多工件協(xié)同系統(tǒng)在分段制造中的應(yīng)用

多工件協(xié)同系統(tǒng)在分段制造中的應(yīng)用

0數(shù)字化、信息化應(yīng)用顯著船舶制造過程是一種典型的分散制造。迫切需要進行數(shù)字設(shè)計、綜合控制和艘本設(shè)計的信息，全面提高船舶制造的質(zhì)量和效率，降低制造成本，提高船舶產(chǎn)品的競爭力?！皵?shù)字化造船”高技術(shù)船舶與海洋工程裝備領(lǐng)域的數(shù)字化、信息化發(fā)展迅速。在船舶數(shù)字化方面開展大量的研究與應(yīng)用工作船舶制造車間互聯(lián)互通信息化過程中，目前針對車間工位級的生產(chǎn)計劃管理仍多采用傳統(tǒng)的計劃下達后人工管理，車間工位級生產(chǎn)過程的數(shù)字化技術(shù)及系統(tǒng)研究相對較少。為進一步提高船舶制造車間生產(chǎn)效率，本文提出針對分段制造過程的多工位協(xié)同制造系統(tǒng)(Multi-stationcooperativemanufacturingsystem,MSCMS)，基于現(xiàn)有工位級生產(chǎn)過程，分析影響工位級船舶生產(chǎn)效率相關(guān)因素，建立多工位協(xié)同模型，并采用案例進行了驗證分析。1生產(chǎn)效率較低目前在船舶制造過程車間級信息化方面，車間計劃編制等方面開展了數(shù)字化技術(shù)研究要實現(xiàn)船舶制造車間級各工位間的協(xié)同制造過程，首先需要分析車間現(xiàn)有的生產(chǎn)模式以及工位級生產(chǎn)過程中存在的問題。(1)船舶制造生產(chǎn)計劃一般包括年度計劃、季度計劃和月度計劃，現(xiàn)有的車間生產(chǎn)計劃按照月度計劃下達到車間，針對工位級生產(chǎn)過程而言，月度計劃顆粒度大，無法具體的為每個工位提供精確的生產(chǎn)計劃，導(dǎo)致多個工位間的信息不對稱，加工步調(diào)及節(jié)奏難以達到一致，生產(chǎn)效率較低。以分段制造為例，船舶制造過程的切割—加工工位中，切割后的零件需要進行理料配材、坡口加工、自由邊打磨、曲加工等，作為中小組立工位的生產(chǎn)物料。生產(chǎn)制造中按照月度作業(yè)下達生產(chǎn)計劃，鋼料加工車間計劃卻沒有合適的系統(tǒng)或者手段為每個工位提供每日作業(yè)計劃，切割—加工工位間物料加工的步調(diào)及節(jié)奏難以達到一致，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中停工/怠工頻繁，常常造成組立工位生產(chǎn)計劃的延遲。(2)現(xiàn)有車間工位級的生產(chǎn)管理方式仍采用人工管理，針對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的緊急插單任務(wù)、計劃變更、設(shè)備故障、生產(chǎn)資源不足等各種異常情況，無法做到及時響應(yīng)，導(dǎo)致計劃延誤，無法按時完成生產(chǎn)。目前我國船廠為提高生產(chǎn)效率，在資源配置與負(fù)荷計算上，通常采用增加切割—加工工位的中間產(chǎn)品緩沖量的方法降低影響。對于計劃變更也只能人工管理計劃調(diào)整，響應(yīng)時間比較長。針對上述存在的問題，為解決切割—加工—中小組立工位之間的工位間信息不對稱、工位節(jié)奏不一致等問題，在實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程中工位、設(shè)備、物料、環(huán)境、班組等感知—組網(wǎng)—傳輸基礎(chǔ)上，研究基于串并聯(lián)多工序多工位加工系統(tǒng)的離散動態(tài)系統(tǒng)建立產(chǎn)品的傳遞狀態(tài)數(shù)學(xué)模型，掌握多工序內(nèi)部和工位間的生產(chǎn)節(jié)奏，確保在生產(chǎn)指令下物資、人員、工具在不同工位的合理分配與流轉(zhuǎn)，為優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)生產(chǎn)指令的完成打下基礎(chǔ)，進而實現(xiàn)船舶制造車間的精確化、柔性化生產(chǎn)，進而提高車間生產(chǎn)效率。2多工協(xié)同協(xié)同模型多工位協(xié)同系統(tǒng)模型研究是開展多工位協(xié)同制造技術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ),建模過程中需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)點是：(1)在分析車間生產(chǎn)的眾多關(guān)聯(lián)因素的基礎(chǔ)上，挖掘影響多工位間協(xié)同作業(yè)的關(guān)鍵參量；(2)基于船舶車間的生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)模式，明確協(xié)同目標(biāo)并分析各參量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；(3)分析各因素對協(xié)同目標(biāo)的影響程度，建立多工位協(xié)同的動態(tài)調(diào)整機制。通過模型的建立，實現(xiàn)船舶制造車間各層次對任務(wù)、資源、時間三要素的高效協(xié)作，保證車間的正常生產(chǎn)。建模前首先分析船舶分段制造車間的具體組成，(圖1)。船舶分段制造車間由多個工位組成，其中各生產(chǎn)工位包含了多道子加工工序，通過梳理車間結(jié)構(gòu)，進而分析多工位協(xié)同的整體流程。2.1多停工協(xié)同制造模型主要推進過程船舶分段制造生產(chǎn)過程中存在的不確定的因素結(jié)合生產(chǎn)制造過程影響因素分析，采用自動協(xié)同和手動協(xié)同機制開展多工位協(xié)同建模研究。以船舶制造工藝數(shù)據(jù)模型和多工序間的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型為基礎(chǔ)，結(jié)合船舶建造車間的鋼板切割、板材理料、坡口加工、材料配送以及中小組立等車間工位的加工特點，研究現(xiàn)場多工位多工序的計劃完工日期、目標(biāo)工時、計劃分配等之間的協(xié)同作業(yè)流程和交互關(guān)系，建立多工位多工序間協(xié)同模型，為集中管控的精準(zhǔn)化管理提供支撐。協(xié)同動態(tài)調(diào)整流程如圖2所示。2.2多葉片協(xié)同數(shù)學(xué)模型以船廠某日常月的分段作業(yè)計劃為輸入，以最短生產(chǎn)時間為約束，分析各工位效率，提出最佳協(xié)同作業(yè)方法，解決目前生產(chǎn)中不同工位間存在的執(zhí)行偏差問題，以達到生產(chǎn)過程中資源與設(shè)備分配趨于均衡，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃高效執(zhí)行，提高生產(chǎn)效率。船舶制造多工位協(xié)同目的是實現(xiàn)分段制造過程多工位設(shè)備高效工作，特別是在計劃調(diào)整，插單、設(shè)備故障時，對生產(chǎn)任務(wù)加工順序，加工時間等動態(tài)調(diào)整及監(jiān)控?；诖胺侄沃圃爝^程中主要影響因素，建立多工位協(xié)同數(shù)學(xué)模型式中T——工位級生產(chǎn)任務(wù)總工期；J——車間工位集；Θ——實際作業(yè)過程中出現(xiàn)的其他異常情況參數(shù)。如生產(chǎn)工藝/工序、作業(yè)人數(shù)、業(yè)務(wù)水平、作業(yè)時間、設(shè)備狀態(tài)等各類參數(shù)變化對其結(jié)果均可產(chǎn)生影響。2.2.1工況劃分和工作原理生產(chǎn)制造過程最小設(shè)備工作單元是工位。多工位協(xié)同的基礎(chǔ)單元也設(shè)定為工位。實際制造過程中，存在一個工藝一個工位，一個工藝多個工位、多工藝多工位的情況，工位集是按照實際生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝等劃分工位的集合，可表示為結(jié)合不確定情況分析，如果出現(xiàn)增加工位或撤銷工位等情況時，可根據(jù)實際情況對工位集合進行修改、維護，提高工位集的柔性管理。2.2.2月之后工作任務(wù)對企業(yè)員工生產(chǎn)任務(wù)的分配船舶分段制造過程生產(chǎn)計劃逐級包括年度生產(chǎn)計劃、季度生產(chǎn)計劃和月度生產(chǎn)計劃?，F(xiàn)有車間的生產(chǎn)計劃僅下達到月度計劃，計劃顆粒度大，考慮到計劃與實際設(shè)備執(zhí)行存在的差異，包括由各種原因造成的生產(chǎn)計劃完成誤差(如緊急插單、資源不足等)、實際生產(chǎn)變化引起的預(yù)測誤差等。因此，需要將月度生產(chǎn)計劃按生產(chǎn)任務(wù)進一步分配到車間工位級生產(chǎn)任務(wù)，同時確定各工位生產(chǎn)任務(wù)的加工物量。結(jié)合實際生產(chǎn)流程，從生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)物量兩個維度進行月度生產(chǎn)任務(wù)拆解，如圖3所示。(1)工位級生產(chǎn)任務(wù)。假設(shè)，月度生產(chǎn)計劃中的總生產(chǎn)任務(wù)為P={PM因此，工位級生產(chǎn)任務(wù)M表示為(2)工位級生產(chǎn)物量。根據(jù)圖1可知，船舶分段制造過程中，每個工位生產(chǎn)任務(wù)包含多道子加工工序，各工位生產(chǎn)任務(wù)對應(yīng)子加工工序的加工物量來源于生產(chǎn)任務(wù)物料清單，分析月度生產(chǎn)計劃和物料清單可以得到各生產(chǎn)任務(wù)所在工位的加工物量Q。假設(shè)，Q因此，工位級生產(chǎn)物量Q表示為式中，生產(chǎn)任務(wù)P式中，δ根據(jù)得到的工位級生產(chǎn)任務(wù)J以及各任務(wù)對應(yīng)工位的生產(chǎn)物量Q，進一步將各工位的生產(chǎn)任務(wù)和所對應(yīng)生產(chǎn)物量進行組合，最終得到月度生產(chǎn)計劃中的總生產(chǎn)任務(wù)P拆解到工位級的詳細(xì)生產(chǎn)任務(wù)，其拆解結(jié)果采用哈達馬積進行表示當(dāng)出現(xiàn)緊急插單、計劃變更等生產(chǎn)擾動時，只需將相應(yīng)的批次任務(wù)插入到月度生產(chǎn)任務(wù)P中，進行模型重新計算。例如，插單任務(wù)為P2.2.3骨焊接工位作業(yè)能力集船舶分段制造過程涉及的工位可分為兩種，包括手動工位(班組作業(yè))和自動工位(設(shè)備作業(yè))。作業(yè)能力是指各工位在單位時間內(nèi)可以加工的物量多少，以縱骨焊接工位為例，該工位的作業(yè)能力約為45m/h。假設(shè)，各工位作業(yè)能力集C表示為式中，C式中，λ工位作業(yè)能力屬于不確定參數(shù)，與作業(yè)人員的數(shù)量n、業(yè)務(wù)水平v、作業(yè)時間t、設(shè)備狀態(tài)s等均有關(guān)系，當(dāng)其中一個變量發(fā)生變化，對應(yīng)的作業(yè)能力系數(shù)隨之改變，表示為自動工位作業(yè)能力可根據(jù)設(shè)備加工能力進行估算，手動工位作業(yè)能力可根據(jù)現(xiàn)場工作人員的經(jīng)驗給出相關(guān)參數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)人員變更、設(shè)備故障等生產(chǎn)擾動時，將更新后的相關(guān)變量參數(shù)帶入模型重新計算。2.2.4任務(wù)工期及作業(yè)時間差異系數(shù)各工位的作業(yè)開始時間、完工時間的計算，主要結(jié)合任務(wù)生產(chǎn)物量、工位作業(yè)能力以及生產(chǎn)任務(wù)序列進行計算。其中，ST則各工位生產(chǎn)任務(wù)的計劃工時可表示為通過分析可知，在同一工位，下道任務(wù)必須在上道任務(wù)完工之后才能開始，同時，下道工位的任務(wù)加工必須在上道工位任務(wù)完工后才能開始，因此，任務(wù)加工順序必須滿足以下條件任務(wù)的計劃總工期則表示為式中，δ當(dāng)實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)實際作業(yè)時間與計劃時間的偏差時，通過監(jiān)控系統(tǒng)采集的實際數(shù)據(jù)進行差異系數(shù)δ3多工時計算方法在船舶制造實際作業(yè)過程中，典型需要開展協(xié)同作業(yè)就是任務(wù)臨時變化，本文以實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)緊急插單情況作為典型異常情況進行分析討論。針對出現(xiàn)的緊急插單這類生產(chǎn)擾動，結(jié)合圖1進行分析，緊急插單對生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)工藝物量、生產(chǎn)時間均會產(chǎn)生影響，進一步結(jié)合具體的數(shù)學(xué)模型對各參數(shù)進行計算，完成緊急插單異常下的多工位協(xié)同過程。以某船廠分段加工車間為對象進行驗證分析，制造車間共涉及預(yù)拼板，拼板，F(xiàn)CB焊接修補，縱骨裝配5個工藝，6個工位，主要為：預(yù)拼工位J1、拼板工位J2、FCB焊接工位J3、修補工位J4、縱骨裝配工位J5及縱骨裝配工位J6，則拆解得到車間工位集J={J1,J2,J3,J4,J5,J6}。假設(shè)車間按照正常生產(chǎn)計劃，現(xiàn)有7個待加工的分段為：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，則月度生產(chǎn)任務(wù)集P={S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}。根據(jù)某月度生產(chǎn)計劃可知各分段的生產(chǎn)過程均涉及6個工位，因此，將某月度生產(chǎn)任務(wù)帶入文中模型，結(jié)合式(3)～(6)進行工位級生產(chǎn)任務(wù)拆解，確定各分段任務(wù)所在工位對應(yīng)的加工物量形成工位級生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)如表2所示。當(dāng)出現(xiàn)緊急插單異常情況，假設(shè)插單任務(wù)為S8，修改月度生產(chǎn)任務(wù)集P={S1,S2,S8,S3,S4,S5,S6,S7}。分段任務(wù)S8的生產(chǎn)過程均涉及6個工位，同理，結(jié)合式(3)～(6)進行工位級生產(chǎn)任務(wù)拆解，確定各分段任務(wù)所在工位對應(yīng)的加工物量形成工位級生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)如表3所示。進一步，通過確定實際生產(chǎn)中各工位作業(yè)能力、計算作業(yè)工時等，結(jié)合式(7)～(12)進行生產(chǎn)總工時計算，分析計算可得以下幾點。(1)當(dāng)不存在相關(guān)影響時，采用船舶分段制造多工位協(xié)同管控模型對車間的7個待加工生產(chǎn)任務(wù)進行工位級計劃拆解，結(jié)合船廠分段加工車間各工位的實際生產(chǎn)作業(yè)能力，采用式(10)計算各工位生產(chǎn)任務(wù)的計劃工時，得到各生產(chǎn)任務(wù)在工位級的生產(chǎn)計劃如圖4所示，生產(chǎn)總工時為110.95h。(2)當(dāng)出現(xiàn)緊急任務(wù)S8時如上表2所示，采用普通的插單處理，根據(jù)任務(wù)緊急程度以及實際生產(chǎn)進度將任務(wù)插入計劃列表，假設(shè)S8的緊急程度較大，實際生產(chǎn)進行到S2，則插入任務(wù)后的分段加工順序為S1→S2→S8→S3→S4→S5→S6→S7，處理后的生產(chǎn)計劃更新如圖5a所示，生產(chǎn)總工時為126.58h。(3)采用多工位協(xié)同控制系統(tǒng)進行插單處理，協(xié)同處理后生產(chǎn)任務(wù)的分段加工順序為S1→S2→S8→S3→S5→S6→S4→S7，生產(chǎn)計劃如圖5b所示，生產(chǎn)總工時為123.87h。(4)對比普通插單處理和工位協(xié)同模型應(yīng)用，計劃總工時縮短2.71h，提高了制造車間生產(chǎn)效率，同時節(jié)約中間相關(guān)緩存量。4多工協(xié)同制造研究(1)在對船舶制造行業(yè)的信息化分析的基礎(chǔ)上，提出船舶制造車間級的多工位協(xié)同制造