一种随机需求环境下制造系统重组的方法

1.本发明属于可重组制造系统技术领域，更具体地说，涉及一种随机需求环境下制造系统重组的方法。


背景技术：

2.随着现代科学技术的日新月异，制造业正面临不可预测、快速多变和不断增强的市场竞争等一系列问题，表现在全球规模的激烈经济竞争，消费者需求的日益增加，以及加工技术变化的节奏加快，市场需求变得越来越不可预测。市场随机需求环境下对制造系统提出了越来越高的要求，既要具有一定的刚性和专用性来保证高的生产效率又要具有快速转产的柔性能力和通用性。因此，需要通过对制造系统进行快速的重组，适应企业内部和外部各种影响因素的变化。
3.制造系统的重组是产品及其工艺变化驱动的，工艺的改变使得对采用的制造资源有不同的要求，需要根据生产要求快速的确定制造资源并进行布局规划。在设备布局规划中，重组设备之间的关联通过生产物流系统来实现，因而有必要对生产物流进行优化。由些可见，制造系统的重组受到工艺、设备以生产物流等多方面的影响。本发明对随机需求环境下制造系统重组过程中的工艺规划、设备布局以及生产物流等各方面提出新的方法，力求为企业实施系统重组提供有力的支持，使得企业能够对制造系统重组做到符合企业实际，量力而行。对于企业缩短生产准备和制造周期，提高产品质量和对市场的快速响应能力具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种随机需求环境下制造系统重组的方法。制造系统的重组由市场需求驱动，首先由新的生产任务确定零件的特征信息，并基于实例工艺知识生成零件的工艺过程。同时，对加工过程中每道工序的加工状态及各个特征的加工信息进行详细的描述。其次，基于工艺过程状态信息，根据现有布局及各个设备的加工状态对设备进行分阶段优化布局。最后，在生产过程中，根据各制造资源的实时信息，对生产物流进行优化。具体方案如下：
5.一种随机需求环境下制造系统重组的方法，包括如下步骤：
6.1、制造系统重组的工艺规划方法
7.(1)零件特征描述
8.把以特征为核心的有关特征加工工序的相关信息所形成的实体，定义为工艺元，并用五元组表示为
9.pe
ij
＝(d
i
，g
i
，b
i
，mp
ij
，mr
ij
)i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
，m
10.式中，d
i
为特征f
i
所属方位面；g
i
为特征f
i
的形位公差；b
i
为特征f
i
与其它特征之间的关联类别；mp
ij
表示对特征f
i
进行加工所采用的加工方法；mr
ij
表示采用加工工艺mp
ij
加工特征f
i
所达到的加工精度；工艺元是零件工艺规划的基本单元，是组成工艺过程的最基
本模块；零件的加工过程看作是从毛坯到成品不断变化的过程，在此加工过程中，每个特征都处于一种加工状态，因此每道工序的状态信息由多个特征工艺元来标定，将这些特征工艺元的集合称为过程特征；具体表达形式为：
11.p
t
＝{pe
1，t
，pe
2，t
，
…
，pe
n，t
}
12.其中，p
t
表示第t道工序的过程特征；pe
1，t
，pe
2，t
，
…
，pe
n，t
表示第t道工序所包含的1～n个特征工艺元；
13.过程特征是以零件的特征工艺元为中心，每一阶段的工艺元映射一组加工信息；从毛坯到零件由多个过程特征所组成，每一个过程特征都包含相应的工艺元和加工信息；
14.(2)工艺相似性判定
15.进行工艺相似性判定首先是确定相似系数，工艺相似性计算采用自底向上的策略，先计算局部的相似性，再计算全局的相似性，逐层向上进行，最后求得零件实例总的相似性评价，每一层的求和均采用tversky方法，即：
[0016][0017]
式中，待比较二个结点共有n个属性值，w
i
为第i个属性的权重系数，f
i
为第i个属性的相似度函数；
[0018]
(3)工序的组合
[0019]
工序的组合按组合方法的不同分为基于公差的工序组合和基于并行原理的工序组合两类；
[0020]
(4)工艺的排序
[0021]
根据单特征之间出现的关联类别，给出了工序族内工艺元之间的排序优先级；
[0022]
2、工艺驱动的设备布局规划
[0023]
步骤1：根据企业生产系统中现有设备的实际生产能力以及生产任务量，计算各设备的瓶颈率mp
i
；
[0024]
步骤2：基于加工工艺以及当前非瓶颈设备集h2，根据工艺需求的要求判断现有的制造资源能否完成该生产任务；如果现有设备能够完成该生产任务，则通过逻辑重组将所需要的制造资源从现有的非瓶颈设备集h2中选择出来；通过逻辑重组的设备在物理位置上不相邻而且不移动，在逻辑和概念上相互关联构成临时虚拟动态实体，这种关联通过生产物流来实现；
[0025]
步骤3：现有制造资源不能满足工艺要求时需要进行物理重组，通过设备的重构、替换或添加新的设备形成新的加工设备集h3来保证按时完成生产任务；
[0026]
步骤4：设备的替换或添加新的设备时，采用一些新型的标准化的加工设备，其具有标准的对地基、能源要求，重量较轻，调整容易，在必要时通过移动位置来满足生产的要求；
[0027]
步骤5：综合考虑加工设备集h3中各设备的加工精度、生产成本以及负荷状况，在满足零件加工质量的前提下，通常选择负荷和生产成本最小的设备为最终所选设备；
[0028]
步骤6：车间现场添加新设备时，有两种策略：
①
直接放入某空闲空间；
②
挪动其他设备以放置；
[0029]
步骤7：在设备布局规划阶段，通过设备的增减以及位置的调整产生新的布局，求出多个布局的重布局总成本，包括物料搬运成本、设备重置成本以及生产损失成本；
[0030]
步骤8：应用动态规划算法得到前几个阶段的优化布局，确定各个阶段添加或去除的设备，以及各个设备的布局位置；通过动态规划的递推方程，从初始布局开始计算，得到当前空间中的最优布局；
[0031]
3、可重组制造环境下的生产物流优化
[0032]
步骤1：基于加工工艺以及设备的布局，根据瓶颈设备集h1各设备的实时加工状态，对各瓶颈设备进行排序；
[0033]
步骤2：依据各瓶颈设备缓冲区容量，以及输入、输出缓冲区现存在制品数，计算在没有零件输入与输出时，第i台瓶颈设备的待料开始时间ts
i
和阻塞开始时间tb
i
；具体计算如下所示：
[0034][0035][0036]
式中：r为瓶颈设备上零件剩余加工时间，in为瓶颈设备输入缓冲区中零件数，t
i
为零件i在瓶颈设备上的加工时间，e为瓶颈设备输出缓冲区中剩余空位置数，q
e
为瓶颈设备输入缓冲区中第一批e个零件，m为一个大的时间数，x的取值为设备上加工的零件数，当瓶颈设备没有加工零件时x取0；
[0037]
步骤3：根据当前物流运输状态确定各agv
j
的实时状态，当agv
j
空闲时，说明此agv
j
当前没有运输任务，记a1为空闲agv集；与此相反，记a2为有运输任务的agv集；
[0038]
步骤4：计算空闲agv集a1中各agv
j
运送零件到瓶颈设备输入缓冲区所用的时间ps
ij
，以及从瓶颈设备输出缓冲区运出零件所用的时间pb
ij
；
[0039]
步骤5：通过对各瓶颈设备的ts
i
、tb
i
、ps
ij
、pb
ij
进行比较；
[0040]
步骤6：对存在待料和阻塞情况的瓶颈设备按照各个时段瓶颈率mp
ij
的大小进行排序，优先对瓶颈率大的设备指派相应的agv
j
进行物料运输；其中，瓶颈设备各个时段瓶颈率为：
[0041][0042]
式中，mp
ij
为第i台设备在第j个时段上的瓶颈率；∑r
ij
为第i台设备在第j个时段上所有生产任务量；δc
ij
为第i台设备在第j个时段上的生产能力。
[0043]
面向制造系统重组的工艺规划方法步骤(2)设定相似系数阈值τ，当零件的相似度s大于τ时，认为找到相似零件。零件与实例经过相似匹配后，把零件与实例零件的特征分成两类：匹配的特征和未匹配的特征。保留匹配特征的工艺信息，删除实例零件中多余的特征工艺信息，由此可得新零件匹配特征工艺元所形成的工艺信息和每道工序的过程特征。对
未匹配的特征，则必须添加该部分特征的加工元信息。
[0044]
面向制造系统重组的工艺规划方法步骤(3)基于公差的工序组合是根据零件设计要求把具有紧密公差关系的工艺元组合在一起生成工序族。保证具有紧密公差关系的特征工艺元总能够用一台设备完成。
[0045]
面向制造系统重组的工艺规划方法步骤(3)基于并行的工序组合是把安装在同一设备上的多把刀具完成加工的工艺元组合在一起生成工序族。由一台加工中心机床或配置有一套多轴的主轴箱的设备来完成，以减少刀具更换次数并节约时间。
[0046]
面向制造系统重组的工艺规划方法步骤(3)当某工艺元同时属于基于公差和基于并行原理的工序族时，优先选用基于公差的工序族。因为基于公差的工序族是基于满足加工质量的要求生成的。基于并行原理的工序族具有降低生产周期和设备复杂程度的特点和潜力。
[0047]
面向制造系统重组的工艺规划方法步骤(4)若特征之间有基准关系，则将作为基准的工艺元放在前，与此特征有基准关系的工艺元放在后；若特征之间有定位关系，则将决定其它特征位置的工艺元放在前，被决定位置的工艺元放在后；若特征之间有衍生关系，则由特征产生的先后顺序确定工艺元的先后顺序；若特征之间有位置精度要求关系，则将这些工艺元在一次定位装夹中加工；若特征之间有同类特征关联关系，则将这些工艺元集中在尽可能少的工序中。
[0048]
工艺驱动的设备布局规划步骤(1)当mp
i
≥1时，说明计划期内设备生产任务量大于其生产能力，此时对应的设备为生产系统的瓶颈设备，记h1为瓶颈设备集；当mp
i
＜1时对应的设备为生产系统的非瓶颈设备，记h2为非瓶颈设备集。
[0049]
工艺驱动的设备布局规划步骤(6)对于直接放置的处理方法是根据空闲空间确定放置该设备的空间，并结合生产物流路径最短的原则确定该设备的放置位置；挪移其他设备以放置的处理方法是在同种设备的周围搜索空间，查找是否有下阶段添加设备的同种设备，若有，则选择与其相邻的设备去除，将新设备放入其中，而去除的设备则安装在距离其同种设备最近的空间内；若无，则按调整后的设备位置间物流路径最短的原则确定添加和去除设备的位置。
[0050]
可重组制造环境下的生产物流优化的步骤(3)中a1和a2中的元素并不是永远不变的，它们会随着运输任务的产生和完成而发生变化。
[0051]
本发明针对随机需求环境下动态变化的制造资源及加工对象，根据零件各个特征的加工状态，通过重用相应的工艺知识，实现工艺过程的重组，比传统的工艺规划方法具有更大的灵活性和普遍性。基于重组的产品生产工艺，根据现有布局及各个设备的加工状态，应用启发式的设备布局调整，使重组后系统的性能达到最优。该方法有效的利用现有资源，通过分阶段布局使企业在需求改变时能迅速调整生产能力，并且以较小的资金和较低的风险参与市场竞争。在此基础上，根据设备布局中瓶颈设备及其缓冲区状态，采用瓶颈设备驱动的物流调度策略，有效的降低零件在制品数，提高系统的生产率以及资源的利用率。
附图说明
[0052]
图1是本发明一种随机需求环境下制造系统重组的方法的流程示意图；
[0053]
图2是本发明一种随机需求环境下制造系统重组的方法中面向制造系统重组的工
艺规划方法的流程示意图；
[0054]
图3是本发明一种随机需求环境下制造系统重组的方法中可重组制造环境下的生产物流优化的流程示意图；
[0055]
图4是本发明一种随机需求环境下制造系统重组的方法中可重组制造环境下的生产物流优化的步骤(6)如何判断瓶颈设备是否堵塞的状态图。
具体实施方式
[0056]
下面结合图1
‑
4进行进一步说明：
[0057]
本发明一种随机需求环境下制造系统重组的方法(如图1)，具体方案如下：
[0058]
1、面向制造系统重组的工艺规划方法
[0059]
随机需求环境下产品品种多、批量小，对企业的产品质量和敏捷性提出了更高的要求。企业在零件工艺规划中一个重要的合理化要求就是能重复使用已经设计过的现成工艺，从而降低设计费用和生产周期。制造系统重组过程中，根据企业典型零件的加工工艺信息，基于相似性理论的工艺规划主要包括零件特征描述、工艺相似性判定、工序的组合以及工艺的排序等，具体框架模型如图2所示。
[0060]
(1)零件特征描述
[0061]
随机需求环境下可加工零件的类型是不断变化的，这要求零件信息描述方法具有较好的柔性与较宽的应用范围。本发明在型面特征描述法上加以改进，增强型面特征描述方法的适应范围。把以特征为核心的有关特征加工工序的相关信息所形成的实体，定义为工艺元，并用五元组表示为
[0062]
pe
ij
＝(d
i
，g
i
，b
i
，mp
ij
，mr
ij
)i＝1，2，
…
，n；j＝1，2，
…
，m
[0063]
式中，d
i
为特征f
i
所属方位面；g
i
为特征f
i
的形位公差；b
i
为特征f
i
与其它特征之间的关联类别；mp
ij
表示对特征f
i
进行加工所采用的加工方法；mr
ij
表示采用加工工艺mp
ij
加工特征f
i
所达到的加工精度。工艺元是零件工艺规划的基本单元，是组成工艺过程的最基本模块。
[0064]
零件的加工过程可以看作是从毛坯到成品不断变化的过程，在此加工过程中，每个特征都处于一种加工状态，因此每道工序的状态信息由多个特征工艺元来标定，将这些特征工艺元的集合称为过程特征。具体表达形式为：
[0065]
p
t
＝{pe
1，t
，pe
2，t
，
…
，pe
n，t
}
[0066]
其中，p
t
表示第t道工序的过程特征；pe
1，t
，pe
2，t
，
…
，pe
n，t
表示第t道工序所包含的1～n个特征工艺元；
[0067]
过程特征是以零件的特征工艺元为中心，每一阶段的工艺元映射一组加工信息。从毛坯到零件由多个过程特征所组成，每一个过程特征都包含相应的工艺元和加工信息。
[0068]
(2)工艺相似性判定
[0069]
进行工艺相似性判定首先是确定相似系数。相似系数是用于衡量新零件与某一个实例相似程度的一个参数，其不但与零件类型、加工方式、特征的类型等因素有关，还与零件的材料类型、热处理方法、毛坯类型以及形状特征的精度等级、粗糙度和形位公差等因素有关。工艺相似性计算采用自底向上的策略，先计算局部的相似性，再计算全局的相似性，逐层向上进行，最后求得零件实例总的相似性评价。每一层的求和均采用tversky方法，即：
[0070][0071]
式中，待比较二个结点共有n个属性值，w
i
为第i个属性的权重系数，f
i
为第i个属性的相似度函数。
[0072]
设定相似系数阈值τ，当零件的相似度s大于τ时，认为找到相似零件。零件与实例经过相似匹配后，把零件与实例零件的特征分成两类：匹配的特征和未匹配的特征。保留匹配特征的工艺信息，删除实例零件中多余的特征工艺信息，由此可得新零件匹配特征工艺元所形成的工艺信息和每道工序的过程特征。对未匹配的特征，则必须添加该部分特征的加工元信息。
[0073]
(3)工序的组合
[0074]
工序的组合按组合方法的不同可分为基于公差的工序组合和基于并行原理的工序组合两类。前一种方法是根据零件设计要求把具有紧密公差关系的工艺元组合在一起生成工序族，保证具有紧密公差关系的特征工艺元总能够用一台设备完成；后一种方法是把可以用安装在同一设备上的多把刀具完成加工的工艺元组合在一起生成工序族，由一台加工中心机床或配置有一套多轴的主轴箱的设备来完成，以减少刀具更换次数并节约时间。
[0075]
当某工艺元同时属于基于公差和基于并行原理的工序族时，应优先考虑选用基于公差的工序族，因为基于公差的工序族是基于满足加工质量的要求生成的。基于并行原理的工序族具有降低生产周期和设备复杂程度的特点和潜力。
[0076]
(4)工艺的排序
[0077]
根据单特征之间可能出现的关联类别，给出了工序族内工艺元之间的优先级。
[0078]
若特征之间有基准关系，则将作为基准的工艺元放在前，与此特征有基准关系的工艺元放在后；若特征之间有定位关系，则将决定其它特征位置的工艺元放在前，被决定位置的工艺元放在后；若特征之间有衍生关系，则由特征产生的先后顺序确定工艺元的先后顺序；若特征之间有位置精度要求关系，则将这些工艺元在一次定位装夹中加工；若特征之间有同类特征关联关系，则将这些工艺元集中在尽可能少的工序中。
[0079]
对于同时具有多种关系的特征，可同时运用以上排序规则，实现智能推理。
[0080]
2、工艺驱动的设备布局规划
[0081]
工艺驱动的设备布局规划要求快速响应生产要求的变化时，充分利用原有的加工设备，尽量减少现有布局的改变，提高设备利用率，减小重新布局的代价。具体布局规划的步骤如下：
[0082]
步骤1：根据企业生产系统中现有设备的实际生产能力以及生产任务量，计算各设备的瓶颈率mp
i
，当mp
i
≥1时，说明计划期内设备生产任务量大于其生产能力，此时对应的设备为生产系统的瓶颈设备，记h1为瓶颈设备集。当mp
i
＜1时对应的设备为生产系统的非瓶颈设备，记h2为非瓶颈设备集。
[0083]
步骤2：基于加工工艺以及当前非瓶颈设备集h2，根据工艺需求的要求判断现有的制造资源能否完成该生产任务。如果现有设备能够完成该生产任务，则通过逻辑重组将所需要的制造资源从现有的非瓶颈设备集h2中选择出来。通过逻辑重组的设备在物理位置上可以不相邻而且不可移动，在逻辑和概念上却可以相互关联构成临时虚拟动态实体，这种
关联可通过生产物流来实现。
[0084]
步骤3：现有制造资源不能满足工艺要求时需要进行物理重组，通过设备的重构、替换或添加新的设备形成新的加工设备集h3来保证按时完成生产任务。设备的重构主要针对模块化可重构的加工设备，根据布局的要求重新选择其模块化部件，使得不同位置上的设备改变了加工能力，从而间接地实现了类似设备移动改变布局的效果。
[0085]
步骤4：设备的替换或添加新的设备时，采用一些新型的标准化的加工设备，其具有标准的对地基、能源等要求，重量较轻，调整容易，在必要时可以通过移动位置来满足生产的要求。
[0086]
步骤5：综合考虑加工设备集h3中各设备的加工精度、生产成本以及负荷状况，在满足零件加工质量的前提下，通常选择负荷和生产成本最小的设备为最终所选设备。
[0087]
步骤6：车间现场添加新设备时，有两种可能的策略：
①
直接放入某空闲空间；
②
挪动其他设备以放置。对于直接放置的处理方法是根据空闲空间确定可以放置该设备的空间，并结合生产物流路径最短的原则确定该设备的放置位置。挪移其他设备以放置的处理方法是在同种设备的周围搜索空间，查找是否有下阶段添加设备的同种设备，若有，则选择与其相邻的设备去除，将新设备放入其中，而去除的设备则安装在距离其同种设备最近的空间内；若无，则按调整后的设备位置间物流路径最短的原则确定添加和去除设备的位置。
[0088]
步骤7：在设备布局规划阶段，通过设备的增减以及位置的调整产生新的布局，求出多个可行布局的重布局总成本，包括物料搬运成本、设备重置成本以及生产损失成本。通过分阶段布局规划的数学模型，以成本之和作为优化目标，求解出总成本最小的阶段布局。
[0089]
步骤8：应用动态规划算法得到前几个阶段的优化布局，确定各个阶段添加或去除的设备，以及各个设备的布局位置。通过动态规划的递推方程，从初始布局开始计算，得到当前空间中的最优布局。
[0090]
3、可重组制造环境下的生产物流优化
[0091]
在可重组布局的基础上，通过分析车间状况，为了追求物流的平衡，最大程度的满足瓶颈设备的需要，使得各非瓶颈设备与瓶颈设备同步，采用瓶颈设备驱动的物流调度策略，流程如图3所示。具体的实施步骤如下：
[0092]
步骤1：基于加工工艺以及设备的布局，根据瓶颈设备集h1各设备的实时加工状态，对各瓶颈设备进行排序。
[0093]
步骤2：依据各瓶颈设备缓冲区容量，以及输入、输出缓冲区现存在制品数，计算在没有零件输入与输出时，第i台瓶颈设备的待料开始时间ts
i
和阻塞开始时间tb
i
。具体计算如下所示：
[0094][0095][0096]
式中：r为瓶颈设备上零件剩余加工时间，in为瓶颈设备输入缓冲区中零件数，t
i
为零件i在瓶颈设备上的加工时间，e为瓶颈设备输出缓冲区中剩余空位置数，q
e
为瓶颈设备输入缓冲区中第一批e个零件，m为一个大的时间数，x的取值为设备上加工的零件数，当瓶颈设备没有加工零件时x取0；
[0097]
步骤3：根据当前物流运输状态确定各agv
j
的实时状态，当agv
j
空闲时，说明此agv
j
当前没有运输任务，记a1为空闲agv集。与此相反，记a2为有运输任务的agv集。a1和a2中的元素并不是永远不变的，它们会随着运输任务的产生和完成而发生变化。
[0098]
步骤4：计算空闲agv集a1中各agv
j
运送零件到瓶颈设备输入缓冲区所用的时间ps
ij
，以及从瓶颈设备输出缓冲区运出零件所用的时间pb
ij
。
[0099]
步骤5：通过对各瓶颈设备的ts
i
、tb
i
、ps
ij
、pb
ij
进行比较，根据图4确定各瓶颈设备是否存在待料和阻塞情况。
[0100]
步骤6：对存在待料和阻塞情况的瓶颈设备按照各个时段瓶颈率mp
ij
的大小进行排序，优先对瓶颈率大的设备指派相应的agv
j
进行物料运输。其中，瓶颈设备各个时段瓶颈率为：
[0101][0102]
式中，mp
ij
为第i台设备在第j个时段上的瓶颈率；∑r
ij
为第i台设备在第j个时段上所有生产任务量；δc
ij
为第i台设备在第j个时段上的生产能力。
[0103]
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。