面向工藝規(guī)劃與車間調(diào)度的集成方法研究

崔曉康，肖艷秋，王磊，李啟

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450002)

0 前言

生產(chǎn)調(diào)度是生產(chǎn)管理過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度相互獨(dú)立，導(dǎo)致了工藝與調(diào)度的嚴(yán)重脫節(jié)。而單元化的制造模式既保留了流水車間的效率又融合了加工車間的柔性，因此基于單元協(xié)同的工藝規(guī)劃與調(diào)度的集成研究成為了一種現(xiàn)實(shí)需求。

早在20世紀(jì)80年代中期，CHRYSSOLOURIS等［1］首先提出了工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成(integrated process planning and scheduling，IPPS)的構(gòu)想;隨后，BECKENDORFF等［2］運(yùn)用可選工藝路線來增加系統(tǒng)的柔性;KHOSHNEVIS等［3］將動態(tài)反饋應(yīng)用到了IPPS中;而ZHANG［4］和LARSEN［5］則在前人工作的基礎(chǔ)之上，將集成系統(tǒng)分層規(guī)劃，收到了良好的效果;近年來針對IPPS問題，國內(nèi)外的學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究，提出了各種集成模型，大致包括以下3種:非線性工藝規(guī)劃、閉環(huán)工藝規(guī)劃和分布式工藝規(guī)劃［6］。雖然上述研究對于構(gòu)建工藝與調(diào)度集成模型已經(jīng)取得了較多的成果，但對于集成模型的研究方法還較少，本文作者借鑒了文獻(xiàn)［8］的中節(jié)點(diǎn)流程圖的思想，提出了調(diào)度因子的概念，為工藝路線的制定和生產(chǎn)計(jì)劃的排產(chǎn)進(jìn)行了綜合的集成優(yōu)化。

1 面向工藝與調(diào)度集成的模型構(gòu)建

1.1 工藝與調(diào)度集成模型

工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成的重要功能是對資源的合理配置與調(diào)度，工藝規(guī)劃是按照工藝要求來選擇可行的加工方法和利用生產(chǎn)資源，而車間調(diào)度則試圖把可用的資源調(diào)配給指定的工序，因此制造資源就成為了集成系統(tǒng)的連接點(diǎn)。文中提出了基于虛擬制造單元的工藝規(guī)劃與車間調(diào)度系統(tǒng)集成模式如圖1所示。該模型由產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)開始，從功能實(shí)現(xiàn)的角度以工藝計(jì)劃、生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與控制為核心，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)計(jì)劃的過程中進(jìn)行分布式并行運(yùn)作。該模型的重點(diǎn)在于以虛擬制造單元為基礎(chǔ)，進(jìn)行工藝規(guī)劃與作業(yè)計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化，以工序驅(qū)動作業(yè)計(jì)劃的排產(chǎn)，達(dá)到作業(yè)車間調(diào)度智能化、高效率的特點(diǎn)。

圖1 工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型

工藝規(guī)劃主要是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，為零件選擇合適的加工方法和加工參數(shù)，文中將一個(gè)零件工藝計(jì)劃的制定分為技術(shù)分析階段、資源分析階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。在技術(shù)分析階段對零件的加工特征及其之間關(guān)系進(jìn)行處理;資源分析階段則接收來自產(chǎn)品工藝技術(shù)分析信息和車間的制造資源狀態(tài)信息，根據(jù)車間內(nèi)制造資源信息，對各工藝技術(shù)方案進(jìn)行分析，當(dāng)可用資源與某一工序相匹配時(shí)，將該制造資源作為這道工序的候選設(shè)備在最后的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段由工藝規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)，確定切削用量、刀具路徑及相應(yīng)的加工時(shí)間等參數(shù)。然后把具有完整工藝路線及詳細(xì)資源和技術(shù)信息的工藝計(jì)劃送入車間調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)。車間資源調(diào)度組織模型采用基于虛擬單元與工序驅(qū)動的作業(yè)計(jì)劃和控制模式，從而對制造資源和生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測與實(shí)時(shí)控制。

上述工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型通過把工藝路線制定過程分為3個(gè)階段，前兩個(gè)階段主要為工藝計(jì)劃的制定，第三個(gè)階段為作業(yè)計(jì)劃的排產(chǎn)，在技術(shù)分析階段完成工作量較大并且與制造資源和時(shí)間無關(guān)的粗工藝路線制定內(nèi)容，從而很好地解決了及時(shí)工藝規(guī)劃與閉環(huán)工藝規(guī)劃在短時(shí)間內(nèi)無法完成所有工藝計(jì)劃的問題，提高了工藝路線的可重用性。該集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖中矩形框代表集成系統(tǒng)中的某一功能模塊，它要完成系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的工作，而平行四邊形框代表了某一功能的處理結(jié)果，或者某些功能處理時(shí)的必要信息，雙點(diǎn)劃線框內(nèi)代表基于虛擬制造單元的資源組織調(diào)度模型，該模型先對工藝規(guī)劃系統(tǒng)初步制定的粗工藝路線中的工序進(jìn)行資源選擇分配，將車間中的可用資源與工序進(jìn)行匹配，而整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)資源組織調(diào)度模型的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行技術(shù)仿真和過程仿真，在滿足實(shí)際條件的情況下進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃排產(chǎn)，進(jìn)而送達(dá)車間進(jìn)行生產(chǎn)，否則就重新進(jìn)行分析和分配。

基于虛擬制造單元的制造資源模型是面向工藝與調(diào)度智能化集成的方式方法，它描述了在作業(yè)車間調(diào)度系統(tǒng)中如何根據(jù)工藝路線組織制造資源，虛擬制造單元模式將不同車間、不同分廠、甚至不同企業(yè)的制造資源視為共享的制造資源模型知識庫，面對多種多樣且在不斷變化的加工工件，原有的虛擬單元組狀態(tài)無法滿足生產(chǎn)需要時(shí)，系統(tǒng)就在資源庫中選擇合適的資源，進(jìn)行虛擬制造單元重構(gòu)，從而適應(yīng)動態(tài)多變的市場環(huán)境。虛擬制造單元是一種生產(chǎn)車間級的調(diào)度作業(yè)模式，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生變化時(shí)，原有的單元組態(tài)方案無法滿足新產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，可根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的特點(diǎn)以及企業(yè)可利用的制造資源的狀態(tài)、制造能力等信息對虛擬單元進(jìn)行重構(gòu)，從而快速擴(kuò)展制造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，提高了車間作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)的柔性。

圖2 集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

1.2 柔性工藝路線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖

柔性的工藝路線往往包括可供選擇的機(jī)床、可供選擇的工藝路徑和可供選擇的工序序列。柔性工藝路線按照集成化的要求可被描述為網(wǎng)絡(luò)化流程圖、ORG工藝流程圖和與/或節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖。文中采用與/或節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖來對工藝和調(diào)度進(jìn)行集成優(yōu)化。在這個(gè)流程圖中包含了6種節(jié)點(diǎn)，分別為:起始節(jié)點(diǎn)、工序節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)、或節(jié)點(diǎn)、與節(jié)點(diǎn)以及合并節(jié)點(diǎn)。起始和終止節(jié)點(diǎn)為虛擬節(jié)點(diǎn)分別代表工藝路線的開始和結(jié)束;工序節(jié)點(diǎn)表示工藝路線中供加工的工序;或節(jié)點(diǎn)表示零件在之后的工序中可以有多條工藝路徑來完成，及每條路徑都能完成該工序的操作;而與節(jié)點(diǎn)則表示零部件在接下的工序中必須同時(shí)進(jìn)行多條路徑的操作才能滿足工藝路線的要求;合并節(jié)點(diǎn)表示在多條可供選擇或同時(shí)加工的路徑下，工藝路線又回歸到一條路徑上來。如圖3所示，表示了某零部件的集成工藝路線的與/或節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖。

圖3 集成工藝路線的與/或節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖

圖中所示的各工序節(jié)點(diǎn)中包含了工序號、可供選擇的制造資源以及其所需的加工時(shí)間，在技術(shù)分析階段制定粗工藝路線，而資源分析階段則將滿足要求的車間制造資源分配給相應(yīng)的工序節(jié)點(diǎn)，同一個(gè)工序節(jié)點(diǎn)的制造資源則通過優(yōu)化選擇的方式進(jìn)行匹配。將這些信息進(jìn)行儲存后便進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，為完成最終工藝路線的制定和生產(chǎn)計(jì)劃的排產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

2 基于調(diào)度因子的工序與車間制造資源匹配選擇

2.1 調(diào)度因子的概念

這一步主要包括在考慮調(diào)度準(zhǔn)則的前提下，如何來確保分配到工序的制造資源是最適合的。這個(gè)機(jī)器對于某一項(xiàng)工序的操作在不違反工藝規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)相同的公差或者表面光潔度等要求。調(diào)度準(zhǔn)則僅僅要求工件加工時(shí)間和廢品率，而工藝與調(diào)度集成模型則期望既能減少加工時(shí)間又能降低廢品率。這就導(dǎo)致車間需要快速響應(yīng)加工需求以及時(shí)間要求。由此定義了調(diào)度因子如下:

式中:C為設(shè)備總費(fèi)用;

C0為單元時(shí)間內(nèi)設(shè)備操作費(fèi)用;

T為設(shè)備操作的平均循環(huán)時(shí)間;

N為可供使用選擇的機(jī)器數(shù);

X1－X10為可供選擇的變量的重要度，用1－10表示(1表示重要度最小，10表示重要度最大)。

一臺設(shè)備被某項(xiàng)特定的操作所選擇是因?yàn)檫@臺設(shè)備具有最高價(jià)值的調(diào)度因素。這個(gè)調(diào)度因素與C成正比，與C0、T和N成反比。

對于理想狀態(tài)下理想設(shè)備計(jì)算所得的調(diào)度因子稱為理想調(diào)度因子μI，理想工作條件包括理想的設(shè)備和工具。然而在實(shí)際工作環(huán)境中，情況可能有所不同。車間調(diào)度是根據(jù)實(shí)際的設(shè)備數(shù)量以及他們的性能、工具等來進(jìn)行排產(chǎn)的?；趯?shí)際的車間條件，實(shí)際調(diào)度因子μA的計(jì)算方法如下:

理想調(diào)度因子:式中:CI0表示理想操作費(fèi)用，TI表示理想循環(huán)時(shí)間;實(shí)際調(diào)度因子:

式中:CA0表示實(shí)際操作費(fèi)用，TA表示實(shí)際循環(huán)時(shí)間;

通過計(jì)算可以得到進(jìn)行指定操作設(shè)備的實(shí)際調(diào)度因子，然后選擇其中的最大值來進(jìn)行該操作，步驟如下:

步驟1:檢查設(shè)備是否具備工作條件，出現(xiàn)故障或正在維修的設(shè)備是不能進(jìn)行作業(yè)安排的;

步驟2:檢查每臺設(shè)備的現(xiàn)狀(可用或者不可用)。當(dāng)一臺機(jī)器的作業(yè)周期比這臺機(jī)器的可利用時(shí)間還長，那么這臺機(jī)器也被認(rèn)為是無法使用的;

步驟3:根據(jù)精度、表面光潔度、可用原材料以及加工速度，空間的限制和其他因素來查驗(yàn)可用設(shè)備的執(zhí)行力;

步驟4:基于調(diào)度因子，進(jìn)行理想工藝規(guī)劃轉(zhuǎn)化為實(shí)際工藝規(guī)劃。

2.2 最優(yōu)工藝路線和生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃

經(jīng)過技術(shù)分析和資源分析后，由集成模型制定的粗工藝路線進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，在粗工藝路線中每個(gè)工序都具有多個(gè)可選的車間制造資源，這些可用的制造資源在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通過調(diào)度因子來進(jìn)行匹配選擇，最終來完成最優(yōu)工藝路線的制定和生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃的排產(chǎn)。針對圖2所示的某零部件的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖，應(yīng)用該方法得到的最終結(jié)果如圖4所示。

圖4 最優(yōu)工藝路線和生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃

如圖所示灰色框表示有多個(gè)可供選擇的加工工序，而粗線條則表示需要按照節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)流程圖中的順序返回到之前最近的一個(gè)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行另外一條工藝路徑的加工操作。由此便能確定該零部件的詳細(xì)工藝路線及其車間生產(chǎn)計(jì)劃的排產(chǎn)。

3 結(jié)束語

在對車間工藝規(guī)劃和車間作業(yè)調(diào)度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于虛擬制造單元的資源調(diào)度組織模型，將車間工藝規(guī)劃與車間作業(yè)調(diào)度二者的結(jié)合點(diǎn)即制造資源單元化，在資源組織調(diào)度模型的框架內(nèi)進(jìn)行工序與資源的匹配，最后通過調(diào)度因子分別對理想調(diào)度情況和實(shí)際調(diào)度情況進(jìn)行分析，將實(shí)際車間環(huán)境映射到集成模型中，實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)劃與車間調(diào)度模型之間的信息融合，提高了車間的生產(chǎn)效率。

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