L'effet des temps de configuration sur l'optimisation des horaires des magasins de débit

Comprendre les temps de configuration dans le calendrier de la boutique de débit

L'établissement de calendriers de magasin est un défi essentiel dans la fabrication, où plusieurs emplois doivent être traités sur une série de machines dans le même ordre. L'objectif est de trouver une séquence qui minimise le temps total d'achèvement, connu sous le nom de makepan, ou d'autres mesures de performance.

Le temps de montage fait référence à la période nécessaire pour préparer une machine à traiter un nouveau travail, notamment des activités comme le changement d'outils de coupe, la reconfiguration des gabarits et des appareils, le chargement de nouveaux programmes, le nettoyage des résidus et l'ajustement des réglages de température ou de pression.

Types de temps de configuration

Les temps de configuration peuvent être classés en fonction de leur dépendance à la séquence de travail. Les temps de configuration indépendants de la séquence sont constants pour un travail donné, indépendamment de la tâche précédente. Par exemple, le nettoyage d'un mélangeur après un lot peut prendre le même temps. En revanche, les temps de configuration dépendant de la séquence varient selon l'ordre des tâches.

Temps de configuration de mesure

Les entreprises utilisent des études de temps et de mouvement, la saisie automatisée des données des contrôleurs de machines et l'observation manuelle pour enregistrer les durées de configuration. Ces mesures alimentent les algorithmes de programmation et aident à identifier les goulets d'étranglement. Les mesures courantes comprennent le temps moyen de configuration par emploi, le temps de configuration en pourcentage du temps total de traitement et le rapport entre les activités de configuration interne (performé pendant que la machine est arrêtée) et externe (performé pendant que la machine est en marche).

L'impact des temps de configuration sur l'efficacité de calendrier

Ignorer les temps de configuration dans la programmation de l'atelier de flux peut conduire à des séquences sous-optimales qui augmentent le temps de ralenti, allongent la portée et augmentent les coûts. Lorsque les configurations sont longues, le planificateur doit équilibrer le compromis entre le regroupement de tâches similaires pour réduire les configurations et les dates d'échéance pour différents clients.

Effets sur le débit et la vitesse de fabrication

Dans un magasin de débit, la masspan est le temps du début du premier travail à la fin du dernier travail sur la dernière machine. Les temps de configuration élevés gonflent directement la masspan. De plus, si les réglages sont dépendants de la séquence, une séquence inefficace peut causer une cascade de retards. Par exemple, un travail nécessitant une longue configuration sur la première machine repoussera tous les travaux ultérieurs sur cette machine, potentiellement au ralenti en aval. Les études montrent que le délai de configuration négligeant peut augmenter la masspan de 15% à 40% dans les magasins de débit pratiques.

Effets sur les coûts de production

Les temps de montage plus longs signifient que les machines ne sont pas productives pendant de longues périodes. Cela réduit la capacité effective du magasin, obligeant les entreprises à investir dans des machines supplémentaires ou des heures supplémentaires pour répondre à la demande. Les coûts de travail augmentent également parce que les opérateurs peuvent être inactifs pendant les configurations ou exiger des primes pour les changements hors-heures.

Effets sur le délai de livraison et la satisfaction des clients

Les délais de livraison plus longs augmentent la variabilité des délais de livraison, ce qui rend plus difficile la soumission de dates de livraison précises. Les livraisons tardives nuisent à la confiance des clients et peuvent entraîner des pénalités. Un calendrier efficace qui tient compte des configurations aide à stabiliser les délais de livraison, permettant aux entreprises d'offrir des promesses de livraison compétitives et fiables.

Modélisation mathématique des temps de configuration dans le calendrier de magasin de flux

Pour optimiser un flow shop avec des configurations, le problème doit être formalisé mathématiquement. Le modèle classique de flow shop prend les temps de traitement seulement. Avec les temps de configuration, le modèle devient plus complexe, en particulier lorsque les configurations sont dépendantes de la séquence.

Temps de configuration des séquences (SDST)

Dans un atelier de flux SDST, le temps de configuration d'une machine dépend du travail qui vient d'être effectué et du travail qui suit à traiter.Ceci peut être représenté par une matrice S où l'élément s_ij] est le temps de configuration lorsque le travail i précède le travail j. Le problème d'optimisation devient une variante du problème de vendeur itinérant (FSP) pour chaque machine, avec la contrainte supplémentaire d'une commande de travail cohérente entre les machines.

Modèles de programmation linéaire intégrée mixte (MILP)

Les formulations MILP pour le calendrier de l'atelier de flux avec configurations utilisent des variables binaires pour représenter les séquences de travail et les variables continues pour les heures de début et de fin. Contraintes obligent à traiter chaque travail une fois, que les machines traitent les travaux dans le même ordre (parmutation flow shop), et qu'une configuration sur une machine se produit avant le début d'un travail.

Optimisation Algorithmes Comptabilisation des temps de configuration

Compte tenu de la complexité, les chercheurs et les praticiens ont développé de nombreux algorithmes – de l'exact à l'approximativement – pour résoudre le calendrier des magasins de flux avec des configurations.

Extensions des règles de Johnson

Pour le magasin de débit à deux machines sans configurations, la règle de Johnson fournit une séquence optimale. Les extensions qui intègrent de petits temps de configuration existent, mais ils sont limités. Une approche traite les temps de configuration comme faisant partie des temps de traitement ou utilise des règles de classement modifiées.

NÉH Heuristique avec considérations de configuration

L'heuristique NEH est l'une des méthodes constructives les plus efficaces pour la planification des magasins de flux de permutation. Elle commence par trier les tâches par le temps total de traitement, puis insère les tâches une par une dans la meilleure position. Pour tenir compte des configurations, le coût d'insertion est calculé en utilisant le temps total (traitement + configuration) pour chaque séquence partielle.

Métaheuristique : Algorithmes génétiques et Annealing simulé

Un algorithme génétique code les séquences de travail comme chromosomes et utilise des opérateurs de croisement et de mutation pour explorer l'espace de solution. La fonction de fitness calcule la makespan, y compris les temps de configuration. Simulée recuit itérativement dérange la séquence et accepte de meilleures solutions, plus quelques pires pour éviter l'optimum local. L'optimisation des essaims de particules et la recherche de tabu sont également courantes. Ces méthodes peuvent gérer des centaines de travaux et de machines et produire des horaires quasi optimaux dans un délai raisonnable.

Stratégies pour réduire au minimum les temps de configuration

Au-delà de l'optimisation, réduire le temps de configuration physique est un levier puissant. Les configurations plus courtes facilitent l'organisation et améliorent la flexibilité des magasins.

PMED (Échange de titres à un seul minute)

Développé par Shigeo Shingo pour Toyota, le SMED vise à réduire les temps de configuration à moins de dix minutes. Il distingue entre configuration interne (performé pendant que la machine est arrêtée) et configuration externe[ (faite pendant que la machine est en marche). La méthode convertit les étapes internes en étapes externes, rationalise les étapes restantes et standardise les procédures.

Groupement d'emplois et fabrication de cellules

Le regroupement des tâches par similitude dans l'outillage, le matériau ou le processus réduit le besoin de changements majeurs. Dans la fabrication cellulaire, les machines sont disposées en cellules dédiées aux familles de pièces. Dans une cellule, les configurations entre les membres de la famille sont minimales.

Automatisation et normalisation

Les changeurs d'outils automatisés, les appareils à changement rapide et les contrôleurs de machines programmables réduisent la durée de l'intervention humaine et de la configuration.

Étude de cas : Réduction des temps de configuration dans un fabricant de pièces automobiles

Un fournisseur automobile de composants moteurs a exploité un atelier de distribution de cinq machines CNC. Les temps de configuration étaient fonction de la séquence, en moyenne 25 minutes par changement. L'analyse a montré que les configurations représentaient 35 % du temps total de déplacement. L'entreprise a mis en place le SMD, convertissant 60 % des étapes de configuration interne en externe (p. ex., outils de préréglage, compensations de préréglage). Ils ont également groupé les emplois par grade de matériau et exigences d'outillage.

Conclusion

Les fabricants doivent d'abord mesurer et comprendre leurs schémas de configuration, en particulier les dépendances séquentielles, puis appliquer des modèles mathématiques appropriés et des algorithmes d'optimisation pour planifier efficacement. Combinés à des techniques de réduction physique comme la SMED, le regroupement et l'automatisation, les entreprises peuvent réaliser des gains substantiels en débit et en réactivité. L'intégration des données de configuration dans les systèmes de planification de la production n'est pas facultative; elle est une base pour une fabrication compétitive dans des environnements à haut débit et à faible volume.