基于行程單元的計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理

□ 楊志剛 □ 蔡 權(quán) □ 孫 麗

大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 遼寧大連 116028

工藝行程（Routings）又稱(chēng)工藝路線，是描述物料加工、零部件裝配的操作順序以及位置的技術(shù)文件。工藝行程宏觀地描述產(chǎn)品或物料的制造過(guò)程，是進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃和管理的重要依據(jù)。工藝行程不詳細(xì)說(shuō)明加工技術(shù)條件和操作要求，主要說(shuō)明加工裝配過(guò)程中的工序順序和經(jīng)過(guò)的工作中心等計(jì)劃信息。因此，工藝行程是一種計(jì)劃管理文件而不是加工工藝文件，貫穿產(chǎn)品從準(zhǔn)備生產(chǎn)到完成生產(chǎn)的整個(gè)生命周期［1］?？茖W(xué)的工藝行程管理，對(duì)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障企業(yè)生產(chǎn)資源的合理利用、提高生產(chǎn)管理水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率、促進(jìn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)效益最大化發(fā)揮著重要的作用。

在制造企業(yè)中，一般由工藝部門(mén)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM（Engineering BOM,EBOM）［2］進(jìn)行工藝行程設(shè)計(jì)，并分發(fā)到生產(chǎn)計(jì)劃部門(mén)和產(chǎn)品制造涉及的工作中心。設(shè)計(jì)過(guò)程包括設(shè)計(jì)、校對(duì)、審批，當(dāng)生產(chǎn)資源發(fā)生變化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)生變更時(shí)，需要對(duì)工藝行程進(jìn)行變更。因此，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工藝行程的設(shè)計(jì)與管理包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：其一，技術(shù)層面的輔助設(shè)計(jì)；其二，管理層面的設(shè)計(jì)過(guò)程管理、變更管理、文件分發(fā)與歸檔等文件管理。

同任何活動(dòng)的管理一樣，工藝行程的設(shè)計(jì)與管理需要?jiǎng)澐殖龉ぷ鲉卧?，以便于合理地分配資源，更好地管理和控制。工藝行程設(shè)計(jì)與管理工作單元可以有三種劃分方式：①將完整產(chǎn)品作為工作單元；②將產(chǎn)品的每個(gè)零件作為工作單元；③將部件或具有裝配關(guān)系的一組零件（即零件集）作為工作單元。顯然，針對(duì)包含成千上萬(wàn)個(gè)零部件的大型復(fù)雜產(chǎn)品，第一、二種方式的劃分要么過(guò)粗，要么過(guò)細(xì)，不僅制約工作效率，延長(zhǎng)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且不利于并行工程（Concurrent Engineering,CE）的開(kāi)展，與企業(yè)實(shí)際的工作方式也不相符。事實(shí)上，第一、二種方式是第三種方式的特例，按第三種方式定義工作單元不僅具有普適性，而且可以根據(jù)實(shí)際需求靈活地組織工藝行程設(shè)計(jì)與管理活動(dòng)。鑒于此，本文提出行程單元概念，以此為基礎(chǔ)，提出基于行程單元的計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理方法。

1 行程單元定義與信息模型

定義 1：行程單元 （Routing Unit）。

行程單元定義為一個(gè)三元組 （U，C，A）。U為單元的屬性集，包括單元標(biāo)識(shí)、名稱(chēng)、版本、定義者、創(chuàng)建日期、更新日期等，其中，版本屬性用于支持單元的變更管理。C為產(chǎn)品設(shè)計(jì)子BOM，是具有裝配關(guān)系的零部件集合，對(duì)圖1示例的產(chǎn)品BOM，可定義m部件的零件集合為三元組的C元，C表示 為 C=｛m，a，b，c，c1，c2，d，d1，d2｝。 A 為活動(dòng)集，描述該單元所涉及的設(shè)計(jì)與管理活動(dòng)承擔(dān)者、活動(dòng)狀態(tài)與反饋信息，A=｛m，s，i｝，其中，m 為活動(dòng)承擔(dān)者，s為活動(dòng)狀態(tài)集｛未送校、送校、退校、送審、退審、送批、退批｝，i表示反饋信息，描述活動(dòng)處于退回狀態(tài)時(shí)退回的反饋意見(jiàn)。

行程單元定義描述了行程設(shè)計(jì)或管理活動(dòng)單元的活動(dòng)內(nèi)容、活動(dòng)對(duì)象、活動(dòng)范圍、活動(dòng)資源配置和活動(dòng)狀態(tài)。

定義 2：行程單 （Routing Order）。

行程單是針對(duì)某行程單元設(shè)計(jì)的工藝行程文件，包含行程單元中每個(gè)零部件的工藝行程及文件簽署信息。行程單與行程單元對(duì)應(yīng)，是行程單元行程設(shè)計(jì)與管理活動(dòng)流程的信息載體，它描述了行程設(shè)計(jì)或管理活動(dòng)的輸出。

根據(jù)前述的定義，行程單元與行程單的E-R（實(shí)體-關(guān)系）［3］模型如圖2中的虛線框內(nèi)所示。

▲圖1 產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)示例

2 基于行程單元的工藝行程設(shè)計(jì)與管理流程

如圖3所示，基于行程單元的工藝行程設(shè)計(jì)與管理流程，以行程單元為工作單元進(jìn)行工藝行程的設(shè)計(jì)與管理。首先根據(jù)設(shè)計(jì)BOM選擇某個(gè)部件或零件集定義行程單元，指派給設(shè)計(jì)師進(jìn)行行程設(shè)計(jì)，之后進(jìn)行校對(duì)、審核、審批?；顒?dòng)由行程單元定義、設(shè)計(jì)、校對(duì)、審核和審批角色執(zhí)行，每個(gè)角色可由不同數(shù)量的人員承擔(dān)。流程中退回過(guò)程采用逐級(jí)回退方式，即審批退回到審核，審核退回到校對(duì)，校對(duì)退回到設(shè)計(jì)。

3 基于行程單元的行程設(shè)計(jì)任務(wù)分派方法

前述流程中，涉及到行程設(shè)計(jì)、校對(duì)、審核、審批活動(dòng)，活動(dòng)任務(wù)由具有特定角色的某個(gè)人員執(zhí)行。由于同一角色往往有多個(gè)人員，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助行程設(shè)計(jì)與管理活動(dòng)中，需要用一種分配方法分配給特定角色的操作用戶(hù)執(zhí)行。針對(duì)某一活動(dòng)，可以采用指派或搶選法［4］。一般行程設(shè)計(jì)需要工藝人員專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)知識(shí)、能力與經(jīng)驗(yàn)。行程的校對(duì)是按照校對(duì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工藝師設(shè)計(jì)的工藝行程在格式、文字、標(biāo)準(zhǔn)、符號(hào)慣例以及內(nèi)容完整性等方面進(jìn)行查對(duì)，主要是查對(duì)是否有遺漏、是否符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。審核、審批往往由資深的工藝師或部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)。根據(jù)指派與搶選法的特點(diǎn)，行程設(shè)計(jì)任務(wù)的分派適合采用指派法，校對(duì)、審核、審批則采用搶選法比較適宜。因此，綜合應(yīng)用指派、搶選方法進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)分派，適宜于大多數(shù)企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)和人員配置。方法思想是：行程單元定義者定義完成行程單元后，在設(shè)計(jì)師角色人員名單中選擇指派設(shè)計(jì)任務(wù)。設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)后的校對(duì)、審核、審批活動(dòng)，不指派特定人員，由相應(yīng)角色的人員搶選任務(wù)，完成活動(dòng)任務(wù)。

方法的實(shí)現(xiàn)基于圖2中的“活動(dòng)”信息實(shí)體，指派法的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，只要在設(shè)計(jì)師角色人員列表中選擇某個(gè)設(shè)計(jì)師，置設(shè)計(jì)者ID（編號(hào)）即可。搶選法以“活動(dòng)”表作為任務(wù)池［4］，由校對(duì)、審核、審批人員從任務(wù)池中搶選任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)的操作。為避免搶選沖突，采用文獻(xiàn)［4］中提出的搶選規(guī)則進(jìn)行約束。對(duì)于退校、退審、退批形成的二次活動(dòng)任務(wù)，采取誰(shuí)做誰(shuí)承擔(dān)的方式，即原始是誰(shuí)執(zhí)行的任務(wù)，退回到由誰(shuí)再次完成。

▲圖2 行程單元與行程單信息模型

▲圖3 基于行程單元的工藝行程設(shè)計(jì)與管理流程

4 基于行程單元的計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

某大型機(jī)車(chē)生產(chǎn)制造企業(yè)主要制造大型內(nèi)燃機(jī)車(chē)和貨運(yùn)電力機(jī)車(chē)，工藝部負(fù)責(zé)工藝行程的設(shè)計(jì)與管理，過(guò)去設(shè)計(jì)完成的工藝行程為紙質(zhì)文件，設(shè)計(jì)完成后下發(fā)到各單位執(zhí)行，當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)生變更或生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃有變更需求時(shí)，工藝部組織對(duì)原工藝行程進(jìn)行變更，以變更通知單發(fā)放到使用單位執(zhí)行變更。針對(duì)該企業(yè)工藝行程設(shè)計(jì)、管理與使用中的諸多問(wèn)題［5］,采用了面向企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）的網(wǎng)上設(shè)計(jì)、管理、發(fā)放工藝行程的解決方案，方案以行程單元為活動(dòng)管理單元，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Web計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，TOMCAT為中間件，使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)，以J2EE技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.1 用戶(hù)、角色與組織管理

網(wǎng)上工藝行程設(shè)計(jì)與管理模式涉及兩類(lèi)用戶(hù)，一類(lèi)是工藝行程設(shè)計(jì)、管理用戶(hù)；一類(lèi)是使用工藝行程的生產(chǎn)管理與制造部門(mén)用戶(hù)。設(shè)計(jì)管理類(lèi)用戶(hù)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、校對(duì)、審核、審批、發(fā)布工藝行程；工藝行程使用用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)下載發(fā)布的工藝行程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將各類(lèi)用戶(hù)分類(lèi)為不同的角色，對(duì)每個(gè)角色賦予相應(yīng)的權(quán)限。系統(tǒng)設(shè)置組織管理模塊，實(shí)現(xiàn)按層次結(jié)構(gòu)維護(hù)企業(yè)的組織架構(gòu)，通過(guò)用戶(hù)所屬的組織，管理工藝行程的發(fā)放。設(shè)置角色管理模塊，對(duì)角色及操作權(quán)限進(jìn)行維護(hù)管理，設(shè)置用戶(hù)管理模塊維護(hù)管理登錄用戶(hù)，對(duì)登錄用戶(hù)通過(guò)所屬角色、所屬組織鑒權(quán)賦予功能使用權(quán)限和數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限。

4.2 BOM維護(hù)管理

▲圖4 計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

如圖3所示，行程單元定義的基礎(chǔ)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)BOM。根據(jù)前述行程單元的定義，行程單元的定義操作過(guò)程即是針對(duì)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM，選擇確定某個(gè)子BOM作為行程單元，以約定特定的一次行程設(shè)計(jì)或管理活動(dòng)的對(duì)象。因此，需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)BOM進(jìn)行處理，映射成便于操作的對(duì)象。映射處理過(guò)程將CAD系統(tǒng)的裝配圖零件信息表構(gòu)建成XML文件，并基于XML文件獲得產(chǎn)品 BOM信息［6］。 為采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)描述BOM項(xiàng)之間的裝配關(guān)系，設(shè)置是否葉節(jié)點(diǎn)屬性（見(jiàn)圖2，是葉節(jié)點(diǎn)，值為1，否則為0）用以描述BOM項(xiàng)是否為BOM樹(shù)的葉節(jié)點(diǎn)，設(shè)置父件BOM_ID屬性（見(jiàn)圖2，值為父節(jié)點(diǎn)的BOM_ID）用以描述BOM項(xiàng)所屬的父節(jié)點(diǎn)。根據(jù)這兩個(gè)字段，采用目錄樹(shù)構(gòu)建方法［7］生成 BOM結(jié)構(gòu)樹(shù),如圖 5所示?；贐OM結(jié)構(gòu)樹(shù)，瀏覽選擇BOM項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)BOM項(xiàng)數(shù)據(jù)的查詢(xún)、修改、刪除等維護(hù)操作。

4.3 行程單元定義的實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)圖形化描述了產(chǎn)品的構(gòu)成和裝配關(guān)系。結(jié)構(gòu)樹(shù)中有兩類(lèi)BOM項(xiàng)，一類(lèi)是含有子節(jié)點(diǎn)的部件，可含有多級(jí)子節(jié)點(diǎn)（子部件）和葉節(jié)點(diǎn)（零件）；一類(lèi)是葉節(jié)點(diǎn)（零件），葉節(jié)點(diǎn)依存于部件節(jié)點(diǎn)。因此，行程單元定義可采用選擇部件節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)步驟如下。

步驟1：選擇產(chǎn)品，列示所有部件節(jié)點(diǎn)（葉節(jié)點(diǎn)屬性值為0的BOM項(xiàng)）。

步驟2：在列表中選擇某部件，列示該部件的所有子部件及零件。

步驟3：勾選其中的BOM項(xiàng)作為零件集。步驟4：初始化行程單元頭及明細(xì)信息。

▲圖5 BOM結(jié)構(gòu)樹(shù)

▲圖6 工藝行程設(shè)計(jì)頁(yè)面

步驟5：顯示設(shè)計(jì)師角色列表，分派設(shè)計(jì)任務(wù)。

步驟6：初始化“活動(dòng)”表（見(jiàn)圖2）信息。

4.4 工藝行程設(shè)計(jì)與變更實(shí)現(xiàn)技術(shù)

應(yīng)用單位的需求，零件的工藝行程采用代號(hào)字符串描述法。工藝行程中的工作中心和加工工序用代號(hào)表示，代號(hào)之間用“-”連接，形成一個(gè)表示零件加工工序和對(duì)應(yīng)工作中心的字符串。例如，某零件需經(jīng)過(guò)下料（代號(hào)：X）、熱處理（代號(hào)：R）、機(jī)械加工（代號(hào):J），工作中心經(jīng)過(guò)下料車(chē)間（代號(hào)：下）、熱處理車(chē)間（代號(hào)：熱）、機(jī)械加工車(chē)間（代號(hào)：機(jī)）。代號(hào)字符串為“下X-熱R-機(jī) J”。

行程設(shè)計(jì)采用基于實(shí)例的生成方法。設(shè)實(shí)例庫(kù)，其實(shí)體模型如圖2所示，示例某企業(yè)的產(chǎn)品BOM中，零部件編碼作為零部件唯一標(biāo)識(shí)，將其作為主鍵進(jìn)行零件工藝行程實(shí)例的檢索和記錄。基于實(shí)例的行程單元工藝行程生成步驟與方法如下。

（1）根據(jù)登錄人員的ID,檢索“活動(dòng)”表，列示所有行程單元。

（2）選擇行程單元，檢索列示行程單元所有零件信息。

（3）針對(duì)每一零件，以零部件編碼檢索實(shí)例庫(kù)，如實(shí)例存在，列示檢索的工藝行程，如實(shí)例不存在，工藝行程置為空。

（4）編輯修改單元每個(gè)零件的工藝行程，形成行程單。

（5）提交行程單進(jìn)行校對(duì)、審核、審批。

（6）審批通過(guò)，針對(duì)行程單元的每個(gè)零件，更新工藝行程實(shí)例。

工藝行程設(shè)計(jì)界面如圖6所示。

工藝行程的變更有兩類(lèi)，一類(lèi)是單元零件集不變，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)EBOM不變，單純變更工藝行程。這種情況往往由生產(chǎn)過(guò)程中工序順序調(diào)整或工作中心變更需求導(dǎo)致。另一類(lèi)變更是單元零件集變更，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更，有3種：①裁減去掉一個(gè)或多個(gè)零部件；②新增一個(gè)或多個(gè)零部件；③一個(gè)或多個(gè)零部件屬性（如材料、規(guī)格、數(shù)量等）變化。變更通過(guò)引入行程單元版本及行程單版本實(shí)現(xiàn)。

單純變更工藝行程的實(shí)現(xiàn)步驟與方法如下。

（1）選擇待變更的行程單元對(duì)應(yīng)的行程單。

（2）初始化“活動(dòng)”表，行程單版本加1，初始化行程單信息，設(shè)計(jì)任務(wù)分配給上個(gè)版本的設(shè)計(jì)人員。

（3）設(shè)計(jì)人員登錄系統(tǒng)，設(shè)計(jì)新版行程單，由于設(shè)計(jì)采用基于實(shí)例的方法，可檢索出上個(gè)版本的行程單進(jìn)行編輯修改，形成新的設(shè)計(jì)。

行程單元零件集變更的實(shí)現(xiàn)步驟與方法如下。

（1）根據(jù)EBOM變更，更新系統(tǒng)中的BOM結(jié)構(gòu)樹(shù)。

（2）選擇待變更的行程單元，更新單元零件集，置單元版本加1，初始化“活動(dòng)”表（對(duì)應(yīng)行程單版本缺省為0）、行程單頭、行程單明細(xì)和工藝行程設(shè)計(jì)師。

（3）設(shè)計(jì)人員登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)新版行程單元的行程單。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)制造企業(yè)的工藝行程設(shè)計(jì)與管理，提出了基于行程單元組織設(shè)計(jì)與管理活動(dòng)的思想，給出了行程單元與行程單的概念與模型，以此為基礎(chǔ)，提出了基于行程單元的計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理流程，給出了設(shè)計(jì)任務(wù)的指派與搶選綜合分派方法。結(jié)合某企業(yè)的需求，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于行程單元的計(jì)算機(jī)輔助工藝行程設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)，介紹了實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)。所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，基于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的網(wǎng)上工藝行程設(shè)計(jì)與管理，取得了良好的應(yīng)用效果，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本文提出的理論和實(shí)現(xiàn)方法的可用性和可實(shí)施性。

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