基于制造单元的车间制造资源能力计算方法

基于制造单元的车间制造资源能力计算方法

工艺规划和车间规划是企业生产中不可或缺的两个环节。制造资源作为企业进行生产的物质基础,在工艺规划和车间调度中发挥着至关重要的作用。当前生产模式下,由于无法获得车间制造资源的能力信息,工艺规划时通常只能指定某一类型的资源,而忽略了该类型下资源实体的信息。这种资源选取方式必然会导致如下两个问题:1)无法确定所选资源是否为最优选择;2)没有给生产部门提供具体的资源方案。当工艺规程指导生产时,资源选择不当以及局部资源负荷过重的情况时有发生。车间调度时,虽然可以指定具体的制造资源,但由于是在资源动态能力未知的情况下指定的,个别资源超负荷,其他资源闲置的情况也在所难免。同时,工艺规划过程中忽略了生产的主导因素——操作工人的作用,而片面强调了设备等静态资源的影响。车间调度中,虽然偶尔提到操作工人因素的影响,但是没有给予足够的重视,大部分研究重点放在了调度算法的优化上。针对上述问题,本文提出基于制造单元的制造资源能力计算方法,并对该方法中制造资源能力模型建立和资源能力计算等几个关键问题进行研究。1基于制造单元的制造资源能力计算方法1.1一般描述为便于阐述制造资源能力计算方法,首先对物理制造单元、逻辑制造单元和中间特征等概念进行解释。1.1.1it的概念物理制造单元(PhysicalManufacturingUnit,PMU)是由同处一地的加工设备、工装附件、计算机硬件和操作工人等物理实体组成,是面向生产车间的,满足某种加工工艺的多台设备、工装和操作工人的集合。物理制造单元受地点限制,具有一定的制造能力。1.1.2物理制造单元—逻辑制造单元逻辑制造单元(LogicalManufacturingUnit,LMU)是用来描述物理制造单元具有完成某类零件、某种特征的制造能力,由完成某类零件某部分或者全部连续加工的工序集组成。1.1.3零件中间特征中间特征是零件特征和加工要求与资源特征进行匹配的桥梁。中间特征由直线、孔直径等基础的几何要素组成,不但数量少,而且任何零件特征都可以方便地转化为中间特征。这样只需设置好中间特征与资源特征之间的匹配关系,就可以快速确定零件工艺特征和资源特征的匹配关系。1.2逻辑制造单元物理制造单元是车间设备资源、操作工人和工艺装备等的抽象与封装,是制造资源能力的提供者。逻辑制造单元随工艺规程设计、车间调度等不同需求而变动,是制造资源能力的接受者。物理制造单元与逻辑制造单元在固定的约束条件下进行匹配,从而得到满足逻辑制造单元要求的物理制造单元集合。制造资源能力计算方法如下:物理制造单元内部进行规范化处理,将操作工人能力进行工时映射与平衡处理,协同其他资源共同输出为整个单元的生产能力。物理制造单元作为一个虚拟整体进行加工能力和生产能力输出,该输出就是制造资源能力信息。另一方面,建立中间特征库,确定中间特征元组成员。当逻辑制造单元发生变更时,首先进行逻辑单元到中间特征库的映射,得到中间特征集,然后调用制造资源能力信息与中间特征集进行能力-特征匹配,形成该次加工的资源备选集合。最后对资源备选集进行筛选、评价后输出资源方案集。计算方法如图1所示。在该方法中将制造资源能力归纳为加工能力和生产能力,其中加工能力表征该单元可完成的工艺和所能加工的精度;生产能力则反映制造资源的动态特性,如资源的生产状况及资源在确定计划期内是否可用等。同时引入中间特征来对逻辑制造单元进行简化。为实现上述目标,需要建立统一的制造资源能力模型。制造资源能力模型的建立,以及在该模型下物理制造单元的能力抽象、逻辑制造单元到中间特征的映射,和资源能力与中间特征集的匹配,是本文研究的关键问题。2pmu能力属性制造资源是企业完成产品整个生命周期所有生产活动的物理元素的总称,制造资源贯穿产品生产全过程。制造资源有广义和狭义之分,本文主要研究车间级制造资源,包括制造工艺资源和操作工人等。制造资源的建模方法很多,本文在总结前人研究的基础上,从制造资源可以实现的功能方面考虑,以尽量详细地反映资源的加工与生产能力为目标,建立了车间制造资源能力模型。在该模型中,制造资源可以表示成二元组形式Res::=<PMU,LMU>,其中PMU为物理制造单元,代表资源能力的提供方,LMU为逻辑制造单元,代表资源需求。由于资源能力由PMU提供,因此PMU的模型构成是重点研究对象。制造资源总体模型构成图,如图2所示。PMU的加工能力和生产能力全面反映了制造资源的能力信息,是能力计算的基础。暂且将PMU表示为四元组形式:PMU::=<BaseProp,ProcessCapa,ProductCapa,Relation>,其中ProcessCapa代表加工能力,ProductCapa代表生产能力。下面就PMU能力属性分析如下。ProcessCapa描述PMU的加工能力,表征资源可以完成的工艺或可达到的加工精度,可以进一步表示为:ProcessCapa::=<ProcessObje,ProcessMeth,ProcessResu,ProcessPeop,ProcessRest>。其中,ProcessObje为制造特征,ProcessMeth为加工方法,ProcessResu为加工结果,ProcessPeop为执行操作的人员,ProcessRest为内外部约束条件。ProcessCapa表征了PMU的加工能力属性,经过具体数据抽象即可获得该PMU的加工能力值。ProductCapa描述PMU的生产能力,反映制造资源的动态特性,如资源的生产状况,资源任务列表,及资源在确定的计划期内是否可用等,可以进一步表示为:ProductCapa::=<ProductTask,ProductRunt,ProductBusy,ProductPeop>。其中,ProductTask为任务列表,ProductRunt为运行时间,ProductBusy为忙闲状态,ProductPeop为配备操作工人状况。ProductCapa表征了PMU的生产能力信息,通过对该属性的数据加工处理,可以得到PMU生产能力值,从而确定满足加工要求中产能需求的PMU实体。借助制造资源能力模型,清晰地描述了PMU的能力特性,为能力计算奠定了基础。3物理制造单元的能力抽象加工能力和生产能力从不同侧面反映了物理制造单元的能力信息,因此采用不同的方法进行抽象处理。3.1生成的数值型指标物理制造单元的属性信息有多个,为了实现加工能力计算,必须清晰描述这些参数。这里按属性值的特征分为两类:数值型和非数值型。两种类型的属性分别是几个单元属性的合集,同时是整个单元属性的子集。不同的属性指标,采用不同的值型处理后归入不同的分类。需要注明的是,数值型指标中有三类情况:1)取最大值型的,如刀库容量,以Db标识;2)取较小值型的,如加工精度和粗糙度,分别以Js和Cs标识;3)区间型的,如加工尺寸,以[X1,X2]标识。非数值型属性,仍然保持原有状态,如可加工类型={轴类,盘套类,箱体类}。3.2物理制造单元物理制造单元包括了设备资源、工装资源等生产性因素,同时也包括了生产的执行因素-操作工人。以往对制造资源的研究中,往往省略或简化了操作工人对整个单元系统性能的影响,而单方面考虑非生物的因素,这其实是对车间的严重简化。实际生产中,有着熟练加工能力或特殊加工能力的操作工人,也可能成为制约或提高车间生产能力的因素。操作工人对于整个制造单元能力的发挥起着激励与触发的作用。然而操作工人本身信息的动态性增加了其描述的难度,但是操作工人的因素反映到整个物理单元上,对外输出是资源生产能力的变动。因此,本文将物理制造单元看作基础资源,将其整体能力作为输出。这就需要首先对其内部资源进行处理,主要是设备等资源与操作工人之间的综合与能力平衡。本文采用“工时映射法”,将操作工人实体能力与设备等资源进行匹配,然后映射为整个物理制造单元的生产能力。影响操作工人生产能力的属性参数有:出勤率η、定额完成系数δ、熟练程度Ω、制度工作日T和制度工时T′。影响设备生产能力的属性参数有:设备台数N、开动班次K、技工P、副操作P1和徒工P2。除熟练程度外所有参数均以数值计。为计算方便,熟练程度亦转化为数值,转化标准值见表1。生产能力映射规则如下。规则1:操作工人生产能力采用某段时间内的平均能力计,表达式为:Cp=aver(η)aver(δ)ΩTT′。规则2:资源配备操作工人方案以单资源能力人数计,表达式为:Ce=P+k1P1+k2P2。式中,k1、k2为副操作和徒工的能力折算系数,系数大小反映了其达到技工能力的差异程度。规则3:物理制造单元生产能力,为设备等其他资源与操作工人匹配后得出的平衡值,表达式为:C=kNKCpCe。式中,k为操作工人-设备匹配系数,视具体情况而定。4中间特征规则库的建立逻辑制造单元包括零件信息和工艺信息,能够详细地描述零件加工要求,进而反映对制造资源的需求。中间特征V由基础特征VF和附加特征VM组成。表示方法为:V={VF,VM}。其中基础特征为零件类型、材料和所需工艺类型等,这些特征唯一标识了一个中间特征。附加特征为逻辑制造单元的其他输入信息,因不同的环境而各不相同。首先建立中间特征规则库。以基础特征为准,每个单因素为一个特征指标,所有指标组合构成中间特征的基础特征。假设基础特征中有n个指标,每个指标又由1到m个不等数目子因素构成,则形成的规则库容量为N′≤N′max,其中N′max=mn。规则指标的任意组合,必定出现不满足加工要求的情况,比如特征所属类型为孔,同时加工方法为刨,这明显不符合实际加工情况,因此应将这样的规则剔除。附加特征不需要进行处理,直接保留。中间特征库形成如图3所示。当逻辑制造单元确定后,首先根据基础特征检索中间特征库,确定符合条件的中间特征子集。然后,将其他加工要求作为附加特征,映射到中间特征子集的每个元素上,从而得到本次操作的中间特征集合。5能力-特征匹配多数加工条件下,中间特征是能力属性的子集。本文将逻辑制造单元作为输入条件,以中间特征为准,将能力属性指标与中间特征建立一一对应关系,如图4所示。经过计算的资源能力采用五种数据类型来描述,相应的能力-特征匹配需要采用不同的方法来处理。1)能力为数值型的,采用能力与特征的相对差,即能力与特征的接近程度来表示,结果有正负、大小之分。2)能力为布尔型的,采用逻辑运算规则,结果以{0,1}计。3)能力为集合型的,采用检验法,结果以{0,1}计。如:能力属性中,加工工艺类型集合U={车,铣},中间特征中加工工艺类型集合为U′={车},则匹配后,记为U={1}。4)能力为关系型的,采用比较取差法,结果以数值计。如:刀库容量NP=5,中间特征中所需刀具总量N1=4,则记为N1={1}。数值为正说明可以满足加工要求,数值越大,说明能力值空闲度越大,造成的资源浪费越明显。5)能力为状态型的,如设备的空闲信息,不参与匹配,直接取能力信息进行{0,1}处理。能力与特征匹配的结果是得到资源备选集合。该集合包括了两部分信息,物理制造单元的能力信息和逻辑制造单元的需求信息。经过能力-特征匹配后的资源备选输出为n元组形式,U=[U1,U2,U3,…,Un]。n元组中每个元素均为数值型,大大方便了后期处理。能力-特征匹配如图4所示。资源备选集由一系列资源能力-资源需求的组合构成,是一个备选方案集,在工艺规程设计或车间调度时,需要根据实际情况进行评价优选。6资源整合本文从能力角度出发,建立了车间制造资源能力模型。引入“工时映射法”,将