（机械制造及其自动化专业论文）基于网络面向化工容器制造企业的板材优化与库存管理系统研究.pdf

摘要 基于网络面向化工容器制造企业的 板材优化与库存管理系统研究 研究生：夏荣霞导师：易红( 教授) 学校名称：东南大学 摘要 化工容器制造过程中钢板材料的使用占到8 0 以上，钢板材料成本和库存成本在化工容器生产 企业总成本当中占了相当大的比例。因此，在钢板价格不断上升的情势之下，提高板材利用率和降 低板材库存成本是化工容器生产企业中一项不可忽视的利润来源。而利用先进的管理信息系统开展 板材优化利用与库存管理，则是降低企业成本，提高收益的可行途径。 论文在全面分析了目前化工容器制造企业板材利用与库存管理现状及需求，以及新型异地协同 数字化设计与制造的特点基础上，建立了基于b s 与c s 混合模式的化工容器制造企业板材优化利 用与库存管理系统功能体系结构，并且采用i d e f 0 功能建模对系统进行了详细描述。 论文以降低化工容器制造企业生产成本为目的，对产品设计、零件展开、排样和库存管理进行 了深入探讨，通过建立典型化工容器产品一卧式容器的壳体尺寸优化模型，研究化工容器板类零件 的展开，来节省板材使用量；通过优化板类零件的排样和余料回收利用管理来提高板材的利用率； 通过深入地研究化工容器制造企业板料库存的控制方法，来降低板材的库存成本。 在理论研究的基础上，建立了系统的e - r 模型图，并采用b s 与c s 相结合的运行模式开发了 化工容器生产企业板材优化利用与库存管理系统原型，对论文研究的内容和观点进行了测试和实践。 关键词：化工容器钣金展开优化排样余料管理库存物料需求计划 摘要 r e s e a r c ho ns t e e lp i a t eo p t i m i z a t i o na n dl n v e n t o r ym a n a g e m e n ts y s t e mf o r c h e m i c a lv 酗s e lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sb a s e do ni n t e r n e t b y x 队r o n 跖i a s u p e i s e d b yp r 0 y ih o n g s o u m e 船tu n i v e f s i 哆 a b s t r a c t t h el l s eo fs t e e lp l a t em a t e r i a l 诅k e sm o r ct l l a n8 0p e r c e n ti nt l l ec o u r s eo fc h e m i c a lv e s s e ld e s i g na 1 1 d m a n u f a c t l l r e ，a n dc o s t so fa r m o r 口l a t em a t e r i a la n ds t o c kt a k eai a 理ep m p o r t i o ni nt h ec o s to fc h e m i c a l v e s s e lm a n u f a c t l i r i n ge n t e r p r i s e s t h e r e f o r e ，i tw i l lb e n e f l tm u c hf o rc h e m i c a lv e s s e lm a n u f a c t i l r i n g e n t e l p r i s e st om a k eg o o du s eo f p i a t ea n dd e p r e s si n v e n t 0 】了c o s tc o n s i d e r i n gt h em i s eo f a f i l l o rp l a t e s 州c e ， a n di t saf e a s i b l ew a yf o re n t c r p r i s e st oe n h a n c eb e n e f i t sb yu s i n gm i st on m n a g ep l a t cu t i l i z a t i o na n d m v e m o 阱 h lt h et l l e s i s ，a c t i l a l i t ya i l dd e m a n d so fp l a t cu t i l i z a t i o n 锄ds t o c km a l l a g e m e n ti i lc h e m i c a lv e s s e l m 锄u f a c t l l r i n ge n t e r p r i s e sa r ec o m p l c t e l ya i l a l y z c d ap l a t eo p t i m i z e du t i l i z a t i o na n ds t o c kn l a l l a g e m e n t s ”t e mc o n s t n 】c t i o ni sp r c s e n t e db a s e do nt h ec h 啪c t e d s t i c so fn e wc o o p e r a t i v ed i g i t a ld e s 远na n d m a n u f a c t u r eu s i l l gt h cm o d ec o m b i n e dw i md sa n db s ，t h e nt h cs y s t c mi sf l l l l yd e s c r i b e d b a s e di d e f 0 m o d e l i n g h lt l l ea i mo f 咒d u c i n gc o s t so f c h e i l l i c a lv e s s e lm 咖f a c t i l r i n ge n t e r p f i s e s ，i s s u e sa r ed e 印1 yd i s c 邯s e df 如m a s p e c t so f p r o d u c td e s i g n a c c e s s o r ye x p a n s i o n ，a c c e s s o w1 a y o u ta n ds t o c km a n a g e m e n t ，a c c e s s o r y sp i a t e w o r ke x p a n s i o ni ss n j d i e da n dp l a t ed e i m n d sa r er e d u c e db ve s t a b l i s h i i l gt h es h e l ls i z eo p t i m i z i n gm o d e lo f t y p i c a lc h e m i c a lv e s s e lp f o d u c t h o r i z o n t a lv e s s e l t h e np l a t eu d l i z a t i o nr a t ei se n h a n c e db yo p t i m i z i n g a c c e s s o r yl a y o u ta n dr e l l l l l a n tf e c ”l em a n a g e m e n t a tl a s t ，i n v e n t o r yc o s ti sr c d u c e db ys t i l d y i n gp l a t e s t o c kc o n 仃o lw a yo f c h e m i c a lv e s s e lm a n u f a c 嘶n ge n t e r p r i s e s b a s e do nt h e o r ys t i i d y ，e - rr n o d e lv i e wo f t h es y s t e mi se s t a b l i s h e d ，蚰dt l l es y s t e mp r o t o t y p ei sd e v e l o p e d 血l l l em o d e lw h i c hc o m b i n e sc s 卸db s c o m e n t sa n dv i e w so f t h et h e s i sa r et e s t c da n dp m c t i c e d k e yw o r d s ：c h e l u i c a lv e s s e l ；p l a t ew o r k 麟p 锄s i o n ；o p t i m i z e dh y o u t ；r e i l l n a l l tm a g e m 朗t ；h v 即t o r y ； m a t c r i a lr c q u i r e m e n tp l 姐n i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：重超导师签名：墨! ：! 塑， 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 我国化工设备中仅锅炉、压力容器的制造企业就有3 6 8 4 家，主要分布于我国经济发达的长江 沿岸地区和东部地区。2 0 0 5 年，我国的锅炉用钢板的需求量为8 0 万吨，压力容器用钢板的需求量 为7 0 万吨。根据锅炉、压力容器未来发展趋势，预计至2 0 1 0 年我国的锅炉、压力容器钢板的消费 需求至少达到1 0 0 万吨至1 2 0 万吨。 从供给来看，2 0 0 4 年仅有南钢年产1 0 0 万吨宽中厚板炉卷轧机投产，其它项目基本仍处于建 设中，预计中厚钢板的价格仍将维持在高位运行的态势，高附加值的专用板价格相对更为坚挺。随 着市场经济不断完善和发展，买方市场已经形成，随之而来的是企业之间的竞争日益激烈，所以化 工容器生产企业要在竞争中立于不败之地，就必须降低成本、提高管理水平“。 化工容器的设计与制造是属于单件、多品种、小批量生产；一台化工容器的零部件少则有几十 个，多则几百个；其使用的材料主要有板材、管材、棒材、型材、锻铸件等，而其中板材的使用占 到8 0 以上。 钢板材料利用率的高低直接反映着化工容器制造企业的管理水平，也是影响企业经济效益的主 要因素之一。发达国家同行业的钢板下料材料利用率已达到7 5 以上，国内企业一般只有5 5 7 0 ，差距较大。对年耗钢千吨的企业来说，如果将材料的利用率提高1 0 ，或是将余料的2 0 3 0 用作原材料，每年就可节约上百吨的钢材，经济效益十分显著”1 。 板材的优化利用是提高材料利用率，降低生产成本的重要途径，它涵盖了诸如产品尺寸优化设 计、钣金件合理展开、优化排样、余料利用等方面的内容，而且这些方面有着直接的联系：通过优 化设计确定的产品最佳尺寸是钣金件展开的直接依据；钣金件展开后的坯料形状和尺寸是优化排样 处理的对象；在优化排样中应尽量使用余料来代替新板。 化工容器制造是一种特殊行业，大多数化工容器的制造工艺相当复杂、繁琐，涉及的国家标准 相当多，制造的工艺规范性特别强，制造的工序特别严格。因此，化工容器生产企业想通过制造工 艺的改进来降低成本的空间已经非常有限，然而，考虑到企业的采购、库存、余料管理、生产配比 等环节是企业成本的重要组成部分，其可变动的空间还较大，如果能够加强企业的板材库存管理、 提高板材的利用率，将会使企业的生产成本有效降低“。 因此，在材料价格不断上升的情势之下，提高板材利用率和降低库存成本是化工容器生产企业 中一项不可忽视的利润来源。而开展板材优化利用与库存管理，则是降低企业成本，提高收益的可 行途径。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 1 化工容器生产板材利用的研究现状 金属板材是化工容器生产中的主要原材料之一，其费用在企业的生产成本中所占的比例非常大。 如何有效地利用板材，提高效率，降低成本是企业面临的严峻问题，对此问题所做的研究也比较多， 总的来说有以下几个方面： 1 ) 通过化工容器的产品优化设计、钣金展开方式的科学选择及下料尺寸的科学计算来实现提高 板材利用率。如在设计容器时，利用优化设计方法，建立相关数学模型，在满足一定要求的前提下， 求解最为合理的壳体尺寸，可使容器的材料消耗最少，制造成本最低”1 。为了将板材冲压成所需形 状的零件，必须先在金属板上画出展开图、然后下料，并加工成型，最后焊接或铆接成零件或设备。 正确的展开尺寸及下料尺寸是保证化工容器制造质量以及降低生产成本的首要任务，鉴于此，必须 科学合理的确定钣金展开方式及下料尺寸”。 2 ) 通过对化工容器板材的优化排样来提高材料利用率，降低生产成本。使用c a d 技术进行排 版设计，利用计算机制定下料方案，并绘制出排版图，设计者只需将原始数据输入计算机，数据的 处理、检索、设计计算和图纸绘制都由计算机完成”“。 3 ) 通过构建余料库存，利用余料板材代替新板来降低材料利用率。余料库存是在生产中产生的， 东南大学硕士学位论文 通过构建余料库存，把余料进行规范化，并按一定的特点进行归类，把杂乱无章的余料系统化管理 起来，为余料的进一步利用打下基础。用余料板材代替新板材是一种直接降低成本的方法。利用单 板优化方法及组合余料预选方法，从余料库存中选出合适余料板材代替新板材，都取得了良好效果 m 4 ) 通过建立现代化、科学化的板材库存管理系统，降低板材库存成本。化工容器制造企业的采 购、库存、生产配比等环节是企业成本的重中之重，通过计算机实现信息化管理，则会大大提高工 作效率，减少因工序复杂而造成的人为差错，避免不必要的损失。同时使采购部门有明确的采购依 据，减少库存，节约成本；为财务部门预算成本也提供了方便等“。 2 排样优化问题的研究现状 排样优化( c u t t i n gs t o c k ，简称c s ) 通常是指在一组给定的原始板材上，尽可能多地排放需要的二 维零件产品，使得扳材利用率最大，以减少废料。排样优化问题实质上是一个二维布局的问题。从 数学的角度来说，排样优化问题是优化组合中的一类典型问题，属于具有最高计算复杂性的一类问 题，即n p ( n o n d e t e m “s t i c p o l v l l o m i a l ，非确定型的多项式) 完全问题“”，目前还没有解决该问题的 有效的多项式时间算法。排样优化问题广泛存在于化工、机械、电器、印刷、服装制造、造船、运 输等行业的实际生产过程中，而且对于企业生产成本的降低有着重要的影响，因而吸引了众多学者 对这个问题从不同的角度、采用不同的方法进行研究。 国外学者对排样优化问题的研究可追溯到2 0 世纪4 0 年代，但是直到2 0 世纪6 0 年代，随着计 算机技术的快速发展，人们对排样优化问题的研究才得到了较快的发展”。”1 。 g i l m o r e 和g o m o r y 通过对一刀切类型排样优化问题的研究，提出了一种线性规划模型“，通过列生成的方法把线性规 划模型转化为一个背包子问题，然后构造求解背包问题的有效方法。c h r i s t 0 6 d e n 和w h i t l o c k 给出了 一种树搜索算法。a d a m o w i c z 和a 1 b a n o 以及h a i m s 则提出了两阶段的算法“。f r a l l c o i sv a n d e r b e c k 则对三阶段的二维排样优化问题进行了研究“。2 0 世纪8 0 年代以来，现代优化算法得到了较大的 发展并逐渐被应用到排样优化问题，v i c t o r p “a d a 和m a u r i c i os e p u l v e d a 等用模拟退火算法来求解排 样优化问题1 。 我国在排样优化问题上的研究起步较晚，大部分是对国外学者提出的一些模型进行改进，而且 一般集中在矩形件的排样优化上，采用人机交互的方法对图形进行平移、旋转达到优化的目的，对 不规则件涉及的较少“”。利用矩形件排样优化原理将非矩形件转化为规则图形，然后根据矩形件的 排样优化算法进行排样，一定程度上解决了不规则件的排样优化问题。 总的来说，排样优化问题的研究理论涉及到了运筹学、现代优化算法、计算机图形学等多种领 域。但是，由于排样优化问题本质上是属于n p 难解问题，因而，到目前为止仍然没有人能够给出 一种精确的、有效的算法。总结国内外排样优化方法，可以归纳为如下几种：线性规划法、动态规 划法、模拟退火算法、遗传算法等。 3 库存管理问题的研究现状 现代库存管理理论随着计算机的普及应用蓬勃发展起来了，2 0 世纪6 0 年代，美国出现了物料需 求计划( m r p ) ，它是一种新的库存管理方法，也是企业编制生产计划和进行作业控制的新方法：7 0 年代末闭环m r p 发展为m r pi i ，实现了管理职能的集成；9 0 年代后在补充完善m r pi i 的基础上出现 了企业资源计划( e r n ：以及为了能够对市场变化做出快速、准确的反应，提供高质量、低成本的产 品和服务，日本提出通过看板管理准时化生产的丰田生产方式( t p s ) ，美国在此基础上提出精益生 产方式( l p ) 及敏捷制造概念以及后来的准时生产( j m 以及零库存理论等“。 目前国内外管理型软件比较广泛流行两种方式：一种是m r p i i 即“推动式管理”，要求企业 按照计划配置资源，整个物流均在计划驱动下，是一种以物流需求计划为核心的管理体系，它适应 大批量生产方式和企业内部的物流和资金流管理需求；另一种是j i t ，即“拉动式管理”或“适时管 理”，是以看板为手段，由市场需求决定生产的管理体系，这种形式适应了现代企业精益生产方式 和流水型资源组织形式。 随着全球经济一体化的加速，企业与外部环境的关系越来越密切，加r p i i 已经不能满足需要， 于是新的企业管理哲理和软件应运而生，其中影响最深远的就是c i m s 和e r p 思想。c i m s 将整个生产 过程视为一个整体，企业利用信息技术来改造其设计、生产、销售和管理等各个方面，并且在网络 和数据库的支持下实现信息集成，进而优化生产，提高企业的市场应变能力和竞争能力。e r p 是一 种面向企业供应链的管理思想，可对供应链上的所有环节有效地进行管理，把所有资源整合在一起， 从而达到最佳资源组合，取得最佳效益。以m r p i i 为基础发展起来的e r p 理念和相应软件逐渐推广， 大量应用到实践中。 2 第一章绪论 1 2 2 存在的问题 通过以上对化工容器生产板材利用的研究现状以及排样优化、库存管理进行的分析可以看出， 国内外在板材优化利用及库存管理方面取得了较多的研究成果，但仍然存在以下几个方面的问题： 1 ) 针对化工容器的板材优化利用研究较少，且多为孤立的、某一方面的研究。 2 ) 板材的优化利用研究及板材的库存管理系统研究，多数都是相互独立的。而板材优化利用和 板材库存管理系统有着非常直接的关联，因此有必要将两者结合起来进行研究。 3 ) 考虑余料管理的库存管理系统研究较少。 4 ) 通用的库存管理系统研究比较多，但针对板材的库存管理研究不多。 5 ) 板材库存管理系统研究较多的是单机系统，基于网络的板材库存管理系统研究较少。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于南京某过程机械设备有限公司的需求，以该公司板材优化利用及库存管理需求为 研究背景，面向化工容器产品生产的管理，以钢板材料优化利用和板料库存管理两方面为主要研究 内容，设计板材优化利用及库存管理系统，目的是控制企业材料成本、提高企业利润，特别是对主 生产计划驱动型采购、板料库存的构建及最小化进行了深入地研究。 为明确论文题目及研究问题的边界，需要对本文的研究对象、研究的思路、系统的服务主体作 如下的界定： 论文以南京某过程机械设备有限公司的需求为背景，以企业板材的优化利用与库存管理为主 要研究对象； 夺以基于板材优化使用和管理降低企业生产成本为主线，从该类企业主流产品的产品设计、钣 金展开、排样下料、余料利用和库存管理角度完成对板材信息的管理； 系统采取b s 与c s 相结合的模式，企业内部采用c s 模式，对外采用基于网络的b s 模式， 满足该类企业日益增长的对异地协同数字化设计和制造的需求。 本文的研究内容主要包括如下几方面的工作： 1 1研究建立满足具有异地协同制造特点的化工企业主流产品板材优化利用与库存管理系统体 系结构 论文全面分析化工容器制造企业板材利用与库存管理现状及需求；建立基于b s 和c s 相结合 模式的化工容器制造企业板材优化利用与库存管理系统模型，构建系统的网络拓扑结构及功能体系 结构；并且采用i d e f o 功能建模对系统进行详细描述。 2 1化工容器制造企业节省板材的设计方法和功能实现的研究 建立卧式容器壳体尺寸的优化模型，并给出数值迭代优化方法的求解流程；对化工容器板类零 件展开尺寸进行分析，给出筒节、凸形封头和其它板类零件展开尺寸的具体计算方法及程序实现流 程。 3 1化工容器制造企业提高板材利用率的方法和功能实现的研究 在对板类零件优化排样问题分析的基础上，开发基于a u t o n e s t 的化工容器板类零件排样工具； 研究板材余料回收再利用的办法及流程，分析余料再利用的三种方法；给出余料筛选及利用的程序 实现流程。 4 )化工容器制造企业降低板材库存成本的控制方法和功能实现的研究 在分析库存及其控制基本概念的基础上，重点分析化工容器制造企业物料清单、主生产计划， 批量规则的特点，分析该行业板材需求计划的计算方法，并以实例进行说明。 5 )化工容器板材优化利用与库存管理系统的实现 在上述研究的基础上，提出化工容器板材优化利用与库存管理系统b s 与c s 相结合的运行模 式；对系统数据库的e - r 概念模型、关系数据模型进行了设计；最后利用编程语言和数据库工具对 原型系统进行开发，并就系统主要模块流程和功能进行说明。 1 4 篇章结构 论文的章节结构如图1 1 所示。第一章为绪论；第二章为板材优化利用与库存管理系统体系结 构；第三章为产品设计及钣金展开中板材的优化利用：第四章为产品零件优化排样及余料利用研究； 3 东南大学硕士学位论文 第五章为企业板材库存管理研究；第六章为板材优化利用与库存管理系统的实现；第七章为结论与 展望。 绪论( 第一章j l 板材优化利用与库存管理系统 体系结构 ( 第二章： l 褊设二及犟帧拍优悟刮产辈： 幽u 企业板壶鲫究h 出 l 板材优化利用与库存管理 系统的实现 ( 第六章： l 总结与展望 ( 第七章： 图1 1 论文章节结构 4 第二章板材优化利用与库存管理系统体系结构 第二章板材优化利用与库存管理系统体系结构 2 1 板材利用与库存管理现状及需求分析 组成化工容器的零部件很多，使用的材料类型也较多，但其中板材的使用占到了8 0 以上，鉴 于此，论文将以板材为主要研究对象，以提高板材利用率为目标，结合化工容器制造企业生产流程 中的各个环节展开讨论。 2 1 1 企业组织结构特点、生产流程及存在的问题 1 ) 化工容器制造企业组织结构的新特点 目前国内较多的新型化工设备制造企业都着力于打造化工装备现代化、专业化和国际化的制造 型企业，企业为了最大限度的利用地区的比较优势，在不同的地区建立了相应的职能部门，实现异 地协作制造。论文研究的对象南京某过程机械设备有限公司就是一个典型的异地制造企业。目前公 司分成二部分：l 南京分公司，负责公司的营销、产品设计和研发工作：2 江都分公司负责公司的生 产和服务。该企业的组织结构如图2 1 所示。 图2 一l 企业的组织结构图 虽然该企业的组织结构具有明显的异地协同制造的思想，但目前该企业只是在物理布局方面具 备了协同制造的条件，工作中并没有采用目前先进的协同数字化设计和制造手段，来保证整个企业 的协同运作。 2 ) 企业化工容器的生产流程 化工容器生产流程如图2 2 所示。当企业获得产品生产订单后，将并行开展产品设计、制造工 艺、生产计划、采购计划的制定工作，然后按照化工容器的主要生产工序进行产品制造，接下来是 产品的仓储、库存管理，最后完成产品的销售。 东南大学硕士学位论文 图2 2 化工容器生产流程图 其中产品设计主要包括结构的设计、几何形状的设计、安装尺寸和质量的设计：工艺主要包括 成形、机加工、装配、焊接、热处理和表面处理等多个方面；而采购、库存管理主要是指对制造材 料和配件的采购与管理。 3 ) 化工容器制造企业存在的问题 在生产中，目前多数化工容器生产企业在板材利用和库存管理方面还存在诸多问题，主要体现 在： 1 1 在化工容器的设计过程中，多采用传统的经验设计方法，设计过程复杂、效率低，无法评价设 计结果的好坏。对于钣金件的展开，多采用手工计算方法，操作复杂，容易出错。 2 1 企业仍采用“分散分块”的下料方式和物料管理模式，各机加工分厂( 或车间) 独自拥有自己 的排料软件系统( 大多是单机单用的孤立型排样系统) ，并直接向总厂物料供应部门领用板料。 有些企业仍由工人现场人工排料，再根据排料方案在机床上完成板材的剪切和冲裁。原材料利 用率和工作效率都很低。并且不能事先控制原材料和下料工时，不利于库房原材料的管理和生 产计划的安排。“。 3 ) 企业对于余料的管理几乎是空白，没有余料回收再利用的管理机制，余料产生后没有进行有效 的管理。余料的浪费严重影响了企业的经济效益，余料的自发应用给企业的产品质量带来了安 全隐患，余料的随意堆积给企业的生产带来了不便和安全隐患，余料管理方面的空白给企业全 面实施信息化管理带来了极大的困难。 钔企业仍然采用的是传统的板材库存管理办法。传统的手工业务处理，大大降低了企业的效益、 而且容易出错。不能实时监控生产领料情况、不能按需领料，造成库存无法有效地控制与管理。 缺乏准确的采购计划，造成大量的盲目采购及资金的无效占用。物料出入库、移动、盘点等在 手工或个别电脑处理中非常复杂、繁琐而且容易出错。在生产计划中，主生产计划、物料需求 计划等具有非常大的盲目性“1 1 ”。 5 ) 企业现有板材利用和库存管理并不支持异地协同数字化设计与制造的需求，没有做到信息、功 能和技术的完全集成，无法切实实现信息资源共享和数据的动态修改。 2 1 2 板材利用和库存管理信息需求分析 通过对化工容器制造企业在板材利用和库存管理方面的现状分析可知，建立化工容器板材优化 利用与库存管理系统是非常必要的，对该系统有以下几个方面的需求： 1 ) 建立满足企业异地协同制造需求的化工容器板材优化利用与库存管理系统的功能体系结构。 2 ) 建立化工容器产品的优化设计模型，并采用一定的优化方法进行求解：对化工容器的钣金件 展开方法进行分析，给出典型件展开尺寸的具体计算方法及程序实现流程。 3 ) 提出化工容器板类零件优化排样的具体解决方法，根据生产作业计划和材料库存等信息，采 用一定时问内多产品、多工号混排的方式，实施动态管理模式，尽可能地增加优化套排的零件，开 发基于a u t o n e s t 的排样工具：构建板材余料库存，利用余料板材代替新板进行排样。 4 ) 采用科学合理的方法对化工容器制造企业板材库存成本进行控制，提出该行业板材物料需求 6 第二章板材优化利用与库存管理系统体系结构 计划的计算方法。建立钢板库存数据库，定期发布钢板库存信息，及时完成采购，便于网上查询， 合理选用、代用材料，实现资源的更大利用。 5 ) 研究开发满足企业异地协同制造需求的化工容器板材优化利用与库存管理系统。 2 2 系统的整体框架建立 2 2 1 系统网络拓扑结构 根据上述企业的组织结构、生产流程和存在问题的分析可知，该企业是一个典型的异地协同制 造企业，系统的网络拓扑结构如图2 3 所示。 图2 3 系统的网络拓扑结构图主要从物理构成的角度来描述系统的网络结构方案。整个系统面 向企业不同区域间的协作经营方式：南京分公司，负责公司的营销、产品设计和研发工作；江都分 公司负责公司的生产和服务。系统的分布、异地特征决定了系统宜采用对等实体式分布系统网络结 构，其优点在于系统节点的自治能力强、开放性好，适宜于异地环境下的应用系统集成。 2 2 2 系统功能体系结构 图2 - 3 系统的网络拓扑结构图 系统通过优化产品设计、科学选择钣金展开方式来节省板材，通过优化板类零件的排样和优化 利用余料来提高板材的利用率，以及通过合理的库存控制方式来降低企业的板材库存成本。帮助企 业加强材料成本控制环节，理顺化工容器设计制造流程，去除流程中障碍点，在出现断层的节点架 设联系桥梁，完善企业信息化建设，提高企业板材利用率、降低制造成本。 企业产品设计的结果经过系统尺寸优化设计模块的优化设计，依据优化设计的结果，利用经过 二次开发的潜入软件展开模块进行板类零件的展开，并绘制出零件展开图。 系统对于排样功能的实现，是利用基于a u t o n e s t 的排样工具，针对不同排样类型的化工容器板 类零件进行不同方式的优化排样，这样能够最大程度利用板材，使废料降到最少。采用集成方式是 直接对产品c a d 图纸和产品工艺b o m 进行制造工艺和材料分类处理并自动形成排样任务，通过零 件排样方案优化，生成需要的材料工艺卡片和材料需求清单，同时直接将排样方案以电子文档形式 指导相应的生产活动。 得到排样结果之后，通过对排样结果的分析、分类以及类聚等操作，提取排样结果中的板材信 息，生成这一批生产任务的板材需求计划，并以b b o m ( b u y i n gb i l lo f m a t e r i “，采购b o m ) 的形 7 东南大学硕士学位论文 式传递给库存管理部门，根据板材库存情况指导采购计划。 在系统的构建中余料板材的利用和管理是难点，余料本身的不规则性，以及余料的一系列特殊 属性决定了余料利用和管理的复杂性。对于余料板材的利用和管理在第四章中将有详细论述。加强 对余料库存的管理，完善信息化建设，是促进企业发展，增加企业利润的有效方法。 化工容器板材优化利用与库存管理系统的主要功能是在对化工容器制造企业的现状详细分析的 基础上提出来的。系统以降低企业生产成本、提高板材利用率为核心，以化工容器产品尺寸的优化 设计与产品零件展开方案的优化，达到节省板材的目的；通过对排样方案的优化，建立完整的余料 管理和余料利用体系，实现板材利用率的提高；通过对板材库存控制方法的优化，实现板材库存成 本的降低。 基于以上对系统功能的分析，把系统分为八大功能模块，分别是零件读入及分类、优化设计及 展开、优化排样、板材库存管理等。各功能模块分别完成一定的功能，并且相互支持、相互补充， 完成系统的总体功能。在完成主要功能的基础上，系统还包括像登陆注册、查询统计、技术文档管 理、系统维护等辅助功能，以增加系统的友好性。 系统功能体系结构如图2 - 4 所示分为三层：底层为系统支撑层，提供底层的计算机系统、网 络系统和数据库系统等功能：中间层为系统功能层，主要由零件读入及分类、优化设计及展开、优 化排样、板材库存管理等功能模块组成，实现用户和支撑层连接；上层为系统应用层，为用户提供 各种应用功能。 板材优化 板材切割工艺板材切割代码生成 采购l 板材供jl 产品1 怛型 c a p pc a m 人员l l 应单位1 1 客户】 i n 似j lj lj l。 j 1 n t e r n 鬯 1 uuu 71 j j i 7 登陆零件读入优化设计板材厍存技术文查询 注册及分类及展开 优化排样系统维护 管理档管理统计 壳板调优排输 板余 板 读零零 佐类 展 入化样出材料 材 浏查浏 添 密删 登陆入件件优零 开 排排方 排库库 出录 览询览 加 注册 数筛分化件 图 样样案样 存 存 入 打统显 新 码除 据选类 设展 输 任处优结控管 库 入 用 修用 出 管 印 计不 户 改户 计 开务理化果制 理 理 w e bs e n 吧r ( h 删l 从s p b s c r i p t ) 应用服务层 、 j - 皿a n ，w a n ) 。 1 d a 诅b m s e c 心d o ，o d b 傩q l ) 3 f 系统数 据库 数据库层 2 3 系统功能模型 2 3 1 系统整体功能模型 图2 _ 4 系统功能体系结构图 图2 - 5 是化工容器板材优化利用与库存管理系统的整体功能图( a 0 图) ，a 0 图表示了系统内部的 模块和结构。整个系统包括优化设计及零件展开、优化排样、板材库存管理三个主要的功能模块， 各模块的输入、输出信息以及模块间的详细关系如图2 5 所示。 8 第二章板材优化利用与库存管理系统体系结构 政 经f 标 i 策【营i 准 i 法目i 规 塑堡荽 生苎止女喧纠优化设计及l i 鳝开图 叫种展夏1 ll 产品及板材基本信 经 营 目 标 标 准 规 范 优化排样 a 2 板材出入库信息 计 算 机 软 硬 件 环 境 样 软 系 统 支 持 数 据 库 2 3 2 系统各模块的功能详述 算 机 软 硬 件 环 境 展 开 及 排 样 软 件 系 统 支 持 数 据 库 板材库存管 理 a 3 掰 图2 5 系统整体功能模型a 0 图 i 消耗情况毒 板料库存表 1 优化设计及零件展开模块 优化设计模块主要完成产品的尺寸优化设计，在本系统中主要是针对化工容器壳体进行优化。 在满足一定容积的条件下，求出使材料最省或投资费用最低的一组壳体尺寸( 直径和高度) 。 零件展开是将需要展开的板类零件利用嵌入系统的展开模块确定展开尺寸，并绘制出零件展开 图。正确的展开尺寸是保证化工容器制造质量以及降低生产成本的首要任务，绘制出的零件展开图 是优化排样模块的重要输入信息。 2 优化排样模块 优化排样模块是减少原材料消耗的关键技术环节。首先根据生产计划与产品基本信息，生成排 样任务；然后从数据库中的材料库存表中选择合适的钢板，优化排样：最后确定最终排样结果。优 化排样模块的基本功能包括： ( 1 ) 排样任务生成：根据生产计划、产品与板材基本信息，生成排样任务； ( 2 ) 优化排样处理：从管理数据库中的材料库存表中选择合适的钢板，优化排样； ( 3 ) 排样方案优化：根据排样结果中的材料利用率选择出最终的排样方案，保存并输出排样结果。 优化排样的三个子模块的具体输入输出信息、以及它们之间的关系如图2 - 6 所示。 9 东南大学硕士学位论文 图2 6 优化排样模块a 2 图 3 板材库存管理模块 板材库存管理模块的主要功能是根据排样结果及产品信息和板材基本信息进行板材库存控制、 余料出入库管理、板材出入库管理。 板材库存管理模块的三个子模块的具体输入输出信息、以及它们之间的关系如图2 - 7 所示。 图2 。7 板材库存管理模块a 3 图 1 0 第二章板材优化利用与库存管理系统体系结构 2 4 系统流程 板材优化利用与库存管理系统流程图如图2 8 所示。首先根据生产作业计划从e r p 中读入相应 产品的e b o m 表，设计部门的e b o m 表是系统的原始输入，也是系统运行的基础数据，e b o m 在 e r p 中是以e x c e l 表的形式存放的，e x c e l 就成为了系统与e r p 的数据读取接口的桥梁。在数据读 入后，可利用产品优化设计模块对化工容器的壳体尺寸进行优化，如无需优化可直接进行零件筛选 和分类。e b o m 是完整的设计b o m ，表中的零件除了板类零件之外，还有像垫圈、螺母、螺栓等标 准件，在把零件存入系统的零件库之前，先把e b o m 表中的零件进行筛选，选取板类零件，并存入 零件信息表。性质相同的不同零件可以在一张板材上排样并加工，这是板类零件的特点。零件分类 就是将性质相同的零件进行归类处理，性质相同是指材质相同，板厚相同，下料方式相同，下料方 式主要包括剪切、落料冲切及切割等。 根据零件展开属性，选择需要展开的零件，并从该零件c a d 图存放位置获取该文件后启动 a u t o c a d 软件打开该文件，获取展开所需的关键尺寸，并利用嵌入系统的展开模块对零件进行展开， 最后将展开后的c a d 图保存并将存放位置写入表中。 根据排样任务中的板材类别属性，查询板材库存信息表。显示库存中现有的该类别板材的信息。 打开嵌入a u t o c a d 中的a u t 0 n e s t 排样软件，调入排样任务中某一零件的c a d 展开图，根据排样任 务中零件的生产数量和库存现有该类型板材的余料信息进行逐一排样，根据排样结果的材料利用率 决定排样方案。如果库存中该类型的余料已经排完或利用率太低，则对剩余零件采用整板的混合排 样。根据排样最终结果将排样方案写入数据库，生成排样方案表，并将板材利用信息及剩余板材信 息写入板材库存信息表。 依据排样结果中板材利用信息建立板料需求清单，再考虑板料的库存状态，确定板料需求计划， 并据此指导板料采购计划。根据排样结果更新板材及余料库存信息。 图2 8 系统流程图 东南大学硕士学位论文 2 5 小结 本章对化工容器制造企业生产的特点，以及企业板材利用和库存管理现状进行了分析，并在此 基础上完成了系统的信息需求分析。 基于对所存问题的深入归纳和分析，制定出一套比较完整的解决方案，构建了化工容器板材优 化利用与库存管理系统，系统通过优化产品设计、科学选择钣金展开方式来节省板材，通过优化板 类零件的排样和优化利用余料来提高板材的利用率，以及通过选择合理的库存控制方法来降低化工 容器制造企业的板材库存成本。 提出了基于b s 和c s 相结合模式的化工容器制造企业板材优化利用与库存管理系统模型，构 建了系统网络拓扑结构以及系统的功能体系结构，最后采用i d e f o 功能建模对系统进行了详细描述。 第三章产品设计及钣金展开中扳材的优化利用 第三章化工容器产品设计及钣金展开中板材的优化利用 化工容器产品尺寸的优化可使容器消耗的材料减少，从而降低制造成本；钣金展开方式的科学 选择及下料尺寸的科学计算可保证化工容器的制造质量，降低生产成本，提高生产效率。本章研究 的问题就是在化工容器产品设计和钣金展开过程中如何节省板材和降低制造成本。 3 1 壳体尺寸的优化设计 在设计化工容器时，首先接触到的问题是容器的基本尺寸问题，企业多采用传统的经验设计方 法来确定容器的基本尺寸。传统的经验设计方法通常在调查分析的基础上，参照同类产品通过估算、 经验类比或试验来确定初始设计方案。然后，根据初始设计方案的设计参数进行强度、刚度、稳定 性等性能分析计算，检查各性能是否满足设计指标要求。如果不完全满足性能指标的要求，设计人 员将凭借经验或直观判断对参数进行修改。这样反复进行分析计算、性能检验、参数修改，直到性 能完全满足设计指标的要求为止。整个传统设计过程就是人工试凑和定性分析比较的过程，主要的 工作是性能的重复分析，至于每次参数的修改，仅仅凭借经验或直观判断，并不是根据某种理论精 确计算出来的。实践证明，按照传统设计方法作出的设计方案，大部分都有改进提高的余地，而不 是最佳设计方案。传统设计方法只是被动地重复分析产品的性能，而不是主动地设计产品的参数。 一项设计不仅要求方案可行、合理，而且应该是某些指标达到最优的理想方案。这就需要采用优 化设计方法，借助电子计算机，应用一些精确度较高的力学的数值分析方法进行分析计算。并从大 量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案，从而实现用理论设计代替经验设计，用精确计算 代替近似计算，用优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。优化方法在机械设计中的应用，既 可以使方案在规定的设计要求下达到某些优化的结果，又不必耗费过多的计算工作量。 容器的基本尺寸如果设计合理，可使容器的材料消耗最少，制造成本最低。每个容器都是按照 一定的客积设计的，在容积一定的条件下容器的直径和高度( 或长度) 可以按照各种尺寸组合，但在 各种组合中总有一组尺寸使材料最省或投资费用最低”1 。为了求得这样一组尺寸，我们可用优化设 计的方法，建立相关数学模型并编程求解相关算法。 下面以极具代表性的具有标准椭圆形封头的压力容器为例，如图3 1 所示，假设已知容器的容 积、设计温度、设计压力等设计参数，求解其壳体尺寸的近似最优解，使得其消耗的金属质量最少。 下面将详细论述其优化数学模型的建立过程及优化方法。 冈。冈 型。世 3 1 1 优化设计的数学模型 图3 1 具有标准椭圆形封头的压力容器 1 ) 目标函数的确定 简体质量 m ( b ，三) = p 石( d f + 4 。) 磊。1 0 - 9 = 7 8 5 0 三石( b + 4 。) 磊。l o - 9 姆 ( 3 1 ) 式中：p 一钢材密度瞎，取p = 7 8 5 0 堙删3 ；日一筒体内径，l m ： 三一筒体长度( 含两封头的直边长度) ，删； 4 。一筒体的名义厚度，。 1 3 查堕查兰夔圭兰堡堡苎 封头质量：考虑到封头直边长度已计入筒体内，在此封头质量只考虑封头曲面部分的直径d 大约为1 2 2 ( 口+ 五。) ，故两封头曲面部分的质量为 鸩( d j ，) ：2 p 擘谚。l o 。9 ：2 p 坐型# 逝嗔。x l o 一 = 5 8 4 2 石( q + 嘎。) 2 五。1 0 _ 9 堙 ( 3 2 ) 式中：嘎。一封头的名义厚度，m 。 将上面两部分相加即是容器的总质量，该问题的目标函数为： 肘( d i ，三) = m + = 7 8 5 0 万( d i