汽車線束工藝工序及工序關(guān)系自動生成

朱吉滿， 徐本柱， 凌欣南， 劉曉平

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院可視化與協(xié)調(diào)計(jì)算(VCC)研究室，安徽 合肥 230009；2. 合肥江淮新發(fā)汽車有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車線束在生產(chǎn)之前，需要首先分析線束圖紙[1]，提取其包含的工序種類以及數(shù)目，然后進(jìn)行合理的工藝規(guī)劃[2-3]、制定高效的工藝路線[4-5]以提高實(shí)際生產(chǎn)的效率，最后經(jīng)過裁線、壓接、組裝等一系列復(fù)雜的工序才能加工完成。然而，通常一款中等規(guī)模的汽車線束，其包含的工序達(dá)數(shù)千道之多。以人工方式分析線束圖紙，得到各道工序，不僅耗時費(fèi)力，而且對于一些復(fù)雜的圖紙往往準(zhǔn)確性得不到保證，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。因此，研究如何自動識別線束圖紙中工藝工序具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。此外，工序間的約束關(guān)系是制定工藝路線的基礎(chǔ)，也是進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的依據(jù)，因而，探討工序間邏輯關(guān)系的生成方法是識別工序并使之直接用于安排生產(chǎn)必不可少的部分。

工序自動生成方法是CAPP領(lǐng)域研究的重要問題之一，比較常見的有基于派生式[6]CAPP系統(tǒng)的工序生成方法和基于生成式[7-8]CAPP系統(tǒng)的工序生成方法。但是，基于派生原理的方法，要求零件的系列結(jié)構(gòu)相似，并且加工形面也比較接近，而汽車線束工藝中，不同類型的線束構(gòu)件特征差異顯著，同一構(gòu)件由于使用參數(shù)的不同，其工序的組成也將發(fā)生明顯的變化，故該方法難以應(yīng)用到汽車線束領(lǐng)域?；谏墒降姆椒ㄒ髮α慵?，模擬人工進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，通用性不夠好，線束工藝設(shè)計(jì)需要工藝員參與且具有很強(qiáng)的領(lǐng)域特性，需要重新建模求解。文獻(xiàn)[9]研究了基于關(guān)聯(lián)規(guī)則生成典型工序序列的方法，該方法能夠有效挖掘關(guān)聯(lián)程度很高的工序序列，對一些關(guān)聯(lián)程度不明顯的工序則不夠敏感。

目前，尚沒有專門自動識別汽車線束工序及其關(guān)系的軟件上市，國外雖然有一些大型軟件如HarnWare、VeSys等具有工序識別模塊，但是其技術(shù)實(shí)現(xiàn)卻未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此，研究汽車線束工序自動識別具有重要的現(xiàn)實(shí)價值。汽車線束工藝具有很強(qiáng)的領(lǐng)域特征，工藝工序的組成及工序間關(guān)系與線束構(gòu)件的工藝特性、工藝生產(chǎn)規(guī)則、工藝知識[10]等密切相關(guān)。

1 線束工藝圖模型

1.1 線束工藝圖的定義

線束工藝圖是線束工藝生產(chǎn)中所需絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的來源[11]。線束工藝圖紙中，接插件通過線束段相互連接，包裹件以及緊固件附著于線束段上。在線束工藝圖中排除插接件、包裹件等線束組件，單純研究其導(dǎo)線部分，線束可以看著一個無向的連通無環(huán)圖。下面給出線束工藝圖中節(jié)點(diǎn)、線束段和插接件的定義：

1）節(jié)點(diǎn)：線束工藝圖中的節(jié)點(diǎn)是端點(diǎn)和分支點(diǎn)的集合。記為V= {v1,v2, … ,vm}。當(dāng)vi的度為1時，vi為端點(diǎn)，表示一個多根導(dǎo)線端點(diǎn)的集合；當(dāng)vi的度大于1時，vi為分支點(diǎn)，表示多個線束段的連接點(diǎn)。

2）線束段：如果|V|≥2，則 ?u,v∈V(u≠v)表示線束工藝圖中的兩個不同的節(jié)點(diǎn)，稱邊e=(u,v)為線束工藝圖中的線束段。線束段表示一束導(dǎo)線，內(nèi)含一根或多根導(dǎo)線。線束工藝圖紙中線束段的集合記為E= {e1,e2,… ,en}。

3）插接件：線束工藝圖中的插接件是護(hù)套和搭鐵的集合，記為C。設(shè)ci表示組成C的第i個插接件，則有C= {c1,c2, …,ck}表示線束工藝圖中的k個接插件。ci(1 ≤i≤k)連接到V中的一個端點(diǎn)，其有n個端口，每個端口可以插入m(m≥ 0)根導(dǎo)線。如果ci為護(hù)套，則有n≥1；如果ci為搭鐵，則有n=1。

圖1 插接件示例

圖1 所示為插接件示例。插接件孔位內(nèi)的除了顯式的用文本表示該端口內(nèi)含有的導(dǎo)線線號、顏色、線徑信息以及插接件圖形下方標(biāo)有其名稱和型號信息外，還隱式的包含了大量線束工藝設(shè)計(jì)特征約束信息，包括可以壓接端子的型號、導(dǎo)線是否需要穿防水栓、端口是否插防水堵以及線端是否需要噴色等。這些隱含信息除了與插接件本身的屬性相關(guān)外，還與和它連接的導(dǎo)線屬性以及工藝需求密切相關(guān)。

插接件作為端點(diǎn)工藝特征的載體，可以作為提取工藝工序的依據(jù)之一，在下文的工序自動識別算法中將用到。如圖1(b)所示，由于導(dǎo)線S1、13A和58的顏色和線徑屬性一致，為了在車間組裝時能夠正確區(qū)分它們，在生成工序時根據(jù)這些特征信息，需要增加噴色工序，即給導(dǎo)線噴上不同顏色的油漆以示區(qū)分。

在介紹了節(jié)點(diǎn)、線束段以及插接件的概念的基礎(chǔ)上，可以給出線束工藝圖的定義：

定義1線束工藝圖WHG定義為三元組(V,E,C)，其中V是節(jié)點(diǎn)集合，E是線束段的集合，C是接插件的集合。線束工藝圖中所有插接件C連接于V中的端點(diǎn)，作為相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的屬性，C中插接件彼此之間通過E中的線束段相互連接。此外，E中的線束段是線束圖紙中包裹件、緊固件等依附的載體。

1.2 線束工藝圖的表示

由于線束工藝圖中的線束段表示一個或者多根重疊在一起的導(dǎo)線，因此線束工藝圖是一個多連通圖[12]。由于三元組(V,E,C)只表明了線束工藝圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及端點(diǎn)的工藝屬性，為了表示線束工藝圖中導(dǎo)線的邏輯連接關(guān)系，下面引入回路的概念。

定義2回路是一個或者多根物理上連接在一起可以相互間傳導(dǎo)電信號的導(dǎo)線集合，記為CL。則有CL= {wn1,wn2, …,wnn}，其中wni表示構(gòu)成回路的第i根導(dǎo)線的線號，其端點(diǎn)位于插接件的端口內(nèi)，對應(yīng)線束工藝圖中一個端點(diǎn)?；芈肥蔷€束工藝圖的一個無向的連通無環(huán)子圖(V′,E′,C′)，CL中的邊只表示一根導(dǎo)線。

由一根導(dǎo)線構(gòu)成的回路稱之為單根線。線束工藝圖中的所有回路的集合為回路集CLS，則CLS= {CL1,CL2,… ,CLn}。

回路不僅是分解線束工藝圖紙線束段的重要依據(jù)，同時還是線束工藝設(shè)計(jì)的基本單位，如內(nèi)聯(lián)設(shè)計(jì)時，需要逐一在回路中的多根導(dǎo)線連接點(diǎn)處附近確定壓接端子位置等操作，從而確定線束工藝圖中的分支點(diǎn)的屬性。

圖2 線束工藝圖及其表示

圖2 (a)是一張簡易的線束圖紙，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，節(jié)點(diǎn)V1～V7是端點(diǎn)，分別連接有護(hù)套M01～M07，節(jié)點(diǎn)V8～V12是分支點(diǎn)。通過回路提取算法可以從該多連通圖中提取出回路集，以表明線束工藝圖中的導(dǎo)線邏輯連接關(guān)系，如圖2(c)所示?；芈芳兄杂涗浘€號所處于的護(hù)套及其端口號，是因?yàn)檫@樣可以在依據(jù)線束工藝約束特征提取工序及其工藝參數(shù)時提高查找的效率。

2 工序的自動識別

2.1 特征及工序的定義

如何利用線束生產(chǎn)中的領(lǐng)域知識和線束部件的約束特征從線束圖紙中準(zhǔn)確識別出工序，需要更好地闡述工序的自動生成算法，先引入特征和工序的概念：

定義3特征是線束圖紙中工件根據(jù)線束領(lǐng)域知識必須滿足的工藝約束集F。通常，一個工件w根據(jù)工藝處理的過程和目的可以提取出節(jié)點(diǎn)n個特征Fw= {f1,f2, … ,fn}。

以圖2中的回路CL2={2A,2B,2C}為例，該回路在分支點(diǎn)V9處通過內(nèi)聯(lián)端子壓接在一起，導(dǎo)線2A的另一端位于端點(diǎn)V2處，與插接件M01相連接。根據(jù)插接件M01的工藝特性可知，其中導(dǎo)線2A的具有特征：F2A={f1,f2,f3,f4,f5}，其中f1：導(dǎo)線顏色為黑色(B)，導(dǎo)線線徑0.3mm；f2：一端位于插接件M01的2號端口，端子類型為DJ3042-1；f3：另一端2B與和2C合壓，合壓線徑為0.9mm；f4：M01為防水護(hù)套，導(dǎo)線端點(diǎn)需要做防水處理；f5：護(hù)套M01的其他端口內(nèi)存在與導(dǎo)線2A屬性一致的導(dǎo)線，需要做噴色處理。

定義4工序指一個或一組工人在一個工作場所對若干個操作對象連續(xù)完成的各項(xiàng)生產(chǎn)活動的總和。工序可以用四元組P=＜N,W,O,G＞表示，其中：N為工序名稱，W為工件對象集，O為操作集，G為工序目標(biāo)。

一道或者多道工序通常是為了完成某一個特征而設(shè)定的。因此，特征與工序之間存在著一對多的關(guān)系。如，對于上例中的特征f2，需要根據(jù)端子DJ3042-1的特性，先對導(dǎo)線2A的一端去除一定長度的外皮（稱之為剝頭），然后才能壓接端子（稱為端壓）。因此，特征f2需要剝頭和端壓兩道工序才能完成。

2.2 工序的自動識別算法

線束工藝圖是一個多連通圖，其邏輯連接關(guān)系可以通過回路集來表示，回路是實(shí)際生產(chǎn)中加工線束的依據(jù)。因此，線束圖紙中包含的各道工序分布于回路之中，通過對回路特征的分析，進(jìn)而可以提取出工藝工序。

為了正確自動識別出線束圖紙中的工序，需要知道圖紙的回路集之外，還要作如下約定：

約定1： 回路集中的任意一個節(jié)點(diǎn)都能在線束工藝圖中可以找到。

約定2： 線束工藝圖中的所有度為1的節(jié)點(diǎn)都在回路集中至少出現(xiàn)一次。

上述約定既可以保證算法處理的每一個節(jié)點(diǎn)都是有效地，又可以確保每一個合法的節(jié)點(diǎn)都被處理到，而不會丟失工序。在此基礎(chǔ)上，提出下面的工序自動識別算法：

Step 1利用回路提取算法得到線束工藝WHG的回路集CLS= {CL1,CL2, …,CLn}，初始化工藝工序集P=?；

Step 2i++，如果i≤n，令j=0，跳轉(zhuǎn)至Step3。否則，輸出工序集P，結(jié)束；

Step 3分析回路CLi的線束段集合E={e1,e2,… ,ek}和節(jié)點(diǎn)集V= {v1,v2,…vl}，作如下處理：

1）對E中的每一條邊ea(1 ≤a≤k)，提取其特征集Fa，則回路CLi的邊特征集FE=FE∪Fa；

2）對V中的節(jié)點(diǎn)vb(1 ≤b≤l)，如果vb是端點(diǎn)，從線束工藝圖中搜索與之相連接的插接件c，根據(jù)c提取vb的特征Fb，加入CLi的節(jié)點(diǎn)特征集FV=FV∪Fb；如果vb是分支點(diǎn)，表示vb處需要進(jìn)行內(nèi)聯(lián)壓接，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果提取特征集FV；

3）計(jì)算得到回路CLi的特征集FCLi=FE∪FV= {f1,f2,… ,fm}；

Step 4j++，如果j≤m，轉(zhuǎn)至Step5，否則跳轉(zhuǎn)至Step2；

Step 5根據(jù)特征fj，分析完成該特征需要的工序集Pj。對 ?p∈Pj，提取p需要處理的工件對象集、操作集和目標(biāo)集。令P=P∪Pj，轉(zhuǎn)至Step4。

圖3來自實(shí)際的生產(chǎn)工藝卡，它表示回路CL= {19,1A, 1}的壓接示意圖，下面以此為例闡述上述工序自動識別算法，此時回路集中只有一條回路，即CLS={CL}。

回路CL的線束段集合E={LA,LB,LC}，節(jié)點(diǎn)集V={vA,vB,vc,vH}。首先分別提取各個線束段和節(jié)點(diǎn)的特征，CL共有8個特征，如表1所示。然后，逐一分析各個特征，提取其所對應(yīng)的12道工序，如表2所示。

圖3 3根導(dǎo)線壓接示意圖

表1 CL的特征集

表2 特征與工序的對應(yīng)表

上述實(shí)例中包含的特征集與工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果密切相關(guān)，汽車線束回路中端子的壓接位置、數(shù)目的不同，直接影響了其工序的組成。因此，不同回路之間由于工藝設(shè)計(jì)的結(jié)果不同，也將呈現(xiàn)出明顯的差異。表3列出了一些典型的工藝特征及其對應(yīng)的工序。

表3 典型的工藝特征及其對應(yīng)的工序

3 工序間約束關(guān)系的自動生成

3.1 工序間的邏輯關(guān)系

工序間的基本邏輯關(guān)系可分為3種：順序關(guān)系、互斥關(guān)系和并行關(guān)系。設(shè)P1=＜N1,W1,O1,G1＞和P2=＜N2,W2,O2,G2＞表示兩道不同的工序，下面根據(jù)這兩道工序的工序?qū)ο蠹凸ば蚰繕?biāo)對二者之間的邏輯關(guān)系做出定義：

1）順序關(guān)系：符號表示為＜，P1＜P2表示工序P1必須先于工序P2進(jìn)行，只有當(dāng)工序P1完成以后工序P2才可以開始。特別地，工序P1的目標(biāo)工件中存在工件屬于工序P2的工序?qū)ο蠹?，?g∈G1滿足g∈W2，則P1與P2必定滿足順序關(guān)系。為了表示的方便，P1＜P2也可記為P2＞P1。

2）互斥關(guān)系：符號表示為⊕，工序P1和P2滿足互斥關(guān)系表明P1與P2有著共同的工序處理對象，即工序P1、P2不能同時進(jìn)行，必須其中一個完成后，另一個才能進(jìn)行，但是P1與P2之間不存在順序關(guān)系。因此P1⊕P2的必要條件是W1∩W2≠?。

3）并行關(guān)系：符號表示為||，工序P1與工序P2滿足并行關(guān)系表示兩者之間可以同時進(jìn)行而相互之間不產(chǎn)生影響。工序P1||P2的必要條件是W1∩W2=? 并 且 ??g1∈G1,g2∈G2滿 足g1∈W2或g2∈W1。

上述定義是判定工序間關(guān)系的依據(jù)。以表2中的工序?yàn)槔?，由于穿防水栓p6的目標(biāo)集是防水端壓p4的工序?qū)ο蠹虼?，工序p4與p6之間具有順序關(guān)系p6＜p4。工序p4與p11存在對導(dǎo)線LA的競爭使用，即o4∩o11={LA}≠?，故有p4⊕p11。再看工序p7和p9，由于他們之間處理的工序?qū)ο笙嗷オ?dú)立，因此有p7||p9。

需要說明的是，工序間還存在選擇關(guān)系，因?yàn)橛袝r可以使用不同種類的設(shè)備完成同一道工序。如壓接工序可以分別采用普通機(jī)器和全自動壓接機(jī)完成，此時W1=W2且G1=G2但O1≠O2，故P1、P2之間存在選擇關(guān)系，即兩道工序只能選擇一道進(jìn)行。本文研究的是自動識別線束圖紙中的工序組成，不涉及車間設(shè)備的使用情況，因而，選擇關(guān)系不在本文的考慮范圍之內(nèi)。

3.2 工序間的邏輯關(guān)系自動生成算法

正確識別工序間的邏輯關(guān)系是實(shí)際生產(chǎn)中制定工藝路線、合理安排生產(chǎn)的基礎(chǔ)。對于一個由n道工序組成的工序集P= {p1,p2,… ,pn}可以用一個n×n的約束矩陣A表示其相互之間的邏輯關(guān)系，矩陣中的元素A[i][j](1 ≤i,j≤n)表示工序pi和pj之間的邏輯關(guān)系。

通常一張中等規(guī)模的線束圖紙包含的工序達(dá)上千道，通過約束矩陣來描述各道工序間的邏輯關(guān)系，矩陣規(guī)模將十分巨大?？紤]到線束車間實(shí)際生產(chǎn)時，以回路作為基本單位，因此，從不同回路中提取出的工序之間應(yīng)該彼此獨(dú)立，互不干涉。對每一個回路中的各道工序彼此間邏輯關(guān)系單獨(dú)用一個約束矩陣表示，這樣可顯著減小矩陣的整體規(guī)模，那么線束圖紙中的所有工序約束關(guān)系可以表示為一個列矩陣向量A=(A1,A2,… ,An)，其中Ai表示回路CLi中各道工序間的約束關(guān)系矩陣。

在上述基礎(chǔ)上，下面給出線束工序約束關(guān)系的自動生成算法：

Step 1獲取線束圖紙中的回路數(shù)目n，令i= 1，初始化工序約束關(guān)系矩陣A為一個n維列向量 (A1,A2, …,An)。

Step 2如果i＞n，算法結(jié)束。否則，利用工序自動識別算法提取得到回路CLi的工序集P= {p1,p2,… ,pm}，初始化Ai為一個m×m的方陣，令j=1。

Step 3如果j＞m，i=i+1，轉(zhuǎn)入Step2。

Step 4令k=j+1，Ai[j][j]='-'。

Step 5如果k≤m，根據(jù)線束工藝約束特征以及工序pj與pk處理的工件對象集，確定兩者之間的關(guān)系。如果滿足順序關(guān)系，令A(yù)i[j][k]='＜ '，Ai[k][j]= '＞ '；如果滿足互斥關(guān) 系，令A(yù)i[j][k]=Ai[k][j]='⊕ '，否 則 置Ai[j][k]=Ai[k][j]= '||'。k++，轉(zhuǎn)Step 5。

Step 6j=j+1，轉(zhuǎn)Step 3。

下面以圖2所示線束圖紙中2號回路CL2={2A,2B,2C}為例，簡要闡述線束工藝工序的自動識別和相互邏輯關(guān)系生成過程。

圖4(a)為CL2在線束圖紙中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其由3根導(dǎo)線組成，導(dǎo)線的顏色、線徑在圖中已經(jīng)給出，但是無法確定每根導(dǎo)線的長度；圖4(b)是工藝設(shè)計(jì)中在分支點(diǎn)處偏左側(cè)50的位置壓接內(nèi)聯(lián)端子，將其進(jìn)行合壓的示意圖，此時可計(jì)算各根導(dǎo)線的尺寸；依據(jù)工序自動識別算法和結(jié)合各導(dǎo)線線端所連接的插接件提取各自的特征，自動識別出的工序組成如圖4(c)所示；根據(jù)工序間的處理對象已經(jīng)相關(guān)工藝約束，工序相互之間的邏輯關(guān)系通過圖4(d)的約束矩陣給出。同理，可以得出其它回路的工序集及其約束矩陣。工序集和約束矩陣是制定工藝路線、進(jìn)行工藝規(guī)劃的重要依據(jù)。

圖4 回路CL2的工序識別

4 應(yīng)用實(shí)例

文中所論述的基本思想是作者在AutoCAD 2007為平臺上以C++語言基于Object ARX進(jìn)行二次開發(fā)的過程中總結(jié)和提煉的，已經(jīng)在汽車線束輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

圖5所示是一張簡易的線束工藝圖紙，它總共包含3個回路：CL1={10}、CL2={12A，12B，12C，12D}和CL3={25A，25B，25C，25D，25E}。經(jīng)過工藝設(shè)計(jì)，運(yùn)用上文所述的算法可以的自動得到工藝工序，圖6和圖7是系統(tǒng)自動生成的線束實(shí)際生產(chǎn)中使用的下線卡和壓接卡。下線卡中給出了要裁剪的每一根導(dǎo)線的詳細(xì)信息，包括兩端的剝皮參數(shù)（頭剝和尾剝）。此外，對于需要進(jìn)行噴色的導(dǎo)線也有說明。

圖5 一張簡易的線束工藝圖紙

由于圖紙中3個回路之間不存在相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，故采用3個矩陣分別表示各自回路中工藝工序間的約束關(guān)系，如表4所示。由于回路CL2和CL3中包含的工藝工序較多，表中只列出了矩陣的部分行數(shù)。

圖6 下線工序卡

圖7 壓接工序卡

表4 工序間關(guān)系

5 小 結(jié)

本文首先對線束工藝圖紙的特征進(jìn)行了總結(jié)，建立了線束工藝圖模型，以無環(huán)連通圖表示其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以回路集描述其導(dǎo)線邏輯連接關(guān)系。然后，對工序做了形式化定義并將工序間邏輯關(guān)系分為順序關(guān)系、互斥關(guān)系和并行關(guān)系3種，最后，給出了線束工藝工序自動識別算法和工序間邏輯關(guān)系自動生成算法，從而快速準(zhǔn)備的自動生成線束圖紙中的工藝工序集和其約束關(guān)系矩陣，從而為線束工藝路線的制定、進(jìn)行工藝規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)踐證明，該算法已在合肥多家汽車線束企業(yè)得到很好的應(yīng)用。對于一張復(fù)雜的線束圖紙，由一個工藝員手工分析，提取工藝工序和判定工序間的關(guān)系需要一個星期才能完成，利用本文提出的算法，自動識別線束工藝工序并識別工序間邏輯關(guān)系僅僅需要2天的時間，并且準(zhǔn)確性得到顯著的提高。由于目前開發(fā)的系統(tǒng)是根據(jù)與我們有過合作的生產(chǎn)廠家的實(shí)際現(xiàn)狀開發(fā)的，而汽車線束生產(chǎn)廠家間生產(chǎn)習(xí)慣的具有差異性，因此，下一步的工作是繼續(xù)結(jié)合其它生產(chǎn)廠家的工藝制造特點(diǎn)，使得軟件具有更好的通用性。

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