（机械电子工程专业论文）基于非同等并联机模型的模具企业电火花车间调度研究.pdf

摘要 摘要 模具制造是制造业的重要组成部份，质量要求高、无重复性生产是单件小批 生产的典型代表，制造过程的经验性、生产过程多冲突、多干扰及生产周期长是 其突出的特点。特别在多个模具项目并行的生产环境下，如何保证各模具的准时 交货、如何根据模具项目的轻重缓急有序地安排生产，如何充分合理地利用企业 内外部的资源等问题，一直是困扰其生产管理者的一个难题。而这些难题集中体 现在车间的生产作业计划编排与调度上，其好坏直接影响着模具的制造周期和制 造成本，解决这些难题的一个有效措施是编制一个合理可行的、优化的车间作业 计戈 j o 继) c 袭、 本文以模具零件生产企业为背景，以广州某大型模具制造厂的匿d 盯制造单元 为研究对象，研究了模具制造厂e d m 车间调度策略。首先在已有非同等并联机调 度数学模型的基础上，针对模具e d m 加工制造过程的特点，对具有模具e d m 加工 特征的非同等并联机的调度问题，进行了数学抽象化描述，建立了该问题的数学 模型，初步研究了该问题最优解的性质；在此基础上，针对所提出的、具有模具 e d m 加工特征的非同等并联机的调度模型，在工时完全确定已知的条件下，提出 了工件到达时间已知情形的遗传算法以获得调度问题的满意解。通过实例仿真以 及与枚举法在相同问题规模下的对比结果，初步验证了该遗传算法求解这类问题 的有效性；然后进一步，针对上述调度问题的数学模型，考虑到实际生产过程中 的不确定因素，研究了具有模糊到达时间和加工时间的条件下，采用梯形模糊数 来描述不确定的到达时间和加工时间，运用l e e - l i 定义的模糊集综合评判排序 指标，将问题的目标函数精确化，最后混合遗传算法来确定相应的工件加工顺序， 仿真实例初步说明了该方法的有效性。 本文最后针对模具企业的e d m 制造单元的实际需求，以w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 为开发平台、m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 为开发环境、c # 为开发语言、s q l s e r v e r 2 0 0 0 为后台数据库，开发了一个基于c s 结构的模具生产计划与控制系 统原型，以辅助车间调度人员进行决策。 关键词：模具；车间调度；非同等并联机；模糊数；遗传算法；模拟退火算法； 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t m o u l dm a n u f a c t u r i n ga st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a n u f a c t u r i n g ，h i g hq u a l i t y r e q u i r e da n dn o n r e p e t i t i v em a n u f a c t u r i n gw a st h et y p i c a ld e l e g a t eo fs i n g l ea n d s m a l l - s i z e m a n u f a c t u r i n g l o n gm a n u f a c t u r i n gc y c l e a n df u l l i m p a c t i n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp e r i o dw a st h eo u t s t a n d i n gc h a r a c t e r e s p e c i a l l y , a tt h ep a r a l l e l m o u l dp r o j e c t ss u r r o u n d i n g s ，h o wt oc o m p l e t et h em o u l dm a n u f a c t u r i n gt a s kj u s ti n t i m e ，h o wt op l a nt h em a n u f a c t u r i n gs c h e d u l eb yt h ew e i g h t i n e s so f d i f f e r e n tm o u l d s ， h o wt ou s et h es o u r c eo ft h ee n t e r p r i s ec o r r e c t l y , t h o s ew e r et h ed i f f i c u l tp r o b l e mf o r t h ee n t e r p r i s ea d m i n i s t r a n t a n dt h o s ep r o b l e m sf u l l yr e f l e c t e do nt h ep l a n n i n g s c h e d u l i n go fw o r k s h o p t h er a t i o n a l i t yo fs c h e d u l i n gt h o r o u g h l yt o o ke f f e c to nt h e m o u l dm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dm a n u f a c t u r i n gc o s t t h e r e f o r e ，t h ea v a i l a b l es o l u t i o n & t h i sp r o b l e mw a st op l a nar e a s o n a b l e ，a v a i l a b l ea n do p t i m i z e dw o r k s h o po p e r a t i o n s c h e d u l i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em o u l dp r o d u c t i o np r o c e s s i n g ，t h es c h e d u l i n gs t r a t e g y w i t ht h ee d mm a n u f a c t u r i n gu n i ti nm o u l dm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ew a si n v e s t i g a t e d f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ee x i s t i n gn o n i d e n t i c a lp a r a l l e lm a c h i n e sm o d e l ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hc h a r a c t e ro fm o u l de d mm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw a s f o r m u l a t e da n dw a sa n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e nap r e l i m i n a r ys t u d ya b o u tt h e f e a s i b l es o l u t i o nw a ss h o w no u to nt h ec o n d i t i o no fp r o c e s s i n gt i m ea n da r r i v a lt i m e b ek n o w nb yg e n e t i ca r i t h m e t i c t h r o u g ht h es i m u l a t i n ge x a m p l e sw ep r o v e dt h e g e n e t i ca l g o r i t h mc o u l ds o l v et h ep r o b l e mv a l i d l y ；i na d d i t i o n ，t a k i n ga c c o u n to ft h e u n c e r t a i n t i e sd u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i n g ，t h es c h e d u l i n gp r o b l e mo fe d m w o r k s h o pw i t hf u z z yp r o c e s s i n gt i m ea n da r r i v a lt i m ew a si n v e s t i g a t e d w i t ht h eh e l p o ft r a p e z o i df u z z yn u m b e r , t h eu n c e r t a i np r o c e s s i n gt i m ea n dt h ea r r i v a lt i m ew e r e d e s c r i b e d a n dw i t ht h el e e l i st h e o r yo ff u z z yd e c i s i o n m a k i n g ，t h ef u z z yo b j e c t i v e f u n c t i o nw a sm a d ea c c u r a t e l y a nh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nm e c h a n i s mo f b i o l o g ye v o l u t i o nw a si n t r o d u c e dt om a k eas c h e d u l i n g a n das i m u l a t i o nr e s u h s h o w e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ld e m a n do ft h em o u l de d mm a n u f a c t u r i n gu n i t ，a m o u l dp r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o la n t i t y p es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n d d e v e l o p e du s i n gw i n d o w s2 0 0 0s e r v e ra st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o n e ta st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，c 撑a st h ed e v e l o p m e n tl a n g u a g e ，s q l s e r v e r 2 0 0 0a sd a t a b a s e k e yw o r k ：m o u l d ；s c h e d u l i n g ；n o n i d e n t i c a lp a r a l l e lm a c h i n e ；f u z z yn u m b e r ； g e n e t i ca l g o r i t h m ；s i m u l a t i o na n n e a l i n ga l g o r i t h m ； 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究目的 本课题所开展的研究工作来源于陈庆新教授的国家自然科学基金资助项目 具有前摄与反应复合控制机制的随机模具制造系统研究( 项目编号5 0 6 7 5 0 3 9 ) 和广东省自然科学基金团队项目制造网格的若干基础科学问题研究( 项目编 号0 5 2 0 0 1 9 7 ) 。 本课题以广州某从事生产大型注塑模的模具企业的e d m 车间作为背景，目的 是研究具有非同等并联机特点的模具e d m 车间调度问题的特性及其解决方法，并 进一步探索将其应用于生产实践中的可能性。通过深入研究该问题的性质，建立 相应的问题描述模型，并使用了智能搜索算法来得到问题的满意解。从而在理论 和实践上寻找解决这类问题的有效途径，并为有关技术的进一步完善与发展以及 先进调度软件系统的研究与开发提供必要的理论与技术基础。 1 2 课题的研究背景及意义 1 2 1 模具生产的特点 模具生产一般是根据订单组织生产，属于单件的订货生产( m t o ，m a k et o o r d e r ) 类型，其生产特点主要体现在以下几个方面： 1 按订单组织生产。企业无法确切地知道可以接到多少订单，订单具有一 定的随机性。这样主生产计划只能起宏观调控作用，企业必须按照订单来组织生 产。 2 生产管理复杂。模具生产按照订单进行组织。模具的品种不断变化，当 同时生产几十套乃至上百套模具时，由于它们的订货期、交货期各不相同，再加 上生产工艺信息的模糊性、交货期的不确定性、以及工时的不确定性，都会使得 模具生产管理比较复杂。 3 模具生产具有一次性的特定。模具很少有重复生产的，其设计千差万别， 即使有重复的要求，也是偶然的。由于没有样件的试制过程，有些问题往往会在 生产中暴露出来。模具一般不编制详细的工艺规程，许多工艺问题有待加工过程 中解决。同时由于工时定额的不准确，会给相应的工序进度计划安排带来困难。 4 采取并行工程的方式来安排生产计划。模具不是最终的产品，所有模具 广东工业大学工学硕士学位论文 用户对于交货期的要求一般都较为苛刻，所以缩短模具的制造周期将是提高企业 竞争力的重要方法之一。企业目前在签订了用户合同之后，就立即与有关的设计 负责人、工艺负责人、数控编程人员以及生产负责人一起进行总体设计，并提出 模架的规格，接着详细的零件设计、工艺设计、数控编程以及准备模架的工作同 时进行。 5 车间多采用机群布置。一个零件可以使用不同的机床来完成同样的加工 目的，即零件可以有多种工艺路线，在一个机床上的准备时间会随前一个加工工 件的情况而变化。 6 在保证加工质量和装配条件的前提下，加工件可以按需生产，不考虑安 全库存。安全库存主要是针对原材料和采购件的。 1 2 2 模具生产管理的现状 模具的生产管理一般存在以下问题： 1 编制车间作业计划的任务繁重。模具的生产一般都是多项目并行的过程。 由于同时生产制造的模具有几十套，而要求又各不相同，在生产工艺信息不完全 或者不准确的情况下，由人工编制车间作业计划将是非常困难的。所以目前企业 针对各套模具只制定粗略的阶段性计划，以及关键零件的进度计划。这样显然不 能满足生产需求，也无法保证物流的同步化。由此导致毛料、工装准备不足，产 品成套性控制无法实现。而且计划编制的好坏依赖于个人所掌握的信息和经验技 巧。在并行工程的框架下组织生产，无论在信息的及时性、准确性、全面性，还 是在所编制的作业计划的一致性、完整性方面都会存在一定的问题。 2 凭经验调度，无法保证整个生产过程的协调。当出现返修、设备故障等 意外情况时，调度员在生产信息不足的情况下，凭经验调度，容易造成生产过程 的中断。 3 加工状态信息反馈的不及时、不充分。模具生产的一次性将导致工序加 工中出现许多问题，只有及时了解加工状态，及时调整，才能保证上下工序的衔 接。 4 生产统计工作量大，信息收集量少，实时性差。当前依靠手工作业进行 登记、统计分析和报表制作，不仅工作量大，而且出错率高。采用人工的方式对 生产进行统计分析，由于信息量不完全不及时，往往不能全面分析实际的生产情 况。 1 2 3 模具车间生产的实际应用背景 模具生产是单件全订货型生产，属于典型的单件生产类型，其生产计划调度 2 第一章绪论 方法一直是生产管理研究的重要研究内容，特点是按订单组织一次性生产，加之 种类繁多，致使管理难度大大增加。目前国内研究模具生产的生产计划调度系统 还很少，能实际应用的更是少之又少。 本课题研究是为了解决广州某大型模具企业的车间部门的实际生产过程中 遇到的困难而提出的。该厂是一间专业从事模具设计、制造的大型模具企业。模 具制造过程中零件到达加工地并不是一次性的，即零件的来料是陆续到达的，而 且随机性很大。一般有多套模具在同一车间加工生产，由于生产的一次性，品种 多、变化快，计划稳定性差，经常收到新订单和改模的冲击，因而生产计划问题 调整频繁，调度困难。由于车间生产调度所涉及问题的复杂性，调度员的工作显 得重要而艰巨，同时也由于调度严重依赖个人经验，车间生产的性能和可预测性 还有着很大的提升空间。 在目前情况下，该工厂的所有计划的制定都是通过有经验的管理者来制定， 车间的调度非常依赖于管理者的经验，而且该企业的生产量较大，往往存在多套 模具需要并行生产的情况，使得管理者难以协调各套模具之间使用资源的冲突。 有一种经常出现的现象就是一些精度要求较低体积较小的零件占用了加工能力 较强的机床，而使得真正需要这些机床加工的零件出现了等待。因此，企业中常 常会出现生产瓶颈，或资源空置的情况。车间生产调度问题本身就具有复杂性、 随机性和灵活性的特点。在生产过程中有很多不可预测的情况会出现如有急件插 入，就使得本来资源紧张的状况变得更加的恶劣。客观上造成了不急的工件往往 先安排加工，更急的工件因无法得到充分的资源而延误的不合理现象。在企业的 调研期间，无论是c n c 车间还是e d m 车间以上所说的现象时有发生。 因此，为了改变该企业的生产管理混乱的现象，以达到提高企业的经济效益 和竞争力的目的，提出一种基于项目信息的车间作业计划编制方法，通过计算机 的计算起到辅助管理人员安排车间生产调度的作用。而该企业中e d m 车间是其中 的一个重要的生产部门，并且有多台不同类型的火花机。因此，以它作为研究和 应用的背景。 1 3 并联机调度及智能优化算法的研究现状 1 3 1 同等并联机与非同等并联机调度研究现状 车间调度问题根据加工系统的复杂度，可分为单机、多台并行机、f l o ws h o p 和j o bs h o p 。并联机调度问题实质是单机调度问题的一般化扩展，关于并联机调 度问题的研究，目前大部份是关于最小制造周期( m a k e s p a n ) 和最小最大拖期量问 题，如o v a c i k m 运用r h p 启发式算法求解最小最大拖期量问题。对于有装设时间 广东工业大学工学硕士学位论文 的调度问题，多采用成组算法以减少不必要的装设时间，汪定伟提出一种基于基 本运行的单机成组工作调度方法，即基于最优解的必要性条件将单个工作组成工 作组。然后采用启发式算法进行求解，从而有效地提高成组工作调度的计算效率。 具有模具约束，平行机台工作最小拖期和调度问题显然是n p 问题，不可能找到一 种确定性多项式时间算法可以对其有效求解。因此，利用基于运行的成组工作调 度方法，结合模具约束条件，设计了关于平行机台的最小拖期和的启发式调度算 法【2 1 。 非同等并联机问题和其他调度问题一样，基本上是由处理机的数量、种类与 环境，以及任务或作业的性质和目标函数所组成，都是一类重要的组合最优化问 题，是同等并联机的推广，在实际应用中更具有广泛的研究价值。其基本定义如 下t 设有m 台加工设备m 1 ，m 2 ，m 3 ，m m ( m 2 ，且各台设备不一定相同) 构成一个制造系统，现有n 个相互独立的作业j l ，j 2 ，j 3 一，j n ，对于作业j i ， 系统中至少存在一台设备m j 可以加工完成作业，加工时间记为p i j ( 0 ，) 。当 各台设备都相同的时候，该问题就蜕化成了同等并联机。简而言之，就是利用有 限的处理机或资源，最优地完成一批给定的任务，并达到预定的目标，而这些预 定的目标就可能包括：加工时间最短、成本最低、延误最短或误工数最少等，而 近年来“准时生产”也成为很多学者研究的热点。 求解非同等并联机问题早在2 0 世纪八、九十年代就有国外的学者对其进行研 究，其中较有影响的是在1 9 9 4 年由t r i c k 所发表的论文，他在研究中证明了非同等 并联机是n p 一难问题，并且以最小化加工费用作为目标函数。由于非同等并联机 问题是n p 一难问题，所以近期国外的研究学者在t r i c k 的基础上，进一步研究该问 题的求解的方法和应用上，如：s i n a ng u r e l 和m s e l i ma k t u r k t ，吁2 0 0 6 年发表的 论文，他们利用一c o n s t r a i n ta p p r o a c h 求解c n c 排产问题，并且得到满意的结果， 虽然此方法确定了该问题的最坏情况并算出误差界限，但对于实际生产应用中的 大规模问题，此近似算法较难满足要求。在我国研究这类问题的学者也有很多， 并且有丰富的研究成果。高家全t 4 1 对非同等并联机模型的最短加工时间的调度问 题，研究了该问题的特点，针对大规模实际生产问题，通过实际例子利用并行遗 传算法，有效的解决了该问题，并通过与一般启发式算法比较说明该方法的收敛 性更好，求解的速度更适合实际应用；另外，由于研究“准时生产”已经成为很 多学者研究的热点，因此，黄德才、郭海东 s 1 在其研究的问题中考虑作业提前完 工和延期完工对非同等并联机作业调度的影响，确立了一个多目标函数，并且利 用遗传算法对该问题进行求解，在实验中与以往求解该问题的一些方法进行比较 后发现利用遗传算法求解，无论从求解速度还是精度上比其他方法都取得更好的 效果。 而该模具企业的e d m 车间调度也是属于非同等并联机调度模型，但又有其自 4 第一章绪论 身的特点，现在关于这方面的文献还比较少。由于模具生产有它自身的特点，所 以e d m 车间在调度的时候工件的到达时间和加工时间往往都是难以准确估计的， 只有随着生产的进程，一些信息才逐步清晰，因此，调度方案需要实时地进行滚 动调整。在以上归纳的文献中，虽然都是基于非同等并联机模型，但这些研究很 多模型都是经过简化的。若要加入到实际应用中，在制定调度方案时除了要考虑 加工时间等的因素外，成本问题也是不能忽视的，所以模具e d m 车间的调度是非 常复杂的模型。因此，为了解决好模具e d m 车间的调度问题，必须在前人研究的 基础上作进一步的探索。 1 3 2 智能优化算法研究 由于实际工程问题的多约束性、高复杂性、建模困难和计算复杂性等特点， 为大规模工程问题寻找一种具有并行且有智能特征的算法已经成为相关学科的 一个热门研究方向和目标。智能优化技术是一种以数学为基础，用于求解各种工 程问题优化解的应用技术【6 】。在众多的领域中，如：人工智能、模式识别、系统 控制、生产调度等得到广泛应用。在这些智能算法中，经过人们长期实践应用， 比较常用的有遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法和其混合优化算法等。它 们都是基于客观世界中的一些自然现象，通过与组合最优化求解进行类比，找出 它们的共性，建立相应的算法，这些算法的目标是希望能够求解n p 难问题的全 局最优解，有一定的普遍性，可用于解决大量的实际应用问题1 7 1 。 早在2 0 世纪7 0 年代初期，h o l l a n d 教授就提出了遗传算法，其主要原理是 借用生物进化中“适者生存”的规律，以优胜劣汰的方式，让更优的解得以“生 存”。其优越性简单的可以归结为：( 1 ) 适合数值求解那些带有多参数、多变量、 多目标和在多区域但连通性较差的n p 难优化问题。( 2 ) 在求解很多组合优化问 题时，不需要有很强的技巧和对问题有非常深入的了解。( 3 ) 同求解问题的其他 启发式算法有较好的兼容性。遗传算法的设计一般需要进行以下的几步流程：编 码设计、适度函数选择、算法参数的选择、遗传算子的设计和确定算法的终止条 件。由于此算法的通用性强、隐含并行性和全局解空间搜索很快在各个领域都得 到了广泛的使用，而车间调度研究方面，相关的文献更是硕果累累f 8 】【9 i i 】【1 0 1 。另外， 遗传算法也不可避免的有它的不足之处：( 1 ) 存在编码不规范及表示不准确等问 题。( 2 ) 单一的遗传算法编码不能全面地将优化问题的约束表示出来。( 3 ) 不能 保证收敛到最优解。 模拟退火算法最早的思想由m e t r o p o l i s 在1 9 5 3 年提出，k i r k p a t r i c k t l l l 在1 9 8 3 年成功应用在组合最优化问题。它是局部搜索算法的扩展，它不同于局部搜索之 处是以一定的概率选择邻域中费用值大的状态，从理论上来说，他是一个全局最 广东工业大学工学硕士学位论文 优化算法。由于模拟退火法能以一定的概率接受差的能量值，因而有可能跳出局 部极小，但它的收敛速度较慢。因此模拟退火法也可与其他方法相结合以提高收 敛速度，如文 1 2 l 中首先用贪婪法搜索，将得到的作业序列作为初始解，再用模拟 退火法求解单机调度问题。 禁忌搜索也是一种通过领域搜索以获取最优解的方法，g l o v e r 在文f 1 3 呻叙述 了它的基本原理。文【呻汪定伟使用了禁忌搜索算法解决并行多机成组工件的极 小化最大通过时间调度问题。在文【坫】中为了更有效地搜索解空间，引入了插入移 动和移动相结合的机制提高了搜索效率。 除了以上列举的几个常用的智能优化算法外，为了提高搜索的性能，克服算 法固有的缺陷，不同算法之间的混合使用往往能克服独立使用单一种算法的缺 点，如遗传模拟退火算法、遗传禁忌搜索算法等等，因此这些算法都是解决车间 调度问题很好的工具。 1 4 本文总体介绍 1 4 1 研究目标 本文以模具的e d m 生产车间为对象，在广州某大型模具制造厂的e d m 车 间生产部门为调研基地，研究了模具企业的e d m 车间生产调度模型和调度策略， 在此基础上设计开发了一套生产计划与控制原型系统，实现对模具企业e d m 车 间的作业调度的辅助决策，帮助生产管理部门更好地控制生产进程及调配资源的 使用，解决现行模具车间作业调度与调度执行之间的不协调，弥合上层计划层与 底层控制层之间的不足。 1 4 2 研究内容 本文所研究的主要内容有： 1 在已有非同等并联机调度数学模型的基础上，针对模具e d m 加工制造 过程的特点，对具有模具e d m 加工特征的非同等并联机的调度问题， 进行了数学抽象化描述，建立了该问题的数学模型，初步研究了该问题 最优解的性质。 2 针对所提出的、具有模具e d m 加工特征的非同等并联机的调度模型， 在加工工时及工件到达时间完全确定已知的条件下，提出了应用遗传算 法以获得调度问题的满意解。通过实例仿真以及与枚举法在相同问题规 模下的对比结果，初步验证了该求解这类问题的有效性。 6 第一章绪论 3 针对不确定加工时间及到达时间的情况，基于模糊数学理论基础上，建 立模具e d m 车间调度模型，最后采用遗传模拟退火算法来确定相应的 工件加工顺序，仿真实例初步说明了该方法的有效性。 4 以w i n d o w s 2 0 0 0 为开发平台、m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 为开发环境、 c 群为开发语言、s q ls e r v e r 2 0 0 0 为后台数据库，开发了一个基于c s 架 构的、具有e d m 车间生产调度辅助决策功能的模具生产计划与控制原 型系统。 1 4 3 章节安排 第一章：绪论； 第二章：企业模具e d m 车间调度问题描述； 第三章：基于遗传算法的模具e d m 车间调度； 第四章：基于模糊数学理论的模具e d m 车间调度； 第五章：系统设计与开发； 全文的总结与展望。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章企业模具e d m 车间调度问题描述 本文所做的工作都是围绕广州某一大型模具制造企业展开的，在该企业的背 景下，我们先从宏观角度分析该企业的整个生产组织结构，再从微观的角度分别 针对生产管制组、生产计划与控制部在企业中担当的角色展开论述，并就e d m 车间的具体情况予以说明。 2 1 企业生产计划与控制的结构与机制 本文的背景企业是一个大型模具制造企业主要从事汽车注塑模具制造，同时 承接的模具项目数量多且模具复杂，制造周期较长，关键设备多，其生产组织结 构采用的是递阶协调( h i e r a r c h i c a la n dc o o r d i n a t e ) 式生产控制结构。在该种生 产组织结构下，整个企业的各个生产部门可由上至下分成三层：项目( 群) 层、 生产部门层和车间与班组层。首先，企业设立了生产管制组，它属于最上层的项 目( 群) 层，其主要任务有：制定模具项目的目标规划与制订；宏观地把握整个 企业的总体生产负荷，及早将部份项目进行项目性外协，以避免日后发生这种资 源总体不足的情况。其次，中层的生产部门层或生产计划与控制部( p p c ) 主要 由企业的制造部经理负责领导。他的主要职责就是：遵从项目计划约束，保证项 目的进度，确定每个零件每道加工工序的实际开工期，并预计实际完工期；考虑 关键资源的实际动态负荷，配置共享关键资源，特别是当企业内部可以提供的最 大资源总供给量不足时，寻求零件外协加工，甚至是工序外协加工；最后，车间 与班组层就包括：e d m 车间、c n c 车间、钳工组，且每个部门都配有组长作为 部门的领导者，负责将每个零件的每道工序落实到每台设备和每个操作者。 在此三层结构中，各层关系相互紧扣，生产计划的信息流自上而下，层层细 化。生产管制组为每套模具制定项目计划，输出的是项目管制表，它使得生产部 门层和车间与班组层中的各部门或企业间项目协同能以此作为一条基准线进行。 当生产管制组认为企业内部资源能满足项目需求而决定运用企业自有的资源进 行生产时，则p p c 考虑项目计划的约束与关键资源的实际动态负荷之间的关系， 协调各项目之间的资源配置，并根据动态b o m 的相关信息( 即每类零件的个数， 以及目前的在制品状态) ，预计每个零件每道加工工序的计划开工期与计划完工 期，其最终输出的是加工计划。而加工计划又作为输入信息被车间与班组负责人 接收，之后班组负责人再制订车间与班组的生产作业计划，将每个零件的每道工 序落实到每台设备和每个操作者，这就是所谓的资源迟绑定过程。在结束当天的 所有加工任务之前，当天的加工信息被立即反馈回p p c 。基于当天的反馈信息， 8 第二章基于非同等并联机模型的模具e d m 车间调度问题 p p c 可以比较准确地预计下次的加工总量，再结合目前的生产需求，从而滚动地 制定下次的加工计划。 2 2 生产管制组与数控课长的职责描述 2 2 1 生产管制组 从项目经理自身职权的角度考虑，他们更加关注项目的进展情况，为了尽可 能地降低项目拖期的风险，额外增加资源的使用代价对他们而言则是必要的。但 是从总体效益的角度来看，合理利用昂贵的资源比不惜代价地降低项目的风险更 加可取。基于共享资源在项目之间动态分配的考虑，企业一般不给项目经理关键 资源的统一调配权限。除了上述原因之外，由于项目执行过程中经常出现预料不 到的突发事件，以及项目任务持续时间难以准确估计( 在有些情形下即便可以较 为准确地估计，但是制订项目计划的时间距离项目加工任务的执行时间相对较 长，一般至少两周，甚至两个月以上，误差的积累使得项目经理此时也难以准确 估计彼时关键资源的动态负荷) 。即便在项目加工任务不久将要执行时，一旦生 产管理者发现关键资源不足，还可以将该加工任务进行紧急外协。正是以上三个 主要原因，使得项目经理制订的项目计划，难以充分考虑到关键资源的动态约束 条件( 只能合理假定关键资源的可获得性不存在问题) 。为了克服项目经理存在 的不足，企业设立一个专门的项目( 群) 的总体协调小组亦即生产管制组，当企 业接到新的模具订单时，生产管制组必须召集设计部部长、钳工组组长、还有 c n c 车间与e d m 车间的组长进行会议，一方面是为了了解企业的资源负荷情 况，另一方面以协商的方式确立新模的项目计划。在会议上，各部门的领导人会 根据订单的一些基本信息以及本部门的情况，对模具项目计划的制定提出建议。 当各方协调一致后，生产管制组则会综合各方意见，并根据订单的相关信息确立 拖期惩罚系数后，以甘特图的形式制定一份模具生产项目计划分发至各部门的领 导人手中，以此作为生产进度的一个指针。对于各个部门而言，项目计划就为他 们确立下了每类工件每道工序之间的约束关系及时间窗约束。 另外，由于制订项目计划的时间距离项目加工任务的执行时间相对较长，一 般至少两周，甚至两个月以上，误差的积累使得彼时关键资源的动态负荷难以被 估计。即便在项目加工任务不久将要执行时，一旦生产管制组发现关键资源不足， 将决定加工任务是否进行紧急外协。否则，让加工任务按原计划使用企业内部资 源进行生产。 9 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 生产计划与控制部 在企业资源满足生产需求的前提下，依据项目计划这条基准线，p p c 的职责 就是弥补项目计划无法确切地考虑关键资源的实际动态负荷，根据当前的实际情 况，为所有项目中每个目前即将开工的加工任务配置共享关键资源。为了保证项 目的进度，p p c 必须基于每个项目任务完工期的及优先权的约束，以及动态b o m 的相关信息( 即每类工件的个数和工件可能到达车间的时间，以及目前的在制品 状态) 和每天反馈的加工信息，协调每个工件各工序的加工优先次序，并预计每 个待加工零件每道加工工序的开工期和完工期，亦即输出加工计划，把该计划发 布至车间与班组层。至此，p p c 并不会安排每个工件生产落实到每一台设备和操 作者上，而把这个工作留给车间与班组层的各部门的领导者去完成。 为了应对突发事件如返修等的影响，当p p c 发现某些时段生产任务的总需求 明显大于企业内部可以提供的最大资源总供给量时，p p c 就要决策是否寻求零件 外协加工，甚至是工序外协加工。 2 3e d m 车间情况描述 2 3 1e d m 车间背景 模具制造过程中，电火花加工是一个重要的生产环节，而电火花加工车间处 于企业的递阶式生产组织结构中的车间层。它们不仅对模具质量的好坏起到重要 作用，而且关系到生产一套模具从中能获取到多少利润，当制订调度方案时，在 保证完成生产任务的前提下，企业还要求车间组长控制好生产成本从而达到既提 高利润又能合理使用资源的目的。 对于e d m 生产车间的组长而言，他管理的资源主要是车间里的所有e d m 设备与工人，其中这些e d m 设备虽然在功能上都是单头的电火花加工机，但是 为了满足不同的加工要求，企业在选购这些机器时，在加工精度、加工速度、单 小时费率和行程等参数都是不尽相同的，也就是说这些e d m 设备的加工能力都 不尽相同。由于是单头火花机关系，所以使得每次执行加工任务每台设备只能一 次同时加工一个工件，并且为了保证加工精度的要求，上机加工开始后的工件理 想情况下是不能中断下机。 在此之前我们已经述及了生产计划与控制部的职责作用，对于企业的各个车 间部门而言它最终输出的就是加工计划。所以加工计划作为一种指令被发送到 e d m 车间，同时说明生产计划与控制部认为e d m 车间存在完成加工任务能力 的设备，而这样的设备在e d m 车间中至少存在一台。当e d m 车间组长接收到 l o 第二章基于非同等并联机模型的模具e d m 车间调度问题 该加工计划时，加工计划中就能为他提供以下信息：首先，是加工的模具数量、 工件数量；另外，由于p p c 能通过反馈的信息了解各工件各工序的生产情况， 所以加工计划中除了提供计划开始时间与完成时间外，还能提供计划的工件到达 e d m 车间时间。又由于项目计划明确地规定了各道工序的生产时间窗，所以每 套模具在e d m 车间加工的所有工件的最晚交货期都是己知且若出现拖期的情况 则相关的惩罚系数都是明确的。在众多计划指令的控制下，e d m 车间组长就只 需要根据这一系列指令在时间窗内完成工件e d m 工序的加工任务即可，而无需 要考虑各工件是否有加工先后的约束，他所要决策的就是把每个零件落实到每台 设备和每个操作者上，以及根据具体的设备情况估计工件在不同设备上所需要的 加工时间并由此而引起的加工成本，即：制定作业计划。 2 3 2e d m 车间成本计算方式 虽然人力资源与设备资源都是企业的资源之一，但对于模具企业来说，e d m 设备则相对的昂贵而且项目之间的共享度更高，所以e d m 组长在考虑作业计划 时一般则重于考虑机器设备的使用，有鉴于此本文也优先考虑机器的调度方案， 而人力调度暂时不考虑。另一方面出于对交货期的重视，所以若有生产拖期的情 况出现企业内部则会作出费用惩罚，并把该部份费用累加到生产成本中，而提前 交货则不会做出惩罚。因此，本文研究如何优化的e n d 车间的制造成本计算方式 由两部份组成：设备的使用成本和拖期惩罚费用。 首先，第一部份的设备使用成本与占用机器的加工时间和机器的费率这两个 因素是密切相关的，两者之间是一种互相制约的关系。一般情况下，每一个工件 的生产成本是以每台机器设备的单小时费率和该个工件在机器上加工时间的乘 积计算的，然后通过累加的方式计算出各套模具的加工费用，应用同样的原理也 就可以计算得出e d m 车间完成对所有模具加工时所需要的成本。而加工速度较 快的设备往往费率都较高，反之，则费用较低。所以e d m 车间的部门主管在制订 调度方案时，除了要考虑如何完成生产任务之外，还要考虑到如何平衡这两者之 间的关系，而这一点也是经常困扰车间组长的问题。 其次，由于模具一般都是订制单件生产的，订购方对于交货期的要求都非常 严紧，所以就促使模具生产企业非常重视模具的生产进度，以确保模具能在商定 的交货期内完成。为达到此目的，当项目计划制定时生产管制组也为车间制定了 拖期惩罚费率，若有拖期情况出现则会对车间实施经济上的惩罚，并把该惩罚追 加到车间的生产成本上。相对于c n c 的加工环节，e d m 生产在整个模具的制造 过程中有其固有特点，使得它与c n c 的拖期惩罚的计算方式也有所区别。一般 情况下e d m 的下一道工序是装配，所以必须把所有的模具工件组装成一起才能 广东工业大学工学硕士学位论文 进行，只要有一个工件缺少整套模具装配都不能顺利进行。在这种情况下，e d m 生产的最后一个工件的完成时间是至关重要的，而最后一个工件的拖期时间越长 影响就越大，所以计算拖期惩罚的方式就和拖期时间最长的工件相关。也就是说， 若有拖期生产的情况出现，则以拖期最长的时间与拖期惩罚系数相乘，把它们的 积作为拖期惩罚费用。 2 4 本章小结 本章主要对企业的生产组织结构与模具的生产计划过程是如何开展的进行 了描述，并把与e d m 车间工作相关的生产管制组与数控课长这两个职能部门进 行了介绍，说明了它们三者之间的关系，同时也介绍了e d m 车间的生产情况， 为下面数学模型的提出作为铺垫。 1 2 第三章基于遗传算法的模具e d m 车间调度的应用 第三章基于遗传算法的模具e d m 车间调度 3 1 数学模型 在前面的2 3 1 节中我们已经介绍了，e d m 车间的基本背景情况。基于这个 背景，我们可以判断该制造系统是具有非同等并联机模型特征的模型，其一般示 意图如图3 1 所示，该模型的基本思想就是：由m 台加工设备( 各台设备不一 定相同) 构成一个制造系统，有n 个待加工的工件构成相互独立的作业，对于每 一个工件，系统中至少有一台设备能对它进行加工；每个工件只能同时在其中的 一台机器上加工，每台机器同时最多也只能加工一个工件且加工过程不能中断。 ：鼍：寰矗! 网 一 ，i警p 圜 l l l l n ； ； ，i ； 气7 ，飞穸 耷； i 蟹m 2 号 黾商增甬一j | l 勰 i 丁 1 日一 _ ：蕊 汀 图3 - 1 非同等并联机调度示意图 f i g 3 - 1n o n - i d e n t i c a lp a r a l l e lm a c h i n es c h e d u l i n gc h a r t 为了使e d m 车间的模型能得以简化，在考虑企业的e d m 车间基本状况的 前提下，本章对所研究的问题提出以下几条假设条件： 条件l ：模具的数量已知且确定，并且每套模具对应要加工的工件数量已知 且确定； 条件2 ：每套模具的拖期惩罚费率已知且确定； 条件3 ：每套模具在e d m 车间加工的所有工件的最晚交货期已知且确定； 条件4 ：每个工件到达e d m 车间的时间已知且确定： 条件5 ：每个工件在每台机器上都有确定的加工时间，且机器中至少有一台 能完成加工任务； 条件6 ：工件一旦在设备上开始加工，就不允许中途停止而插入其他的工件。 条件7 ：同一台设备同时只能加工或使用一个工件； 条件8 ：各个工件之间不存在优先约束关系，可相互独立加工。 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 在以上的假设条件下，并结合2 3 2 节中对e d m 车间成本计算方式的描述， 我们对于企业现在e d m 车间的成本计算方式可归纳成如下的数学表达形式，即： 我们确立的优化的目标函数如式( 3 1 ) 所示： m i ng = ( 瓢a k t o , c ) + 届m a