面向电子制造企业的PCB组装车间批量调度问题研究

摘要

随着全球化市场经济竞争日趋激烈，客户需求多样化和个性化特征日趋明显，多品种、小批量、交期短需求模式对电子制造业的运营管理提出了更高的要求，不少电子制造企业从传统的备货式生产方式(Make-to-Stock，MTS)转变为订单式生产方式(Make-to-Order，MTO)。为了满足多品种、小批量、多批次、随机订货的要求，缩短生产周期、按时按量交货、稳定的质量、合理的价格等，成为MTO企业赢得顾客订单的重要条件，然而实施此生产系统的制造企业面临着任务不均衡，品种繁多，顾客常改单，交货期短，返工率大，成本难以控制等难题。
　　本文针对印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）组装批量调度问题进行了研究，以某PCB组装车间为具体研究对象，建立了PCB组装作业车间批量调度模型，提出了双层调度方案，运用改进蚁群算法与邻域搜素算法进行调度优化，然后针对该PCB组装批量调度计划制定相应的加班策略，并开发出PCB组装批量调度原型系统。本文的主要内容包括：
　　（1）构建了PCB组装作业车间批量调度系统框架。本文对企业的具体情况进行调研和分析，建立了以总生产成本为目标函数的调度模型，真实反映了企业在MTO生产模式下最核心的成本问题。在调度模型的基础上，充分利用蚁群算法和邻域搜索算法在求解非等批量调度问题的优越性，实现了批量划分和确定了子批的加工顺序，并设计了人机交互界面的PCB组装调度系统。这些研究内容构成了整个作业车间批量调度系统的整体框架。
　　（2）建立了PCB组装批量调度数学模型。本文基于对实际生产企业的生产调研，建立了PCB组装批量调度模，以总生产成本最小化为目标函数，在模型的约束条件上充分考虑了《劳动法》规定的加班时长、《交易合同》中交期延迟惩罚等因素以及PCB组装过程的一些限制条件，结合具体生产数据确定各工序组装时间，并采用矩阵方式对批量划分后的子批PCB、工序以及机器设备间的关系进行了合理表达，建立的数学模型很好地描述了PCB组装批量调度问题。
　　（3）设计了PCB组装批量调度问题求解算法框架。基于PCB组装批量调度数学模型，采用双层调度方案策略，第一层调度方案运用改进蚁群算法和领域搜索算法确定批量的划分以及子批量的工序在机器上的组装顺序。第二层调度方案基于推理1和引理1来制定“加班策略”以减少组装过程中生产总成本，通过增加加班时间，寻找总成本函数图像中的“断点”，该“断点”所对应的总成本是梯度函数的一个极小值点，所有极值点中的最小值即为目标函数最小值，从而实现PCB组装批量调度优化。
　　（4）开发了基于需求分析的PCB组装批量调度原型系统。系统主要由六大模块，即PCB数据管理模块，电子元件数据管理模块，PCB设计信息提取模块，PCB订单批量划分模块，子批量组装优化模块和加班策略确定模组成，主要实现PCB组装典型工艺方案的确定和PCB组装车间批量调度问题优化。

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选题的依据与意义

国内外文献资料综述

1 绪论

1.1 车间调度问题概述

1.2 PCB组装概述

1.3 蚁群算法和邻域搜索算法概述

1.4 本文的研究内容

1.5 论文结构安排

2 PCB企业生产模式研究

2.1 JST企业生产模式研究

2.2 JST企业PCB组装调研与数据分析

2.3本章小结

3 PCB组装车间批量调度问题研究

3.1 PCB组装车间批量调度问题概述

3.2 PCB作业车间批量调度问题描述

3.3 PCB组装调度问题建模

3.4 本章小结

4 PCB组装车间批量调度问题优化

4.1 目标函数关系推理

4.2 动态分批策略的基本思想

4.3 蚁群算法求解车间调度问题可行性分析

4.4 PCB组装车间批量调度算法设计

4.5 案例分析

4.6 本章小结

5 PCB组装车间批量调度系统实现

5.1 系统分析

5.2 系统模块实现

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文结论

6.2 研究展望

参考文献

附录：攻读工程硕士学位期间发表的部分科研成果

致谢