基于成本的机械加工产线资源仿真优化设计_高志全.pdf

佛 山 陶 瓷2023 年第 4 期（第 321 期）1引言机械加工产线的生产制造总成本包括加工成本、生产物流成本、缓存成本、人力成本、延期交货惩罚成本五项。想要对机械加工产线的资源配置能力进行优化设计，最大化降低生产制造成本，需要对五项生产制造成本进行人力、资金、设备、技术、材料、运营等多方面的协调分配，使企业能在有限的资源条件下创造出更高的价值。使用仿真模型对产线优化设计方案进行模拟是机械制造行业常用的方式，但目前的仿真模拟方式以独立考虑某个资源的方式为主，最后通过多个独立模块的成本控制方式，组建成完整的成本控制优化方案，这种方法虽然能够将独立板块的成本降到最低，但忽略了机械加工产线是整体化、具有连贯性的流水线，区块化的成本控制方案在实际应用过程中会出现不用程度的生产冲突。针对这种现象，文章以汽车前后座椅背板构件的制造产线为例，设计出综合考虑产线产量、投产顺序、缓冲区容量、人力资源配置等重要因素的协调性仿真模型。并基于该模型进行仿真优化设计，在保证生产协调性的前提下，降低生产制造总成本。2基于成本的构架加工线仿真模型2.1 构件加工产线现状2.1.1加工构件该构件加工产线主要负责生产汽车前后座椅背板，汽车座椅背板是车辆舒适性、安全性的重要保障。前排座椅背板和后排座椅背板的机械构造区别较小，可以在统一产线进行加工，具体构件形状如图 1、图 2 所示1。2.1.2构架加工线加工工序和布局构架加工线加工工序包括汽车座椅背板构件的加工位置划线、铣床、构件加工（测量、更换刀具、切割等）、镗床、研磨和测量，具体如表 1 所示2。基于成本的机械加工产线资源仿真优化设计高志全（辽宁轨道交通职业学院,沈阳110027）摘 要：机械加工产线的成本控制是机械制造企业控制成本、提升运营经济效益的主要方式，在实际产线中对优化方案进行验证会导致大量人力成本、时间成本、产线加工成本的浪费。基于此，文章提出基于成本的机械加工产线资源仿真优化设计通过建立构架加工线仿真模型，模拟出当前产线的生产参数和生产效率，使用基于资源配置遗传算法的产线资源仿真进行优化，最后将资源配置优化前后生产指标数据进行对比分析，验证机械加工产线资源仿真优化设计对产线加工成本控制的有效性。关键词：生产制造；机械加工；产线生产；仿真优化设计图 1 前排汽车座椅背板构件图 2 后排汽车座椅背板构件机械与设 备Machine&Equipment37Vol.33No.04（Serial No.321）FOSHAN CERAMICS根据表 1 中的工序，构架加工线布局分为加工中心、缓冲区、铣削区、镗区、钻区、研磨区和检测区，共计两个班组，均在虚线范围内进行作业，各车间之间使用电动平车和天车进行构件传输具体如图 3 所示3。2.2 仿真模型三维布局构建掌握加工对象、加工工序和产线布局后，文章使用Plant Simulation 仿真软件建立产线仿真模型，Plant Sim-ulation 仿真软件是一款面向对象的集成建模物流仿真优化软件能够对生产系统中的生产设备、生产线、生产过程等进行建模、仿真和优化，具有充足的模型族群和直观的仿真过程，还能根据仿真情况提供数据的记录和计算4。使用 Plant Simulation 仿真软件建立产线仿真模型后将目前的产线运行数据输入模型，批量为 18，资源分配方案为 4、6、6、12、4、6、6、6、6、13、8，投产顺序为 HH-HHQQQQHHHHHQQQQQ，运行后计算出当前产线生产运行方案的总生产制造成本为 233285 元，具体运行生产指标如表 2 所示5。将仿真模型的运行数据和生产指标与实际生产数据进行对比，两者之间的较差在 0.1%以内，说明仿真模型建立有效，其优化决策方案具有可信度。3基于资源配置遗传算法的产线资源仿真优化3.1 资源因素编码3.1.1资源因素范围文章将资源因素设为缓冲区 Z1-Z9、班组 H1-H2，共计 11 个资源因素，其中 Z1 范围（2、8）、Z2 范围（2、8）、Z3 范围（2、8）、Z4 范围（8、14）、Z5 范围（2、8）、Z6 范围（2、8）、Z7 范围（2、8）、Z8 范围（2、8）、Z9 范围（2、8）、H1 范围（9、15）、H2 范围（5、8）、批量保持 8、12、18、24 不变6。3.1.2染色体编码文章将染色体编码设置为上下两层，上层为资源分配层（资源因素）、下层为投产循序层（二进制编码，0 代表 Q、1 代表 H），并按照生产加工任务对投产顺序进行工序前排汽车座椅背板构件后排汽车座椅背板构件设备工时（时）人数（人）设备工时（时）人数（人）1划线平台10.842划线平台10.8422划线平台20.842划线平台20.8423五面铣床21.172五面铣床12.724五面铣床41.22五面铣床3、42.725五面铣床3加工中心2、34.824.72加工中心4、5、64.726加工中心5、62.82镗床1.227加工中心132研磨台位1、2、3、43.328镗床1.22测量机1.829钻床1.52-10研磨台位1、2、3、43.3211测量机1.82表 1 构架加工线加工工序图 3 汽车座椅背板构架加工线布局表 2 优化前运行生产指标序号生产指标初始方案1班组1工人利用率63.17%2班组2工人利用率56.58%3研磨台位1-4平均堵塞率46.88%4缓冲区容量总数58个5平均在制品构架数量31.23个6在制品平均流通时间2:09:43:207在制品平均等待时间1:14:16:3238佛 山 陶 瓷2023 年第 4 期（第 321 期）方案资源因素P/个Z1/个Z2/个Z3/个Z4/个Z5/个Z6/个Z7/个Z8/个Z9/个H1/人H2/人总成本/元初始方案水平184661246666138233285投产顺序HHHHQQQQHHHHHQQQQQ优化方案水平8222833222105192878投产顺序QHQQHQHH表 4 优化前后资源配置方案对比调整，当下层的二进制编码长度等于上层资源因素数量时，说明投产顺序合理，最终按照批量 8、12、18、24 的范围，筛选出最优化方案7。3.2 资源配置遗传算法3.2.1生成初始种群采用随机选择法产生初始种群，初始种群规模为50。3.2.2适应度计算将资源配置方案输入产线仿真模型运行，并计算生产制造成本，利用目标函数，将方案优化目标设置为生产制造成本最低化，进而完成适应度计算，目标函数如公式（1）所示。K=1minCZCZ=CJ+CW+CH+CR+CYHHHHHHHHH公式（1）公式（1）中，代表适应度、代表最小生产制造总成本、代表生产制造总成本、代表加工成本、代表生产物流成本、代表缓存成本、代表人力成本、代表延期交货惩罚成本。3.2.3遗传操作遗传操作通过公式（1）中求解的适应度值完成，优化配置方案中值越大，遗传操作中被选中的概率越大，反之被选中的概率越小。遗传操作以最优保存策略为准，寻找出所有优化配置方案中适应度最高的方案，世代数设施为 40、世代大小设置为 50。3.3 优化结果优化结果如表 3 所示。根据表 3 可以得知，最低生产制造总成本和批量呈正比例关系，所以最优的生产制造方案应当是批量为 8，资源分配方案为 2、2、2、8、3、3、2、2、2、10、5，投产顺序为QHQQHQHH。4资源配置优化前后生产指标数据对比分析4.1 资源配置方案对比优化前后资源配置方案对比数据如表 4 所示。根据表 4 可以得知，优化后的生产制造方案不仅能够按时完成生产制造循序，还在投产循序方面进行精简，达成工人极限利用率，使生产制造总成本从 233285元降低到 192878 元，验证了完整优化方案的有效性。4.2 生产线性能指标数据对比文章通过优化前后的生产线性能指标数据对比进一步探究文章优化方案的详细成本控制数据，具体数据对比如表 5 所示。根据表 5 可以得知，优化后的班组 1 工人利用率提升 19.60%、班组 2 工人利用率提升 16.70%、研磨台位1-4 平均堵塞率降低 26.29%、缓冲区容量总数降低 30个、平均在制品构架数量降低 11.66 个、在制品平均流通时间降低 19.62 时、在制品平均等待时间降低 17.99 时，批量资源分配方案投产顺序最低生产制造总成本（元）82、2、2、8、3、3、2、2、2、10、5QHQQHQHH192878122、4、2、9、2、3、2、2、2、10、5QQHHQQQHHQHH195385182、2、2、8、2、2、3、4、2、10、5QHQQHH-HQQQQQQHHHHH196245242、2、2、11、2、3、2、2、2、10、5QQHQQHQQHQH-HQHQHH-HQHQQHH199357表 3 不同批量优化结果序号生产指标初始方案优化方案对比1班组1工人利用率63.17%82.77%+19.60%2班组2工人利用率56.58%73.28%+16.70%3研磨台位1-4平均堵塞率46.88%20.59%-26.29%4缓冲区容量总数58个28个-30个5平均在制品构架数量31.23个19.57个-11.66个6在制品平均流通时间2:09:43:20 1:15:12:46-19.62时7在制品平均等待时间1:14:16:3220:23:46-17.99时表 5 优化前后生产线性能指标数据对比（下转第49页）39佛 山 陶 瓷2023 年第 4 期（第 321 期）达成了生产线性能指标数据的全面优化。5总结综上所述，文章提出基于成本的机械加工产线资源仿真优化设计通过建立构架加工线仿真模型，模拟出当前产线的生产参数和生产效率，使用基于资源配置遗传算法的产线资源仿真进行优化，最后将资源配置优化前后生产指标数据进行对比分析，验证优化后的生产制造方案使生产制造总成本从 233285 元降低到 192878 元，产线班组 1 工人利用率提升 19.60%、班组 2 工人利用率提升 16.70%、研磨台位 1-4 平均堵塞率降低 26.29%、缓冲区容量总数降低 30 个、平均在制品构架数量降低11.66 个、在制品平均流通时间降低 19.62 时、在制品平均等待时间降低 17.99 时，达成了生产线性能指标数据的全面优化。参考文献1裴世峰,谭阳伟.机械加工过程中零件精度的研究J.科技创新与应用,2022,12(27):161-163+167.2吴小风.机械加工精度的影响因素及提升策略J.科技创新与应用,2022,12(26):145-148+152.3肖德华.减少机械加工误差提高机械加工精度J.黑龙江造纸,2022,50(03):38-40.4王宇雷.数控刀具智能技术在机械加工中的应用研究J.中国设备工程,2022(17):34-35.5高鹏.机械加工工艺技术的误差分析及策略分析J.现代工业经济和信息化,2022,12(08):287-288+291.6李健,谷善茂.微电子技术在机械加工系统中的应用研究J.有色金属工程,2022,12(08):203.7马立权.机械加工中工件变形的原因及预防措施J.化学工程与装备,2022(08):229-230.!（上接第39页）Influence of Firing Process in air fired Kiln on Ecological EnvironmentZHANG Xue-feng，GONG Xiao-long，FENG Qing（School of Materials Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic University,Jingdezhen 333000,Jiangxi,China）Abstract:The text records the amount of firewood used in the burning process of the wind fire kiln in the Jingdezhen ancient kiln folk customexhibition area using pine firewood as fuel,and measures the upper,middle and lower temperatures of the sagger in the kiln in differentdirections every 10 minutes;The temperature in the kiln is recorded every 100 rise.At the same time,the composition of the flue gasdischarged from the chimney is analyzed and studied by the flue gas analyzer within a limited period of time.After the energy consumptionprocess of the kiln is mastered in detail,the advantages and disadvantages in the firing process of the kiln are analyzed in combination withresponding to the call of the state.Keywords:Firing process;Temperature in the kiln;Flue gas composition;Energy consumption process国家号召，不断改进力求在科学发展中谋求一条最合理的理想道路，本文对景德镇古窑民俗博览区的风火窑以松柴为燃料烧制过程中所用到的柴量进行了大致记载，同时每隔 10min 对窑内匣钵不同方位上中下温度进行测量；目的是观测匣钵温度对陶瓷烧制均匀性的监测，每上升 100对窑内温度进行数据记录，也为日后研究窑内温度对匣钵的影响留下了数据，在有限时间段内对烟囱里排出的烟气成分通过烟气分析仪进行了分析研究，最终确立最佳氧燃比，以提高燃烧效率，减少烟气污染物排放对环境的影响。详细掌握窑炉耗能过程后，对窑炉烧制过程中存在的优缺点结合响应国家的号召做出分析，窑改一直在路上，不断改进寻求一条符合国家可持续发展，为子孙后代造福的一条光明道路。参考文献1张铁柱，邵胜利.利用烟气分析仪辅助玻璃窑炉节能减排J.玻璃纤维,2011(02):8-10.2王龙,蒋学悟,刘海韬.浅谈通过烟气分析技术辅助玻璃窑炉节能减排的经验C.安徽：2007 中国浮法玻璃及玻璃新技术发展研讨会，2007-10.3李豪.新型节能环保柴气混烧窑的结构研究及数值模拟（硕士学位论文）D.江西：景德镇陶瓷大学,2020.4刘振群.窑炉的改进和古陶瓷发展的关系 J.华南工学院学报.1978:74-83.5高风田.美国玻璃纤维窑炉烟囱排放物的测定J.玻璃.1987:43-49.6廖学建，吕思凯.临沂市对陶瓷工业窑炉推行清洁燃烧技术改造J.中国资源综合利用.2004:6-7.49