先進制造技術(shù)對播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟模型分析

袁艷娟

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473000)

0 引言

中國作為世界工廠,已是全球制造產(chǎn)業(yè)最大的市場,而規(guī)模巨大的市場和變幻多端的應(yīng)用場景,給國內(nèi)制造業(yè)企業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。如何快速高效滿足制造業(yè)企業(yè)對產(chǎn)品的迭代升級、縮短產(chǎn)品制造生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等需求,以及降低制造生產(chǎn)成本,需要引入先進的制造技術(shù)和裝備。為了降低播種機生產(chǎn)制造成本,本文基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立經(jīng)濟模型,分別采用普通制造設(shè)計和先進制造技術(shù)對播種機自動排種部件的經(jīng)濟成本進行了分析與探討。

1 先進制造技術(shù)

先進制造技術(shù)是將信息、自動化、材料、能源、企業(yè)管理和制造等多方面技術(shù)融合在一起,應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計、制造、檢測、管理及銷售等方面,從而實現(xiàn)低成本、高效的生產(chǎn)銷售,并促進企業(yè)獲得理想的經(jīng)濟效益。從管理技術(shù)上講,先進制造技術(shù)主要包括精益生產(chǎn)、拉動式生產(chǎn)、并行生產(chǎn)、柔性化生產(chǎn);而從信息化制造技術(shù)來說,則包括計算機輔助設(shè)計、數(shù)控技術(shù)與工藝、信息化與技術(shù)等。本文主要是利用先進制造技術(shù)的精益生產(chǎn)來提高農(nóng)機播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。

精益生產(chǎn)的核心概念是利用較少的人力和設(shè)備,在較短的時間和場所,創(chuàng)造出理想的精益效率和社會效益。工欲善其事,必先利其器,任何管理方法都需要工具的支撐,如六西格瑪管理各個階段有其適用的工具,界定階段有高端流程圖、頭腦風(fēng)暴和因果矩陣等,測量階段主要是MSA和SPC,而分析、改進和控制階段除了假設(shè)檢驗、方差分析、回歸分析、試驗設(shè)計DOE及控制圖以外,還整合了精益生產(chǎn)的工具。例如,分析階段可用價值鏈分析、作業(yè)時間分析、全面生產(chǎn)維護TPM等工具,改進階段可用看板管理、拉式系統(tǒng)和快速換型等,控制階段可用防錯、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。精益生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 精益生產(chǎn)架構(gòu)圖Fig.1 The lean production architecture

精益生產(chǎn)目的是盡量避免生產(chǎn)過程中的浪費,不斷提升和改善產(chǎn)品品質(zhì),使生產(chǎn)流程更加合理和高效。

2 播種機結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝

2.1 播種機的結(jié)構(gòu)

設(shè)計生產(chǎn)的播種機由拖拉機牽引前進,在播種過程中,播種機自動排種會根據(jù)機器前進速度,對播種頻率進行實時調(diào)節(jié),其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 播種機整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The overall structure diagram of seeder

播種機的核心是自動排種部件,是通過氣體的壓力將種子射入土壤中,需要保證整個裝置的密封性好。播種機自動排種部件不僅要保證種子被排出去,還要保證不會被排種閥從土壤中再帶出來。播種機自動排種部件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.形圈 2.排氣閥 3.排氣箱體 4.密封墊 5.排種箱體 6.排種閥 7.排種箱蓋 8.復(fù)位彈簧 9.螺母 10.螺桿 11.壓緊螺母圖3 播種機自動排種部件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of automatic seed shooting parts of seeder

2.2 播種機生產(chǎn)制造工藝

播種機生產(chǎn)制造是指將基礎(chǔ)的原材料加工為播種機產(chǎn)品的過程,包括沖壓、鍛造、鑄造、塑料成型、機械加工、涂裝和裝配等,這些工藝是播種機生產(chǎn)制造的核心環(huán)節(jié)。由于播種機整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件比較多,精度要求非常高,其制造是涉及面廣泛的綜合工業(yè)。播種機生產(chǎn)制造工藝流程如圖4所示。

播種機結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要包括自動排種裝置、車身總成、底盤總成和開溝器等,而每個總成包括多個零部件,如自動排種裝置包括排氣閥、排氣箱體、排種箱體、排種箱蓋和排種閥等多個零部件。由于組成零部件的種類很多,且不同零部件的生產(chǎn)工序和工藝又不相同,故播種機的生產(chǎn)工藝也是多樣的。播種機主要工藝包括:毛坯成形、熱處理、機械加工、沖壓、焊接、涂裝和總裝等工藝。

圖4 播種機生產(chǎn)制造工藝流程圖Fig.4 The production and manufacturing process flow chart of seeder

3 先進制造技術(shù)對播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟影響

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了分析先進制造技術(shù)對播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟影響,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立經(jīng)濟模型,分別采用普通制造設(shè)計和先進制造技術(shù)對其經(jīng)濟成本進行分析。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用誤差逆?zhèn)鞑サ亩鄬忧梆伿饺斯ぶ悄芩惴?包括輸入、隱含和輸出三層結(jié)構(gòu),可通過保存大量的數(shù)據(jù)映射關(guān)系和迭代算法,對復(fù)雜問題進行分析求解。該算法由神經(jīng)元和箭頭組成,其輸入和輸出兩層之間增加了若干中間的隱藏層,這些中間層和外界沒有太多關(guān)系,但通過改變其狀態(tài),再經(jīng)過正向和反向的迭代計算,就可以獲得誤差最小和最優(yōu)的目標(biāo)輸出。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure diagram of BP neural network algorithm

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟模型的依據(jù)

播種機零部件生產(chǎn)設(shè)計過程都是先有概念再有詳細設(shè)計。首先,研發(fā)人員根據(jù)播種機結(jié)構(gòu)確定零部件的功能;然后,從若干個設(shè)計中選擇成本、制造、生產(chǎn)和組裝最優(yōu)的方案,便能確定零件的結(jié)構(gòu)尺寸和原材料等;最后,工藝人員設(shè)計加工和裝配工藝。從上述過程可以找出以下映射關(guān)系,即

X∈Rn,X=[x1,x2,…,xn]T

(1)

設(shè)計過程中可能會存在K種不同方案,假設(shè)其參數(shù)為m維的矢量Yi:Yi∈Rm,i=1,2,…,K。其中,Yi為不定維的矩陣。

對于K種不同加工成本的最小加工工藝安排Zi:Zi,i=1,2,…,K。其中,Zi為不定維的矩陣。

在確定Zi的矩陣后,便可以采用產(chǎn)品成本計算方法,求播種機某一零部件加工費用Ci,即

(2)

其中,P為該零部件生產(chǎn)的總批量;ti為不同的加工工藝Zi的額定加工時長;si為i個加工工藝中設(shè)備和工具的單位時間成本;Q、M和O分別為生產(chǎn)此批零部件的生產(chǎn)準(zhǔn)備成本、管理成本和其他費用。

由式(2)可以看出,Ci存在一個最小值。

綜上,可得到以下映射關(guān)系,即

(3)

設(shè)x1,x2,…,xn分別為零部件的功能描述,Cmin為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值,那么該網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)系滿足非線性函數(shù),則

(4)

其中,Sj和wij分別為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元的輸出保護值和權(quán)值;θj為閾值;uj為神經(jīng)元的狀態(tài);f(uj)為轉(zhuǎn)換函數(shù)。

(5)

根據(jù)式(6)可以得到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)n維模型空間的映射F,即

F:X∈Rn→Cmin

(6)

根據(jù)以上模型,便可以計算出播種機零部件的生產(chǎn)成本。

3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟模型的實現(xiàn)

由于播種機零部件較多,特征也會較多,其特征樣本集也會很大,故需要較長的學(xué)習(xí)和應(yīng)用過程。因此,設(shè)計了一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),可以為每個零部件設(shè)計一個子BP網(wǎng)絡(luò),而這些子網(wǎng)絡(luò)的樣本集可以根據(jù)自身的特征類型變化。

基于播種機零部件的特征樣本集,對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練,便可以得到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù),并保存在數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)中,從而實現(xiàn)樣本知識的學(xué)習(xí)和表達。采用普通制造設(shè)計和先進制造技術(shù)的經(jīng)濟成本進行分析時,只需要選擇相應(yīng)的子網(wǎng)絡(luò),調(diào)用其參數(shù),便可以通過網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元進行數(shù)據(jù)的并行計算,從而獲得整體的生產(chǎn)制造成本?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟模型如圖6所示。

4 仿真驗證

為了驗證先進制造技術(shù)對播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟模型影響的正確性和穩(wěn)定性,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立經(jīng)濟模型,分別采用普通制造設(shè)計和先進制造技術(shù)對播種機自動排種部件的經(jīng)濟成本進行了分析。對于該部件,采用基于6×8×1的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為了保證BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)性能,本文用于驗證的都是沒有被用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)集。自動排種部件成本驗證結(jié)果如表1所示。

表1 自動射種部件成本驗證結(jié)果Table 1 The cost verification results of automatic seed injection parts

由表1可知:采用先進制造技術(shù)生產(chǎn)的自動排種部件成本較普通制造設(shè)計下降12%,證實了該系統(tǒng)的正確性;另外,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對兩種制造技術(shù)進行成本估算和實際成本誤差率在2.2%以內(nèi),證實了該方法的有效性。

5 結(jié)論

為了驗證先進制造技術(shù)對播種機零部件生產(chǎn)的經(jīng)濟模型影響的正確性和穩(wěn)定性,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立經(jīng)濟模型,分別采用普通制造設(shè)計和先進制造技術(shù)的經(jīng)濟成本進行分析。驗證結(jié)果表明:基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對播種機零部件估算比較準(zhǔn)確,采用先進制造技術(shù)生產(chǎn)的自動排種部件成本較普通制造設(shè)計下降12%,證實了該系統(tǒng)的正確性和可靠性。