，總作業(yè)時(shí)間和可用運(yùn)行時(shí)間均更長(zhǎng)，同時(shí)還可以大幅度減少施工時(shí)長(zhǎng)，提升工作效率，具有良好的應(yīng)用前景。