智能制造環(huán)境下工藝規(guī)劃分級策略研究*

楊 威，涂海寧，陸 遠

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

智能制造環(huán)境下工藝規(guī)劃分級策略研究*

楊 威，涂海寧，陸 遠

(南昌大學(xué) 機電工程學(xué)院，南昌 330031)

為適應(yīng)智能制造的生產(chǎn)特點，需對傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃方式進行相應(yīng)的改進，文章提出了面向智能制造過程的規(guī)劃分級策略。根據(jù)零件的不同加工階段的特點及工藝信息的設(shè)計粒度需求，給出了網(wǎng)絡(luò)化的任務(wù)分級模型，建立了生產(chǎn)準(zhǔn)備資源與任務(wù)的映射關(guān)系，最后通過將構(gòu)建的生產(chǎn)準(zhǔn)備平臺系統(tǒng)應(yīng)用于某煙草機械企業(yè)，驗證了該策略及模型的正確性。

智能制造；工藝任務(wù)分級；關(guān)系映射；任務(wù)模型；工藝資源

0 引言

伴隨著第四次工業(yè)革命發(fā)展的大潮，我國提出“中國制造2025”的規(guī)劃，其主線是將工業(yè)技術(shù)與計算機技術(shù)進行有機地融合，充分利用信息技術(shù)，促進信息交流和知識共享，建立起智能機器與人類專家共同組成的人機一體化的智能系統(tǒng)。企業(yè)要適應(yīng)新的環(huán)境變化，就必須對信息化發(fā)展提出了更高的要求。系統(tǒng)必須擁有的靈活的工藝分級策略，對資源的智能推薦以及高效的資源組織能力等等。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對工藝決策問題研究較多，但是對工藝任務(wù)分級研究相對較少。目前國內(nèi)的信息化系統(tǒng)對工藝任務(wù)分級的支持力度還比較弱，任務(wù)分級的智能化尚處于研究階段，比較有代表性的研究有：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 CAPP 智能工藝決策專家系統(tǒng)和工序排序[1]；特征加工方案決策過程建模和制造資源的結(jié)構(gòu)模型[2]；加工設(shè)備與制造資源的的關(guān)系，以及加工工藝的生成[3]；提出了型號產(chǎn)品的工藝任務(wù)快速分解的方法[4]。國內(nèi)目前在對藝任務(wù)分級的工藝智能決策方面仍存在明顯的不足，具體表現(xiàn)在對工藝任務(wù)分級的忽視，以及對不同工藝任務(wù)，不能智能識別所需的生產(chǎn)資源，而且組織生產(chǎn)資源的效率還不夠高效。

針對上述問題，首先對工藝任務(wù)進行分析與抽象，建立工藝任務(wù)的基本模型，在此基礎(chǔ)上將工藝任務(wù)進行分級，得到各個不同層次與不同階段的工藝子任務(wù)，最后建立工藝子任務(wù)與生產(chǎn)資源的映射關(guān)系。依據(jù)任務(wù)分級策略和工藝任務(wù)與生產(chǎn)資源映射關(guān)系就能快速的得到該工藝任務(wù)所需的生產(chǎn)資源，更快的為下一步的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供資源，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 工藝任務(wù)建模

工藝任務(wù)是產(chǎn)品制造之前的技術(shù)準(zhǔn)備工作，是聯(lián)系產(chǎn)品設(shè)計和實際生產(chǎn)的橋梁，是一項具有很強經(jīng)驗性的活動。工藝任務(wù)建模就是為了按照實際情況或按需要的樣式對工藝任務(wù)進行可視化。

工藝任務(wù)一般是依據(jù)項目來組織的，可以按照實際情況分解成一些列的工藝子任務(wù)，如圖1所示，分解的結(jié)構(gòu)為樹狀圖。工藝任務(wù)按照其性質(zhì)與屬性，可以用如下的十元組來表示。

Task=

(1)

式中，Id表示任務(wù)的編號，對任務(wù)進行唯一標(biāo)示；Exe表示任務(wù)的的執(zhí)行者；Sta表示任務(wù)的完成狀態(tài)，分為“未完成”、“執(zhí)行中”和“已完成”；Type表示任務(wù)的類型，如機加工藝和熱處理工藝；Pro表示任務(wù)執(zhí)行的流程編號，該流程包括工藝編制，校對，審核，批準(zhǔn)，會簽等；Sd表示任務(wù)的開始時間；Ed表示任務(wù)的結(jié)束時間；Pid表示該任務(wù)的父級任務(wù)的任務(wù)編號；Sids表示該任務(wù)的子級任務(wù)的任務(wù)集合；Dis表示該任務(wù)的任務(wù)描述。圖1中任務(wù)的分級就可以用該十元組來表示。

通過這種表示方法，工藝任務(wù)有以下特性：①一個工藝任務(wù)可以繼續(xù)分解，可能包含一個或者多個工藝子任務(wù)；②相鄰兩級任務(wù)之間是父子關(guān)系，同一父任務(wù)的各級子任務(wù)之間既有可能是串行關(guān)系也有可能是并行關(guān)系；③每個工藝任務(wù)都應(yīng)該有對應(yīng)審核流程，而且審核的部門或者審核人不同；④當(dāng)一個工藝任務(wù)包含多個工藝子任務(wù)時，只有所有的工藝子任務(wù)都完成時，整個工藝任務(wù)才算完成。

2 分級策略描述

本文提出的工藝任務(wù)分級策略如圖1所示，限于篇幅只列出部分，企業(yè)可以按照實際情況將任務(wù)繼續(xù)細分。依據(jù)前面提到的工藝任務(wù)的模型，每個工藝任務(wù)都包含一些列的工藝子任務(wù)，從整體來看，又可以將工藝任務(wù)劃分為不同的層次，任務(wù)的結(jié)構(gòu)層次越多，任務(wù)也就越具體。工藝任務(wù)分級的過程就是工藝任務(wù)由粗到細，由模糊到具體的過程。工藝任務(wù)分級是以計算機的角度合理地運用系統(tǒng)的組織和控制職能，利用當(dāng)前有限資源，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期。

圖1 工藝任務(wù)分級

按照對產(chǎn)品工藝任務(wù)分級的功能需求，產(chǎn)品的生產(chǎn)活動可以劃分為以下的過程。首先下達生產(chǎn)任務(wù)，從ERP或者PDM獲取BOM數(shù)據(jù)，得到生產(chǎn)該產(chǎn)品的裝配件、零部件、原材料的清單信息和數(shù)量信息以及零部件的零件類別、精度等級、形狀特征、毛坯類型、材料類型、尺寸范圍等各個零部件的信息。其次對各個零部件的制造的分工，對產(chǎn)品的裝配工藝和零部件制造工藝在企業(yè)之間、企業(yè)內(nèi)部進行分配，如零件制造車間的選擇。然后對零部件的任務(wù)分級規(guī)劃，主要是對零部件的工藝準(zhǔn)備任務(wù)在企業(yè)內(nèi)部分配活動。零部件的制造工藝，依據(jù)零件的表面特征，先將工藝任務(wù)初步分為機加工，熱處理等，然后對一級任務(wù)繼續(xù)劃分，機加工又可以分為手控加工工藝和數(shù)控加工工藝，如需要數(shù)控加工還要編寫NC程序，交給車間的數(shù)控操作工完成。像這樣工藝任務(wù)可以細分到工序，工序還可以具體到工步，工序級的任務(wù)就比較明確，需要考慮選擇加工設(shè)備、工裝與切削用量等工藝參數(shù)以及輔助工序(如修研中心孔、上油、清洗、去毛刺等)。最后對零部件裝配，結(jié)合裝配工藝流程圖，根據(jù)裝配的技術(shù)要求，通過調(diào)整、修配、校正和反復(fù)檢驗等來保證裝配的技術(shù)要求。

3 工藝資源映射

工藝資源與工藝任務(wù)單元之間并不是單純的一一對應(yīng)的關(guān)系，即一個工藝任務(wù)單元的執(zhí)行需要多個工藝資源的配合；而一個工藝資源所描述的資源能力一般也是多個工藝任務(wù)單元所需要的，因此工藝資源與工藝任務(wù)單元是多多對應(yīng)的關(guān)系。對于工藝任務(wù)單元而言，其所需的資源可以在工藝資源中進行搜索，即是工藝任務(wù)單元對所需資源的約束與資源能力的匹配搜索，這樣就可以查詢出所需的全部的工藝資源。

按照工藝任務(wù)分級的策略，可以將整個工藝任務(wù)分解成更小的工藝任務(wù)，直到分解成工藝任務(wù)單元，工藝任務(wù)單元不可以繼續(xù)分解，工藝任務(wù)單元可以表示如下：

TaskUnit=

(2)

Id表示工藝任務(wù)單元的編號，進行唯一標(biāo)示工藝任務(wù)單元；Info表示工藝任務(wù)單元的信息，是對工藝任務(wù)單元的總體描述，包括整體結(jié)構(gòu)形式、零件尺寸、材料屬性和熱處理信息等；RelSet表示工藝任務(wù)單元之間的分解關(guān)系的集合包括順序關(guān)系與約束關(guān)系；TuAttr表示工藝任務(wù)單元對所需資源的約束，所選擇的制造工藝資源必須具有或者提供的能力屬性，該屬性是該任務(wù)所需要的工藝資源的判斷依據(jù)。TuAttr可以表示：

TuAttr=

(3)

Id表示資源約束的編號，進行唯一標(biāo)示資源約束；Prop表示工藝特征屬性；Method表示加工方法約束；Result表示工藝設(shè)計約束。在系統(tǒng)中，工藝任務(wù)單元搜索所需要的資源，就是通過該屬性在資源匹配的算法下，進行匹配，獲得所需要的工藝資源集合。

工藝資源的可描述如下：

Res=

(4)

Id表示工藝資源的編號，進行唯一標(biāo)示工藝資源；Prop表示工藝資源的屬性，如機床的型號，功率，轉(zhuǎn)速等；Capacity表示工藝資源的能力，如機床加工精度的范圍，該屬性是工藝任務(wù)搜索匹配的工藝資源的主要依據(jù)；RelSet表示資源之間的關(guān)系集合，該資源需要配合的其他資源。

在企業(yè)中，常見的工藝任務(wù)和工藝資源都是可以窮舉出來的，因此，可以建立工藝任務(wù)單元和資源之間的聯(lián)系，通過這種聯(lián)系就可以找出某種工藝任務(wù)單元所需的工藝資源。定義一種映射規(guī)則f，描述為：根據(jù)工藝任務(wù)單元在所有的工藝資源中查找所需要的工藝資源的集合，記為：

Rs=f(T)

(5)

式中，T表示工藝任務(wù)單元，Rs表示為工藝資源集合。由前面的任務(wù)模型可以得到下式：

Task={TaskUniti|i=1，2，…n}

(6)

Rs={fi(TaskUniti)|i=1，2，…n}

(7)

式(6)，整個工藝任務(wù)可以最終分解成n個不同的工藝任務(wù)單元，結(jié)合式(5)得到式(7)，就可以找出n個工藝任務(wù)單元的所有工藝資源集合，也就構(gòu)成了整個工藝任務(wù)所需的工藝資源。

4 實例驗證

傳統(tǒng)工藝規(guī)劃系統(tǒng)的工作模式是靜態(tài)的，主要是為一個零件產(chǎn)生單一、固定的工藝路線，不考慮車間的動態(tài)信息，但是實際生產(chǎn)狀況具有多資源、動態(tài)、多目標(biāo)、隨機、多約束和集成等特性；另一方面工藝規(guī)劃任務(wù)由經(jīng)驗豐富的工藝人員來完成，工藝人員經(jīng)驗與判斷的差異會造成的工藝規(guī)劃的不一致。因此傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃有很多局限性，這些問題主要包括：工藝路線的效率低，不一致，不易達到優(yōu)化，在實際生產(chǎn)中的可執(zhí)行性和柔性低下等。

下面是某離散制造企業(yè)的生產(chǎn)準(zhǔn)備系統(tǒng)采用了工藝任務(wù)分級規(guī)劃的策略和工藝資源映射的實例。圖2是對某項具體工藝任務(wù)的編制，該任務(wù)列出了所需要的工序與工裝的資源信息，在對工藝任務(wù)編制之前必須先對工藝任務(wù)的分級策略和資源映射進行配置，然后才能對工藝任務(wù)就進行分解。從圖中可以很容易輸入當(dāng)前任務(wù)所需要的工序信息，工裝信息，外協(xié)信息，工序內(nèi)容信息等其他信息。工藝人員只需要關(guān)注自己當(dāng)前的工藝任務(wù)，而且也不在是根據(jù)經(jīng)驗完成工藝規(guī)劃的，降低了出現(xiàn)工藝規(guī)劃的不一致性問題，也提高了工藝設(shè)計的效率；對不同的工藝任務(wù)只需要更改工藝任務(wù)的分級策略和資源映射的配置，就可以適應(yīng)新的工藝任務(wù)，使得系統(tǒng)更加柔性化，也更適應(yīng)實際生產(chǎn)。

圖2 工藝任務(wù)編制

5 結(jié)束語

針對在信息系統(tǒng)中建立工藝任務(wù)與工藝資源的匹配關(guān)系的智能化的決策系統(tǒng)的問題，本文提出了在工藝任務(wù)分級的策略，以及在此決策的基礎(chǔ)上建立工藝任務(wù)與工藝資源的映射關(guān)系；通過工藝任務(wù)分級的決策，在簡化了工藝任務(wù)與工藝資源的映射關(guān)系的同時也使得工藝資源的配備更加柔性化，系統(tǒng)更加靈活，也更符合企業(yè)的實際生產(chǎn)情況。

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(編輯 李秀敏)

Research on the Classification Strategy of Process Planning in Intelligent Manufacturing Environment

YANG Wei,TU Hai-ning, LU Yuan

(School of Mechanical Engineering,Nangchang University, Nangchang 330031,China)

In order to adapt to the production characteristics of intelligent manufacturing, we need to improve the traditional process planning methods. The planning and classification strategy for intelligent manufacturing process is presented in this paper. According to the characteristics and technological information of parts at different stages of processing, design the size requirements, give the network hierarchical task model, set up the production for the mapping relationship between resources and tasks, finally will build a production ready application platform for a tobacco machinery enterprises, and verify the correctness of the model and the strategy.

intelligent manufacturing; process task classification; relationship mapping; task model; process resource

1001-2265(2017)05-0123-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.05.032

2016-08-27；

2016-10-24

國家自然科學(xué)基金項目(61263045)

楊威(1991—)，男，湖北麻城人，南昌大學(xué)碩士，研究方向為生產(chǎn)及制造系統(tǒng)研究，(E-mail)1369660821@qq.com；通訊作者:涂海寧(1964—)，男，南昌人，南昌大學(xué)教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為制造過程管理和企業(yè)信息化。

TH164；TG506

A