电机冲片优化套裁生产管理系统

电机冲片优化套裁生产管理系统Production Management System for Optimal Cutting of Circular Blanks of Electric MotorsABSTRACT: 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 can 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 application 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：本文介绍了作者面向中小型电机企业生产需求开发的电机冲片优化套裁生产管理系统。该系统可接收、维护生产基础数据，可自动生成工艺定额，并可依据生产任务、余料库存，结合排样专家库，自动优化套裁生成硅钢片采购定额以及下料生产执行单。企业实际应用确认该系统能够辅助生产、提升效率；提高材料利用率，节约成本、降低能耗。关键词：下料排样；优化套裁；线性规划；单纯形法1 引 言我国的电机生产至今已有90年的历史，大大小小电机厂有2000多家，其中有一定生产规模的中小型电机企业有300多家，生产的普通中小型电机产品有300多个系列，近1500个品种1,2。由于普通中小型电机是传统工业产品，耗用原材料及工时多而获利少，是劳动密集型产品，国外其它工业发达国家普遍不愿意生产，纷纷转向发展中国家加工或购买。国外的著名大公司如ABB、西门子、东芝等都相继在我国投资生产电机3。世界电机行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机、特别是中小型电动机的生产制造基地。目前我国出口的电机产品，竞争手段单一，就是拼价格。硅钢片作为电机行业主要原材料，在电机生产成本中占有“举足轻重”的地位，他约占电机生产总成本的1/3。2005开始的原材料涨价和能源紧缺，硅钢片价格大幅上涨，再加上出口退税税率的调整，导致我国出口电机的价格优势不复存在，前几年所占领的国际市场也面临得而复失的局面4。据上海电机行业协会对上海及周边省市30余家主要电机生产企业(包括大、中、小型电机)生产经营状况统计：2007年一季度销售收入25.7亿元，同比增长15.9%；出口7514万美元，同比增长46%；然而行业的利润同比却减少10%，可谓“增产不增收”。原因是主要原材料电解铜，硅钢片及铸件等价格上涨5。电机行业，特别是中小型电机行业面临沉重的材料成本压力。据统计，当前国外发达国家的钢板下料利用率达到75%以上，而国内只有55%70%。这说明我国电机生产企业存在原材料浪费现象。原材料的浪费同时带来了加工能耗、冶金能耗、运输能源等巨大的能源浪费，同时堆积如山的边角余料，还造成了环境污染。国内电机企业能否改变现状，提高材料利用率，降低成本，节约能耗，提高经济效益；以更低的成本制造出最新的产品投入市场将是生存与发展的关键。作者结合两家中小型电机厂生产的实际情况，自主开发了电机冲片优化下料生产管理系统。本文介绍系统开发要点和应用效果，第一部分分析总结中小型电机企业生产实践及需求；第二部分介绍系统功能及结构流程；第三部分说明系统要点及实现；第四部分展示应用效果；最后是结论。2现行生产实践及需求分析国内各电机厂从20世纪90年代起逐步开始注重资源的优化利用和有效管理，纷纷实施了PDM 以及ERP。虽然通过PDM对企业基础数据的管理，以及ERP的进销存和生产管理系统最大限度地实现了降低生产成本，但对电机制造业来说平均3%5%的毛利率仍然受着原材料价格上涨的威胁。就目前掌握的资料，国内没有专门针对普通中小型电机企业的，板材优化下料生产管理的产品化软件。国内各中小型电机生产企业下料大多采用人工排料的方法，即针对订单由操作机床的工人现场人工排料，再根据排料方案在机床上完成板材的剪切和冲裁。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时和余料。经调研，普通中小型电机企业对冲片生产管理系统具有如下需求：自动生成工艺定额。要求关联原材料价格，代替人工计算，准确、高效，同时使定额具有时效性；根据生产计划，基于产品库和工艺定额，自动生成计划硅钢片物资消耗定额。可以确定所需下发至生产车间的硅钢片数量，通过限额发料有效降低硅钢片的消耗；用优化的下料方法代替传统的下料方式。生成下料方案的同时关联价格，在有同类型的多种规格原材可以选择时，比较后采用成本最低的方案，达到提高原材料利用率，降低成本的目的。同时生成排料图，指导工人下料操作；根据生产计划，自动生成下料清单。代替人工统计，提高工作效率和数据准确度；对应于自动生成下料清单，同时也应具有手工输入下料数据的功能。以适应小批量临时性的生产任务；下料时充分利用现有余料，达到减少废料，节约成本的目的；下料生产同时生成车间领料单、下料生产执行单，改变现行“事后通知”模式，充分做到“事前控制”；根据排样结果，确定原材料需求量，结合库存定制采购计划。避免库存资金的占用；下料完毕后余料标记入库，方便以后统计和使用；根据下料清单和单位加工工时定额，估算加工工时，制定详细的生产计划下发车间，严格控制生产周期，保证按合同期限交货。系统功能及结构流程3系统功能及结构流程为增强管理，提高材料利用率，降低成本，节约能耗，提高经济效益，依据生产需求确立了系统的主要任务及目标：接收生产任务，根据各种电机的生产台数和相应的硅钢片物资消耗定额，应用下料排样专家库，考虑余料、库存，确定采购定额、冲片优化套裁方案及所需下发至生产车间的硅钢片数量。系统主要功能如下：结构图见图1。产品信息、排样图库信息、板材价格信息等基础信息的维护管理功能；自动核算产品工艺定额；依据生产计划及工艺定额，自动核算计划定额；根据生产任务，基于系统基本信息，优化套裁生成下料清单；对应于自动生成下料清单，也具有手工输入下料数据的功能；根据套裁结果，确定原材料的需要量，结合库存及余料定制采购计划；库存、余料管理；系统顶层数据流图如图2所示4系统要点及实现在有效生产管理基础下，系统提高材料利用率，减低成本，其核心要解决硅钢片的下料问题。优化下料问题可拆分为优化排样和套排规划两个相对独立又相互协同的计算步骤；本系统在排样专家库基础上，应用优化算法进行套排规划，实现优化下料。4.1排样专家库优化排样主要是寻找在原材料上的合理布局，得到新的单个原材料上的合理排样方式。表1 下料排样图库外径尺寸（单位:mm）中心高H80H100H112H132H160外径120155175210260中心高H90H225H250H280H450外径130368400445740中心高H180H200GX100SF3H315外径290327165204493、520中心高H500GX90H400H400H355外径860138650670560、590本系统配有排样专家库，是行业专家针对中小企业实际生产和切割工艺条件，按照占用采购成本最低、套裁余料最少的设计思路设计，目前共70种优化排样方案。基本投料尺寸1000mm2000mm，满足19种中心高，22种规格的外径圆片，平均利用率达71.03%。排样专家库包含外径尺寸见表1。系统留有接口，可以查看、更新排样专家库。4.2 套排规划方法套排规划是对各种优化排样方式作合理选择、规划，以达到整体最优，是一种大型线性规划问题。本系统建立了电机冲片套裁数学模型，采用单纯行法6,7优化求解。建立电机冲片套裁数学模型：计划需要m种外径的冲片数量各为(b1, b2, bm)，其中bi为外径i的冲片需要量（片数）；现有n种套裁方案，设方案j中含外径i的冲片数是aij；设xj为j方案的执行量，即原材料的板材张数；cj为j方案的投料重量；pj为j方案的原材料板材价格，则，求满足所有冲片需求量的最少投料重量，可转化为在约束条件：下，目标函数 值最小。即： min z =， 且x1, x2, ,xn=0。4.3优化套裁模块实施从生产计划中获取冲片的外径尺寸和需求量各需求量结合余料生成向量bi ； 依据中的冲片信息，搜索下料排样图库中匹配的排样图生成xi，获取各下料排样图信息图j的投料重量对应cj ；冲裁中外径冲片片数对应aij ；关联价格表获取当前价格pj；应用单纯行法计算求解；输出套裁结果，制定下料清单；生成余料登记入库；结合库存生成物资采购定额。4.4 开发工具与系统主要功能界面系统采用Visual C+ 6.0为前台开发语言和ADO数据库访问接口技术，以Access 2003作为后台数据库。系统工艺定额以及优化套裁两主要模块，部分运行界面如图3，图4所示。图3 工艺定额自动核算图5 优化套裁及套裁结果5应用效果系统经过两家电机企业的实际应用，取得可观经济效益。与未使用本系统前同期相比，两企业采购成本分别降低2.36%和3.06%；平均每万千瓦电机产生套裁余料重量分别降低46.19%和43%。部分数据参见表2。表2 某企业应用系统前后节料年对照表对比项目时间1年实际消耗（每万千瓦电机定转子冲片）实际产生套裁余料（每万千瓦电机定转子冲片）应用前62.9吨12.75吨应用后59吨6.866 结论计算机辅助制定电机冲片优化下料方案和硅钢片物资采购定额，不但提高了材料利用率，节约了成本，降低了加工能耗；还加强了生产管理，加快了生产进程自动化。在实际应用中为企业赢得了经济效益。本系统排样专家库目前针对两家企业的产品，具有一定局限性，为满足不同企业的产品生产管理要求，今后将对优化排样技术进行研究，结合专家库由系统生成优化排样方案。另，优化套裁目前没有考虑加工工时，有待在今后应用中逐步完善。参 考 文 献1 姚之驹.中国中小型电机行业发展现状J.电器工业.20062 周新等.对中小型电机行业现状的分析意见J.中小型电机.2005,32(1)3 陈渝.专业化生产促进电机制造技术的发展J.电机技术. 2007年第2期 4 杨成.我国电机出口面临的主要问题J.市场透视. 2006,635 陶永根.部分中小型电机企业“增产不增收”J.电机技术. 2007年第3期.6 卢开澄.组合数学算法与分析(上册)M.清华大学出版社:1983.9,247-374.7 燕子宗,费浦生,万仲平.线性规划的单纯形法及其发展J. 计算数学. 2007,(01).收稿日期：2009-8-13作者简介：尚颖（1976-），女，四平，博士研究生，讲师，计算机软件与理论；楚纪正 研究员；党学凤 工程师