（机械电子工程专业论文）基于负荷控制的模具制造系统生产控制方法研究.pdf

摘要 摘要 模具是工业生产的基础工艺装备，其生产水平的高低，已经成为衡量一个国家产 品制造水平高低的重要标志。然而，我国模具企业的产品制造周期普遍较长，订单频 繁拖期，极大地影响了行业和企业的声誉，是制约我国模具行业国际竞争力的关键因 素。究其原因，主要是因为缺乏一种适应模具制造特点的有效生产控制方法。大部分 传统的生产控制技术都源于重复性生产环境，如m r p 、j i t 等，理论与实践都已经证 明，它们并不适用于模具企业。负荷控制技术是一种专门为复杂生产环境下的订货型 企业设计的生产控制方法，从其包含的三层控制结构可以得到初步结论：该技术是一 种实现制造系统负荷均衡化的可行方法，而在随机不确定性非常强的模具生产环境中， 实现企业生产负荷的均衡化正是保证模具交货期的关键所在。鉴于此，本文的目标是 基于负荷控制技术设计一种适用于模具制造系统的负荷均衡化控制体系。 由于理论与现实之间存在差距，负荷控制技术在模具企业的应用还极为有限。所 以本文将首先对负荷控制原理在模具企业的适应性进行评估，总结出理论与现实存在 的真实差距。然后充分考虑这些差距，建立适用于模具制造系统的多层递阶负荷均衡 化控制结构，并对每层控制结构中包含的输入输出负荷均衡化控制机制展开了深入研 究，同时考虑各控制层次之间的关联关系。最后为模具企业设计和实施负荷控制决策 支持系统。基于上述研究思路，本文的主要研究步骤概括如下： 首先，分别从模具企业典型运作特点角度和负荷控制技术内在特征角度对理论与 现实之间的适应性进行全面评估。基于上述评估结果，建立了一种适用于模具制造系 统，包含订单进入、订单投放、任务投放和作业分派四层控制结构的多层递阶负荷均 衡化控制结构，并分析每层结构主要涉及的输入输出负荷均衡化控制机制，以及各层 之间的关联关系。 其次，考虑模具企业订单进入过程的特点，建立适用于模具企业订单进入层的负 荷均衡化控制决策制定结构，与国外同类研究相比，它的突出特点是基于随机状态演 化模型考虑模具制造过程的各种不确定因素。在上述决策制定结构的不同阶段，首先 需要给出模具订单重要度的评定方法，然后建立针对固定交货期询价单的交货期可行 性验证算法，以及针对可协商交货期询价单的交货期估计算法，并明确给出上述决策 过程中可用的企业级能力调整措施。 广东工业大学博士学位论文 第三，考虑模具订单投放过程的特点， 分量，即基于当量工时的任务池容量定界， 研究订单投放控制策略中的三个关键决策 部件综合负荷估算以及基于整数规划的部 件投放选择。然后充分考虑模具车间的生产特点，建立可行的任务投放控制策略，主 要包括基于改进型不考虑时间方法的工作中心已有负荷估算和基于仿真迭代优化的车 间负荷定界。最后建立针对生产部门级和制造车间级的负荷输出控制方法，其中针对 外协任务优化选择模型建立混合遗传算法，并表明该算法的有效性。 第四，分析负荷控制环境下两类模具车间班组的作业分派问题，并以模具热处理 单元为典型代表，建立其在动态环境下的生产控制机制以及任务分派优化模型，然后 构造一类基于滚动调度的多目标批调度算法，分析它的时间复杂度，并通过与其它算 法的比较分析，说明该算法的优越性。 最后，基于上述步骤所获得的理论研究成果，并结合合作企业的实际运作特点， 设计负荷控制决策支持系统的总体业务流程和系统功能模块，然后针对系统在应用初 期出现的问题进行总结，并建议采用一种负荷控制模拟系统来解决上述相关问题，同 时给出了该模拟系统的设计方案。 通过上述研究和应用工作，本课题力图初步解决模具企业各级生产负荷的均衡化 控制问题。并使本文的相关研究和应用结论能够为模具企业有效控制生产，保证模具 交货期提供相关理论和方法。 关键词：模具企业；生产计划与控制；负荷均衡化控制；负荷控制技术；e t o 型生产 n a b s t r a c t 墨鼍詈宣皇暑墨墨量量皇置| 量| 皇皇皇暑詈詈皇昔皇喜量置簟量置詈量詈置鲁署詈詈鼻冒置| 皇薯皇暑皇晕昌暑置鼍_ i 置皇昌蕾皇t 量- a b s t r a c t m o u l di sak i n do ft e c h n o l o g i c a l e q u i p m e n ti n i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n s ，w h o s e m a n u f a c t u r i n ga b i l i t i e sh a v eb e e na l li m p o r t a n ts y m b o lt om e a s u r ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a b i l i t i e so fac o u n t r y n e v e r t h e l e s s ，t h ep r o d u c t i o nl e a dt i m eo fm o u l di so f t e nt o ol o n gi n o u rm o u l dc o m p a n i e ss ot h a tm o u l do r d e r sd e l a yf r e q u e n t l y t h ep r o b l e mi n f l u e n c e s s e r i o u s l yt h er e p u t a t i o no fc o m p a n i e s ，w h i c hi s t h ek e yf a c t o rt o r e s t r i c ti n t e r n a t i o n a l c o m p e t i t i v e n e s so fo u rm o u l dc o m p a n i e s t h em a i nr e a s o ni sb e c a u s em o u l dc o m p a n i e s l a c ka l le f f e c t i v ea n dp r o p e rp r o d u c t i o nc o n t r o la p p r o a c h m o s to fc l a s s i c a lp r o d u c t i o n p l a n n i n ga n dc o n t r o la p p r o a c h e sd e r i v e df r o mt h er e p e a tp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t s ，s u c h a s m r pa n dj i t b o t ht h el i t e r a t u r ea n dt h ep r a c t i c eh a v ep r o v e dt h a tt h e s ea p p r o a c h e sa r 。en o t s u i t a b l ef o rm o d di n d u s t r y w o r k l o a dc o n t r o l ( w l c ) c o n c e p ti so n eo ff e wp p cc o n c e p t s t h a th a v eb e e nd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yf o rm a k e - t o - o r d e r ( m t o ) e n v i r o n m e n t s 、) l r i ll l i 曲 c o m p l e x i t y b a s e do nt h et h r e ec o n t r o ll e v e lo ft h ew l cs t r u c t u r e ，i tc a nc o n c l u d e ：t h e w l ci saf e a s i b l et e c h n o l o g yt oa c h i e v ew o r k l o a db a l a n c eo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m i n m o u l dp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n tw i t hh i g h l ys t o c h a s t i ca n du n c e r t a i n , a c h i e v i n gw o r k l o a d b a l a n c ei nm o l l l dc o m p a n i e si st h ek e yt oi n s u r et h ed u ed a t e so fm o u l do r d e r s h e n c e ，t h e f i n a la i mo ft h i sp a p e ri st od e s i g naw l c - b a s e dw o r k l o a db a l a n c ec o n t r o ls y s t e mf o r m o u l dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m d u et o t h e m i s a l i g n m e n t b e t w e e nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，v e r yf e ws u c c e s s f u l i m p l e m e n t a t i o n so fw l ch a v eb e e nd e s c r i b e di nt h el i t e r a t u r e i nt h i sp a p e r , w ef h - s t l y i d e n t i f yt h e s ed i s t i n c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f m o u l dp r o d u c t i o n t h ep o s s i b l em a t c hb e t w e e n t h ed i s t i n g u i s h i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew l cc o n c e p ti s a n a l y z e d , a n d ，b a s e do nt h er e s u l t i n gi n s i g h t s ；t h i sp a p e r t h e nr e f i n e st h ew l cs t r u c t u r e ， c o n s e q u e n t l yt od e v e l o pam u l t i - l a y e ra n d h i e r a r c h i c a lw o r k l o a db a l a n c ec o n t r o ls t r u c t u r e f o rm o u l dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tc o n t r o l l e v e l sa r ec o n s i d e r e d f i n a l l y , as o f t w a r es y s t e mf o rw o r k l o a dc o n t r o li sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e di na r e a l l i f em o u l dc o m p a n y t h ep r e l i m i n a r yf e e d b a c kf r o mc o m p a n y i i i 广东工业大学博士学位论文 m a n a g e r sa b o u tt h es y s t e mi se n c o u r a g i n g n em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , t w os t e p sa r eu s e dt oe v a l u a t et h ef i tb e t w e e nt h em o u l dc o m p a n ya n dt h ew l c n i ef k r s ts t e pa n a l y z ew h e t h e ri tc a l la l i g nb e t w e e nt h ed i s t i n c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fm o u l d p r o d u c t i o na n dt h ew l c i no r d e rt oo b t a i na no v e r a l li m p r e s s i o n t h e nt h es e c o n ds t e p f u r t h e ru s ea ne v a l u a t i o nf r a m e w o r kt od e m o n s t r a t ew l cs u i t a b i l i t yi ng e t t i n gad e t a i l e d a n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o n ，t h eh i e r a r c h i c a lw o r k l o a db a l a n c ec o n t r o ls t r u c t u r e f o rm o u l di n d u s t r yi sp r o p o s e d ，w h i c hi n c l u d e sf o u rl e v e l s ：j o bd i s p a t c h i n gl e v e l ，j o b r e l e a s el e v e l ，o r d e rr e l e a s el e v e la n do r d e re n t r yl e v e l b o t hi n p u t o u t p u tw o r k l o a dc o n t r o l m e c h a n i s m sf o re a c ho f t h e s el e v e l sa l ep r e s e n t e d s e c o n d l y , ad e c i s i o n - m a k i n gs t r u c t u r ef o rw o r k l o a db a l a n c ec o n t r o li nt h eo r d e re n t r y l e v e li sd e v e l o p e d c o m p a r e dt ot h es i m i l a rr e s e a r c h e s ，ad i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo ft h e s t r u c t u r ei st ot a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nv a r i o u su n c e r t a i n t i e sw i t h i nm o u l dp r o d u c t i o np r o c e s s v i aas t o c h a s t i cs t a t ee v o l u t i o nm o d e l i nt h ed e c i s i o n - m a k i n gf l o w , t h ee v a l u a t i o nm e t h o d o fm o u l di m p o r t a n c er a t ei sf i r s t l yp r e s e n t e d t h e n ，ac a p a c i t yc h e c km o d e lf o rt h en e w o r d e r sw i t l lf i x e dd u ed a t e sa n dad u ed a t es e t t i n ga l g o r i t h mf o rt h en e wo r d e r s 丽t h n e g o t i a b l ed u ed a t e s a r ed e v e l o p e d m o r e o v e r , t h ea v a i l a b l ec a p a c i t ya d j u s t m e n t so f e n t e r p r i s el a y e ri nt h ea b o v ed e c i s i o np r o c e s s e sa r ed e f i n e d f i n a l l y , an u m e r i c a le x a m p l e o far e a l l i f em o u l dp r o d u c t i o ns y s t e mi ss t u d i e da n ds h o w nt ob em o r es u i t a b l ef o ra s t o c h a s t i ce n v i r o n m e n tt h a nr e l a t e dr e s e a r c h t h i r d l y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h r e ek e ys t r a t e g i e sf o ro r d e rr e l e a s ec o n t r o l ：d e t e r m i n i n g t h es i z eo ft h eo r d e rp o o lb a s e do ne q u i v a l e n tw o r k l o a d , c a l c u l a t i n gt h ea g g r e g a t i o n w o r k l o a do fm o u l dc o m p o n e n t sa n dc h o o s i n gt h er e l e a s e dc o m p o n e n t sb a s e do ni n t e g e r p r o g r a m m i n g c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm o u l ds h o pf l o o r ，t h es t r a t e g i e sf o rj o b r e l e a s ec o n t r o la l ea l s od e v e l o p e d ，m a i n l yi n c l u d i n g ：c a l c u l a t i n gt h ea l r e a d yw o r k l o a do n w o r kc e n t e r sb a s e do nc o r r e c t e da t e m p o r a lm e t h o da n dd e t e r m i n i n gt h ew o r k l o a db o u n do f s h o pf l o o rb a s e do ns i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o d m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o nm o d e lf o r m o u l dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e da n d ，r e l e v a n ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r c i m p l e m e n t e dt oc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e da p p r o a c h e s f i n a l l y , t h eo u t p u t w o r k l o a dc o n t r o la p p r o a c h e sf o rt h ep r o d u c t i o nd e p a r t m e n tl a y e ra n dt h es h o pf l o o rl a y e r & l ied e v e l o p e d , m a i n l yi n c l u d i n g ：a l lo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rc h o o s i n gt h es u b c o n t r a c t i n g a b s t r a c t j o b s ah y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mi sf o u n da n d , i t sp r a c t i c a b i l i t yi s d e m o m t r a t e db yar e a lc a s e f o u r t h l y , t h ej o bd i s p a t c h i n gp r o b l e m so f t h et w ot y p e so fw o r k i n gt e a mi nm o u l ds h o p f l o o ra r ef m s t l y a n a l y z e d i nt h ew l c - b a s e de n v i r o n m e n t s t h e n , f o rt h em o u l d h e a t - t r e a t m e n ts h o pf l o o r , t h i sp a p e rd e v e l o p si t sp r o d u c t i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi nd y n a m i c e n v i r o n m e n ta n di t sm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lf o rj o bd i s p a t c h i n g an e wb a t c h p r o c e s sc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nr o l l i n g s c h e d u l i n gi sp r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m i t s t i m ec o m p l e x i t yi st h e np r e s e n t e d t h ep o t e n t i a lf e a t u r e so ft h ep r o p o s e ds t r a t e g ya r e d e m o n s t r a t e db ya na p p l i c a t i o ne x a m p l eo far e a l l i f em o u l dp r o d u c t i o ns y s t e mf i n a l l y f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h er e a l l i f eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o ro u rc o o p e r a t i v ee n t e r p r i s e ， t h eo v e r a l lo p e r a t i o nf l o wa n ds y s t e m i cf u n c t i o no ft h ew o r k l o a dc o n t r o ls y s t e ma r e d e s i g n e d t h e nt h ep r o b l e m st h a to c c u ri nt h es t a r t i n gs t a g eo fs y s t e mi m p l e m e n t a t i o na l e s u m m a r i z e da n d , as i m u l a t i o nw o r k l o a dc o n t r o ls y s t e mi sa d v i s e dt os o l v ep a r t i a lt h e s e p r o b l e m s t h ed e s i g nr e l a t e dt ot h es i m u l a t i o ns y s t e mi sp r o v i d e da tt h es a m et i m e b a s e do nt h ea b o v et h e o r ya n da p p l i c a t i o nr e s e 卸旧h ，w ea r g u et h a tt h ew o r k l o a db a l a n c e p r o b l e mf o rm o d dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mc a ns o l v e di n i t i a l l y t h er e l e v a n tm s e a r c h c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rc a np r o v i d em o u l dc o m p a n i e st h et h e o r ya n da p p r o a c hs u p p o r tf o r t h ee f f e c t i v ep r o d u c t i o nc o n t r 0 1 舐 k e y w o r d s ：m o u l di n d u s t r y ；p r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o l ；w o r k l o a db a l a n c ec o n t r o l ； w o r k l o a dc o n t r o lc o n c e p t ；e t o v 广东工业大学博士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) v i c o n t e n t s 。x c h a r t i n d e x ( c h i n e s e ) x v c h a r ti n d e x x v i i i c h a p t e rli n t e r d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u da n ds j g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h l 1 1 1m o u l di n d u s t r yi nc h i n aa n dt h ek e yf a c t o rt or e s l l u c ti t s c o m p e t i t i 、悒n e s s 。1 1 1 2a n a l y s i so nr n i t 认lr e a s o n sf o rs l g n l f i c a n td i f f i c u l l yt oc ( n t i 的l t h ep r o d u c t l o no fm o u l dc o m e a n i e s 2 1 1 3af e a s i b l ea p p r o a c hf o ra c h i e v i n gw o r k l o a db a l a n c ei nm o u l d c o 偶a n i e s - 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