汽車沖壓車間設(shè)備布局優(yōu)化研究

汽車沖壓車間設(shè)備布局優(yōu)化研究

0仿真優(yōu)化汽車沖壓件設(shè)備布局車輛壓力車間的設(shè)備配置包括將壓力機(jī)設(shè)備、材料搬運(yùn)設(shè)備、工作單元和安全通道走廊以及合理配置在有限的空間里的過程。不僅要滿足壓力機(jī)設(shè)備的一些特殊要求和設(shè)備之間的關(guān)系要求，還要充分考慮壓力機(jī)設(shè)備配置的生產(chǎn)安全、操作舒適度和美學(xué)。汽車沖壓車間設(shè)備布局決定著車間的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率,關(guān)系到車間的物流方向和速度、廠房利用率、人力和物力的合理配置,以及設(shè)備的綜合效率等,直接影響到車間的總體效益。有關(guān)文獻(xiàn)指出因設(shè)備布局不合理所產(chǎn)生的運(yùn)行費(fèi)用占制造系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)的20%～50%,而優(yōu)良的設(shè)備布局可使這一費(fèi)用減少10%～30%。汽車沖壓工藝是汽車制造的四大工藝之一,汽車沖壓件主要是將金屬板料,借助壓力機(jī)的壓力,通過沖壓模具沖壓加工成形。汽車沖壓加工的特點(diǎn)是:產(chǎn)品大而薄、品種多樣化、生產(chǎn)重復(fù)性和輪番性、批量生產(chǎn)、生產(chǎn)速度快、效率高及操作簡單。由于壓力機(jī)設(shè)備大,安裝調(diào)試工程量大,投資成本非常高,因此,汽車沖壓件車間設(shè)備布局后,就會(huì)相對穩(wěn)定不變。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的需求,汽車制造業(yè)向多品種大批量的生產(chǎn)方式發(fā)展,汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代加速,當(dāng)汽車沖壓車間產(chǎn)品和產(chǎn)量變化到一定的程度,汽車沖壓車間就必須對壓力機(jī)設(shè)備布局進(jìn)行階段性地調(diào)整優(yōu)化,以解決車間沖壓設(shè)備生產(chǎn)能力和效率,滿足汽車沖壓車間生產(chǎn)的需求,實(shí)現(xiàn)車間效益的最大化,適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。Flexsim模擬仿真軟件是新一代的3D模擬仿真軟件,可用來構(gòu)建工業(yè)或企業(yè)各種經(jīng)營、管理和制造等的三維實(shí)體系統(tǒng)模型,可在不同作業(yè)平臺(tái)上執(zhí)行全窗口化3D專業(yè)仿真。對于離散事件,如制造業(yè)、物料處理等,可創(chuàng)建三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境,觀察運(yùn)行仿真過程中的每個(gè)動(dòng)作,并在形象化的動(dòng)態(tài)三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,檢測新的設(shè)備布局、工藝流程、物流或系統(tǒng)等方案,解決對于創(chuàng)建時(shí)可能出現(xiàn)崩潰、發(fā)生中斷或是產(chǎn)生瓶頸的復(fù)雜系統(tǒng)問題。同時(shí),通過預(yù)先創(chuàng)建三維實(shí)體系統(tǒng)模型,可以考察各種假設(shè)場景,不會(huì)產(chǎn)生改變實(shí)際系統(tǒng)時(shí)所面臨的中斷,并可通過Flexsim軟件報(bào)表進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析,為選擇或決策提供科學(xué)依據(jù),從而降低成本和風(fēng)險(xiǎn)。1優(yōu)化車輛壓裂車間設(shè)備配置的研究方法1.1沖壓件車間設(shè)備布局某汽車沖壓車間主要生產(chǎn)兩種車型的沖壓件,生產(chǎn)能力為5萬臺(tái)/年。有壓力機(jī)設(shè)備19臺(tái),汽車沖壓車間設(shè)備布局是將油壓機(jī)類和機(jī)械壓力機(jī)類分別集中排列。車間主跨(自西向東):12MN油壓機(jī)、8MN油壓機(jī)、6MN油壓機(jī)、10MN油壓機(jī)、8MN油壓機(jī)、6MN油壓機(jī)、5MN油壓機(jī)、13MN機(jī)械壓力機(jī)、8MN機(jī)械壓力機(jī)、5MN機(jī)械壓力機(jī)、5MN機(jī)械壓力機(jī)、5MN機(jī)械壓力機(jī)、13MN機(jī)械壓力機(jī)、8MN機(jī)械壓力機(jī)、8MN機(jī)械壓力機(jī)。車間副跨(自西向東):6MN機(jī)械壓力機(jī)、6MN機(jī)械壓力機(jī)、6MN機(jī)械壓力機(jī)、6MN機(jī)械壓力機(jī)。汽車沖壓車間設(shè)備布局屬于典型的功能式。由于汽車沖壓車間生產(chǎn)發(fā)展的需要,要在原來兩個(gè)車型的沖壓件基礎(chǔ)上,再增加一種車型的沖壓件生產(chǎn)。三種車型大約有700多套大型沖壓模具,總生產(chǎn)綱領(lǐng)為年產(chǎn)10～12萬臺(tái)(按3班計(jì)算)。顯然,汽車沖壓件車間設(shè)備產(chǎn)能和效率不足,成為車間發(fā)展的瓶頸。為解決這個(gè)問題,需要對車間設(shè)備布局進(jìn)行重新調(diào)整和優(yōu)化。1.2汽車沖洗車間設(shè)備布局優(yōu)化方法汽車沖壓車間設(shè)備布局是一個(gè)多方面因素的復(fù)雜問題,其主要因素為車間面積和結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品類型、生產(chǎn)綱領(lǐng)、生產(chǎn)工藝、沖壓設(shè)備類型和數(shù)量、生產(chǎn)方式,以及物流路徑等。它們之間存在相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系,產(chǎn)品類型決定生產(chǎn)工藝和設(shè)備的類型,生產(chǎn)綱領(lǐng)決定車間使用面積、生產(chǎn)方式、沖壓設(shè)備的數(shù)量及物流路徑等。本文主要對汽車沖壓車間的產(chǎn)品沖壓工藝、壓力機(jī)設(shè)備的排列組合、物流路徑這三個(gè)主要因素,通過靜態(tài)的定性分析和動(dòng)態(tài)的定量分析,進(jìn)行汽車沖壓車間設(shè)備布局優(yōu)化方案的制定。其汽車沖壓車間設(shè)備布局優(yōu)化研究方法如圖1所示。首先以汽車沖壓件產(chǎn)品的沖壓工藝為基礎(chǔ),構(gòu)建成組生產(chǎn)單元設(shè)備布局基本框架,以汽車沖壓車間物流費(fèi)用最低和設(shè)備占用面積最小為組合優(yōu)化目標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行求解,得到設(shè)備布局成本最小的初始方案;以此為基礎(chǔ),運(yùn)用Flexsim軟件對車間設(shè)備布局方案進(jìn)行各種假設(shè)的三維模擬驗(yàn)證;最后通過Flexsim軟件系統(tǒng)對車間設(shè)備布局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和評價(jià),從而獲得在車間物流費(fèi)用、設(shè)備占用面積、布局的安全性和布局的整齊美觀性等方面綜合最優(yōu)的車間設(shè)備布局方案的研究方法。2成組生產(chǎn)單元汽車沖壓生產(chǎn)的工藝是落料→拉延→切邊(沖孔、整形、修邊)→翻邊(壓彎、壓形)。運(yùn)用現(xiàn)代精益管理理論,以最小的投入,獲得最大的收益,將壓力機(jī)設(shè)備按照汽車產(chǎn)品的沖壓工藝由3～5臺(tái)單體壓力機(jī)串聯(lián)排列成線,組成一個(gè)汽車沖壓成組生產(chǎn)單元(生產(chǎn)流水線)。生產(chǎn)單元中第1臺(tái)壓力機(jī)應(yīng)結(jié)合汽車沖壓產(chǎn)品形狀和生產(chǎn)工藝要求,選擇油壓機(jī)或機(jī)械壓力機(jī)來配置,其他幾臺(tái)基本配置均為機(jī)械壓力機(jī)。經(jīng)過計(jì)算車間成組生產(chǎn)單元設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍,核算車間生產(chǎn)能力和效率,筆者發(fā)現(xiàn)還需要在原19臺(tái)壓力機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)上,再增加9臺(tái)壓力機(jī)設(shè)備。再結(jié)合汽車沖壓車間的產(chǎn)品種類和產(chǎn)量,按一個(gè)完整制造系統(tǒng),將汽車沖壓車間的28臺(tái)壓力機(jī)設(shè)備,組合成7個(gè)成組生產(chǎn)單元,其設(shè)備布局基本框架表和框架圖如表1和圖2所示。以達(dá)到汽車沖壓車間預(yù)期的生產(chǎn)能力和效率。3設(shè)備布局歸一化因子汽車沖壓車間設(shè)備布局基本框架確定后,就要針對壓力機(jī)之間的最小距離、生產(chǎn)單元之間的最小距離、物流路徑和單位距離費(fèi)用等問題,建立數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)汽車沖壓車間設(shè)備布局的成本最小化。首先建立數(shù)學(xué)模型,然后應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行求解。在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),以車間物流費(fèi)用最低和設(shè)備占用面積最小為組合優(yōu)化目標(biāo),其目標(biāo)函數(shù)minZ為:minΖ=w1μ1n-1∑i=1n∑j=i+1cijfij(|xi-xj|+|yi-yj|)+Z=w1μ1∑i=1n?1∑j=i+1ncijfij(|xi?xj|+|yi?yj|)+w2μ2minSt式中:w1、w2為加權(quán)因子;μ1、μ2為歸一化因子;n為設(shè)備數(shù);cij為設(shè)備i和設(shè)備j之間單位距離物流費(fèi)用;fij為設(shè)備i到設(shè)備j的行程次數(shù);xi、yi、xj、yj為設(shè)備坐標(biāo);St為布局方案確定的布局結(jié)果的包絡(luò)矩形總面積,St=(xca-xdb)(ydb-yca),(xdb,ydb)為包絡(luò)矩形左上角的坐標(biāo),(xca,yca)為包絡(luò)矩形右下角的坐標(biāo)。歸一化因子的確定如下,可以保證兩部分優(yōu)化結(jié)果的最小值都接近1。μ1=1n∑i=0n∑j=0(cijfijn∑k=1wk)μ2=1/n∑i=1Siμ1=1∑i=0n∑j=0n(cijfij∑k=1nwk)μ2=1/∑i=1nSi式中:wk為設(shè)備寬度;Si為設(shè)備i的占地面積。為了得到有效的設(shè)備布局,需要添加一定的約束條件。對此,引入決策變量vik為:vik={10設(shè)備i布置在第k行設(shè)備i布置在其他行式中:i=1,2,…,n;k=1,2,…,m;n為設(shè)備數(shù);m為行數(shù)。由此,布局約束可表示如下。1n個(gè)設(shè)備只能安裝在一個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)僅配置所有n個(gè)設(shè)備m∑k=1vik=1n∑i=1vik≤n2lj2+dij式|xi-xj|vikvjk≥li+lj2+dij式中:li為第i臺(tái)設(shè)備長度;lj為第j臺(tái)設(shè)備長度;dij為第i臺(tái)設(shè)備與第j臺(tái)設(shè)備之間的距離。33長度為h的設(shè)備的長度應(yīng)限于長度h的僅限于n∑i=1(|xi-xj|+li+lj2)vikvjk≤Η式中:H為限定長度。4汽車沖洗車間設(shè)備布局的最佳方案運(yùn)用Flexsim仿真軟件:1)對汽車沖壓車間設(shè)備布局方案進(jìn)行三維模型效果的仿真驗(yàn)證,以考察汽車沖壓車間各種假設(shè)的壓力機(jī)成組生產(chǎn)單元排列組合的設(shè)備布局場景,檢測和比較汽車沖壓車間各種形式的設(shè)備布局方案效果;進(jìn)行設(shè)備動(dòng)態(tài)布局,以選取適合汽車沖壓車間成組生產(chǎn)單元設(shè)備布局的最佳方案,降低汽車沖壓車間設(shè)備布局調(diào)整的運(yùn)行成本和風(fēng)險(xiǎn),如表2所示。2)依據(jù)汽車沖壓車間設(shè)備布局選定的方案,建立汽車沖壓車間生產(chǎn)物流路線,運(yùn)用Flexsim軟件,實(shí)現(xiàn)汽車沖壓車間生產(chǎn)物流的運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn),觀察運(yùn)行仿真過程中的每個(gè)動(dòng)作,對汽車沖壓車間布局可能出現(xiàn)的物流問題做出早期判斷,提出相應(yīng)的防范措施,節(jié)省投資成本和運(yùn)行周期。3)通過Flexsim軟件獲得汽車沖壓車間設(shè)備布局方案的運(yùn)行仿真模型的數(shù)據(jù)和報(bào)表,并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析,對汽車沖壓車間設(shè)備布局系統(tǒng)方案的合理性、物流暢通性、生產(chǎn)操作安全性和整齊美觀性進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整,以獲得較佳的汽車沖壓車間設(shè)備布局方案。4)運(yùn)用Flexsim軟件根據(jù)汽車沖壓車間設(shè)備布局調(diào)整優(yōu)化后的設(shè)備綜合利用率情況,系統(tǒng)地對汽車沖壓車間設(shè)備布局的方案給予評價(jià),以科學(xué)的數(shù)據(jù),驗(yàn)證汽車沖壓車間設(shè)備布局的優(yōu)化方案,如圖3所示。5汽車增壓車間現(xiàn)有設(shè)備布局優(yōu)化方案本文以汽車沖壓工藝為導(dǎo)向,構(gòu)建成組生產(chǎn)單元設(shè)備布局框架;應(yīng)用遺傳算法求解,實(shí)現(xiàn)設(shè)備布局成本最小化;運(yùn)用Flexsim軟件,驗(yàn)證設(shè)備布局優(yōu)化方案的研究方法,以獲得汽車沖壓車間設(shè)備布局調(diào)整優(yōu)化的方案。經(jīng)實(shí)施此優(yōu)化方案后,在2009年某汽車沖壓車間實(shí)現(xiàn)了10.5萬臺(tái)/年的生產(chǎn)任務(wù),達(dá)到了汽車沖壓車