基于生產(chǎn)負(fù)荷均衡分配的制造單元設(shè)計方法

李書閣

摘要：提出一種造單元劃分方法，首先根據(jù)零件工藝相似性和機(jī)床數(shù)量約束，用聚類分析方法對零件分組;然后根據(jù)機(jī)床的不同加工能力，將機(jī)床分配到各個零件組構(gòu)成制造單元，使每個制造單元中機(jī)床總負(fù)荷達(dá)到最小且分配均衡。最后，通過一個實例對該方法的可行性進(jìn)行了驗證。

Abstract： A design method of manufacturing cellular is proposed. Firstly， parts are grouped by clustering analysis method according to the process similarity of parts and the quantitative limitation of machine tools. Then machine tools are allocated to each part group to form a manufacturing cellular according to the different processing capacity of them， so that the total load of machine tools in each manufacturing cellular could be minimum and Uniform Distribution. Finally， the feasibility of this method is verified by an example.

關(guān)鍵詞：制造單元;工藝相似性;聚類分析

Key words： manufacturing cellular;process similarity;clustering analysis

中圖分類號：TH165? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0278-02

0? 引言

隨著客戶個性化需求和產(chǎn)品定制的高速發(fā)展，制造企業(yè)面臨著產(chǎn)品更新?lián)Q代加速和市場競爭日益激烈的挑戰(zhàn)，為了提高制造系統(tǒng)的柔性和效率，單元化制造系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。單元化制造系統(tǒng)CMS（Cellular Manufacturing system）是依據(jù)成組技術(shù)的原理，將零件與機(jī)器依照某種相似特性分成若干零件家族與機(jī)器群組，使得具有相似特性的零件家族能夠在同一機(jī)器群組上加工，形成若干制造單元[1]。制造單元的劃分方法是單元化制造系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容之一，啟發(fā)式算法、聚類分析、數(shù)學(xué)規(guī)劃方法、圖論方法、智能技術(shù)等多種制造單元設(shè)計方法[2，3]已被廣泛研究和應(yīng)用。而這些研究大都認(rèn)為同類機(jī)床具有相同的加工能力，加工同一個零件時所需加工時間相同。而在實際生產(chǎn)活動中，由于機(jī)床性能、操作工人熟練程度和生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的影響，同一類型的幾臺機(jī)床在加工同一個零件時，需要不同的加工時間。在劃分制造單元時，如果認(rèn)為同類機(jī)床的加工能力相同，將會影響每個制造單元中機(jī)床負(fù)荷的實際分布，造成一些生產(chǎn)瓶頸，從而影響單元化制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率[4]。因此，本文提出一種基于生產(chǎn)負(fù)荷均衡分配的制造單元設(shè)計方法，首先按照工藝相似性和機(jī)床數(shù)量約束，用聚類分析方法將零件劃分成若干零件組;然后設(shè)計一種啟發(fā)式算法，將機(jī)床指派到各個零件組，構(gòu)成若干可并行開展生產(chǎn)活動的制造單元，使每個制造單元的機(jī)床總負(fù)荷達(dá)到盡量均衡且負(fù)荷量最小。

為了敘述方便，首先將要用到的符號定義如下：

p——零件編號，p=1，2，…，P;P——零件集合，P={1，2，…，P};k——機(jī)床類型編號，r=1，2，…，K;m——制造系統(tǒng)中k 類型機(jī)床的編號，m=1，2，…，Mk;g——零件組編號，g=1，2，…，G;c——制造單元編號，c=1，2，…，C;KMmk——制造系統(tǒng)中k類型的m機(jī)床;Qp——零件p的加工數(shù)量;Tmkp——k類型機(jī)床m加工零件p的所需的時間。

1? 基于聚類分析的零件組劃分方法

聚類分析重點考慮的是零件加工工藝或結(jié)構(gòu)的相似性[5]，首先通過工藝相似性矩陣對零件進(jìn)行聚類，然后根據(jù)機(jī)床數(shù)量約束對零件進(jìn)行分組。具體步驟如下：

步驟1：根據(jù)工藝路線建立零件機(jī)床類型關(guān)聯(lián)信息表，將所有機(jī)床的分配狀態(tài)標(biāo)記為0;

步驟2：對于任意兩個零件i和j，i，j∈P，采用公式（1）計算它們的相似性因子sij，并構(gòu)建相似性因子矩陣S，相似性因子sij的計算方法如下：

其中xi表示零件i工藝過程中需要的不同類型機(jī)床的數(shù)量，xij表示零件i和j工藝過程中相同類型機(jī)床的數(shù)量，yi表示零件i工藝過程中機(jī)床類型變換的次數(shù)，yij表示零件i和j工藝過程中機(jī)床類型變換相同的次數(shù)。

步驟3：設(shè)置閥值ε和遞減值μ，ε賦初值為;

步驟4：若sij<ε，令sij=0，反之令sij=1;將相似性因子矩陣轉(zhuǎn)化為0-1矩陣Sz;

步驟5：將0-1矩陣Sz劃分為獨立的子矩陣，在此基礎(chǔ)上建立對應(yīng)的零件組-機(jī)床類型關(guān)聯(lián)矩陣，檢查k類型的機(jī)床數(shù)量是否滿足約束條件，如不滿足，令ε=ε-μ，轉(zhuǎn)步驟3繼續(xù)執(zhí)行，直到零件分組滿足機(jī)床數(shù)量約束條件。

經(jīng)過上述步驟，根據(jù)最后建立的零件組-機(jī)床類型關(guān)聯(lián)矩陣，即可確定零件的分組和每個零件組所需機(jī)床的類型，初步確定了制造單元的數(shù)目和構(gòu)成。