基于遺傳算法的pp-lcd沖壓生產(chǎn)線布局優(yōu)化研究

基于遺傳算法的pp-lcd沖壓生產(chǎn)線布局優(yōu)化研究

隨著t-l行業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展和提高，t-l患兒的價(jià)格持續(xù)下降，市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的沖浪式生產(chǎn)線布局不能滿足最近的t-l生產(chǎn)要求，嚴(yán)重制約了其生產(chǎn)效率，已成為一個(gè)必須盡快解決的問(wèn)題。作為產(chǎn)品生產(chǎn)效率的一個(gè)重要因素，生產(chǎn)線布局綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、操作技能、優(yōu)化、模擬、邏輯、信息技術(shù)等諸多學(xué)科的知識(shí)，包括多目標(biāo)組合的復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外公司的生產(chǎn)線布局。局研究已取得大量研究成果.EhsanShahbazi調(diào)研現(xiàn)有車(chē)間布局及作業(yè)過(guò)程,建立車(chē)間布局?jǐn)?shù)學(xué)模型,提出一種元啟發(fā)式算法優(yōu)化車(chē)間布局問(wèn)題.KaziShahNawazRipon提出一種納入跳躍基因的混合遺傳算法,有效解決了動(dòng)態(tài)設(shè)備布局問(wèn)題.唐秋華采用染色體編碼和遺傳算子結(jié)合的改進(jìn)型遺傳算法求解布局問(wèn)題,并結(jié)合凸輪軸加工車(chē)間實(shí)例驗(yàn)證了其有效性.徐立云對(duì)生產(chǎn)車(chē)間設(shè)備布局建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型,應(yīng)用自適應(yīng)遺傳算法對(duì)其進(jìn)行了求解.張毅采用改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法對(duì)車(chē)間布局進(jìn)行優(yōu)化,并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了改進(jìn)適應(yīng)型遺傳算法的魯棒性很好.陳幼平以車(chē)間最小化物流回溯總距離為優(yōu)化目標(biāo),深入分析了回溯問(wèn)題的內(nèi)在特性,構(gòu)建了一個(gè)新的單趟啟發(fā)式算法RCA與多趟啟發(fā)式算法BEA,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在不顯著增加求解時(shí)間的前提下,能得到更優(yōu)的布局結(jié)果.本文作者針對(duì)北京某公司TFT-LCD傳統(tǒng)生產(chǎn)線布局優(yōu)化改造進(jìn)行研究,以遺傳算法為基礎(chǔ),通過(guò)建立生產(chǎn)線布局的數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和自動(dòng)化需求,提出生產(chǎn)線優(yōu)化布局方案,并以背板和金屬邊框等實(shí)例驗(yàn)證改造后生產(chǎn)線布局的有效性.1現(xiàn)有生產(chǎn)線布局布局是將物體放置在長(zhǎng)度、寬度、高度都是限定的空間中,物體的放置需遵循一定原則,以達(dá)到既定目標(biāo).在TFT-LCD生產(chǎn)過(guò)程中,沖壓生產(chǎn)線布局是提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率的關(guān)鍵步驟.因此,為更好地對(duì)傳統(tǒng)沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化布局,綜合考慮影響生產(chǎn)線布局的因素,采用生產(chǎn)線平衡法對(duì)TFT-LCD沖壓生產(chǎn)線進(jìn)行評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)指標(biāo)有工作總站數(shù)、生產(chǎn)線平衡率、平衡損失率和成本等.造成生產(chǎn)線不平衡的原因主要有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、車(chē)間布置改變與產(chǎn)品產(chǎn)量發(fā)生變化等3個(gè)因素.目前很多企業(yè)均存在著生產(chǎn)線不平衡問(wèn)題,以研究對(duì)象北京某TFT-LCD企業(yè)為例,其零件的典型加工過(guò)程如表1.由于加工零件較小,整個(gè)車(chē)間沖壓生產(chǎn)線布局圍繞著現(xiàn)有工藝排布設(shè)備,統(tǒng)一工序的設(shè)備集中放置于同一個(gè)區(qū)域,生產(chǎn)車(chē)間布局平面如圖1所示.為進(jìn)一步說(shuō)明生產(chǎn)線不平衡問(wèn)題,對(duì)金屬邊框及背板加工的工序時(shí)間用秒表測(cè)量,結(jié)果分別如表2和表3所示.設(shè)備均采用110T沖床及以上.依據(jù)表2數(shù)據(jù),金屬邊框的生產(chǎn)線平衡率、平衡損失率與日產(chǎn)量分別為:平衡率Ρ=Ν∑i=1ΤiΝ×CΤ=75.488×16％=58.97％；P=∑i=1NTiN×CT=75.488×16％=58.97％；平衡損失率d=1-Ρ=41.03％；d=1?P=41.03％；日產(chǎn)量=8×60×6016=1800=8×60×6016=1800(片).式中:N為工作總站數(shù),指生產(chǎn)線上工位的總數(shù)目;T為各工序時(shí)間;CT為流水線各工序生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需要的時(shí)間.依據(jù)表3數(shù)據(jù),背板的生產(chǎn)線平衡率、平衡損失率與日產(chǎn)量分別為:平衡率Ρ=Ν∑i=1ΤiΝ×CΤ=68.86×16％=71.66％；P=∑i=1NTiN×CT=68.86×16％=71.66％；平衡損失率d=1-Ρ=28.33％；d=1?P=28.33％；日產(chǎn)量=8×60×6016=1800=8×60×6016=1800(片).以160T沖床生產(chǎn)18.5英寸金屬邊框和背板為例,僅對(duì)產(chǎn)品沖壓加工過(guò)程的直接加工費(fèi)用進(jìn)行成本分析,單片成本=(直接人工費(fèi)+電費(fèi))/日產(chǎn)量.經(jīng)計(jì)算,金屬邊框單片成本為￥1.59,背板單片成本為￥0.92.綜上所述,現(xiàn)有生產(chǎn)線布局存在問(wèn)題有:①現(xiàn)場(chǎng)工位沒(méi)有按產(chǎn)品加工工藝順序布置,不符合TFT-LCD產(chǎn)品的工藝特點(diǎn),導(dǎo)致了物料搬運(yùn)、人員走動(dòng)等不增值活動(dòng)頻繁;②生產(chǎn)線存在不平衡的現(xiàn)象,造成每個(gè)工位都有半成品的堆積;③現(xiàn)時(shí)生產(chǎn)需要加班才能接近目標(biāo)產(chǎn)量,增加了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度;④生產(chǎn)效率低,難以滿足顧客的訂單需求;⑤產(chǎn)品周轉(zhuǎn)次數(shù)多,造成工序間不良品增多,合格率低.2多行設(shè)備布局模型的建立針對(duì)因生產(chǎn)線工位布置不合理所造成的產(chǎn)品周轉(zhuǎn)次數(shù)多、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題,基于遺傳算法,以車(chē)間布局物流費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù),建立生產(chǎn)線布局的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)實(shí)際布局進(jìn)行抽象與簡(jiǎn)化處理:①待布局的車(chē)間和設(shè)備均簡(jiǎn)化為矩形;②以廠房的一角為坐標(biāo)原點(diǎn),原點(diǎn)互為垂直的墻設(shè)為X方向及Y方向;③設(shè)備空間的大小及尺寸已知,設(shè)備的布置方向均是縱向的,同一行內(nèi)所有設(shè)備的中心點(diǎn)處于同一條水平線上;④設(shè)備之間的運(yùn)輸費(fèi)用與物流方向等因素?zé)o關(guān),由設(shè)備之間的距離和運(yùn)輸頻次確定;⑤設(shè)備之間的物流方向只平行或垂直于X和Y軸;⑥實(shí)際設(shè)備有操作面、非操作面之分,此處忽略不計(jì),待設(shè)備位置確定后再考慮.簡(jiǎn)化后多行設(shè)備的布局如圖2所示.xi,xj為設(shè)備i,j到垂直參考線的距離,yi,yj為設(shè)備i,j到水平參考線的距離,參照文獻(xiàn),多行設(shè)備布局物流費(fèi)用的數(shù)學(xué)模型為minA(X)=n-1∑i=1n∑j=j+1fijpijWijdij(1)dij=|xi-xj|+|yi-yj|(2)minA(X)=∑i=1n?1∑j=j+1nfijpijWijdij(1)dij=|xi?xj|+|yi?yj|(2)式中:minA(X)為最低車(chē)間布局物流費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù);n為待布局設(shè)備的數(shù)量;fij為設(shè)備i與j之間的運(yùn)輸頻率;dij為設(shè)備i與j之間的距離;pij為設(shè)備i與j之間單位重量產(chǎn)品運(yùn)輸一次的費(fèi)用;Wij為設(shè)備i與j之間搬運(yùn)物料的重量.當(dāng)對(duì)多行布局的設(shè)備進(jìn)行約束時(shí),具體約束條件為:①某一臺(tái)設(shè)備分配在某一行,且只能分配在其中一行,該行內(nèi)能布置設(shè)備數(shù)量最多為n臺(tái)設(shè)備;②同一行內(nèi)的設(shè)備,不能出現(xiàn)干涉或重疊;③行內(nèi)所有設(shè)備長(zhǎng)度與設(shè)備之間最小間距之和小于車(chē)間總長(zhǎng)度;④同一行內(nèi)設(shè)備,中心點(diǎn)Y坐標(biāo)相等;⑤相鄰行之間設(shè)備不能出現(xiàn)干擾或重疊現(xiàn)象,還須留有維修、操作區(qū)域.參照文獻(xiàn),相鄰行之間最小間距為ymj-y1i+wmj+w1i2≤Η(3)式中:ymj,y1i分別為第m行設(shè)備j和第1行設(shè)備i的Y坐標(biāo);wmj,w1i分別為第m行設(shè)備j和第1行設(shè)備i的寬度;H是布局車(chē)間的寬度.3遺傳算法求解遺傳算法在進(jìn)化搜索中以適應(yīng)度函數(shù)為依據(jù),通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)適當(dāng)變形得到.求解布局問(wèn)題時(shí),首先采用凈間距進(jìn)行編碼,計(jì)算其適應(yīng)度函數(shù).其次,根據(jù)染色體編碼解碼,計(jì)算出所有設(shè)備的X、Y坐標(biāo),從而可以得到設(shè)備布置具體位置.然后,計(jì)算出總物流費(fèi)用的目標(biāo)函數(shù)A(X)與適應(yīng)度函數(shù)1/A(X).當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)越大時(shí),說(shuō)明布局結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)越小,總物流費(fèi)用也越小.遺傳算法中適應(yīng)度大的個(gè)體被選中,遺傳到下一代的概率較大.此處概率使用比例選擇算子計(jì)算得到,即適應(yīng)度為F(Xi)的個(gè)體以概率Pi被選擇進(jìn)入下一代,計(jì)算公式為Ρi=F(Xi)n∑i=1F(Xi)(4)以上步驟完成后,即可進(jìn)行遺傳運(yùn)算求解.4生產(chǎn)配置優(yōu)化4.1材料的類(lèi)別及加工工藝某公司車(chē)間中現(xiàn)有能夠滿足LCD金屬零件沖壓要求的設(shè)備共計(jì)21臺(tái),設(shè)備布置在多行中,加工2種類(lèi)別5種零件,設(shè)備外形尺寸如表4所示,零件產(chǎn)量及重量如表5所示.5種金屬零件的加工工藝可分為3類(lèi):①14英寸、18.5英寸和19英寸金屬邊框產(chǎn)品結(jié)構(gòu)近似,都需要經(jīng)過(guò)激光焊接加工;②10.1英寸金屬邊框是非焊接式的框式零件;③18.5英寸背板.5種零件的加工流程見(jiàn)表6.4.2優(yōu)化參數(shù)下的最小間距利用現(xiàn)有設(shè)備,對(duì)TFT-LCD生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)際布局,初始條件確定為:①以車(chē)間的一角作為坐標(biāo)原點(diǎn),垂直的兩面墻分別為X軸、Y軸;②初始種群M為100;③遺傳算數(shù)終止代數(shù)500代;④車(chē)間長(zhǎng)度36m,寬度24m;⑤交叉概率Pc=0.8,變異概率Pm=0.05;⑥由于車(chē)間寬度為24m,設(shè)備只能分為3行,行的最小間距為7m.沖床間最小間距的主要考慮以下因素:①留出維修空間,便于設(shè)備維護(hù)、維修;②設(shè)備間要保持安全距離;③沖床正面要安裝模具,拆裝模具需使用天車(chē)或叉車(chē),需要預(yù)留空間,方便裝卸模具;④設(shè)備行與行之間要保留人員通道、物流通道;⑤生產(chǎn)設(shè)備要便于操作.布置好設(shè)備間距離后,如圖3所示,運(yùn)用MATLAB編程求得最優(yōu)解出現(xiàn)在416代.以物流費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化前,在原有生產(chǎn)線布局下生產(chǎn)同樣數(shù)量的產(chǎn)品,總物流費(fèi)用33萬(wàn)元;優(yōu)化后,總物流費(fèi)用17.6萬(wàn)元是最低點(diǎn),相比較,布局優(yōu)化前后總物流費(fèi)用降低了46.7%,優(yōu)化效果明顯.為驗(yàn)證優(yōu)化后的生產(chǎn)線布局是否良好,對(duì)金屬邊框與背板的各工序時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測(cè)算,結(jié)果如表7和表8所示.優(yōu)化后的布局如圖4所示,實(shí)際生產(chǎn)中