基于物料特征編碼的管件制造工藝匹配技術研究*

陳高俊，吉衛(wèi)喜，余杰，阮明偉

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

基于物料特征編碼的管件制造工藝匹配技術研究*

陳高俊，吉衛(wèi)喜，余杰，阮明偉

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

在對某特鋼企業(yè)的產(chǎn)品進行深入研究的基礎上，制定出了一種能夠完整反映產(chǎn)品特征的物料編碼規(guī)則?；谶@個物料編碼規(guī)則，可以確定出新零件的每個特征與數(shù)據(jù)庫中已有零件以及標準零件的特征相似度。然后將產(chǎn)品的特征與加工階段相集成，并且將加工過程劃分成了四個階段，如此便可以根據(jù)相似度高的特征快速制定出新零件的工藝路線。最后，通過一個有縫對焊三通管件的工藝匹配過程驗證了該方法的可行性，成功解決了特鋼行業(yè)的工藝快速匹配問題。

物料編碼規(guī)則；標準零件；特征相似度；工藝匹配技術

0 引言

在多品種小批量生產(chǎn)方式占據(jù)主導地位的工業(yè)市場中，如何快速的滿足用戶需求成為很多企業(yè)所追求的目標。其中快速制定加工工藝是縮短工期的重要手段。長期以來，工藝制定方法一直是很多人重點研究的對象，并且國內(nèi)外都有很多先進的研究成果。國外在傳統(tǒng)的創(chuàng)成式CAPP理論的基礎上，先后開發(fā)出了混合式和智能式CAPP系統(tǒng)。國內(nèi)也在智能化和混合化的方向上開發(fā)出了很多典型的CAPP系統(tǒng)[1]。但是，在特鋼制造業(yè)中，因為這些系統(tǒng)很多都沒有特別的針對性而導致應用時存在很多問題。在對某核電管件制造企業(yè)研究的基礎上，本文提出了一種基于物料特征編碼的工藝路線快速匹配方法，成功的解決了特鋼制造業(yè)中的工藝制定問題。

對產(chǎn)品進行編碼是體現(xiàn)產(chǎn)品特征的一個重要形式。物料編碼的方式有很多，比較經(jīng)典的是文獻一和文獻二中所應用的OPITZ編碼分類系統(tǒng)[1-2]。由于特鋼行業(yè)原材料單一、產(chǎn)品相似程度高，所以在對OPITZ編碼原理充分研究的基礎上，本文首先提出了一種適用于特鋼行業(yè)的物料編碼規(guī)則，為工藝匹配過程提供了支持。工藝匹配的另一個重要工作是根據(jù)產(chǎn)品特征迅速的制定出科學合理的工藝路線。根據(jù)新產(chǎn)品與已有產(chǎn)品及標準工序的相似度可以確定出若干條工藝路線，之后需要通過一定的方法確定出相對最優(yōu)的工藝路線。在這個問題上，文獻三提出了一種基于區(qū)間數(shù)優(yōu)勢度的多屬性排序方法[3]，文獻四中運用了蟻群算法[4]，它們都有效地解決了在其各自行業(yè)中的工藝規(guī)劃問題。在特鋼行業(yè)，各種管件參數(shù)繁多，例如一個彎頭所對應的角度、口徑、壁厚和彎曲半徑等參數(shù)都多達幾十種，基于管件特征的繁雜和重復率高的特點，文中采用了一種基于物料特征相似度的工藝匹配方法解決了這些問題。

1 物料編碼規(guī)則制定

為了能夠快速的匹配出工藝，發(fā)揮計算機輔助作用下得優(yōu)勢，就要滿足工藝信息的可重用性。為了能夠在編制新的零件的時候快速的檢索到以往的信息，我們所采用的方法是給物料制定一串能反映物料特征的編碼。通過檢測物料的編碼，就可以快速的把現(xiàn)有工藝調(diào)用出來以實現(xiàn)工藝匹配的目的。

在制定物料編碼的時候要注意一下幾點：

(1) 為了便于在系統(tǒng)中調(diào)用和自動判別，將物料編碼分為高位碼和低位碼兩部分。其中，高位碼代表物料的基本屬性，包括應用類型、產(chǎn)品當前狀態(tài)和形狀歸類等等；低位碼代表物料具體特征碼，包括物料幾何尺寸、加工類型和制造標準等具體信息；

(2) 成品物料編碼和原材料編碼按照特征區(qū)別對待，分別給予其一定的物料編碼規(guī)則；

(3) 每一位特征碼都對應相應的標準加工工序，為工序的快速匹配提供方便。

1.1 產(chǎn)成品編碼規(guī)則

根據(jù)上述特點，首先介紹產(chǎn)成品的物料編碼規(guī)則。產(chǎn)成品的物料編碼規(guī)則對于快速定義用戶的需求是非常關鍵的。當用戶訂單到達時，首先根據(jù)訂單特征編制其產(chǎn)品編碼。成品的物料編碼分為高位碼和低位碼兩部分。高位碼體現(xiàn)的是產(chǎn)品的總體特征，具體規(guī)則如圖1所示，有六位高位碼，而每一位的數(shù)字都有不同的意義，主要體現(xiàn)在如表1所示的編碼意義表中。例如核電級普通對焊三通管件，根據(jù)我所規(guī)定的編碼規(guī)則，其高位編碼應該是1P0203。

圖1 成品高位碼編碼規(guī)則

其中，每一位碼都有與之對應的編碼含義表，例如第四位的編碼含義表(以通用核電成品管件為例)如表1。

表1 編碼含義表樣例

高位碼表示的是產(chǎn)品的宏觀特征，而具體的特征是在低位碼中體現(xiàn)的。通過對關鍵特征的詳細研究和歸納，我們將物料的低位碼分為三個編碼段。低位特征碼一(8位)描述幾何特征，低位特征碼二(3位)描述制造特征，低位特征碼三(4位)描述材質(zhì)特征。具體規(guī)則如圖2所示。

圖2 成品低位碼編碼規(guī)則

低位特征碼一的8位碼每兩位為一個碼組表示一項基本特征，可以描述成品的角度、口徑、壁厚和彎曲半徑等信息；低位特征碼二用三位碼描述產(chǎn)品的連接形式和制造標準；低位特征碼三則用四位碼描述產(chǎn)品的材質(zhì)和材質(zhì)標準，具體信息見表2。

表2 成品低位碼明細表

產(chǎn)品名稱特征描述二特征描述三無縫對焊彎頭連接形式1-9制造標準01-99材質(zhì)01-99材質(zhì)標準01-99有縫對焊彎頭連接形式1-9制造標準01-99材質(zhì)01-99材質(zhì)標準01-99

1.2 原材料編碼規(guī)則

在產(chǎn)品的MBOM中所描述的物料全部是以原材料的形式從在的，所以在定義了產(chǎn)成品的物料編碼規(guī)則之后還需要定義原材料編碼規(guī)則。原材料的特征相對產(chǎn)成品來說比較少，所以物料編碼位數(shù)也比較短，用13位碼來表示。其中4位高位碼表示原材料屬性，9位低位碼表示產(chǎn)品具體特征。具體的編碼規(guī)則如圖3所示。

與之相對應，每一位編碼都應該有相應的編碼段，下面只以低位碼為例，選擇管材和矩形鑄件為例子說明原材料特征與號碼段的對應關系，如表3所示。

圖3 原材料編碼規(guī)則 表3 原材料號碼段樣例表

名稱特征與編碼段對應關系管型口徑01-99壁厚01-99制造形式1-9材質(zhì)01-99標準01-99矩形鑄件長×寬0001-9999制造形式1-9材質(zhì)01-99標準01-99

按照以上的方法，可以將工藝匹配時所用到的所有物料全部進行編碼。當用戶訂單下達之后，首先就可以得到一個成品碼，而其所包含的物料，都已經(jīng)用相應的編碼規(guī)則做了編碼，為之后的工作做了鋪墊。

2 工藝匹配技術

2.1 特征匹配

上一節(jié)所述的編碼規(guī)則將零件的特征通過與之對應的編碼表示了出來。工藝匹配的時候，根據(jù)新零件與標準工藝及現(xiàn)有零件的特征相似性，可以匹配出一系列工藝路線。這些工序中，相似度越高則工序越準確。所以首要任務就是規(guī)定出相似度的判定方法。首先，要規(guī)定如下符號：

Cnew—表示新零件的成品特征組合,滿足如下表達式：

Cnew={a1,a2,……a21},其中a1,a2，…a6表示六位高位碼，a7,a8，…a21表示15位低位碼；

Y—表示原材料特征組合,滿足如下表達式：

Y={y1,y2,……y13},其中y1,y2，…y13表示13位原材料編碼；

Cold——表示舊零件的成品特征組合,滿足如下表達式：

Cold={c1,c2,……c21},其中c1,c2，…c6表示六位高位碼，c7,c8，…c21表示15位低位碼；

B—表示系統(tǒng)中預定的標準工序所對應的零件的成品特征碼,滿足如下表達式：

B={b1,b2,……b21},其中b1,b2，…b6表示六位高位碼，b7,b8，…b21表示15位低位碼；

S1—表示新零件與標準工序零件的特征相似度；

S2——表示新零件與舊零件的特征相似度；

S1和S2滿足如下等式：

(1)

其中，ωi表示第i位(總共取9位，每一位代表一項特征，例如角度、口徑、壁厚等2-3為特征碼取一位i)特征指標在所有特征碼當中所占的權重。當沒有特殊規(guī)定權重的時候，默認所有特征的權重全部為1，但是當有特殊要求的時候需要加權計算。例如彎頭的彎曲半徑對彎頭的加工工序影響很大，所以在對彎頭進行相似度計算的時候ω9(也就是a20和a21所對應的特征碼)的數(shù)值為3，表示影響較大。這里需要注意的是ωi的值是取1-4之間的整數(shù)，表示影響權重依次增加。

N1i表示Cnew中的新零件與Cold中的現(xiàn)有零件對應位置特征的相似結(jié)果，其取值情況如下[3]：

(2)

這里與S1不同的是這個相似度是Cnew中的新零件和系統(tǒng)中預定的標準零件B中的特征作對比得出的結(jié)果，同理，

若有兩個貨兩個以上現(xiàn)有零件與新零件的相似度相等或非常接近，那么需要對這些零件的相似度進行二次計算。本次計算的時候，按照以下步驟進行：

步驟一：首先將特征按照(i的大小從大到小排列，高位碼特征忽略不計，只保留低位特征碼所對應的權數(shù)；

步驟二：篩選出所有N1i=1的特征，將其余項剔除；

步驟四：將計算結(jié)果進行排列，MAX(Ni)所對應的Si就是最終的相似度S1。

當有新的產(chǎn)品進入的時候，首先按照編碼規(guī)則編制特征編碼，然后用上述的方法計算出該新物料與數(shù)據(jù)庫中已有物料的相似度S1，同時計算出該物料與標準工序物料的特征相似度S2，然后比較兩者的大小，取出相似度較大的一個物料作為參考物料，即總的相似度S=max(S1,S2)。

2.2 工藝路線排序選優(yōu)

上述的方法選出新零件的參考物料之后，需要采取一定的規(guī)則來確定工藝路線的實際排布。在確定實際工藝路線的時候，就要參照現(xiàn)有工藝信息中的每個特征加工方法，同時需要考慮設備的因素，以確定出合理的工藝路線。當同時考慮參考零件工藝、標準工藝、設備信息和特征匹配度等多個因素的時候，工序排列的問題就變成了一個多因素決策的問題。解決這類問題的方法非常多，例如多因素分析法、多元函數(shù)規(guī)劃法、層次分析法和模糊綜合法等很多系統(tǒng)工程中常用的方法[3]。在本文中，考慮到管件的原材料單一、產(chǎn)品相似度高，為了能夠快速的制定出各類管件加工工藝，采用了區(qū)間優(yōu)勢度評審的方法來編制工藝。

首先需要將上節(jié)內(nèi)容中的對比結(jié)果用數(shù)學的方式表現(xiàn)出來。表4是新零件與現(xiàn)有零件和標準零件的特征對比結(jié)果，這個結(jié)果也可以通過矩陣的形式來表示。

表4 特征匹配結(jié)果表

例如上表可以表示為：

在形成工藝的時候，將一般的加工工序分為粗加工、半精加工、精加工和細加工等四個階段，根據(jù)特征需要，每個特征都要遍歷這四個階段，如果某一階段無需加工的時候留作空白即可。如表5所示，是所有特征的幾個加工階段的表示方法。表中每個加工階段都包括加工方法和機床兩部分。例如粗加工階段，有粗車、粗銑等操作，而對應的機床有X53T和C512A和加工中心等。當某一道工序可以由多個機床加工的時候，需要分多行寫出所有組合。此外，如果某一特征的加工需要多道工序才能完成的時候，將其子工序用ωi-2的形式表示[4]。

表5 特征加工階段表

在數(shù)據(jù)庫中，現(xiàn)有工序，標準工序等信息都是通過上述表的形式保存的。在新工序形成的時候，根據(jù)特征相似度一次匹配即可。將工藝形成的步驟總結(jié)如下:

步驟一 ：首先根據(jù)公式1、2計算出S1、S2，并且將其中較大的一個作為主參考零件，現(xiàn)在假設主參考零件是S1

步驟三：將新零件的各特征加工工序填寫在表5所示的圖表中，其中的內(nèi)容按照如下規(guī)則確定：

加工步驟=

步驟四：根據(jù)上述方法確定出新零件對應特征的幾個加工階段的工藝信息。對已經(jīng)匹配好的工序進行檢驗和微調(diào)即可。

3 應用實例

3.1 物料編碼

圖4 三通軸測圖

下面以某三通為例，說明上述過程在具體應用時的具體過程，同時驗證以上理論的正確性。如圖4所示的是一個有縫對焊三通管件，其低位特征見表6所示，根據(jù)第一節(jié)所述的編碼規(guī)則對其進行了編碼。

表6 三通低位特征碼對應表

根據(jù)規(guī)則，有縫對焊三通的高位碼為1P0203，其低位特征如表7所示，根據(jù)編碼規(guī)則，該三通的成品編碼為：1P0203080710301。

將上述信息輸入在軟件中，運行結(jié)果如圖5所示。

圖5 物料編碼生成界面

3.2 工藝匹配

物料編碼生成之后，計算特征相似度，結(jié)果如圖6所示。與其相似度最高的零件是編號為1P0203080810201的有縫對焊三通。所以該零件為主參考零件。

圖6 工藝匹配界面圖

以主參考零件的工藝路線為參考，在軟件中按照2.2中所述的方法進行匹配，得出表7所示加工工藝。

表7 三通加工工藝路線表

4 結(jié)束語

通過將產(chǎn)品的特征與物料編碼相統(tǒng)一，制定出適合特鋼行業(yè)運用的物料編碼方案，為工藝的匹配工作奠定了基礎。當有新零件進入的時候，通過判斷與已有零件的特征相似性可以快速匹配出新零件的工藝。這種技術在特鋼行業(yè)編制工藝方面有很重要的作用。本軟件開發(fā)出來之后，對于縮短交貨期，快速制定工藝有很重要的作用，在某管件生產(chǎn)企業(yè)的應用中取得了非常顯著的作用。本系統(tǒng)的開發(fā)思想對于其他特殊產(chǎn)品工藝制定工作都有一定的借鑒意義。當然，由于筆者能力的限制，系統(tǒng)中還存在很多需要改進的地方，這些將在以后的工作中繼續(xù)改進。

[1] D.E.Anisimov,I.S.Reshetnikov. Management Aspects in MES Implementation Projects[J].Automation and Remote Control,2011.72(6):1319-1333.

[2]SeungWoo Lee,So Jeong Nam,Jia-Kyung Lee. Real-time data acquisition system and HMI for MES[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,26(8)(2012):2381-2388.

[3]J.softw , Maint.Evol. Process management[J]. Research and Practice,2010,22:325-328.

[4]張金遠.基于成組技術的智能型CAPP系統(tǒng)的研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2005.

[5]趙凱凱.基于成組技術的CAPP系統(tǒng)在DVR機加工車間的應用研究[D].南京：南京理工大學，2012.

[6]曾盛卓，黃月芹，馬俊燕,等. 基于特征匹配檢索與區(qū)間數(shù)優(yōu)勢度多屬性排序方法的工藝規(guī)劃研究[J].計算機設計與制造，2012(2)：175-178.

[7]田穎，江平宇，周光輝,等，基于蟻群算法的零件多工藝路線決策方法研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2006,12(6)：882-887.

[8]劉堅，唐運軍. 工藝管理系統(tǒng)模型研究[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展, 2009(16)：50-52.

[9]陳曉慧，賈年龍，段鷹，等. 面向訂單的離散制造企業(yè)多工藝路線優(yōu)化抉擇[J]. 重慶大學學報, 2009，32(4)：425-429.

(編輯 趙蓉)

Research of Pipe Manufacturing Process Matching Technique Based on Material Characteristic Code

CHEN Gao-jun,JI Wei-xi,YU Jie,RUAN Ming-wei

(School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122, China)

Based on the in-depth study of a special steel production enterprise, we developed a product material coding rules that can fully reflect the characteristics of the product. By this rules, we can easily determine the similarity of the new parts and the parts in the database or standard parts for all characteristics. Then, combined processing stage with the characteristics of the product, and divided the process into four stages. Thus you can rapidly develop the process route of the new parts with reference to the highest similarity part. Finally, through a actually matching example of a seaming welded tee pipe, verified the feasibility of this method, and successfully solved the process route rapidly matching problem of special steel industries.

material code rules; standard parts; similarity of characteristics; process matching technique

1001-2265(2014)06-0102-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.028

2013-10-19

江蘇省"六大人才高峰"資助項目(2010-JXQC-089)

陳高俊(1990—) 男，甘肅岷縣人， 江南大學碩士研究生，研究方向為制造業(yè)信息化 、先進制造技術， (E-mail)chengao_jun@163.com。

TH162 ；TG65

A