考慮瓶頸工序外協(xié)的模具車間調度研究與應用
2025-07-091059人次瀏覽
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。