基于過程分析的單元制造系統布局規劃技術


摘要:隨著生產方式的不斷變化,布局規劃不再是一勞永逸的事情。單元式布局正成為制造系統布局研究領域的一個熱點。傳統的布局規劃研究主要集中在布局算法、風格和評價等方面。相對而言,很少有人對單元布局以及單元構成、設備共享和單元布局分析等具體問題進行研究。通過對蜂窩制造系統布局問題的分析,提出了以過程互連關系為線索的單元形成、交互布局和布局分析的研究方法。提出了基于零件過程相似性分析的單元生成技術、交互式可視化布局技術、基于PIR分析的單元布局評價技術和單元設備共享算法等單元布局中的典型關鍵技術。針對某企業關鍵設備利用率低、物流分散等問題,給出了四單元布局的實例。單元布局調整分析結果表明,共享度高的設備應布置在主單元邊界附近,并盡可能靠近其他共享單元;工藝路線應盡可能集中,以便于設備調整。沿路線交叉口減少的方向進行,考慮到離散單元的存在,物流路線及其密度應集中到形成的單元上。該研究有助于提高單元布局的設備利用率和物流效率,并可有效推廣到其他應用領域。




1.引言


為了應對全球化和知識經濟的挑戰,越來越多的企業采用以快速反應為主要特征的多品種、多批量生產模式。生產方式的轉變必然導致制造系統的變革,如制造系統由柔性制造系統(FMS)、專用制造系統(DMS)向蜂窩制造系統(CMS)的演進。在CMS中,制造單元(MC)是基本的生產單元,它是在過程關系分析的基礎上,通過對制造資源的分解、組成和反復優化而形成的。


單元構成(CF)可以指導單元布局,是設施布局的基本問題。CFCMS的關鍵技術,已被學者們研究多年。他們考慮了時間、批量、設備容量、共享設備、關鍵任務等形成約束條件,以及相似系數、單元間操作數、負載平衡和邏輯平衡等形成目標,采用啟發式算法和遺傳算法等智能算法進行求解。由于制造系統中單元配置的改變最終會影響系統的布局,因此,CF的結果應直接應用于單元布局。然而,很少有研究集中在這方面。


一個好的布局規劃不僅可以大大降低物料的運輸費用,提高材料物流效率,縮短在制品的停留時間,提高生產效率,而且可以減少緩沖能力,縮小占用空間,減少施工費用。布局模式的好壞將直接決定系統的整體性能。


傳統的制造系統布局研究主要集中在布局形式和算法上,但隨著CMS的發展,需要加強對CMS布局的研究。周等提出了改進車間布局設計的框架,并將制造系統布局問題轉化為多單元布局設計問題,采用模擬退火算法進行求解。在傳統制造系統布局的基礎上,盛等提出了由構型制造單元(CMC)組成的均方根陣列布局的思想。Fahad等人提出了一個中心細胞制造(CCM)的設計,該產品被分類成若干組,并在MC中組裝。與細胞制造(CM)相比,CCM將提高批量生產的優勢。


Selim等人研究了部分家庭和設備單元的形成,并提出了在各種目標下的細胞形成和細胞布局的綜合算法。


在上述研究中,CMS的布局形式和算法是主要關注的問題,但并沒有解釋細胞布局作為細胞形成、設備共享等具體問題。接下來的研究將進一步研究過程互連分析的主線。


2. CMS布局問題分析


在制造系統中,生產任務的波動和變化直接反映在生產工藝流程的變化上。按順序,單元配置將相應地改變。為了達到快速編隊的目的,必須優先選擇性能良好的算法。CF算法不應成為系統運行的瓶頸。CMS更加關注需求的頻繁變化,因此,為了減少布局調整對當前生產的影響,需要更加關注蜂窩材料物流形式的變化。在單元形式變化下產生的布局可分為物流布局和物理布局(圖1)。


前者只關心物流結構和布局要素之間的關系,后者不僅需要準確放置設備,還需要關注實際的布局要素,如工作空間、物料物流設備、休息室等。


cl是在cf結果上實現的,如mc和零件族,因此基于cf配置的邏輯布局是cl的首要問題,然后可以進行面向實際情況的物理布局。cl必須在邏輯和物理布局之間保持平衡。在需求波動的情況下,考慮靈活的物流布局,在變化較大的情況下,進行物理設備調整。


從生產和決策的角度來看,系統布局必須快速切換,迫切需要簡單方便的工具。但傳統的排版方法過于強調自動布局,忽視了人的主觀能動性。人機交互布局可以充分利用計算機的顯示、計算和數據存儲的優勢,最大限度地發揮人的創造力,是一種簡單而實用的計算機交互布局方法。


為了輔助決策,必須使用特定的方法和工具來預估布局模式。設備共享關系、工藝路線的順暢性、物流成本等是布局規劃中需要關注的典型問題,也是布局分析和評價的重點。


車間生產中普遍存在設備共享。但是,以最少的設備調整為主要目標,CL必須以大量設備共享為代價。實際上,在cl類傳統的機群布局中,單元之間的接口不再明顯(圖1)。設備只能以某種形式劃分到某個單元,而它們的生產能力需要為所有需要的單元服務。因此,如果能夠很好地解決共享設備單元的歸屬和布局問題,并提供設備共享的可視化分析工具、工藝路線、物流關系等,將在一定程度上降低成本。


3. CMS布局規劃技術方案


針對CMS布局規劃中存在的問題,本文將進行工藝路線分析,遵循單元形成、交互布局和布局分析的思想??傮w技術方案如圖2所示。


數據輸入有三個步驟:生產任務、過程和資源,三個步驟:單元形成、交互布局和CMS布局分析。細胞形成是解釋MCS形成和進化的過程。其結果將是使用cl分析方法的交互式布局的數據輸入。最終輸出為平面布置圖。


首先,采用階段啟發式算法形成單元。該算法將利用任務、過程和資源輸入,經過相似的單元形成、設備能力分配和單元優化等過程,形成單元配置。由于協同過濾的本質是資源的優化組合,因此在協同過濾算法中,必須對基于工藝路線分析的任務流程與設備能力的匹配關系進行反復評估。


接下來,單元配置用于交互式布局規劃。自動邏輯布局主要用于從單元配置中顯示單元設備之間的組成關系。由于確定了單元與設備的邏輯關系,可以直接分析單元設備共享。然后在人機交互布局中調整單元和設備的位置和尺寸。在調整過程中,利用設備共享分析工具、工藝路線分析工具和物流圖進行實時評價。最后輸出調整后的最優布局方案。


上述方案的每一階段都存在技術難點,提出了基于過程相似性分析、交互式可視化布局、基于過程互連分析的布局評估和單元設備共享關系算法的單元形成關鍵技術。


4. 關鍵技術


4.1 基于過程相似性分析的細胞形成技術

如上所述,CF程序是一個資源優化和調整的過程。在對過程相似性分析的基礎上,針對不同的過程相關指標,采用了一種四階段啟發式算法,考慮了批量、預定時間、設備能力、關鍵設備、設備共享等約束條件,這四個階段是相似的單元形成、設備能力分配、調整和優化以及配置輸出。在工藝路線分析的基礎上,每個階段都可以看作是零件工藝與設備能力的匹配優化過程,但不同階段的形成規則和目標不同。


綜合目標是minZr=W1S1+W2S2+W3S3+W4S4其中,s1–s4是與過程相關的索引。s1表示相似系數;s2表示單元間操作數;s3表示單元間的負載平衡指數;s4表示單元內的流量平衡指數。w1、w2、w3w4分別表示它們的重量。


具體求解過程如圖3所示。在圖3中,第一階段是根據相似性分析形成設備單元的初始尺寸。從任務、過程和資源的基礎數據中,搜索所有任務所需的設備類型,然后進行類似的設備類型集群,直到達到預設的單元數量。


第二階段是分配設備能力,以獲得裝載加工零件的能力單元。首先,根據路線選擇規則和設備類型選擇規則,確定任務路線和相應的設備類型,即第一條路線和設備類型。對于每個部件操作,設備優先從其第一個設備類型中選擇。當設備能力不足時,提供加班、外包和設備增加的替代方案。批量是能力分配中的一個重要制約因素,因此在設備選型時,必須反復比較所需的加工能力與實際設備能力,使設備上增加的任務不能超載。每次任務完成后,將計算設備的備用加工能力,以利于其他部件的操作。


在調整和優化階段,根據綜合目標重新分配能力單元。目標最高的單元配置優選為最終單元方案。


最后,利用最大操作數或最大設備能力占用的規則將設備分成單元,輸出MC配置,計算并顯示了單元加工能力和設備能力在MCS中的分布。


4.2 交互式視覺布局技術

可根據CF配置自動生成初始布局。但此時只能看到單元和設備的標識及其邏輯關系。接下來是視覺布局。根據實際布局需求,附加設備模型,在布局規則約束下調整單元和設備位置,并添加其他布局元素作為物流渠道,生成接近真實場景的布局方案。


制造系統布局的目標是定位所有設施并實現最佳配置。布局元素可以分為物理實體和非物理實體。占用固定空間的實體稱為實體實體,如工廠、單元、設備、禁區、服務區(裝卸區、下載區、商店、維修室、休息區)等;其他相關實體均稱為非實體實體,如生產計劃、產品研發、生產制造等。布局實體的外部、區域設置、對齊符號等關系如圖4所示。為了方便和擴展布局建模,采用統一的建模思想,提取主要實體的主要參數。一般情況下,提取出名稱、識別、協調、長度、寬度、高度、角度等特征參數。


其它布置約束參數,如設備間隙、設備與物流通道的距離、墻柱、操作空間等,是整個系統生產效率和安全考慮的重要參考,也是布置干擾的主要標準。在平面布置規劃中,設備的干涉檢查主要考慮外形尺寸、操作空間、設備間隙等因素。


給定的檢查空間是一個矩形r[x,y],其中xy分別表示長度和寬度X=Xo+Xe+Xd, Y=Yo+Ye+Yd,其中xo和yo表示最小的操作間隙;xeye表示設備的外形尺寸;xdyd表示設備之間的最小間隙。在每次設備調整時,進行干擾檢查,以測試檢查設備的極限點是否落在被檢查設備的矩形空間內,并且檢查設備的極限點是否在檢查設備的矩形空間內。在沒有入侵點的情況下,可以得出兩臺設備之間不存在干擾的結論。圖5中,(1)和(2)分別表示不存在的情況和干擾的存在。


基于布局實體的統一建模和干擾檢測,可以構建用戶操作和交互平臺的可視化界面。在內部布局規則和約束的限制下,實現了“看就是要”和“邊分析邊布局”的人機交互布局效果。然后,可以對布局進行進一步的分析和優化。


4.3 基于過程互連分析的版圖評價技術

在交互布局調整過程中,為了提高可視化的可靠性和效果,可以對生產任務及其路徑進行預加載,然后通過對設備相鄰關系、產品路徑和物流關系圖的分析,對布局方案進行實時評估。


4.3.1 單元與設備相鄰關系分析

基于底層共享分析算法,需要對共享設備的隸屬關系及其在計算機中的表達進行詳細的開發。本文將設備共享分為單元共享和任務共享,單元共享在物理布局和任務共享中表現得很明顯,可以看作是與產品路徑相關的邏輯布局。


在布局界面中,一個設備只能定位在一個單元所屬的固定位置,即主單元。其他單元(共享單元)只能共享來自主單元的設備。因此,在共享設備的數據結構設計中,需要添加一個共享標識來表示設備是否共享。此外,還需要附加單元陣列結構來記錄其所有相關單元。在設備的單元陣列中(圖6)。對這種數據結構進行了分析算法的研究。


為了體現小區設備之間的共享關系,需要在布局界面中明確顯示共享設備的標識,在交互布局過程中,主小區及其相關的共享小區被符號化,關系的變化可以自動跟蹤。首先,我們必須知道設備是否共享。這個問題可以通過共享關系算法來解決。然后,根據一定的規則確定設備的主單元。例如,我們可以定義設備輸入的第一個或最后一個單元格是設備的主單元格,或者在界面上手動設置主單元格。一個設備只有一個主單元,因此在設置主單元之后,其他相關單元必須劃分為共享單元。


接下來,需要在界面上顯示設備共享關系。為了方便起見,我們可以使用某種類型的標記線(稱為共享標記線)直接將設備與其共享單元連接起來。當設備多,共享關系復雜,共享標記線變得過于復雜時,通常將標記線設置為簡單線或虛線。


如圖7所示,在物理布局中,設備被劃分為不同的虛擬單元(vc)。VCS之間沒有固定的邊界,因此它們的接口可以用虛線表示。每臺設備都與一個小區或主小區相連,其共享關系通過共享標記線來識別。其他由標記線鏈接的單元格是共享單元格。在本圖中,單元2中的車床4和磨床2是共享設備,其中車床4由單元1和單元3共享,磨床2僅由單元3共享。單元設備共享關系是可以測量的。


4.3.2 工藝路線分析

設備共享關系還表現為不同生產任務的設備資源共享競賽。當任務太多時,設備競賽不可避免地會出現,特別是數控機床等關鍵設備。布局為生產服務,因此必須考慮設備布局是否符合工藝路線的問題。CMS的布局規劃必須考慮到蜂窩生產的特殊問題。例如,減少單元間工藝路線的迂回,避免單元內任務負荷過大,保證生產的順利進行。


工藝路線分析將提供工藝路線產生的設備之間的緊密性信息。首先,從CF導入單元、零件族和任務的基本數據。然后,通過自動計算,生成當前任務的初始邏輯布局。接下來,布局模式最終以交互方式調整為真實場景。在此過程中,將選擇重要任務進行工藝路線分析,并根據分析結果調整設備位置。


由于不同的零件有不同的路徑,一個零件可能有多個路徑,但一個零件的相同操作可以有可選的加工設備,因此在工藝路線分析中,必須根據選擇規則或通過編程自動選擇。


工藝路線確定后,在布局界面上直觀顯示。與小區設備共享關系的顯示相同,圖類型的顯示足以進行路由分析(圖8)。經過反復對比分析,發現了瓶頸設備和線路交叉嚴重的問題。對于瓶頸設備,我們可以選擇增加設備或直接改變零件工藝等解決方案。對于路線交叉口,需要手動調整設備在交叉口的位置。


4.3.3物流評估技術

如果能夠預測布局方案對生產的影響,并提出改進建議,則可以達到評價和優化的目的,而優化后的布局方案可以直接應用于生產。生產布局的一個重要目標是保證物流的順利進行,使物料運輸成本最低。物流是一種面向現實生產的價值評估技術。


CMS布局是工廠、車間、單元、設備等層次結構中第一個面向單元的布局。不同層次的物流渠道之間沒有平等的關系(圖9)。中間層的通道接收來自上下通道的材料,并將其傳輸到下或上通道。


在物流分析中,首先確定各設備在通道上的運輸位置。然后計算所有部件的可選路徑。根據所選的選線規則和設備選擇規則,定義各部分的選線和設備。通過生產物流過程仿真,記錄和總結了各工藝路線的物流路徑及其流量,得到了各物流通道的流量分布。界面上顯示的物流密度線基于流量。根據交叉程度和密度線密集程度,可以調整設備位置或增加物流通道,減少物流交叉,平衡全線物流,從而平衡物流通道上的負荷。


如設備共享和工藝路線分析,通過物流分析,可以進行微調。通過迭代的物流仿真和設備調整,得到最終的優化布局方案。


4.4 單元設備共享關系算法

事實上,單元設備的視覺物理關系是由生產任務的邏輯過程關系決定的,因此可以從工藝路線分析中提取設備鄰接信息。在交互布局中,視覺單元設備共享信息主要受設備共享度、單元間二維和多維共享關系等底層算法的支持。


(1) 設備共享度的計算。設備共享度是指所有單元中每個設備的出現頻率。共享度的計算是對各單元設備的發生情況進行匯總,然后對結果進行排序,從而直觀地看到共享的程度。


該算法建立了一個由設備編號標識的共享度寄存器。然后在單元與設備關系表中進行加運算。如果一個設備發生在一個記錄中,將對響應的設備寄存器執行加1操作。在徹底搜索單元設備表之后,單元中的設備數量存儲在每個設備寄存器中。將寄存器陣列從大到小進行排序,得到設備共享度的正秩陣列。


(2) 單元間二維共享關系分析。通過對兩小區共用設備的分析,可以構建設備共用線。從生產線上的設備集合中,我們可以得到相關的單元集合,然后構建一個二維的單元陣列表。通過對每個單元對的循環比較,得到了兩個單元中使用的設備,這些設備將被插入到表的交叉單元中。


(3) 單元間多維共享關系分析。通過對超過3個單元間共享設備的分析,可以得到一個多維視圖。


在多個關系中,首先排除總單元數為12的情況,即只考慮單元數大于3的情況。首先,列舉了各種情況的可能組合。例如,當單元格數為3時,組合為c33=1,表示只有一種組合;當單元格數為4時,組合為c43+c44=4+1=5,表示有4種組合:3個單元格組合時為0-1-2,0-1-3,0-2-3,1-2-3,只有1個聯合體:0-1-2-4當所有4個單元格合并時。然后,對于單元組合的每個情況,將組合中的單元號設置為一個數組。搜索設備集以查看屬于單元陣列的所有單元的設備是否存在。存在表示設備由一組單元共享。


5. 案例研究


利用VC++Windows2000上開發了一個CMS布局規劃軟件,并在航空航天和雷達領域得到了驗證和應用。這里將給出一個驗證的算法案例,并顯示一個真實的項目來說明應用效果。


5.1 算法案例研究

1部分列出了由三種產品和十部分組成的典型任務:PAP1-P4)、PBP5-P7)、PCP8-P10)。


首先,進行細胞形成。本程序采用了設備型號最少的選線規則、設備運行時間最短的選線規則、設備平均使用率的設備任務分配規則以及關鍵零部件和設備作為形成核心的主要約束條件。形成的目標是盡量減少單元間的操作次數,平衡所有等重單元的負載。最終單元配置由三個單元組成:單元1M1-2、M6-3、M7(超時)、M8-2、M9)、單元2M2、M3、M5、M6-1、M6-2)和單元3M1-1、M4、M8-1、M10)。


從圖11所示的單元能力和負載分布可以看出單元是平衡良好的;圖12顯示了設備負載及其在單元之間的分布,其中說明了設備的主單元和在其他單元中的共享程度。


接下來,進行交互布局和布局分析。圖13顯示了設備以單元形式堆放時的自動布局結果?,F在可以分析單元間的設備共享關系。圖13中的虛線為設備共享線,其詳細的共享信息如圖14的對話框所示,其中調用了上述底層分析算法。圖15展示了人機交互模式下的布局調整過程,其中添加了物流通道,并顯示了流程(粗體實線)和設備共享的實時分析。


5.1 應用

為了進一步理解上述理論和方法,下面將展示一個實際的項目實施。

在傳統的“多試制少生產”的方針下,企業主要采用成組機的布局方式。但隨著產品升級速度的加快,產品需求的增加,原有的生產模式已不再適應新的任務。關鍵設備利用率低、物流分散等問題日益突出。在工廠更新的機會下,決策者希望通過生產系統的改革來改變當前被動生產的狀況。


考慮典型產品和相關機器。根據新站點的面積和計數的機器數量,單元大小設置為4。CF結果如圖16所示。


三個明顯的細胞:細胞1、細胞2和細胞4,以及部分家族可以被區分出來,而另一個細胞3可以被看作是一個離散的細胞,主要用于分散的任務。圖17和圖18分別顯示了可視化布局和物流分析的界面。其效果如此接近,布局逐步完善。


在反復調整分析的過程中,可以總結出一些重要結論:


(1) 共享度高的設備應布置在主單元邊界附近,并盡可能靠近其他共享單元;


(2) 集中工藝路線,采取各種手段進行設備調整,減少路線交叉;


(3) 考慮到離散單元的存在,物流路徑及其密度應集中到形成的單元上。


作為一個詳細的方案,建議針對典型任務使用四個單元格。同時,綜合考慮各種產品類型和布局調整空間,對群機和單元布局的混合樣式提出了整體建議。在項目實施過程中采用了上述規劃,取得了預期效果。


6. 結論


(1) 為了實現CMS布局的快速設計,邏輯布局和物理布局的集成方法比傳統的布局設計方法具有更多的優勢。


(2) 在過程互聯分析的基礎上,提出了基于單元形成、交互式布局和布局分析的CMS布局規劃研究方法。在對流程進行相似性分析的基礎上,對物流單元進行格式化,作為單元布局的初始輸入。


(3) 在設施布局中,采用了工藝互聯分析、單元設備共享關系算法、物流分析等版圖評價技術。它們是CMS布局設計的良好輔助工具。


(4) 在實證研究中,總結了CMS布局的三個重要公式。


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