实时能力约束下的机床优选方法.pdf

骞 、l 匐 化 实时能力约束下的机床优选方法 A m achi ne t ool s choosi ng m et hods under r eal t i m e capabi l i t y cons t r ai n t s 韩 峰 ，张振明，田锡天，耿俊浩 HAN F en g， Z HANG Z h e n ． mi n g，TI AN i t i a n，GENG J u n h a o 西北工业大学 CA P P 与制造工程软 件研 究所 ，西安 7 1 0 0 7 2 摘要 在传统工艺编制中 ，工艺员对机床负荷考虑不足 ，生产计划编制得不到柔性工艺的有效支 持，造成了资源利用不均，延长了生产周期。为解决这一问题，提出将工件分批次进行工艺 设计和生产计划，依据完成的前批次生产计划调整机床实时能力，约束后续批次工艺编制的 机床选择，从而提高工艺设计中任务分配的均衡性。为实现以上方法 ，研究了基于工艺和负 荷能力的机床建模方法和基于多指标的机床优选机制。 关键词机床选择 ；机床能力；工艺规划；工艺任务均衡 中图分类号T P 3 9 1 ．7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 5 上 一 0 0 6 5 -0 4 Doi 1 0 ． 3 9 6 9 Ai ． i s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 2 ． 5 i- ． 1 9 0 引言 在传统工艺设 计中，机 床选择更 多的考虑 了 加 工能力 。对于机床的 负荷信息 ，由于 受制于传 统 的 先 工 艺 后 计 划 的 串行 模 式 ， 难 以 在 工艺 编 制 阶段有效获取 。区别于生产计划最终 的生 产任 务 安排 ，工艺阶段任务分配选择 的是机床类型 ，指 定了一类机床的工作量 ，是生产计划将任务划 分 到具体机床进行排产 的基础 。在 工艺 员对机床 任 务量并不 了解 的状况下 ，制定 的工艺 及机床选 择 方案可能集 中于个别常用 、高性 能机床 ，即在工 艺 编制阶段就造成任务分配不均 的状 况 。处于 工 艺下游的生产计划在均衡工艺 方案的支持下，难 以制定 出均衡的计划 。通常表现 为一部分机床 工 作量过大 ，成为生 产环节 的瓶 颈，延长 了制造周 期 另一部分机床过于 空闲，浪费 了制造资源潜 在能力 。可见 ，传统 的机床选择 模式限制了生产 计划排产柔性，导致了生产任务分配不均衡。 由于工艺规 程是生产计划 的信 息基 础，工艺 路线设计 以及机床选择 直接约束生产排产 。为解 决 工 艺 对 生 产 平 衡 的 限制 ，许 多 学 者 提 出动 态 工 艺规划 ，以提供 多工艺 路线方式减少工艺对计划 的约束，并在此基础上提供多种机床选择方案 。 。 有学者指 出应 当协 同生产计划 制定具有适度柔性 和针对性 的工艺方 案，在工艺 规划阶段对负荷进 行考虑 ，实现均衡任 务分配 ，但 具体方法没有明 确给出 。总结 目前 的文献资料，以多种工艺支持 生产计划平衡以及静 态能力约束下 多机床选择 方 面学者们做 了大量工作 。然而在确定了动态工艺 规划方案后 ，如何综合考虑机 床加 工能力和负荷 能力 ，在机床选择 阶段支持生产计划平衡 方面研 究还很少 。工序编制 中指定的机床 类型是生产计 划的重要依据 ，机床选择是否合理 对能否平衡 生 产缩短生产周期起到重要的作用 。笔者从工艺 任 务均衡分配这一 角度 出发 ，对机床加工能力和负 荷能力约束下的选择 问题进行 了深入研 究 ，提 出 了实时能力约束下的机床优选方法 。 1 实时能力约束下 的机床优化选择 方法 实时能 力约 束下 的机 床优选 是在选择机 床过 程 中，对机床静 态加工能力和动态负荷约束协同 考察 ，并予 以评价 ，以达到工艺任务分配相对均 衡 的方法 。其 中，机床 的实时能力是指机床在批 次生产计划 周期 内的加工能力和负荷能力 ；实时 能 力约束 是机床静态加工能 力和动态 负荷的约束 并 集 。批 次 生产 计 划 周 期 中 的批 次 类 似 于 生 产 过 程 中的生产批次概念 ，但面 向对象是分批次进行 的零部件工艺规划和 生产计划过程 。在批次生产 周期 内，机床能 力是根据前批次生产计划调整过 的，因此反映 了机床任 务量 的实时信息 ，从而保 证计划编制过程 中对机床负荷能力的考察。 然 而在传统 生产准备流程中 ，由于工艺 规划 收稿日期2 0 1 1 -1 2 1 0 基金 项目国家8 6 3 计划项 目 2 0 0 7 A A0 4 Z 1 8 7 ；陕西省科技 攻关项 目 2 0 0 8 K 0 5 0 8 作者简介韩峰 1 9 8 2 一 ，男，山东青岛人，博士研究生，研究方向为制造业信息化。 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 0 5 上 【 6 5 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 造 匐 似 与生 产计划是 串行 的两个 阶段 ，工艺规划阶段是 无法 获取机床 负荷信 息，因此必须将工艺规划 与 生产计划协 同考虑 ，将串行的流程变更为并行过 程 。有学者进行过协 同方法研究 ，多数方法遵循 了反 馈调整的思路 ，该思路并不能满足工艺编 制阶段实时获取机床 负荷的需求 。为 此，本 文提 出了协 同生产计划 ，在实时能力约束下 优选机 床 的方法 。其流程如图1 所示 f 机 床 选拌 H机 床 ▲ ▲ ／机床实时 能力 模型 图 1实时 能力约束下的机床优选 方法 首先 ，依据 工件对关重机床 的 占用可能性对 工件 进行优先级划分 。按级别对工件分组 ，以组 为单 位分 批 次 对工 件 进 行工 艺设 计 。批 次 工艺 设计 首先依据机床 实时能力 ，为工序匹配加 工能 力和负荷都满足 的机 床 。此时机床 负荷 能力取决 于历史生产计划对机 床的任务分配 。其 次 ，基 于 多层次指标体 系对所有匹可选机床进行评 价和优 选 。进而 ，生产计划依据批次工艺规程 为机床排 产 ，并将机 床负荷变化反馈到机床 实时能力模型 中。后一批 次工艺规划将在变化 了的机 床能力约 束下进行 。整个过程依次循环 ，直至所有批次工 艺规划和生产计划都制定完成 。 此方法将 串行 的工艺设计 与生产计划分批次 并行进 行 ，使得工艺设计 阶段考虑机床负荷成为 可能 ，并 实现 以变化 的机 床能力约束工艺设计 。 其 中，机 床实时能 力的描 述及建模方法 、机床选 择及评价方法是实现上述方法的关键技术。 2 机床实时能力描述及建模方法 目前 ，机床 建模研究 主要集 中在加工 能力方 面 ，机床 负荷方面 的研 究并不深入 。而机 床面 向 工艺 任务的可用工 时同样是影 响工艺路 线设计和 机床选择的关键 。因此 ，需要建立 同时涵盖机床 加工能力和 负荷的机 床实时能 力模型 。机 床的加 工能 力主要 表现 在机床的成形能 力、加工精度 、 尺寸极限 等工艺能力 ；负荷能 力主要表现在计划 期 内机床 的工时分配状况 。 目前 ，特征被广泛应 【 6 6 】 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 0 5 上 用于计算机辅 助工艺设计领域 ，可以完整表达工 件加工表面 的形状 、公差要求 等，因此本文将机 床 的实 时能力定义为机床面 向工艺 任务的可执行 能 力， 由加 工能力和负荷能力构 成 。机床加工能 力以机床 可提 供的加工方法 ，以及加工方法可 完 成的加 工特征两个层次来描述 。机床负荷 以计划 期 内机 床总工时 、已计划工 时和剩余工时 的比例 关系来描述 。参照 以上思路 建立的机床实时能 力 描述模型如图2 所示 L己 型 单时段 图2机床 实时能力模型 在机床实时 能力模型 中，加 工能力是指机 床 可以提供的各种加工 方法 的能力集合 。由两个 相 关 的层面来描述 。第一层为机床可 以提供 的工艺 类型能力 ，包含可 以加工的典型零件类型 和工艺 类型 。如某机床具 有加工盘类零件 的钻 孔工艺 ， 则盘类零件和钻孔 工艺就为机床可提供 的工艺类 型能 力。零件加 工和工艺类型从不 同角度考察机 床的工艺能 力，并 分别核算机床工作 量 。第二层 为特征加 工能力 ，是工艺类型能 力在特征层面上 的映 射。图中左侧横条 的长短标识 了工艺能 力的 强 弱。两个层次 中，不 同类型 的能力在工作 时段 内有各 自的负荷状态 ，如图2 中柱状 图所示 ，它们 是机 床负荷在不 同能 力分 类下的多个 负荷视图 。 加 工能力在一定时期 内是相对稳定的 ，而负荷能 力是随生产计划进程 不断变化 ，但在每个 批次计 划 周期 内是相对稳定 的 。因此负荷能 力由计划周 期 内机床计划任务工 时与总工时 比例进 行描 述 ， 剩余工时 与计划 总工 时的 比值反映 了负荷状态的 优劣 。机床实 时能 力随着对每批次工件 工艺任务 分配的变化 而变化 ，是指导后续批次 工艺设计 的 信息来 源。而基 于实时能力进行机床 选择 和评价 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 l lI8 化 是提高任务均衡性，缩短生产周期的关键 。 3 实时能力约束下的机床选择方法 机 床选择需要考虑加工能 力和可用负荷两个 方面。如果机床 同时具备完成工艺任务的加工能 力并 具 有完 成该 任务 的 负荷 能 力 ，贝 该机 床 可 选 。对 于加 工能力 ，可以通过机床可提供的加工 方法 、加 工特征、特征工艺参数 三个层次依次进 行 筛选 。对 于负荷能力，则通过比较机 床承担本 道工序 后是否还有剩余工时 ，判断机床 是否负荷 可用 。面向加工能力和负荷的机床选择方法如图3 所 示 a n z 力满 J ． ．⋯～ 足 孽 塑 机} ．1 机 床 剩 余 工 时 床 列 表 I j ～ r 一 一 ] 工序工时与 } 任务批量f 加 工能力和 负荷 都可用 的机床列表 图3 面向加工能力 和负荷的机床 选择方法 面 向加工能 力的机 床匹配 ，可以首先对机床 可提供的加工方法与工序要求的加工方法进行对 比 ，并在相 同加工方法下 比较加工特征 的类型 ， 验证工序加工特征工艺要求是否在机床可提供的 工艺 能力范围 内。面向负荷能力 ，首先对工序进 行工时定额 ，结合批量计算工序将 占用机床列表 中各机 床的工时 。其 次 ，对 比机床剩余工时得到 负荷 可用 的机 床 。 基 于 以上方法的选择过程 同时考 察 了加工能 力和负荷。然而，机 床的选择 将加工能力和负荷 都满足工 艺任务要求的机床全部选出，并没有辅 助工艺人 员选 出最终确定参与工序承制的机床 。 因此，还 需要对所列机 床进行评价和比较 。本文 给 出了基 于指标体 系的机床评 价方法，依据指标 体系计算机床面 向工艺任务的得分 ，给 出可选机床 的优先级排序，辅助工艺人员选择最合适机床。 4 基于多指标的机床评价方法 机 床 评 价 是对 机床 与工 序 的适 应性 进 行 打 分 。机床 与工序 的适应性 主要体现在 两方面机 床加工能 力与工序任务 的适 应性 、机 床工时与任 务量的适应性 。评价方法将从机床提 供加 工能力 对工序质量 的影 响角度 ，对静态加工能力进行评 价 ；从机床在计划期 内承担的任务量角度，对机 床动 态负荷进行评价 。因此 ，评价方法采用质量 和 负荷作为顶级指标 ，并以指标和权 重的形 式计 算机床评价值 。质量和负荷的权重 由订单 紧迫程 度划定 。评价方法如图4 所示 图4 机床量化评价方法 质量定义为机床加工能力相对工序加工要求 的适应度 。工序质量由该工序所有加工特征质量 构成 。特征质量以对尺寸精度 、粗糙度等工艺指 标的评价构成。评价方法通过有底到顶的方式 ， 首先对子指标 评价值 和权重进行计算 ，得到各个 特征 质量 评价 值 ，并 综合所 有 特征 评价 值和 权 重，最终获得工序质量评价值。 质量评 价是能力与任务的适应性评价 。针对 工序而言，工 序要求越接近能力极限对机床稳定 性 要求越高 ，耗费的工时越久 ，加工难度也就越 大 。基 于 以上 思路 ，评 价 方 法 比较 加 工 要 求 与机 床加工能 力的趋近程度 ，并 以趋近度标识机床的 能力程度 。将这一思路建立数学模型 ，如下式所 示 一 E mi n { X i 一 ， X i 一 } ⋯ { 一 去 一 口 其 中，机床的能力范围为 ～ ；工艺要求 与能力极值 a或 的差值为能力程度 。机床 能 力从 不 同层 次 有 不 同的 物 理 意 义 。以 特 征 的 表 面粗糙度为例 ，机床面 向该特征粗糙度能力范围 为 ～ ，工艺要求的粗糙度 与a或 的最小 趋近值为 ，即与最接近的极限值 的差值 ，表达 了工艺要求与极限能力的趋近程度。趋近值 与 l ／ 2 a一 相除，规整能力值在0 1 的范围内， 消除 了粗糙度单位对机床能力值的影 响，便于与 公差等其他工艺属性计算能力值后的综 合能力计 算 。 工件加工表面 的重要程 度是由零件设计过程 决定的 。对设计选择的参数与设计可选 的参数范 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 [ 6 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 訇 似 围进行 比较 ，可 以获取该参数 的权 重 。 以是特征的粗糙度 、公差等级等。 该参数可 上方法进行验证 。零件毛坯图如图6 所示。 依据 上述思路可 以对各个工艺 指标权重进行 计算 ，而 各个 工艺 指标的权重间接反映 了特征 的 重 要 性 ， 因 此 可 以 由工 艺 指 标 权 重 累加 获 得 特 征 权重 。公式 2 、 3 分别给 出了指标权重和特征权 重的计算方法 w bS i／ s n 2 其 中 ，S i 为 指标 i 选择 值 ，S 为 设计 可选 范 围 ， Wi 为指标i 的得分，标识了该指标的重 要级别。 公 式 3 给 出 了特征 权 重计 算公 式 3 ∑ ， 1 其 中 ， ∑ ， T j为 特 征 j 重 要 级 别 ， S 。 为j 特征讨 旨 标的重要级别。特，怔j 与多个特征重要级 别的比值 ，即为该特征j 的特征权重w 。 负荷描述的是机床 可用工时与工序工 时的匹 配度 。已用工时和工序工时与总工时 的比例 标明 了机床 的负荷状况 。计划期 内总工时 由生产计划 根据订单 期限确定 ，已用工时 由以确定 的工艺 规 程 中机床所 用工时构成 。机床 负荷评价 可 由公式 4 表示 L 1 一 T e x N 4 其 中，T 。 为工序工时定额，N为加工批量 ，T 为计划期 内总工时 ，L为剩余工时所 占比例 。对应 图2 所示的机床能力分类，不 同的类别下 负荷计算 都参照上式 ，得到不同能力下 的负荷状态。 5 工艺设计 中机床优选应用示例 笔者结合8 6 3 ／ C I MS 主题计划项 目，在动态工 艺规划 系统 中以航 空零件加工机床选择 为例 对以 [ 6 8 1 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 0 5 上 6 框 类 零 件 毛 坯 毛 坯大 d 6 0 03 1 0 3 5 mm，采 用两 孔一 面 定 位方式 ，用6 个M1 2 螺钉压 紧零件 ，C型框方式连 接零件 。工艺路线 为粗加工正 面 修基准面 、钻 压 紧 、锪 孔 、粗加 工 反 面 钻 工艺 孔 、锪 孔 、 粗精加工反面外形 以及中加孔 、粗精加工正面 内 形 。其 中缘条 ，筋条，腹 板、腹板角度孔为主要 特征。缘条需要加工 闭角和开角，闭角为6 6 ． 1 度， 开 角 为 1 2 5 ． 5 度 ，腹板 上 有5 度 的角 度孔 。最 后 的 精 加工工序为关重 工序 ，为其 选择可用机床 。机 床 列 表如 表 1 所 示 。 表1 候选机床 列表 计划时段 设 备名称 工作 台尺寸 机床坐标 剩余工时 桥宝 VC M1 5 0 0 l 8 0 0 6 5 0 3 3 0 0 7 0 HF S P 7 0 HF S P 7 0 0 7 0 0 3 2 8 0 2 6 M V2 2 5 0 0 B 2 6 0 0 0 2 5 0 0 3 3 5 0 5 A正 负4 0 度 蓝宝迪 1 2 0 1 L 4 0 0 0 l 2 5 0 1 5 0 B正负4 0 度 5 A正 负2 5 度 V C 5 VC 5 0 3 0 0 3 3 0 0 7 6 5 1 0 0 B正负2 5 度 面向关重工序参照上述方法对机床能力和负荷 进行评价 。评价结果如表2 所示。 由于 缘 条 和 腹 板 孔 有 角 度 要 求 ，三 轴 机 床 不 能满 足要求 。五轴机床的选用依据 生产紧迫性设 置 质量、负荷权重 ，得到总评分 。依据工序工时 和加 工数 量 ，计算选用机床 的工 作量 ，与计划期 内已有任务量累加 ，更新实时 负荷能力 ，约束后 续机床选择。 6 结束语 本文提 出的实 时能 力约束下 的机床 优选方法 可 以使 工艺 人员在编制工艺之初就 获取相应的机 床 负荷信息 ，辅 助工艺人 员制定 出任务均衡 的工 艺 规程 ，缩短 了生产周期 。同时 ，本文提 出的量 化评 价方法不依赖于人为 因素 ，具有工艺稳定性 【 下转第 1 1 6 N 】 法 ● L 方 定 确 一 哪 ■ 一姐 4 选 。 ； 寸 一 一 1 _1 ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数据 分析【 J 1 ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ． 9 ， 3 2 9 2 1 2 2 1 4 ． 【 3 】 周永喜， 施 群， 王小 椿． 基 于DS P 的运 动控制卡 的设计与 实现[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 ， 3 8 6 8 7 ． 【 4 】 陈国民， 闫满刚． 对我国齿轮感应淬火技 术的评述 [ J 】 ． 金属 热处理 ，2 0 0 4 ， 2 9 1 3 2 3 9 ． 【 5 】 庄淑君 ， 沈庆通． 曲轴旋 转淬火机 床控 制 系统设 计 【 J 】 ． 金 属热处理 ， 1 9 9 8 ， 1 4 3 4 4 ． 【 6 】 葛运旺 ， 罗 尚民， 张宗杰 ， 等 ． 由P L C和HMI 构成 的感应 淬 火机床数控系统【 J 】 ． 热加工工艺， 2 0 0 5 ， 9 5 3 ． 5 5 ． 【 7 】 葛运旺， 赵尊群， 张宗杰， 等． 基于现场总线的感应淬火机 床控制系统设计[ J ] ． 工业仪表 与自动化装置，2 0 0 5 ， 5 3 2 3 4 ． [ 8 】 周海， 曾少鹏， 袁石 根． 感 应加热 淬火技 术的 发展及 应用 【 J 】 _ 热处理技 术与装备， 2 0 0 8 ． 0 6 ， 2 9 3 9 1 5 ， 2 1 ． 【 9 】 孙海洋， 范大鹏 ． CNC参数 曲线实 时插 补进给 速度控制 方法 [ J 1] ． 中国机械工程， 2 0 0 8 ． 9 ， 1 9 1 7 3 2 3 6 ． 【 1 0 】陈婵 娟， 闫永志， 蓝通 明． 开放 式数控 系统人 机界 面的设 计【 J J ． 组 合机床与 自动化加工 技术， 2 0 0 7 ， 2 4 2 4 5 ． { {缸{ { { { { {缸{ { { ． ． { { 囊‘． { { {盘‘ 蠡‘ { 曼‘ 蠢‘ 【 上 接第6 8 页 】 表2评价结果 缘 条 筋条 腹板 腹板孔 设备名称 粗 尺 粗 尺 粗 尺 粗 尺 质 工 负 糙 寸 权 糙 寸 权 糙 寸 权 糙 一 权 日 _ 里 时 荷 精 重 精 重 精 重 精 重 度 度 度 度 度 度 度 度 桥宝 V C M1 5 0 0 0 _ 3 0 0 ． 2 0 ． 8 0 ． 4 0 ． 7 0 _ 3 O 0 O 7 0 HF S P 7 0 HF S P 0 ． 6 0 O ． 8 0 ． 8 0 ． 6 0 _ 3 0 ． 6 0 0 0 2 6 M V2 - 2 5 0 0 B 0 ． 4 0 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 7 O ． 6 0 0 0 0 ． 0 ．5 0． 2 0． 1 0． 2 0 - 3 蓝宝迪 1 2 0 1 L 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 8 0 ． 6 0 ．4 0 - 3 0 ． 7 1 2 0 6 2 8 6 5 O ． VC5 VC5 0 3 0 0 0 ． 4 0 ．4 0 ． 5 O ． 6 0 ． 5 0 ． 8 0 ． 6 0 ． 8 O ． 6 l 0 0 2 5 和评 价敏捷性特 点，对 网络化协 同制 造 中机床的 选择与评价具有参考价值 。 参考文献 【 1 】李双跃 ， 龙红能， 殷 国富， 等． 基 于特征的制造工艺 资源建模 与检 索 方法研 究 【 J J ． 计 算机 集成 制造 系统， 2 0 0 7 ， 6 ， 1 3 6 1 0 6 2 ． 1 0 7 0 ． 【 2 】俞烽， 廖文和， 郭宇， 等． 面向工艺的扩散制造资源选择方法 研究 f J 1 ． 中国机械工程， 2 0 0 8 ， 1 0 ， 1 9 1 9 2 3 1 5 2 3 1 8 ． 【 1 1 6 1 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 - 0 5 上 【 3 】王忠宾， 许娟， 张永忠， 等． 智能C AP P 系统及其加工资源动 态决策【 J 】 _ 中国矿 业大学学报， 2 0 0 6 ， 5 ， 3 5 3 3 1 7 3 2 2 ． 【 4 】CI UR A NA J ， CARCI A ROMEU M L， FE RRER I ， e t a 1 ． A mode l f or i nt eg r a t i ng pr oc es s pl a nni ng a nd pr oduc t i on p l a n n i n g a n d c o n t r o l i n ma c h i n i n g p r o c e s s e s[ J 】 ． Ro b o t i c s and C o mp u t e r - I n t e g r a t e d Manu f a c t u r i n g 2 4 2 0 0 8 5 3 2 _ 5 4 4 ． 【 5 】王忠 宾， 王宁生， 陈禹六． 工艺规划 和生产计划 与控 制集成 过 程 中 的 资 源 决 策 【 J】 ． 计 算 机 集 成 制 造 系 统， 2 0 0 4 ， 1 0 6 6 4 6 6 5 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m