基于成本的機(jī)械加工產(chǎn)線資源仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

高志全

摘 要：機(jī)械加工產(chǎn)線的成本控制是機(jī)械制造企業(yè)控制成本、提升運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益的主要方式，在實(shí)際產(chǎn)線中對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證會(huì)導(dǎo)致大量人力成本、時(shí)間成本、產(chǎn)線加工成本的浪費(fèi)。基于此，文章提出基于成本的機(jī)械加工產(chǎn)線資源仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)建立構(gòu)架加工線仿真模型，模擬出當(dāng)前產(chǎn)線的生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)效率，使用基于資源配置遺傳算法的產(chǎn)線資源仿真進(jìn)行優(yōu)化，最后將資源配置優(yōu)化前后生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證機(jī)械加工產(chǎn)線資源仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)線加工成本控制的有效性。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)制造；機(jī)械加工；產(chǎn)線生產(chǎn)；仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

1引言

機(jī)械加工產(chǎn)線的生產(chǎn)制造總成本包括加工成本、生產(chǎn)物流成本、緩存成本、人力成本、延期交貨懲罰成本五項(xiàng)。想要對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)線的資源配置能力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化降低生產(chǎn)制造成本，需要對(duì)五項(xiàng)生產(chǎn)制造成本進(jìn)行人力、資金、設(shè)備、技術(shù)、材料、運(yùn)營(yíng)等多方面的協(xié)調(diào)分配，使企業(yè)能在有限的資源條件下創(chuàng)造出更高的價(jià)值。使用仿真模型對(duì)產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬是機(jī)械制造行業(yè)常用的方式，但目前的仿真模擬方式以獨(dú)立考慮某個(gè)資源的方式為主，最后通過(guò)多個(gè)獨(dú)立模塊的成本控制方式，組建成完整的成本控制優(yōu)化方案，這種方法雖然能夠?qū)ⅹ?dú)立板塊的成本降到最低，但忽略了機(jī)械加工產(chǎn)線是整體化、具有連貫性的流水線，區(qū)塊化的成本控制方案在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不用程度的生產(chǎn)沖突。針對(duì)這種現(xiàn)象，文章以汽車(chē)前后座椅背板構(gòu)件的制造產(chǎn)線為例，設(shè)計(jì)出綜合考慮產(chǎn)線產(chǎn)量、投產(chǎn)順序、緩沖區(qū)容量、人力資源配置等重要因素的協(xié)調(diào)性仿真模型。并基于該模型進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證生產(chǎn)協(xié)調(diào)性的前提下，降低生產(chǎn)制造總成本。

2基于成本的構(gòu)架加工線仿真模型

2.1 構(gòu)件加工產(chǎn)線現(xiàn)狀

2.1.1 加工構(gòu)件

該構(gòu)件加工產(chǎn)線主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)汽車(chē)前后座椅背板，汽車(chē)座椅背板是車(chē)輛舒適性、安全性的重要保障。前排座椅背板和后排座椅背板的機(jī)械構(gòu)造區(qū)別較小，可以在統(tǒng)一產(chǎn)線進(jìn)行加工，具體構(gòu)件形狀如圖1、圖2所示[1]。

2.1.2 構(gòu)架加工線加工工序和布局

構(gòu)架加工線加工工序包括汽車(chē)座椅背板構(gòu)件的加工位置劃線、銑床、構(gòu)件加工（測(cè)量、更換刀具、切割等）、鏜床、研磨和測(cè)量，具體如表1所示[2]。

根據(jù)表1中的工序，構(gòu)架加工線布局分為加工中心、緩沖區(qū)、銑削區(qū)、鏜區(qū)、鉆區(qū)、研磨區(qū)和檢測(cè)區(qū)，共計(jì)兩個(gè)班組，均在虛線范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，各車(chē)間之間使用電動(dòng)平車(chē)和天車(chē)進(jìn)行構(gòu)件傳輸具體如圖3所示[3]。

2.2 仿真模型三維布局構(gòu)建

掌握加工對(duì)象、加工工序和產(chǎn)線布局后，文章使用Plant Simulation仿真軟件建立產(chǎn)線仿真模型，Plant Simulation仿真軟件是一款面向?qū)ο蟮募山Ｎ锪鞣抡鎯?yōu)化軟件能夠?qū)ιa(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)過(guò)程等進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，具有充足的模型族群和直觀的仿真過(guò)程，還能根據(jù)仿真情況提供數(shù)據(jù)的記錄和計(jì)算[4]。

使用Plant Simulation仿真軟件建立產(chǎn)線仿真模型后將目前的產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)輸入模型，批量為18，資源分配方案為4、6、6、12、4、6、6、6、6、13、8，投產(chǎn)順序?yàn)镠HHHQQQQHHHHHQQQQQ，運(yùn)行后計(jì)算出當(dāng)前產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行方案的總生產(chǎn)制造成本為233285元，具體運(yùn)行生產(chǎn)指標(biāo)如表2所示[5]。

將仿真模型的運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)指標(biāo)與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者之間的較差在0.1%以內(nèi)，說(shuō)明仿真模型建立有效，其優(yōu)化決策方案具有可信度。

3 基于資源配置遺傳算法的產(chǎn)線資源仿真優(yōu)化

3.1 資源因素編碼

3.1.1 資源因素范圍

文章將資源因素設(shè)為緩沖區(qū)Z1-Z9、班組H1-H2，共計(jì)11個(gè)資源因素，其中Z1范圍（2、8）、Z2范圍（2、8）、Z3范圍（2、8）、Z4范圍（8、14）、Z5范圍（2、8）、Z6范圍（2、8）、Z7范圍（2、8）、Z8范圍（2、8）、Z9范圍（2、8）、H1范圍（9、15）、H2范圍（5、8）、批量保持8、12、18、24不變[6]。

3.1.2染色體編碼

文章將染色體編碼設(shè)置為上下兩層，上層為資源分配層（資源因素）、下層為投產(chǎn)循序?qū)樱ǘM(jìn)制編碼，0代表Q、1代表H），并按照生產(chǎn)加工任務(wù)對(duì)投產(chǎn)順序進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)下層的二進(jìn)制編碼長(zhǎng)度等于上層資源因素?cái)?shù)量時(shí)，說(shuō)明投產(chǎn)順序合理，最終按照批量8、12、18、24的范圍，篩選出最優(yōu)化方案[7]。

3.2 資源配置遺傳算法

3.2.1 生成初始種群

采用隨機(jī)選擇法產(chǎn)生初始種群，初始種群規(guī)模為50。

3.2.2 適應(yīng)度計(jì)算

將資源配置方案輸入產(chǎn)線仿真模型運(yùn)行，并計(jì)算生產(chǎn)制造成本，利用目標(biāo)函數(shù)，將方案優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為生產(chǎn)制造成本最低化，進(jìn)而完成適應(yīng)度計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示。

K=CZ=CJ+CW+CH+CR+CY? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?公式（1）

公式（1）中，代表適應(yīng)度、代表最小生產(chǎn)制造總成本、代表生產(chǎn)制造總成本、代表加工成本、代表生產(chǎn)物流成本、代表緩存成本、代表人力成本、代表延期交貨懲罰成本。

3.2.3 遺傳操作

遺傳操作通過(guò)公式（1）中求解的適應(yīng)度值完成，優(yōu)化配置方案中值越大，遺傳操作中被選中的概率越大，反之被選中的概率越小。遺傳操作以最優(yōu)保存策略為準(zhǔn)，尋找出所有優(yōu)化配置方案中適應(yīng)度最高的方案，世代數(shù)設(shè)施為40、世代大小設(shè)置為50。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可以得知，最低生產(chǎn)制造總成本和批量呈正比例關(guān)系，所以最優(yōu)的生產(chǎn)制造方案應(yīng)當(dāng)是批量為8，資源分配方案為2、2、2、8、3、3、2、2、2、10、5，投產(chǎn)順序?yàn)镼HQQHQHH。

4 資源配置優(yōu)化前后生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 資源配置方案對(duì)比

優(yōu)化前后資源配置方案對(duì)比數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)表4可以得知，優(yōu)化后的生產(chǎn)制造方案不僅能夠按時(shí)完成生產(chǎn)制造循序，還在投產(chǎn)循序方面進(jìn)行精簡(jiǎn)，達(dá)成工人極限利用率，使生產(chǎn)制造總成本從233285元降低到192878元，驗(yàn)證了完整優(yōu)化方案的有效性。

4.2 生產(chǎn)線性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

文章通過(guò)優(yōu)化前后的生產(chǎn)線性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)一步探究文章優(yōu)化方案的詳細(xì)成本控制數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

根據(jù)表5可以得知，優(yōu)化后的班組1工人利用率提升19.60%、班組2工人利用率提升16.70%、研磨臺(tái)位1-4平均堵塞率降低26.29%、緩沖區(qū)容量總數(shù)降低30個(gè)、平均在制品構(gòu)架數(shù)量降低11.66個(gè)、在制品平均流通時(shí)間降低19.62時(shí)、在制品平均等待時(shí)間降低17.99時(shí)，達(dá)成了生產(chǎn)線性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的全面優(yōu)化。

5 總結(jié)

綜上所述，文章提出基于成本的機(jī)械加工產(chǎn)線資源仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)建立構(gòu)架加工線仿真模型，模擬出當(dāng)前產(chǎn)線的生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)效率，使用基于資源配置遺傳算法的產(chǎn)線資源仿真進(jìn)行優(yōu)化，最后將資源配置優(yōu)化前后生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證優(yōu)化后的生產(chǎn)制造方案使生產(chǎn)制造總成本從233285元降低到192878元，產(chǎn)線班組1工人利用率提升19.60%、班組2工人利用率提升16.70%、研磨臺(tái)位1-4平均堵塞率降低26.29%、緩沖區(qū)容量總數(shù)降低30個(gè)、平均在制品構(gòu)架數(shù)量降低11.66個(gè)、在制品平均流通時(shí)間降低19.62時(shí)、在制品平均等待時(shí)間降低17.99時(shí)，達(dá)成了生產(chǎn)線性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的全面優(yōu)化。

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