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设备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统研究与开发 摘要 工艺规划与车间生产调度是企业生产的两个重要环节，两者集成对于 改善工艺规划的可行性、提高工艺规划和车间生产调度的整体优化、提高 设备利用率、降低生产成本、提高企业市场竞争力有着重要的理论和实践 意义。因此，本文研究开发了一套具有自主知识版权的、通用的、智能的、 开放式、基于图形驱动的工艺规划与生产调度信息共享的软件集成系统。 本文分析了系统功能需求，建立了适应工艺规划与车间生产调度需求 的制造资源模型和文件存储结构，采用设计模式搭建了集成平台统一的文 档视图结构，统一的命令响应机制。 通过分析工艺规划操作语言的生成特点，建立了参数化工艺规划操作 语言模型并制定了相关规范，建立了制造资源能力模型与工艺规划操作语 言推理模型。在分析了d x f 文件格式规范基础之上，通过面向对象技术解决 了其数据读取和拾取方法。通过事件和委托机制解决了工艺规划系统与d x f 文件处理系统的通信问题，进而解决了工艺规划操作语言参数实例化问题。 通过对常用生产调度措施和调度原则的研究，提出基于关键比调度原 则的最小负荷调度算法，较好地处理了非流水生产调度车间制造资源负荷 不平衡问题。 集成系统以v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 为开发工具，以c # 为编程语言实现了设 备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统，并通过实例验证了开发系统 的功能和方法是有效的。 关键词：操作语言工艺规划。设备能力生产调度图形驱动 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp r o c e s sp l a n n i n g a n dp r o d u c t l 0 ns c h e d u l i n gs y s t e mn a v i g a t e d b y e q u i p m e n t c a p a b i l i t y a bs t r a c t p r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga r et w oi m p o r tl i n k s o f p r o d u c t i o n i t h a st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r i n t e g r a t i o nb e t w e e nt h et w o s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ef e a s i b i l i t yo fp r o c e s s p l a n n i n g ，r a i s ep r o c e s sp l a n n i n g a n d s c h e d u l i n go p t i m i z a t i o n ，i m p r o v e e q u i p m e n tu t i l i z a t i o n ，r e d u c et h ec o s to fp r o d u c t i o n ，a n di n c r e a s et h e i rm a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e da ni n d e p e n d e n tc o p y r i g h t ， u n i v e r s a l ，i n t e l l i g e n t ，o p e n e d ，g r a p h i c - d r i v e np r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o d u c t i o n s c h e d u l i n gi n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mw i t hs h a r e di n f o r m a t i o n t h i sp a p e ra n a l y s e st h es y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n ds e t su p a n u f a c t u r i n zr e s o u r c em o d e la n df i l es t o r a g s t r u c t u r ew h i c ha d a p tt ot hemanutacturing r e s o u r c em o d e la n dt i l es t o r a g es t r u c t u r e c 1 1a a a p tt om e n e e d so fp r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g i ta d o p t st h ed e s i g n p a t t e r nt os e tu pau n i f i e ds t r u c t u r eo fv i e wa n dd o c u m e n t ，a n dt os e tu pa u n i f i e dc o m m a n d r e s p o n s em e c h a n i s m o nt h ei n t e g r a t e dp l a t f o r m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh o wt h ep r o c e s sp l a n n i n g o p e r a t i o nl a n g u a g ei sg e n e r a t e d ，a n ds e t su p t h ep a r a m e t r i cm o d e lo ft h ep r o c e s s p l a n n i n go p e r a t i o nl a n g u a g ea n dd e v e l o p sr e l e v a n tn o r m s ，a n dt h e ne s t a b l i s h e s ar e a s o n i n gm o d e lo ft h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sc a p a c i t ya n dt h ep r o c e s s p l a n n i n go p e r a t i o nl a n g u a g e a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gt h e d x ff i l ef o r m a t s t a n d a r d s ，i ta d o p t so b je c t o r i e n t e dt e c h n o l o g yt or e s o l v er e a d i n gd a t aa n d p i c k i n gd a t a b yu s i n gt h e m e c h a n i s mo fe v e n ta n dd e l e g a t e ，i tr e s o l v e s c o m m u n i c a t i o np r o b l e m sb e t w e e nt h ep r o c e s sp l a n n i n gs y s t e ma n dd x ff i l e p r o c e s s i n gs y s t e m ，f u r t h e r r e s o l v e sh o wt h e p r o c e s sp l a n n i n go p e r a t i o n l a n g u a g e sp a r a m e t e r sa r er e p l a c e db y r e a lv a l u e s b ys t u d y i n gt h e u s u a ls c h e d u l i n gm e a s u r e sa n dd i s p a t c h i n gp r i n c i p l e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e st h em i n i m u ml o a ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o nc r i t i c a lr a t i o ， a n ds o l v e sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sl o a di m b a l a n c ep r o b l e mw h i c he x i s to n jo b s h o p t h es y s t e m , w h i c ha d o p t sv i s u a ls t u d i o2 0 0 5a sd e v e l o p i n gt o o la n dc 群a s p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，r e a l i z e sp r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g s y s t e mn a v i g a t e db ye q u i p m e n tc a p a c i t y t h e f u n c t i o na n dm e t h o do f d e v e l o p i n gs y s t e mi st e s t e dt ob ee f f e c t i v et h r o u g he x a m p l e s k e yw o r d s ：o p e r a t i o nl a n g u a g e ；p r o c e s sp l a n n i n g ；e q u i p m e n tc a p a c i t y ； p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ；g r a p h i c - d r i v e n 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲研彦乳 嘴6 月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 击i 】时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：自罨荔劫 导师签名 叶沙鼢几叩 1 7 7 矿 设鼍p 能力导航的工艺期陂口与率阚生产调度系统研究与开冀： 1 1 课题的提出 。1 。1 课题来源与研究圈标 1 绪论 本课题来源于南宁市科技局科技攻关项目“设备能力导航的工艺规划通用设计系统 及集成化应用研究( 2 0 0 7 0 1 0 4 0 5 a ) ”；旨在开发如通用的、结合具体制造行业能由用户 毒行定割符合本企业制造规范的、设备麓力导航的工艺规划和车间生产调度系统。 该课题深层次的目标在于：通过基于设备能力特征建模的研究，提供一个构造整个 系统开发全过程的环境，探索出系统开发满足开始式、通用化、智能化、易扩展的系统 开发的基本途径和一整套建模方法。 1 1 2 课题研究的目的和意义 过去工艺规划与生产调度是相互独立完成的，在真正进行举闻生产时，经常发现先 前制定的工艺规划和车间生产调度存在许多局限与冲突，使得这些调度结果不得不重新 修改，从而造成制造信息和制造过程的中断。而其中最根本的原因是缺少工艺规划与车 间生产调度直接的信息与功麓的集成。 ( 1 ) 传统工艺是在不考虑车间动态信息的情况下生成的，因此是静态的和刚性的。 这种没有可选性的其应用必然受到很多限制。 ( 2 ) 传统工艺规划系统的工俸模式是在假定车阆资源是无限或空闲的情况下做出 的，而实际上由于材料短缺、设备故障或其他任务占用等原因要求的设备无法保证。 ( 3 ) 传统的工艺规划与车间生产调度只是考虑到单一的优化准则，而在实际的制造 环境中，不止一种铙化准则需要同时考虑，且这些准则在决策中的权重是随时改变的； 另一方面工艺规划和车间作业计划的优化准则之间也需要进行协调，以防止出现“优化 冲突 。 媳) 工艺规划与车闻生产调度的圜标不一样，如果两者没有进行集成开发，就有可 能出现目标冲突问题。工艺规划主要强调的是生产任务中某一零件的技术需要与技术实 现，而车闻生产调度则把合理的目标设备和合理的投放时间放在首位，若弱者的目标缺 乏协调，也会带来一些问题。 ( 5 ) 传统的车间生产调度往往产生于工艺规划之后，不可避免会受到工艺方案的约 g - 西大掌硪士掌位论文 设备能力导航的工艺规划与率阚生产调度系统研囊可开发 束，因此工艺方案的局限性会直接影响到车间生产调度的可行性。 ( 6 ) 工艺规划和车闻生产调度是在车闻生产之翦完成的，即使在制定工艺计划时考 虑到了车间的情况，计划制定阶段与计划实施阶段的时间差也可能会影响工艺规划与车 间生产调度的可行性。因为车间生产调度方案制定时所考虑的资源约束在这段时间差内 也许改变了许多，所以这种约束的动态变化有可能使得原先的方案失去“优化的意义， 甚至变得无效。 由于制造资源的实时动态特性，在没有考虑到工艺规划与车间生产调度集成的情况 下，原先制定好的工艺规划和车闻生产调度方案并不是最优的，两者之闯的集成势在必 行。因此，研究开发一套具有自主知识版权的、通用的、智能的、开放式工艺规划与生 产调度信息共享的软件集成系统，对于改善工艺规划的可行性、提高工艺规划和车间生 产调度的整体优化、提高设备利用率、降低生产成本、提高企业市场竞争力有着重要的 理论和实践意义。 1 。2 国内外相关研究综述 1 2 1 计算机辅助工艺规划研究现状 工艺规划是指根据产品设计图纸，制定出从原材料加工成符合设计要求所需要的一 系列加工方法、制造过程以及有关姿源的需求等。焉计算机辅助工艺规划实质上是使用 计算机代替人工进行工艺规划工作。 它从6 0 年代后期出现到现在经历了检索式、派生式、创成式、半创成式和专家系统 几个阶段秘潮鞠疆3 。检索式是一今工艺文件管理系统，对具有标准化工艺特点类型的零件 和生产模式起到了很好的作用；派生式是利用零件的相似性，即相似的零件具有相识的 工艺，在成组编码技术基础上，通过建立相似准则，基于相似原理派生工艺规划过程， 早期的派生系统只能豳人工修改工艺，后来才可以根据零件倍息自动修改工艺。剖成式 式是存储进行各种工艺决策所需要的决策逻辑；当用户输入新零件信息后，系统可以模 仿人工编制过程，利用决策逻辑和制造工程数据信息做出各种工艺决策，自动生成零件 的工艺规划。由于工艺设计问题的复杂性，至今没有成熟酶刨成式系统。专家系统是基 于人工智能原理，利用推理机在专家知识的支持下，模拟人工设计的方法进行工艺规划 的。 近年来，随着网络和各种智能技术的发展，计算机辅劲工艺规划的研究芷朝着网络 化、智能化、集成化和并行化的方向发展啼m 1 。在智能化方面，由于人工智能技术、神 2 广西大掌硪量掌位论文设备能力导航的工艺期臼目专车闸生产诺度系统研究与开j 冀 经网络、模拟退火算法的发展，促进了计算机辅助工艺规划的发展，先后解决了计算机 辅助工艺规划方面的特征加工方法生成、刀具选择、机床选择、切削参数选择、工艺决 策等问题。在集成化方谳，与传统c a d 、c a m 的集成主要解决设计信息如何向工艺规 划传递信息的问题，目前有基于特征的设计、自动识别技术、特征映射技术三种解决方 案，与p d m 、e r p 的集成主要停留在基予p 蹦酶工艺规划设计模式和流程管理，以及工艺 规划和e r p 中生产控制的集成。在并行化方面，是利用并行工程的思想在智能化集成化 基础之上计算机辅助工艺规划的进一步发展，目前还处于研究探索阶段。 计算机辅助工艺规划技术经历了三十多年的发展历程，国内外对在计算机辅动工艺 规划技术的研究已投入大量的资金与力量，对其进行了大量的探讨与研究，无论是在研 究的深度上还是广度上都取得了非常大的进展。但由于工艺规划本身的复杂性、工艺知 识的模糊性及外在环境的多样性，虽然国内外己开发出为数众多的计算枫辅助工艺规划 系统，有些系统已得到实际应用，但其效果还不能令人满意，其普及程度尚低。应用中 的工艺规划系统无论从设计方法上，系统集成层度上都还处于较低的水平。 1 。2 2 车间生产调度的研究现状 车间生产调度是随着工业生产的出现而出现的，它是对一个可用加工机床集上进行 加工任务分配，戬满足定的性能指标集。自从2 0 世纪5 0 年代，j o h n s o n 对两台机床的流 水线型调度问题进行了研究，其后人们就开始了对生产调度广泛研究。在研究方法上， 最初是集中在整数规划、多目标优化、仿真和简单的规则上，这些方法不是调度结果不 理想，就是难以解决复杂的闻题。近年来，随着各种新的相关学科与优化技术的建立与 发展，出现了许多新的优化方法，如神经网络、遗传算法h 1 、基于知识的方法等，使得 生产调度问题的研究方法走向了多元化。对现有调度问题的智能化研究总结如下。 ( 1 ) 基于运筹学( 0 r ) 酶方法 0 r 方法是将生产调度问题简化为数学规划模型，采用基于枚举思想的分支定界法动 态规划法进行求解蚓西3 。这类方法通常适合于解决小规模的生产调度问题，当调度规模 较大时，将难以解决。 ( 2 ) 基于优先规则的启发式方法 利用从生产实践中总结出的经验和规则( 调度优先规则) 从尚未调度的订单中选择 一个，然后利用启发式算法进行调度，直到所有订单均被调度为止鞋霸。这类方法的计算 复杂度相对较低，易于实现，但求出的解不一定满足所有约束条件，常常需要专家介入 3 设备能力导航的工艺考已耄缱与车棚生产谓度舞；娩研究号开j 爰 调整。 ( 3 ) 邻近搜索法 由于精确地求解组合优化问题的全局解需要很长时间，因此，人们引入了邻近搜索 法，这类方法主要有：遗传算法儿1 2 m3 1 、模拟退火法、禁忌搜索法。这种技术仅对选定 懿成本函数值的变化徽蹬响应，运行时闻毙窟发式方法长，但是解的质量相对较高。 ( 4 ) 拉氏松弛法 拉氏松弛法可在可行的时间里能对复杂规划问题提供次优解，但多数情况下需要对 所得到的解进行再加工，才能得到较满意的调度结渠瓢铂。 ( 5 ) 基于人工智能的方法 利用模型和知识，通过模拟、学习、推理等手段为人的决策行为提供支持，但每次 出现新的调度环境时都需要重薪训练，即对薪环境的适应性较差。 除了以上方法外还有基于d e d s 的解析模型法、系统仿真方法、神经网络法、蚂蚁 算法n 5 1 n 胡等调度方法。强然国内外学者对此进行了大量的研究，但由于车间生产调度本 身具有实时性、动态性和复杂性等特点，很难用一种模型手段将其描述清楚，至今滏未 形成一套完整的方法和理论，理论研究和实际应用之间依然存在着很大的差距。 1 。2 。3 工艺规划和车间生产调度集成研究现状 随着经济全球化和市场需求的个性化，越来越多的企业转向了以单件小批订货的生 产方式组织生产。然而这种生产方式具有订单随机性、产品专用性及生产一次性的特点。 传统的工艺规划技术准备餍麓长，且设计出来的工艺规划方案不一定能满足车闻的实际 情况，已经不能适应这种形势的发展，迫切要求建立套适应这种生产方式的产品开发 与计划管理方法，以缩短产品开发周期、降低成本。工艺规划和车间生产调度集成应运 面生。对工艺规划与生产调度的集成研究分为两个方面：集成模型和集成算法。下面将 分别阐述。 。2 。3 。 集成模型 为了实现工艺规划与车间生产调度之间的集成，国内外已经展开了相关研究，并取 褥了一些成果，提出了一些集成模型，归纳起来，主要有：菲线性_ i 艺规划( n o n l i n e a r p r o c e s sp l a n n i n g ，n l p p ) 、动态工艺规蓟( d y n a m i cp r o c e s sp l a n n i n g ，d p p ) 、分布式土艺规 划( d i s t r i b u t e dp r o c e s sp l a n n i n g ，d t p p ) 。 毒 广西大等骗戮套掌位。沦文设备能力手航的工艺规耄! l 与牵硒生产调度系统研究弩开鬟 1 、非线性正艺规划1 7 3 n 8 3 n 钔捌 由于一种型面特征可能有多种加工方法，一种加工方法也可能有多种可用加工设 备，同时一种加工设备也可具有多种加工功能，因此该方法的设计思想是在假定车间的 制造资源的状态是静态的情况下，生成多种可选工艺路线以满足车间层调度的需要。这 些路线按照某种工艺评价标准算出评价系数，然惑按照评价系数的大小顺序存储在工艺 文件库中。在调度过程中，优先选择评价系数高的加工路线，当不能满足车间要求的情 况下，依次搜索评价系数次高的可选王艺路线，直至满足要求。非线性工艺规划的原理 如图1 - 1 所示。 2 、动态工艺规划嘲1 嘲2 3 1 该方法通过车间资源信息的动态反馈来产生实时优化的工艺方案。车间生产调度系 统把当前车间所有设备浚源的状态与负荷反馈给草拟的工艺规划，使之及时更改与调 整，从而提高了工艺的可行性。工艺规划与车间生产调度集成在起形成工艺路线自动 调整的闭环回路，因此这种方法也叫闭环式工艺规划。动态工艺规划的原理如图1 - 2 所 示。 工艺规划系统 占 胃选工艺方案 、 0 计算工艺路线评价系数大小 l i ? 选择工艺路线 是l 车间生产调度方案 图1 - 1 肄线影工艺规划示意图 f i g 1 1 n o n l i n e a rp r o c e s sp l a n n i n g 5 设备能力觥的工艺期明哪与车间生产调度系统研究与开发 工艺修正要求 图1 - 2 动态工艺规划承意蚕 f i g 。1 - 2d y n a m i cp r o c e s sp l a n n i n g 3 、并行分布式工艺规划啪m 6 m 叭2 7 3 该方法引入分布式设计思想，将工艺规划和车间生产调度分成预备规划、匹配规划、 最终规划三个设计阶段，在每阶段工艺规划和车间生产调度完成各自设计子任务，并 且在相互的交叉点完成信息交互，最后同时完成工艺规划和车间生产调度。 ( 1 ) 预备规划阶段：进行工艺过程的特征分析与排序，选择特征的加工方法，基于 车阗制造资源信息豹多工艺路线生成等内容。 ( 2 ) 匹配规划阶段：主要分析工艺路线的经济性与实对合理地分配资源，以最少的 工时定额与最低的工艺成本选择最佳工艺设计方案，提高车间生产调度柔性。 ( 3 ) 最终规划阶段：根据匹配规划层的输出结果实现工艺规划和车间生产调度的集 成，完成具体的工艺路线与车间作业计划的制订工作，并对车间生产调度进行模拟运行， 以确定其可行性；同时显示具体工艺路线、刀具轨迹、所选择的机床、刀具、夹其以及 入员配备情况，并提供用户编辑修改的手段，输出多工艺路线评价结果及设备资源信息。 1 2 3 。2 集成算法 相对于集成模型而吉，集成算法的磷究相对比较集中在遗传算法乜羽啷1 恻。u 、数学规 划法、蚁群算法。北京理工大学张志英博士的b i t 。c a p p s 系统盼2 1 ，该系统通过建立b o p 工艺规划模型和t - b o p 的生产调度模型，建立了生产线面向对象p e t r i 网模型，研究了遗 传算法在工艺规划和生产调度集成优化的应用，根据集成问题的需要，应用结构化编码 方式和规划一资源交叉算子进行染色体编码和遗传进化的操作，实现了在信息集成基础 之上的功能集成及集成系统的整体优化。浙涯大学刘敏博士的i c a p p s 系统豁麓，该系统 建立在动态分布式工艺设计基础之上的集成，首次提出a a g a ( 自适应退火遗传算法) ， 建立了基于a a g a 的零件工艺优化数学模型、过程模型、求解模型及算法，提出可替代 6 广西大掌领量掌位论文设备能力导瓤蠹工艺期巳划与车阚生产调度系自研囊亨开鬟 工序的概念进行遗传编码，提出部分工种匹配替换交叉、单点变异的遗传算法。西安交 通大学翻颖等利用交叉算子来交换加工顺序，用变异算子来改变工艺路线，在考虑设备 负载平衡以及加工任务完成时间最短的条件下，将工艺规划和车间生产调度相结合，实 现了最优工艺路线与调度结果的同时生成。数学规划法是把集成问题分成两层，上层执 行工艺规划功缝，下一层工艺规划结果为输入执行车闻生产调度。然磊把结果反馈到工 艺规划层，使之得到优化处理，被优化后的结果输入下层继续进行重新调度，这个过程 反复进行，直到满足退出原则才结束。文献胁3 采用模糊评价方法根据不同零件的完成提 前期、设备零| l 蠲率、其他制造资源利翔率等因素进行动态工艺决策，褥到适合鹭翦生产 状况的工艺方案，然后根据设备的负荷系数进行制造资源决策，把工序任务分配给具体 的设备：为了解决工序任务调度问题提出了蚁群算法模型，并根据自适应原理解决生产 情况变动时酶调度。 1 2 4 工艺规划与车间生产调度集成的发展方向 随着经济全球化和市场酶国际化，企业面临的竞争冒益激烈，对计算机辅助工艺规 划和车间生产调度集成应用的需求在逐渐变化，因此单纯的信息集成已不能满足要求。 国内外学者对其的研究也更加深入，逐渐形成如下的主要发展趋势： ( 1 ) 单纯信息集成离功麓集成、过程集成的转化 单纯信息集成不能体现工艺规划与车间生产调度的相互影响，因此，实现两者功能 和设计过程的集成更为重要。 ( 2 ) 静态集成向动态集成的转佬 为克服传统静态设计和简单串行接口式集成的缺陷，在工艺规划和生产调度过程中 引入企业制造资源的动态信息是十分必要的，这样必然提高工艺规划和生产调度的可行 性。 ( 3 ) 单机集成向网络化集成转化 随着网络制造资源的出现，单机集成已经不能满足企业的发展需要，网络化集成成 力发展趋势。网络技术的发展使得基于w 曲技术的计算机辅助工艺规划与车闻生产调度 成为可能。 ( 4 ) 串行集成向并行分布式集成转化 针对传统工艺规划与车间生产调度串行集成和设计的缺点，工艺瓶划存在规模大 小、以及在线要求等方面存在的巨大差异，车间生产调度存在长期、中期、短期之分； 设备能力导航的工艺期喊畦与率阐生产 j i 度勇0 跷研究与开裳 国内外研究者们提出了并行分布式集成的方法与理论。该方法有针对性地在功能集成、 反馈机制和系统结构等方面开展研究，为集成研究走向实用化打开了局面。 ( 5 ) 集成化平台开发 集成化平台的开发有利于降低集成功能系统的开发难度，提高集成信息模型的可重 用性，为建立具有普遍憔的工艺觏划与车间生产调度集成他系统以适应靓模大小不一、 生产类型不同的企业奠定良好的基础。 ( 6 ) 智能化 随着入工智能、遗传算法、神经网络等智能技术豹发震，以及智能技术在工艺规划 与车间生产调度各自领域的应用发展，这些智能技术的新理论、新思想、新方法和新技 术必然为解决工艺规划与车间生产调度集成中的某些核心问题的解决带来希望。 ( 7 ) 图形驱动式 图形驱动的操作模式使得用户通过简单的点选机床设备图标即可完成工艺规划和生 产调度任务，降低了用户的劳动强度，提高了工作效率。 3 现有集成方法的不是 虽然上面叙述的集成模型和方法采用不同的方式实现了工艺规划和车间生产调度 集成的冒的，解决了一些问题，但是依然存在如下问题： ( 1 ) 没有考虑生产模式对两者集成的影响。在制造企业中存在大批量、多品种中小 批量、单件小批量等多种生产模式，每种模式组织生产的流程与方法不尽相同，工艺规 划与生产调度的集成闻题就不尽相同。 ( 2 ) 大部分集成模型或集成方法要么只是对工艺规划的某种增强，要么是工艺规划 和生产调度之间接口方法的信息集成范畴，并没有完全弄清楚两者信息交换的内容以及 交换的时阀，没有达到真歪意义的集成。 ( 3 ) 过分强调了工艺路线的多样性，而忽略了现有工艺路线的可用性，忽略了生产 系统中其他子系统对工艺路线的要求等。 ( 4 ) 除分布式工艺规划和并行工艺规划继承方法井，其他方法均没有摆脱传统串行 的生产组织模式，因此计划与实施的时间差没有消除，问题没有得到根本性的解决。 ( 5 ) 调度过程无法处理急件、设备故障、人员缺勤等车间意外事故，缺乏柔性。 ( 6 ) 大部分工艺规划系统只包含机加工的部分，忽略热处理、质检等菲枫加工工艺 规划等功能。 8 设备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统研舅与开发 ( 7 ) 忽略了中长期生产规划与工艺规划的关系，没有解决车间作业资源分配的工艺 路线反馈回工艺设计部门的方法与途径。 1 4 集成模型c a n d e l p p s 的提出 在分析了工艺规划与车间生产调度集成的发展趋势，吸收现有集成理论成果的优 点，弥补它们存在的缺点和不足之后，本文提出了设备能力导航的工艺规划与车间生产 调度集成模型( c a n d e l - i n t e g r a t e ds y s t e mm o d e lo fp r o c e s sp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n gb a s e d o ne q u i p m e n tc a p a c i t y ，简称c a n d e l - p p s ，其中c a n d e l 为邕科鼎科技有限公司英文简称) 。 在工艺规划与车间生产调度均有对制造资源选择和匹配基础上，该模型通过建立图形驱 动的集成化平台，当用户选择车间制造资源之后即可通过设备能力导航产生工艺规划操 作语言和生产调度语言，进而产生工艺规划方案和生产调度方案。 1 5 本论文主要研究内容 在南宁市科技局科技攻关项目“设备能力导航的工艺规划通用设计系统及集成化应 用研究( 2 0 0 7 0 1 0 4 0 5 a ) 和南宁市邕科鼎科技有限责任公司的资助下，本文针对目前工 艺规划与车间生产调度集成的不足，提出了设备能力导航的工艺规划和车间生产调度集 成模型，探索了一套开发此类系统的基本途径和一整套建模方法，其主要研究工作如下： ( 1 ) 图形驱动的工艺规划与车间生产调度集成平台设计研究。通过对集成系统功能 需求的分析，提出集成系统技术框架，建立适合于工艺规划与车间生产调度的制造资源 模型和文件存储结构，建立集成平台统一的命令相应机制和文档视图结构，建立图形驱 动的设备能力导航的可视化界面，为工艺规划和车间生产调度奠定基础。 ( 2 ) 设备能力导航的工艺规划操作语言模型和推理模型研究。通过分析工艺规划操 作语言的生成特点，建立参数化工艺规划操作语言模型并制定了操作语言相关规范，建 立制造资源能力模型与工艺规划操作语言映射关系，为设备能力导航的工艺规划奠定基 础，并解决参数化工艺规划操作语言实例化问题。 ( 3 ) 工程图尺寸拾取和处理技术研究。通过分析d x f 文件格式标准，研究了其数据 读取方法、拾取方法以及拾取之后将计算机容易识别的数据转换成工艺尺寸规范数据的 方法。 ( 4 ) 车间生产调度研究。通过研究常用调度措施和调度原则，提出基于关键比规则 的最小负荷算法，处理车间制造资源负荷不平衡问题。 9 设备能力导航的工艺期u 叫与车间生产调度系统研究与开j 戈 1 6 本章小结 本章阐述了课题的来源、研究目的和意义，介绍了国内外关于工艺规划和车间生产 调度各自研究概况，两者集成的研究概况，分析了当前集成方面的不足，结合当前发展 趋势，提出了设备能力导航的工艺规划与车间生产调度集成模型，最后阐述了本论文的 主要研究内容。 1 0 设备能力导航的工艺规划与车间生产调度勇巳统研究与开发 2 设备能力导航的工艺规划和车间生产调度系统框架 2 1 引言 传统工艺规划与车间生产调度集成仅仅是对工艺规划子系统某种程度的优化，集成 的层次较低，仅仅是一些数据接口的集成，缺乏内在功能的联系，不能很好地反映工艺 规划设计与车间生产调度的相互影响。设备能力导航的工艺规划与车间生产调度集成化 系统( c a n d e l p p s ) 是通过建立图形驱动的集成化平台完成实现功能集成和过程集成。集 成平台建立在工艺规划与车间生产调度均有对制造资源的选择和匹配基础之上，通过可 视化的导航界面，利用制造资源能力去导航产生工艺规划操作语言和车间生产调度语 言。因此，集成平台的建设要充分考虑工艺规划与生产调度对制造资源的信息需求。图 形驱动的集成平台建设的好坏直接关系到是否能通过制造资源正确地导航出工艺规划 操作语言和生产调度语言，以及是否真正实现了功能集成和过程集成。 2 2 系统框架 工艺规划与车间生产调度集成化有从信息集成向功能集成和过程集成发展的趋势， 其中构建集成化平台是其中的解决方案之一。本文利用系统集成技术抽象出设备能力导 航的工艺规划与车间生产调度集成框架，如图2 一l 所示。该集成框架基于对企业制造资 源能力的建设，通过选择制造资源按照某种规则产生工艺规划与车间生产调度，使企业 制造资源的维护、工艺规划设计、车间生产调度操作都统一在一个集成系统中完成，实 现数据结构统一的、数据共享的集成信息数据模型。 整个图形驱动的基于设备能力导航的工艺规划与车间生产调度集成系统由四大部 分组成：基础制造资源模块、d x f 文件处理模块、工艺规划设计模块和生产调度模块。 1 、基础制造资源模块 基础制造资源模块是根据制造行业生产车间的制造资源种类、操作方式的相似性， 选择典型制造企业典型制造资源，设计出包含制造资源能力属性信息的图形驱动的可视 化导航系统。该模块是整个集成系统的基础架构，主要功能是维护车间的制造资源信息， 产品零件信息等基础数据，它为开发实用的工艺规划与生产调度系统建立了一个良好的 环境，并提供了必需的工具，这就缩短了研究工艺规划与生产调度生成系统的周期，有 利于系统的应用和推广。 设j p 能力弓嗽的工。艺规耄! l 与牵髑生产调度蔫0 瞒研究号开发 图2 一l 系统技术框架 f i g 2 - 1t e c h n i c a lf r a m e w o r ko f t h es y s t e m 2 、d x f 文件处理模块 d x f 文件处理模块是为工艺规划设计系统服务的，为工艺规划操彳乍语言的参数实例 化以及工艺规划工时定额提供基础数据，主要负责d x f 文件的读取，特征信息的拾取及 处理，并完成予工艺规划生成系统的交互。 3 、工艺烧划设计模块 工艺规划设计模块是在基础制造资源模块创建的企业制造资源模拟环境后，工艺规 划人员利用制造资源能力导航来产生工艺规划操作的。其产生工艺规划操作语言过程必 须满足以下流程执行：( 1 ) 采用人机交互模式拾取设备图元；( 2 ) 图元属性提取；( 3 ) 基 于制造资源能力与工艺规划操作语言映射规则进行推理：( 4 ) 匹酉己操作语言；( 5 ) 动态提 取参数化操作语言；( s ) 工艺规划操作语言参数实例化；( 6 ) 形成操作语言序列。 4 、车间生产调度模块 车间生产调度模块是在基础制造资源模块创建的企业制造资源模拟环境基础之上， 调动人员根据制造资源能力导航产生生产调度方案的。其产生调度方案过程必须满足以 下流程执行：( 1 ) 按交货期紧迫程序排序，选择待调度订单，系统将按照订单内容搜索 相应工艺规划文件；( 2 ) 用户选择是否自动调度；( 3 ) 若是自动调动，将选择调度算法， 1 2 设畚能力导航的工艺期已刘与车间生产调度暴统研究与开鬟 并按照此算法匹配制造资源与工序，若对产生的匹配结果不满意再进行人王调整，进而 产生最终的调度方案；若不是自动调度，将对类似制造资源进行负荷排序，蠢用户按照 制造资源的负荷情况匹配制造资源与工序，进而产生调度方案。 2 。3 总体设计思路 工艺规划系统是设备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统的基础，其最终目的 是产生工序卡片等，即工艺规划系统主要解决的是工序卡片的各项内容是怎么产生的问 题。本系统采用的是圈形驱动的操作模式，即用户通过简单的选择代表机床设备的图元， 基本不需要用户键盘输入，即可产生工艺规划内容。具体来讲：用户选择代表机床设备 的图元之后，系统通过设备能力与工艺规划操作语言之间的映射关系，产生原始的工艺 规划操作语言( 原始工艺规划操作语言由用户根据企业实际编写，但需要符合相关约 定) ，此时的工艺规划操作语言是带参数的( 如图2 2 中“工步内容”处所示) ，这些参 数可以通过从相应零件工序图中拾取尺寸信息替换成具体值，工序内容的设备名称型 号、主轴转速、进给量等信息一般直接来源于机床设备属性或通过简单的选择计算最p 可 形成，进而形成工艺规划的所要求的内容。 机床设备圈元设备属性 设备能力与 操作语富映射 羽户用户 选择选耩 1 r 工艺规划操作语裔 、 r1r l 工序名称：觳车 工步内容；率外圄，探持尺寸 o m m设备名称型号 主轴转速进绘量其它 l 拾取尺寸， 替换未知参数 零件工序图 瑟2 - 2 设计原理 f i g 2 - 2d e s i g np r i n c i p l e 薹3 设备能力导。航的工艺规划与车间生产调度系统研究与开发 2 4 本章小结 本章通过对系统功能需求的分析，将集成系统分为基础制造资源模块、d x f 文件处 理模块、工艺规划模块和车间生产调度模块，阐述了总体设计思路，确立了集成系统总 体技术框架。 1 4 设备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统研究与开j k 3 基础制造资源模块设计与技术实现 3 1 基础制造资源模块的功能分析 c a n d e l p p s 集成系统的工艺规划模块和车间生产调度是建立在制造资源设备能力 基础之上的，而基础制造资源模块是用来负责维护企业制造资源的，因此基础制造资源 模块的分析与设计要充分考虑工艺规划和车间生产调度的需求。其主要功能如下： ( 1 ) 实现设备能力导航的可视化界面 可视化界面是c a n d e l p p s 集成系统进行工艺规划和车间生产调度的导航基础，该 界面负责显示企业车间内各种制造资源生产布局，显示制造资源的基本属性、设备能力 负荷等信息。 ( 2 ) 实现机床设备、热处理设备、刀具、量具、夹具等基础制造资源数据的维护和管理 基础制造资源是进行工艺规划的基础，是车间生产调度实旌的保障，建立满足两者 信息需求的制造资源模型和文件存储结构是系统设计的基础。 ( 3 ) 实现产品零件b o m 表结构维护 产品零件是工艺规划设计的对象，车间生产调度订单的内容。利用产品零件b o m 结 构进行维护零件信息和工艺规划文件，方便进行生产调度。 3 2 制造资源模型 制造资源是指企业完成产品整个生命周期所有制造活动的所涉及的设备、材料、人 力的统称，它反映了一个企业的制造能力。这里所说的制造资源是指狭义的制造资源， 即仅指设备。在集成环境下，制造资源的特征模型分析绝对不能紧紧进行制造资源静态 特性的管理，而是全面地描述作为一种制造实体的制造资源所具有的功能和所处的状 态，否则是不能适应并行工程环境的口5 1 。对于集成环境下的制造资源必须具备如下特点： ( 1 ) 完整性。该资源模型完整地描述了资源的性能和形态，包括动态的和静态的， 可以为制造系统的其它组成部分提供完整的资源信息。 ( 2 ) 与工艺规划系统息息相关。工艺规划系统从该资源特征模型中获取信息并自动 产生工艺规划操作语言。 ( 3 ) 与生产调度系统息息相关。该资源特征模型从生产调度中获取信息，为计算机 辅助工艺规划提供信息。 设备能力导航的工艺规划与车间生产调度系统研究与开发 3 2 1 c a n d e l p p s 对制造资源的信息需求 针对集成环境的要求，我们对集成环境各模块对制造资源的信息需求进行了全面的 分析。下面分模块阐述之： 1 、工艺规划模块的需求： ( 1 ) 工艺规划内容对其的需求。工艺规划的内容是为每一工序选择机床和工艺装备， 确定加工余量、工序尺寸和公差，确定切削用量、切削速度、主轴转速、工时定额等。 这就要求制造资源的信息模型要包括如下信息：制造资源名称和型号、一个常用刀具 列表、常用夹具列表、一个主轴转速列表、一个进给量列表、机床加工尺寸范围、机 床加工精度。 ( 2 ) 工艺规划操作语言的需求。系统设计的目标是有设备能力直接导航出工艺操作 序列，即当用户选择代表设备的图元时，系统根据当前设备的能力通过一系列规则推导 出带参数的工艺规划语句( 即工艺规划操作语言) ，然后将未知参数替换成实际的作用尺 寸，进而产生出工艺操作。为自动产生工艺规划操作语句，制造资源模型需要包括合适 的描述设备能力的信息模型。 ( 3 ) 设备负荷状况和保持设备能力的平衡也是工艺规划时需要考虑的问题。即模型 应该包含制造资源的负荷信息，以指导工艺规划人员的设计。 2 、生产调度的要求 生产调度是根据工艺规划的结果把每一工序安排在特定的机床上进行加工的过程， 它也制造资源有着密切的关系。该过程序需要了解机床运行状态、当前负荷等实时信息， 以便及时解决设备故障、人员缺勤等问题。 系统开发的目的是在建立一个可视化导航界面后，操作制造资源图元对象，即可生 成工艺规划操作序列和调度操作序列。因此，制造资源信息是建立智能化系统的基本资 源，它建立的好坏直接影响到系统质量的高低。 3 2 2 制造资源的特征模型 特征建模即通过特征及其集合来定义、描述对象模型