戴 瑤, 裴思愔

(1.揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.長(zhǎng)安大學(xué), 陜西 西安 710061)

高度靈活的制造能力是大規(guī)模定制生產(chǎn)范式的核心。企業(yè)以最小的代價(jià),實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量的換型生產(chǎn)至關(guān)重要[1-2]。許多工業(yè)企業(yè)為滿(mǎn)足產(chǎn)品多樣性的要求,對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的換型過(guò)程進(jìn)行精益分析優(yōu)化,以縮短設(shè)備停頓時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。從精益價(jià)值鏈的角度看,從前一類(lèi)別的最后一個(gè)產(chǎn)品到后一類(lèi)別的第一個(gè)合格產(chǎn)品之間的時(shí)間間隔,是沒(méi)有產(chǎn)出價(jià)值的時(shí)間,應(yīng)當(dāng)盡可能縮短,以減少浪費(fèi)[3-4]。換模時(shí)間主要由準(zhǔn)備時(shí)間、換模操作時(shí)間、調(diào)整時(shí)間3部分組成。目前導(dǎo)致轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的最主要因素是等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由不規(guī)范操作帶來(lái)的調(diào)整工作量增加。因?yàn)槿狈焖俎D(zhuǎn)換手段,導(dǎo)致重復(fù)操作增多。過(guò)程管理不善、目標(biāo)要求不明確也會(huì)引起現(xiàn)場(chǎng)混亂和窩工[5]。

快速換模是通過(guò)工業(yè)工程的方法,將換模時(shí)間盡可能減少的方法。[6]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多研究人員都在積極探索快速換型的優(yōu)化解決方案[7-10]。目前應(yīng)用的快速換型方法的主要不足是:比較耗時(shí),需要投入大量人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析,并且對(duì)需要兩人及兩人以上參與的換模作業(yè),沒(méi)有進(jìn)行合理的工作分配,在換型過(guò)程中,存在換型人員的作業(yè)量不平衡,等待浪費(fèi)明顯等問(wèn)題。 雖然在生產(chǎn)調(diào)度中對(duì)參與作業(yè)人員個(gè)體的操作能力進(jìn)行了相關(guān)研究,但對(duì)快速換型過(guò)程中的目標(biāo)任務(wù)分配考慮不足。

筆者基于頭腦風(fēng)暴確定換型作業(yè)內(nèi)容，基于方法時(shí)間測(cè)量確定基準(zhǔn)時(shí)間,提出一種面向大規(guī)模定制化模式的快速換型優(yōu)化方法。根據(jù)換型作業(yè)人員的實(shí)際工作技能水平,優(yōu)化分配相應(yīng)的作業(yè)內(nèi)容,使人員間作業(yè)量更加平衡,對(duì)人力、時(shí)間、模具等資源的利用更加高效,從而減少換型的時(shí)間,提升企業(yè)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品類(lèi)型變化的能力。

1 優(yōu)化方法

面向大規(guī)模定制化制造模式的快速換型優(yōu)化方法主要由兩部分構(gòu)成,第一部分是確定換型的作業(yè)內(nèi)容,第二部分是將作業(yè)內(nèi)容借助調(diào)度與規(guī)劃的方法有效分配給換型人員。

1.1 換型的作業(yè)內(nèi)容

在設(shè)計(jì)換型作業(yè)前,需要掌握即將使用和被替換的兩套模具的相關(guān)參數(shù),例如用途、結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、輔助裝置等;另外,還需要掌握注塑機(jī)設(shè)備的相關(guān)信息,包括工作原理、安裝尺寸、操作軟件等。設(shè)計(jì)換模作業(yè)內(nèi)容時(shí),運(yùn)用頭腦風(fēng)暴的方法與企業(yè)內(nèi)部團(tuán)隊(duì)協(xié)作,分析并確定作業(yè)內(nèi)容,利用方法時(shí)間測(cè)量試驗(yàn)計(jì)算出每一項(xiàng)作業(yè)所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,并將作業(yè)流程進(jìn)行優(yōu)化,得到一份標(biāo)準(zhǔn)的換模作業(yè)表。

1.2 作業(yè)內(nèi)容分配

作業(yè)內(nèi)容分配的目的是將換型作業(yè)分配給最有效的操作人員。

首先,需要考慮內(nèi)部作業(yè)內(nèi)容,分析作業(yè)內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系。有一些作業(yè)內(nèi)容是先后順序,即前一道作業(yè)內(nèi)容必須完成后,后一道作業(yè)內(nèi)容才可以開(kāi)始。而有一些作業(yè)內(nèi)容是并列關(guān)系,即可以同時(shí)進(jìn)行。

其次,需要考慮換型操作人員的能力和數(shù)量,本文將操作人員的能力劃分為5個(gè)等級(jí)。級(jí)別1代表合格,即所需操作時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)表中的工作時(shí)間一致。級(jí)別5代表優(yōu)秀,即所需操作時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間的80%,在級(jí)別1至級(jí)別5之間,分別設(shè)立級(jí)別2為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間的95%,級(jí)別3為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間的90%,級(jí)別4為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間的85%。至于操作人員的數(shù)量,視具體工位的容量及生產(chǎn)線(xiàn)的換型節(jié)拍確定。

在確定了作業(yè)內(nèi)容及操作人員能力等級(jí)之后,可以把作業(yè)內(nèi)容分配的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為調(diào)度和規(guī)劃的問(wèn)題,即對(duì)完成所有作業(yè)內(nèi)容的最短時(shí)間求解,完成作業(yè)內(nèi)容優(yōu)化分配。鑒于換型中的每一項(xiàng)作業(yè)內(nèi)容都同等重要,本文采用最大完成時(shí)間和無(wú)優(yōu)先級(jí)的方法建立模型。

2 案例驗(yàn)證

X公司是一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)注塑件的高新技術(shù)企業(yè),主要產(chǎn)品涉及汽車(chē)、家電及新能源領(lǐng)域。隨著客戶(hù)需求的多樣化及交期時(shí)限的縮短,注塑件生產(chǎn)面臨極大的挑戰(zhàn),一方面為滿(mǎn)足多品種的要求必須進(jìn)行頻繁的生產(chǎn)換型,另一方面要盡可能縮短由于換型所帶來(lái)的時(shí)間損耗。因此,需要一種新的快速換型方法來(lái)解決換型時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

2.1 確定模型的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)內(nèi)容

以X公司A類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中注塑模更換為例,進(jìn)行快速換型的優(yōu)化，首先確定換模的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)內(nèi)容(如圖1所示)。

2.2 分配作業(yè)內(nèi)容

首先確定了作業(yè)內(nèi)容2至10為內(nèi)作業(yè)時(shí)間,并對(duì)作業(yè)內(nèi)容之間的關(guān)系進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖2所示。作業(yè)2結(jié)束后才可以進(jìn)行作業(yè)3,在作業(yè)3結(jié)束后,作業(yè)4至7可以同時(shí)進(jìn)行,當(dāng)以上作業(yè)完成后,才可以進(jìn)行作業(yè)8的操作,隨后可以實(shí)施操作9,最終完成作業(yè)10。

圖2 換型作業(yè)內(nèi)容的相互關(guān)系

之后,對(duì)操作人員的數(shù)量和能力進(jìn)行分析與評(píng)估。X公司計(jì)劃2名操作人員進(jìn)行換模作業(yè),在與內(nèi)部人員共同評(píng)估后,得到的操作人員能力等級(jí)如表1所示。

表1 操作人員作業(yè)能力匯總

2.3 求解模型

基于上述信息,將作業(yè)2至10分配給兩個(gè)操作人員,求解完成所有工作的最短時(shí)間。通過(guò)采用最大完成時(shí)間和無(wú)優(yōu)先級(jí)的方法,建立求解模型。

設(shè)定變量i,j∈I,表示工作內(nèi)容；r∈N0，表示人員。

Pir表示工作i由人員r來(lái)執(zhí)行所需要的時(shí)間。

aij=1表示工作j必須在工作i完成后才能開(kāi)始,其余情況aij=0。

xi,r表示工作i在人員r開(kāi)始的時(shí)間。

yi,r=1表示工作i由人員r來(lái)執(zhí)行,其余情況yi,r=0。

zzjr=1表示工作i在工作j之前由人員r完成,其余情況zijr=0。

ci表示完成工作i時(shí)的全部時(shí)間，

ci=xi,1+xi,2+pi,1×yi,1+pi,2×yi,2

(1)

目標(biāo)方程為:

Mincmax=x10,1+x10,2+p10,1×y10,1+p10,2×y10,2，

(2)

相應(yīng)的約束條件:

yi,1+yi,2=1?i，

(3)

表示所有的工作都必須完成。

yi,r+yj,r≤1+zijr+zjir，

(4)

表示同一個(gè)人員不能同時(shí)做兩個(gè)工作。

xi,r+pi,r≤xj,r+M(1-zijr)

(5)

xj,r+pj,2≤xi,r+M*zijr

(6)

表示若工作內(nèi)容有先后順序,則保證不會(huì)重疊,后一道工作開(kāi)始必須是在前一道工作結(jié)束之后(此處導(dǎo)入了“big M”方法,M為一任意大而非無(wú)窮大的正數(shù), 從而將條件結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性約束線(xiàn)性化)。

c2≤x3,c3≤x4,c3≤x5,c3≤x6,c3≤x7,c4≤x8,c5≤x8,c6≤x8,c7≤x8,c8≤x9,c9≤x10，

(7)

表示工作間的先后順序。

最終可以得到具體人員所推薦執(zhí)行的換型作業(yè)內(nèi)容,操作人員1將進(jìn)行作業(yè)內(nèi)容3、6、7、10的操作,而操作人員2將實(shí)施其余作業(yè)內(nèi)容。 從而得到最短的換型時(shí)長(zhǎng)為666s,較初始狀態(tài)節(jié)約42%的換型時(shí)間(如表2所示)。

表2 優(yōu)化結(jié)果匯總

3 結(jié)語(yǔ)

一方面,提出利用頭腦風(fēng)暴法設(shè)計(jì)出合理的換模作業(yè)內(nèi)容,利用時(shí)間研究法得到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,并基于操作員工技能水平的實(shí)際情況,采用最大完成時(shí)間和無(wú)優(yōu)先級(jí)的方法建立優(yōu)化模型,不僅能夠減少不合理的操作內(nèi)容,而且還可將換型工作內(nèi)容有效地分配給換型操作人員,為進(jìn)一步減少換型停機(jī)時(shí)間,提升注塑產(chǎn)品供應(yīng)商應(yīng)對(duì)多品種、小批量市場(chǎng)需求能力提供了新的方法。另一方面,也存在一些不足：企業(yè)對(duì)員工操作能力的評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)不足；優(yōu)化的模型還需在不同工序、不同企業(yè)試點(diǎn)驗(yàn)證；面對(duì)多副模具和較多操作人員的復(fù)雜工況,還缺少相應(yīng)的模型。這些問(wèn)題將在之后的研究中予以進(jìn)一步解決。