考慮瓶頸工序外協(xié)的模具車間調度研究與應用

作者：顧偉棟，宋利剛，李占鑫（中信戴卡股份有限公司）文章已刊載在《模具制造》月刊，版權歸作者所有，轉載請注明出處，謝謝！

【摘要】瓶頸工序是工件生產流動的窄口，直接影響產品的交貨期和制造成本。模具生產為典型的多品種小批量生產方式，生產節(jié)拍難以控制，生產調度困難，瓶頸工序直接制約車間產量的提升。以最大化利潤為調度目標，研究考慮瓶頸工序外協(xié)的調度算法，并在某公司模具車間進行運用，取得了較好的效益，驗證了該調度算法對多目標柔性作業(yè)車間的指導意義。

關鍵詞：瓶頸工序；多品種小批量；生產調度；模具

1 引言

伴隨經濟全球化的發(fā)展以及互聯(lián)網技術的快速迭代，同時，受消費群體的年輕化影響，顧客對產品的個性化需求越發(fā)強烈，刺激著新零售市場的發(fā)展。為滿足市場需求，提高產品競爭力，多品種小批量生產方式作為個性化生產的主要方式，已日益成為企業(yè)生產的主流模式。多品種小批量生產方式中加工產品數量少、品種多、產品造型不一、加工工藝不同。相比大規(guī)模生產，節(jié)拍難以控制，加工效率底，生產計劃和組織復雜，進而造成產品交付周期長。為解決多品種小批量生產車間的調度問題，縮短產品交付周期，文獻[1]構建了考慮批量的車間魯棒調度模型，提高機器故障干擾下調度計劃的魯棒性，縮短加工周期。文獻[2]在柔性車間調度研究中，考慮對工件進行分批加工和加工中輔助時間的影響，能夠使研究成果更好的應用于生產實踐。文獻[3]闡述了熱處理工序，由于模具工件加熱保溫時間較長，是延誤模具生產周期的瓶頸工序，提出了一種基于負荷控制理論的生產計劃與控制方法。文獻[4]建立了批量生產柔性作業(yè)車間的多目標優(yōu)化模型，基于算法集成的思想，結合多種群粒子群搜索與遺傳算法的優(yōu)點，有針對性的提出具有傾向性粒子群搜索的多種群混合算法，以提高效率和質量，指導生產調度。文獻[5]提出瓶頸工序外協(xié)加工是解決產能不足的常用方法，但外協(xié)加工需要一定的準備時間，且需要更高的加工費用，柔性車間的外協(xié)決策要有較強的前瞻性。文獻[6]闡述了不相容零件族存在到達時間、材料類型、優(yōu)先級及交貨期等多種差異，以最小化加權總拖期量為調度目標，提出兩種改進啟發(fā)式算法和一種新的構建啟發(fā)式算法，優(yōu)化車間調度。多品種小批量生產方式中，不確定因素較多，瓶頸工序直接影響產品生產交付進度，多目標生產情況下，優(yōu)先級的差異通常也會造成瓶頸工序零件的等待。因此，考慮瓶頸工序外協(xié)的生產方式，同時要平衡車間產能與交付需求，實時跟蹤零件狀態(tài)，定時進行生產調度，制定生產計劃。針對上述表述，及某公司生產車間的生產實際情況，建立全新的生產計劃模型和調度算法，確定生產核心指標，對車間進行深入分析和改革改善，指導生產，包括識別瓶頸工序，提高產量，優(yōu)化布局，對多目標柔性作業(yè)車間調度方法進行了分析與研究，結合精益生產的理論，達到了提效降本的目標。


2 車間現(xiàn)行生產調度模型分析某公司模具生產車間調度模型分析，為典型的多品種小批量生產車間，其產品包括低壓模具、差壓模具、高壓模具、擠壓模具、鍛造模具等，為訂單式運營方式，主要服務于公司主營零部件業(yè)務。由于受新冠病毒的影響，以及汽車市場嚴峻的競爭形式，主機廠對供應商的準時交付，甚至提前交付的要求不斷提高，故該公司模具生產車間的生產交付能力，對新項目競爭以及產線量產保障起到極其重要的環(huán)節(jié)作用。面對日益苛刻的客戶要求以及越發(fā)復雜的結構設計和工藝安排，模具生產車間急需提高自身的柔性作業(yè)水平以及快速反應能力，縮短交付周期，提高準時化供應水平。同類型產品，設計不同，加工工藝不同，但加工過程有較為類似的特征，本文以該模具生產車間低壓輪轂模具生產調度為例，對其生產調度進行研究。

2.1 低壓模具生產方式

根據模具使用時的壓鑄工藝要求不同，考慮到金屬利用率、壓鑄效率及聯(lián)機班次等因素，低壓輪轂模具設計時冷卻方式會區(qū)分為水冷和風冷，頂模和底模也會涉及整體和分體，但所有涉及的設備基本分為臥車、熱處理爐、立車、立式加工中心、臥式加工中心、高速加工中心等。

考慮到技術核心問題，低壓輪轂模具整體的結構重要性為底模優(yōu)于頂模，頂模優(yōu)于邊模，邊模優(yōu)于模架。故該公司在權衡自身資源的情況下，原生產方式為頂、底模自制，邊模及模架外委供應商加工。

伴隨著市場競爭的日趨嚴峻，客戶對輪轂造型及外觀的要求越發(fā)嚴格。慢慢導致模具生產車間立式加工中心成為瓶頸設備，相應的粗銑工序成為瓶頸工序，產量受限。

2.2 原生產調度模型

由于模具生產為典型的多品種小批量生產，不同類型、不同造型、不同尺寸的模具零件在不同工序的加工時間不定，為提高生產計劃的準時性，生產車間計劃員實時跟蹤零件及設備狀態(tài)，技術員及時處理生產過程中的問題，生產計劃員綜合考慮客戶的需求，每天做2次的生產調度，生產現(xiàn)場人員嚴格執(zhí)行。

在該種生產模型下，根據模具頂、底零件的加工狀態(tài)，推動式生產。前后端工序產能較大，導致瓶頸工序產生積壓，瓶頸工序零件根據模具整體交期優(yōu)先級進行排產加工。因為客戶需求多元化，插單情況頻繁發(fā)生。個別零件一直在排隊等待，造成大量的浪費。

車間生產管理人員一度集中精力，從工藝上提高設備柔性，釋放瓶頸設備（立式加工中心）產能，轉移個別工序到其他設備加工，產量得到一定提升，但該工序仍然為零件生產流通過程中的瓶頸環(huán)節(jié)，產量維持在該瓶頸工序產出，月產量85副難以提升，以至于前后端的工序造成較大的浪費，故該車間急需全新的生產調度模型和調度算法，綜合考慮質量、成本、人 員、設備等多目標，提升交付產量，降低生產成本，縮短交付周期，面對市場環(huán)境的多變性，提高快速反應能力和市場競爭力。

3 考慮瓶頸工序外協(xié)的車間調度優(yōu)化研究

本文研究的課題可描述如下外協(xié)的車間調度優(yōu)化研究：某公司模具生產車間，瓶頸工序共有 4 臺同等性能立式加工中心，設備24h 運轉，產能為 0.73 副/天/臺，為 2.92 副/天；臥車產能為3.56副/天，設備16h運轉；熱處理產能為4.12副/ 天，設備 24h 運轉；立車為 4.36 副/天，設備 24h 運轉；臥式加工中心產能為4.17副/天，設備24h運轉；高速加工中心產能為4.5副/天，設備24h運轉。每副模具加工順序必須為臥車、熱處理、立車、臥式加工中心、立式加工中心、高速加工中心。對于瓶頸工序，模具（j）的到達時間，交貨期（dj） 和優(yōu)先級存在差異。

該生產車間利潤來源為模具銷售，利潤=（模具售價-模具成本）×銷售數量，模具成本=模具工時×工時單價+材料費+外委費。由于該車間的設備、廠房、風水電等均存在成本消耗，該部分成本定義為固定成本C，固定成本C需分攤到模具成本中，計算時分攤到工時單價中，工時越多，單工時分攤的固定成本越少，工時單價越低，又由于每副模具的加工工時，同種結構，相同尺寸的模具整體工時相差不大，故模具成本越低。

模具拖期交付，會造成客戶抱怨，進而管理部門會根據優(yōu)先級有不同的交付考核率。外協(xié)費用與外協(xié)零件數量成正比。本文以最大化利潤為調度目標，研究該車間調度的優(yōu)化方案。

根據以上分析，若想增加運營利潤，一方面需要增加加工工時，降低工時單價；一方面需要增加銷售數量。由于該生產車間訂單充足，暫不考慮訂單不足的情況。

模具零件從上游工序到達立式加工中心工序，由于該工序為瓶頸工序，產能較低，形成排隊等待的現(xiàn)場，造成浪費，直接制約整個模具生產車間的產量。故為增加銷售產出，提高銷售數量，考慮將該瓶頸工序適量外協(xié)加工。車間調度員需提前根據上下游的加工狀態(tài)為該工序模具零件制定生產計劃，以確定哪些零件外協(xié)加工和該工序零件的上機調度。鑒于多品種小批量生產模式中，零件由于結構的不同，在不同工序的加工時間差異較大，企業(yè)的生產車間一般均會有相對固定的調度周期。該車間在此瓶頸工序的生產計劃需整體考慮上下游工序的負荷度，以及整副模具的交付周期，因為如果周期太短，零件可能沒有足夠的外協(xié)時間，因為零件外協(xié)需要準備、聯(lián)絡、運輸等，周期較長。本文將從兩個層面來研究此難題：一是整體考慮車間上下游的負荷度，以充分發(fā)揮車間的產能，并滿足客戶的需求；二是用來決定瓶頸工序的生產計劃，制定外協(xié)及上機計劃。

3.1 周期滾動調度算法（PRS算法）

周期滾動調度算法即在調度周期內滾動執(zhí)行算法步驟以決定零件的優(yōu)先級，并決策零件外協(xié)及上機計劃。其目的是在調度周期內，充分平衡車間產能和不同產品的優(yōu)先需求，以降低交付考核率，同時加工工時最大化。調度時刻，車間調度員需考慮已到達瓶頸工序的零件，并預測在調度周期內即將到達瓶頸工序的零件。在該調度階段，不需要為零件指定加工設備，只需要評估該控制階段瓶頸工序的加工能力。其具體步驟如下：步

驟1：確定調度周期，并評估在調度時段瓶頸工序的加工能力

步驟2：評估在當前調度時刻，瓶頸工序需要被調度的零件，包含在該工序排隊等待的零件，以及在下一個周期內預測新到達的零件。

步驟3：將零件按優(yōu)先級進行排序。

步驟4：評估當前調度時刻，所有排隊零件在瓶頸工序的工時需求，并評估上游工序零件到達該瓶頸工序的工時時間。

步驟5：將優(yōu)先級別最高的零件安排上機計劃，以滿足下一調度周期內，瓶頸工序滿負荷生產。未安排上機計劃的零件，仍然按優(yōu)先級排序。假設當前調度時刻，未安排上機零件的開始加工時間為下一調度時刻，那么，將零件留到下一調度時刻產生的拖期量與外協(xié)產生的拖期量作對比，如果外協(xié)加工產生的拖期量比零件留到下一調度時間產生的拖期量少，則零件外協(xié)加工，否則將零件留到下一調度時刻，根據緊急程度，綜合考慮優(yōu)先級，并轉到步驟4。

步驟6：調度完畢，并輸出調度結果，安排生產。


3.2 瓶頸工序上機調度算法

根據之前的假設，訂單充足，立式加工中心瓶頸工序不會出現(xiàn)設備空閑，但市場多變，設備空閑也作為一種可能性進行考慮。具體步驟如下：

步驟 1：讀取周期滾動算法調度結果中的上機計劃。

步驟2：評估上機計劃與設備空閑匹配度，對于該瓶頸工序的零件，需充分考慮預計到達該工序零件的優(yōu)先級，在決策時刻和新零件到達時刻分別制定上機計劃。若預計到達零件的優(yōu)先級較高，并且在該零件到達瓶頸工序前會有設備空閑，需將零件留到下一設備空閑產生的拖期量成本與優(yōu)先安排設備等待該零件上機造成的設備空閑成本作對比，若成本低，則按新零件到達時刻的上機計劃執(zhí)行，若成本高，則按決策時刻的上機計劃執(zhí)行。

步驟3：按設備零件下機，優(yōu)先安排上機的原則進行生產排產。若上機計劃不能滿足設備產能需求，則考慮其他業(yè)務，如零件修改。

3.3 考慮瓶頸工序外協(xié)的車間調度模型

綜上所訴，該模具生產車間考慮瓶頸工序外協(xié)的調度模型可表述如下：根據該模具車間的生產特點，結合不同設備的上班班次，調度周期設定為每日的上午7點及下午5點。車間調度員每個調度時刻均需掌握生產任務中每件零件的加工狀態(tài)，根據PRS算法，綜合考慮零件優(yōu)先級，輸出外協(xié)及自制的調度結果。而后，根據瓶頸工序上機調度算法，制定自制零件的上機計劃。

4 瓶頸工序外協(xié)的車間調度應用

任何的理論或觀點頸工序外協(xié)的車間調度應用，均需要實踐的檢驗，通過PDCA的方法發(fā)現(xiàn)不足，重新整改，繼續(xù)實踐，進而豐富并完善該理論。本文從某公司的模具車間生產實際出發(fā)，綜合考慮質量、成本、人員、設備等多目標，研究該考慮瓶頸工序外協(xié)的生產調度模型，從5月份開始進行實踐。車間低壓模具產量大幅上升。由于瓶頸工序的外協(xié)，拉動其他工序的產出增多，9月各設備的總工時產出最大同比提升41.7%，由于零件減少了等待的浪費，該月產量提升40.2%。綜合2020年全年數據，年度月單副低壓模具綜合成本降低11.9%，年度利潤率提升6.3%。

5 結束語

本文以某公司模具生產車間為研究背景，針對多品種小批量生產模式，以最大化利潤為調度目標，研究考慮瓶頸工序外協(xié)的多目標柔性作業(yè)車間調度模型。經過分析，由于售價統(tǒng)一，若想利潤最大化，需要提高銷售額，并降低成本。為了實現(xiàn)調度目標，本文將生產調度分為兩步，首先，通過PRS算法，確定瓶頸工序零件的加工方式（外協(xié)或者自制），其次，通過瓶頸工序上機調度算法，確定自制零件的生產計劃。通過具體的實踐，該公司模具生產車間實現(xiàn)了利潤上的提升，變推動式生產為拉動式生產，產量提升，成本降低，驗證了本文所研究調度模型的理論意義，并對該公司的生產運營產生了較大的指導價值。