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1、電機(jī)沖片優(yōu)化套裁生產(chǎn)管理系統(tǒng) Production Management System for Optimal Cutting of Circular Blanks of Electric Motors ABSTRACT: This paper describes production management system for optimal cutting of circular blanks of electric motors which developed for small and medium-sized motor enterprises. The system ca

2、n receive and maintain production data, can generate technics ration automatically. Based on production tasks and with the combination of cutting layout database ,the system can generate optimize sets of silicon steel sheet, the purchase ration and production implementation. The practical applicatio

3、n of the two companies revealed that the system supported the production and improved efficiency, improved the utilization ratio of silicon steel sheet . And also the enterprises accessed the economic benefits. KEY WORD: Cutting stock; Optimized layout; Linear programming; Simplex method 摘要：本文介

4、紹了作者面向中小型電機(jī)企業(yè)生產(chǎn)需求開發(fā)的電機(jī)沖片優(yōu)化套裁生產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可接收、維護(hù)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可自動生成工藝定額，并可依據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、余料庫存，結(jié)合排樣專家?guī)?，自動?yōu)化套裁生成硅鋼片采購定額以及下料生產(chǎn)執(zhí)行單。企業(yè)實際應(yīng)用確認(rèn)該系統(tǒng)能夠輔助生產(chǎn)、提升效率；提高材料利用率，節(jié)約成本、降低能耗。 關(guān)鍵詞：下料排樣；優(yōu)化套裁；線性規(guī)劃；單純形法 1 引 言 我國的電機(jī)生產(chǎn)至今已有90年的歷史，大大小小電機(jī)廠有2000多家，其中有一定生產(chǎn)規(guī)模的中小型電機(jī)企業(yè)有300多家，生產(chǎn)的普通中小型電機(jī)產(chǎn)品有300多個系列，近1500個品種[1,2]。 由于普通中小型電機(jī)是傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品，耗用原

5、材料及工時多而獲利少，是勞動密集型產(chǎn)品，國外其它工業(yè)發(fā)達(dá)國家普遍不愿意生產(chǎn)，紛紛轉(zhuǎn)向發(fā)展中國家加工或購買。國外的著名大公司如ABB、西門子、東芝等都相繼在我國投資生產(chǎn)電機(jī)[3]。世界電機(jī)行業(yè)專家紛紛預(yù)測，中國將會成為世界電動機(jī)、特別是中小型電動機(jī)的生產(chǎn)制造基地。 目前我國出口的電機(jī)產(chǎn)品，競爭手段單一，就是拼價格。硅鋼片作為電機(jī)行業(yè)主要原材料，在電機(jī)生產(chǎn)成本中占有“舉足輕重”的地位，他約占電機(jī)生產(chǎn)總成本的1/3。2005開始的原材料漲價和能源緊缺，硅鋼片價格大幅上漲，再加上出口退稅稅率的調(diào)整，導(dǎo)致我國出口電機(jī)的價格優(yōu)勢不復(fù)存在，前幾年所占領(lǐng)的國際市場也面臨得而復(fù)失的局面[4]。 據(jù)上海電機(jī)行

6、業(yè)協(xié)會對上海及周邊省市30余家主要電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)(包括大、中、小型電機(jī))生產(chǎn)經(jīng)營狀況統(tǒng)計：2007年一季度銷售收入25.7億元，同比增長15.9%；出口7514萬美元，同比增長46%；然而行業(yè)的利潤同比卻減少10%，可謂“增產(chǎn)不增收”。原因是主要原材料電解銅，硅鋼片及鑄件等價格上漲[5]。電機(jī)行業(yè)，特別是中小型電機(jī)行業(yè)面臨沉重的材料成本壓力。 據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前國外發(fā)達(dá)國家的鋼板下料利用率達(dá)到75%以上，而國內(nèi)只有55%~70%。這說明我國電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)存在原材料浪費(fèi)現(xiàn)象。原材料的浪費(fèi)同時帶來了加工能耗、冶金能耗、運(yùn)輸能源等巨大的能源浪費(fèi)，同時堆積如山的邊角余料，還造成了環(huán)境污染。 國內(nèi)電機(jī)企業(yè)能否

7、改變現(xiàn)狀，提高材料利用率，降低成本，節(jié)約能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益；以更低的成本制造出最新的產(chǎn)品投入市場將是生存與發(fā)展的關(guān)鍵。 作者結(jié)合兩家中小型電機(jī)廠生產(chǎn)的實際情況，自主開發(fā)了電機(jī)沖片優(yōu)化下料生產(chǎn)管理系統(tǒng)。本文介紹系統(tǒng)開發(fā)要點和應(yīng)用效果，第一部分分析總結(jié)中小型電機(jī)企業(yè)生產(chǎn)實踐及需求；第二部分介紹系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)流程；第三部分說明系統(tǒng)要點及實現(xiàn)；第四部分展示應(yīng)用效果；最后是結(jié)論。 2現(xiàn)行生產(chǎn)實踐及需求分析 國內(nèi)各電機(jī)廠從20世紀(jì)90年代起逐步開始注重資源的優(yōu)化利用和有效管理，紛紛實施了PDM 以及ERP。雖然通過PDM對企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，以及ERP的進(jìn)銷存和生產(chǎn)管理系統(tǒng)最大限度地實現(xiàn)了降低生產(chǎn)成

8、本，但對電機(jī)制造業(yè)來說平均3%~5%的毛利率仍然受著原材料價格上漲的威脅。就目前掌握的資料，國內(nèi)沒有專門針對普通中小型電機(jī)企業(yè)的，板材優(yōu)化下料生產(chǎn)管理的產(chǎn)品化軟件。國內(nèi)各中小型電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)下料大多采用人工排料的方法，即針對訂單由操作機(jī)床的工人現(xiàn)場人工排料，再根據(jù)排料方案在機(jī)床上完成板材的剪切和沖裁。原材料利用率和工作效率都很低，并且不能事先控制下料工時和余料。 經(jīng)調(diào)研，普通中小型電機(jī)企業(yè)對沖片生產(chǎn)管理系統(tǒng)具有如下需求： ①自動生成工藝定額。要求關(guān)聯(lián)原材料價格，代替人工計算，準(zhǔn)確、高效，同時使定額具有時效性； ②根據(jù)生產(chǎn)計劃，基于產(chǎn)品庫和工藝定額，自動生成計劃硅鋼片物資消耗定額?？梢源_定所

9、需下發(fā)至生產(chǎn)車間的硅鋼片數(shù)量，通過限額發(fā)料有效降低硅鋼片的消耗； ③用優(yōu)化的下料方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的下料方式。生成下料方案的同時關(guān)聯(lián)價格，在有同類型的多種規(guī)格原材可以選擇時，比較后采用成本最低的方案，達(dá)到提高原材料利用率，降低成本的目的。同時生成排料圖，指導(dǎo)工人下料操作； ④根據(jù)生產(chǎn)計劃，自動生成下料清單。代替人工統(tǒng)計，提高工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度； ⑤對應(yīng)于自動生成下料清單，同時也應(yīng)具有手工輸入下料數(shù)據(jù)的功能。以適應(yīng)小批量臨時性的生產(chǎn)任務(wù)； ⑥下料時充分利用現(xiàn)有余料，達(dá)到減少廢料，節(jié)約成本的目的； ⑦下料生產(chǎn)同時生成車間領(lǐng)料單、下料生產(chǎn)執(zhí)行單，改變現(xiàn)行“事后通知”模式，充分做到“事前控制”；

10、 ⑧根據(jù)排樣結(jié)果，確定原材料需求量，結(jié)合庫存定制采購計劃。避免庫存資金的占用； ⑨下料完畢后余料標(biāo)記入庫，方便以后統(tǒng)計和使用； ⑩根據(jù)下料清單和單位加工工時定額，估算加工工時，制定詳細(xì)的生產(chǎn)計劃下發(fā)車間，嚴(yán)格控制生產(chǎn)周期，保證按合同期限交貨。系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)流程 3系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)流程 為增強(qiáng)管理，提高材料利用率，降低成本，節(jié)約能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，依據(jù)生產(chǎn)需求確立了系統(tǒng)的主要任務(wù)及目標(biāo)：接收生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)各種電機(jī)的生產(chǎn)臺數(shù)和相應(yīng)的硅鋼片物資消耗定額，應(yīng)用下料排樣專家?guī)?，考慮余料、庫存，確定采購定額、沖片優(yōu)化套裁方案及所需下發(fā)至生產(chǎn)車間的硅鋼片數(shù)量。系統(tǒng)主要功能如下：結(jié)構(gòu)圖見圖1。

11、①產(chǎn)品信息、排樣圖庫信息、板材價格信息等基礎(chǔ)信息的維護(hù)管理功能； ②自動核算產(chǎn)品工藝定額； ③依據(jù)生產(chǎn)計劃及工藝定額，自動核算計劃定額； ④根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，基于系統(tǒng)基本信息，優(yōu)化套裁生成下料清單； ⑤對應(yīng)于自動生成下料清單，也具有手工輸入下料數(shù)據(jù)的功能； ⑥根據(jù)套裁結(jié)果，確定原材料的需要量，結(jié)合庫存及余料定制采購計劃； ⑦庫存、余料管理； 系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流圖如圖2所示 4系統(tǒng)要點及實現(xiàn) 在有效生產(chǎn)管理基礎(chǔ)下，系統(tǒng)提高材料利用率，減低成本，其核心要解決硅鋼片的下料問題。優(yōu)化下料問題可拆分為優(yōu)化排樣和套排規(guī)劃兩個相對獨(dú)立又相互協(xié)同的計算步驟；本系統(tǒng)在排樣專家?guī)旎A(chǔ)上，應(yīng)用優(yōu)化

12、算法進(jìn)行套排規(guī)劃，實現(xiàn)優(yōu)化下料。 4.1排樣專家?guī)? 優(yōu)化排樣主要是尋找在原材料上的合理布局，得到新的單個原材料上的合理排樣方式。 表1 下料排樣圖庫外徑尺寸（單位:mm） 中心高 H80 H100 H112 H132 H160 外徑 120 155 175 210 260 中心高 H90 H225 H250 H280 H450 外徑 130 368 400 445 740 中心高 H180 H200 GX100 SF3 H315 外徑 290 327 165 204 493、520 中心高 H500 GX90

13、 H400 H400 H355 外徑 860 138 650 670 560、590 本系統(tǒng)配有排樣專家?guī)?，是行業(yè)專家針對中小企業(yè)實際生產(chǎn)和切割工藝條件，按照占用采購成本最低、套裁余料最少的設(shè)計思路設(shè)計，目前共70種優(yōu)化排樣方案?；就读铣叽?000mm2000mm，滿足19種中心高，22種規(guī)格的外徑圓片，平均利用率達(dá)71.03%。排樣專家?guī)彀鈴匠叽缫姳?。系統(tǒng)留有接口，可以查看、更新排樣專家?guī)臁? 4.2 套排規(guī)劃方法 套排規(guī)劃是對各種優(yōu)化排樣方式作合理選擇、規(guī)劃，以達(dá)到整體最優(yōu)，是一種大型線性規(guī)劃問題。本系統(tǒng)建立了電機(jī)沖片套裁數(shù)學(xué)模型，采用單純行法[6,7]優(yōu)化求解

14、。 建立電機(jī)沖片套裁數(shù)學(xué)模型：計劃需要m種外徑的沖片數(shù)量各為(b1, b2,…, bm)，其中bi為外徑i的沖片需要量（片數(shù)）；現(xiàn)有n種套裁方案，設(shè)方案j中含外徑i的沖片數(shù)是aij；設(shè)xj為j方案的執(zhí)行量，即原材料的板材張數(shù)；cj為j方案的投料重量；pj為j方案的原材料板材價格，則，求滿足所有沖片需求量的最少投料重量，可轉(zhuǎn)化為在約束條件：下，目標(biāo)函數(shù) 值最小。即： min z =， 且x1, x2, ……,xn>=0。 4.3優(yōu)化套裁模塊實施 ①從生產(chǎn)計劃中獲取沖片的外徑尺寸和需求量——各需求量結(jié)合余料生成向量bi ； ②依據(jù)①中的沖片信息，搜索下料排樣圖庫中匹配的

15、排樣圖——生成xi，獲取各下料排樣圖信息——圖j的投料重量對應(yīng)cj ；沖裁①中外徑?jīng)_片片數(shù)對應(yīng)aij ；關(guān)聯(lián)價格表獲取當(dāng)前價格pj； ③應(yīng)用單純行法計算求解； ④輸出套裁結(jié)果，制定下料清單； ⑤生成余料登記入庫； ⑥結(jié)合庫存生成物資采購定額。 4.4 開發(fā)工具與系統(tǒng)主要功能界面 系統(tǒng)采用Visual C++ 6.0為前臺開發(fā)語言和ADO數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)，以Access 2003作為后臺數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)工藝定額以及優(yōu)化套裁兩主要模塊，部分運(yùn)行界面如圖3，圖4所示。 圖3 工藝定額自動核算 圖5 優(yōu)化套裁及套裁結(jié)果

16、 5應(yīng)用效果 系統(tǒng)經(jīng)過兩家電機(jī)企業(yè)的實際應(yīng)用，取得可觀經(jīng)濟(jì)效益。與未使用本系統(tǒng)前同期相比，兩企業(yè)采購成本分別降低2.36%和3.06%；平均每萬千瓦電機(jī)產(chǎn)生套裁余料重量分別降低46.19%和43%。部分?jǐn)?shù)據(jù)參見表2。 表2 某企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)前后節(jié)料年對照表 對比 項目 時間 1年 實際消耗 （每萬千瓦電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片） 實際產(chǎn)生套裁余料 （每萬千瓦電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片） 應(yīng)用前 62.9噸 12.75噸 應(yīng)用后 59噸 6.86 6 結(jié)論 計算機(jī)輔助制定電機(jī)沖片優(yōu)化下料方案和硅鋼片物資采購定額，不但提高了材料利用率，節(jié)約了成本，降低了加工能耗；還加強(qiáng)了生產(chǎn)管理，加

17、快了生產(chǎn)進(jìn)程自動化。在實際應(yīng)用中為企業(yè)贏得了經(jīng)濟(jì)效益。 本系統(tǒng)排樣專家?guī)炷壳搬槍杉移髽I(yè)的產(chǎn)品，具有一定局限性，為滿足不同企業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)管理要求，今后將對優(yōu)化排樣技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合專家?guī)煊上到y(tǒng)生成優(yōu)化排樣方案。另，優(yōu)化套裁目前沒有考慮加工工時，有待在今后應(yīng)用中逐步完善。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 姚之駒.中國中小型電機(jī)行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電器工業(yè).2006 [2] 周新等.對中小型電機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀的分析意見[J].中小型電機(jī).2005,32(1) [3] 陳渝.專業(yè)化生產(chǎn)促進(jìn)電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展[J].電機(jī)技術(shù). 2007年第2期 [4] 楊成.我國電機(jī)出口面臨的主要問題[J].市場透視. 2006,63 [5] 陶永根.部分中小型電機(jī)企業(yè)“增產(chǎn)不增收”[J].電機(jī)技術(shù). 2007年第3期. [6] 盧開澄.組合數(shù)學(xué)—算法與分析(上冊)[M].清華大學(xué)出版社:1983.9,247-374. [7] 燕子宗,費(fèi)浦生,萬仲平.線性規(guī)劃的單純形法及其發(fā)展[J]. 計算數(shù)學(xué). 2007,(01). 收稿日期：2009-8-13 作者簡介： 尚穎（1976-），女，四平，博士研究生，講師，計算機(jī)軟件與理論；楚紀(jì)正 研究員；黨學(xué)鳳 工程師