復(fù)雜零件網(wǎng)絡(luò)化制造的生產(chǎn)加工狀態(tài)模型研究

楊勝富，孫衛(wèi)紅，魯文超

(中國計量學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江杭州310018)

在網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，高效地跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)具有重要意義，同時也是難點問題之一。復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)不僅是緊急情況下生產(chǎn)調(diào)度的重要依據(jù)，還是生產(chǎn)計劃滾動的重要參考。一般情況下，復(fù)雜零件有多個生產(chǎn)任務(wù)，各個生產(chǎn)任務(wù)往往是由三四道或者五六道工序組成，由一個制造資源進行生產(chǎn)加工［1］。工序任務(wù)加工狀態(tài)及制造資源的生產(chǎn)狀態(tài)是復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)的重要組成部分。制造資源都有各自的狀態(tài)描述方法，不同的狀態(tài)描述方法造成了工序任務(wù)加工狀態(tài)與制造資源生產(chǎn)狀態(tài)信息不能及時交互。信息孤島在一定程度上降低了跟蹤的效率和準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，要改善跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)的效率，需要一個便于各狀態(tài)信息交互的模型。建立這樣的模型要解決以下兩個問題:(1)為復(fù)雜零件、制造資源和制造任務(wù)尋求高效準(zhǔn)確的狀態(tài)描述方法;(2)建立能實現(xiàn)復(fù)雜零件狀態(tài)、制造資源生產(chǎn)狀態(tài)和制造任務(wù)加工狀態(tài)信息交互的模型。

目前關(guān)于車間制造中物料工藝狀態(tài)的描述方法相對比較成熟［2-6］，劉曉冰等［2］提出S(I)描述法，采用0表示未加工，用1表示工序加工完成，組成工藝狀態(tài)矢量，再通過2進制計算物料工藝矢量的物料工藝狀態(tài)值。此方法解決了工序多時字符串多的問題，但是不能精確地記錄物料在一道工序加工過程中的狀態(tài)。王萬雷［3］提出16進制描述法，用16進制中前10位記錄每道工序狀態(tài)，組成工藝狀態(tài)矢量，通過16進制計算某時刻物料工藝矢量的物料工藝狀態(tài)值。該方法減少了每一個任務(wù)域中可以表達的工藝狀態(tài)矢量長度，加大了計算量。雖然這些都是車間制造中物料工藝狀態(tài)的描述方法，但是從物料流動性質(zhì)來看，在一個企業(yè)內(nèi)部各個車間之間流動的物料與在虛擬企業(yè)中各個企業(yè)之間的物料流動本質(zhì)上是一樣的［2］，通過借鑒相對成熟的車間物料工藝狀態(tài)描述方法，描述網(wǎng)絡(luò)化制造復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)是可行的。

網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，復(fù)雜零件的各道工序根據(jù)加工特性組成制造任務(wù)收斂于某一個制造資源，各個制造資源由協(xié)作關(guān)系收斂于某個復(fù)雜零件。同理，任務(wù)狀態(tài)、制造資源狀態(tài)、復(fù)雜零件狀態(tài)也遵從于這樣的收斂關(guān)系。這樣的收斂特征類似于離散行業(yè) BOM (BOM4D)，BOM4D通常采用樹形、非循環(huán)式的圖表來描述產(chǎn)品每一個部件與其子部件之間的關(guān)系，描述圖表最后收斂于某一根節(jié)點，即所有原材料、子部件、部件單元最終收斂于同一父部件［7］。BOM的作用之一是輔助解決了由于平臺異構(gòu)所帶來的數(shù)據(jù)交換和共享難題［7］。因為制造資源是中間收斂點，所以作者建立以制造資源層為樞紐由零件層、制造資源層、任務(wù)層3層組成的多層狀態(tài)清單模型，實現(xiàn)各狀態(tài)信息交互，防止產(chǎn)生信息孤島。

綜合以上分析，網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵在于各種狀態(tài)描述的準(zhǔn)確性及各層狀態(tài)間信息交互的及時性。運用純數(shù)學(xué)的2進制數(shù)和16進制數(shù)計算方法使?fàn)顟B(tài)信息描述更準(zhǔn)確，且便于計算機識別;由零件層、制造資源層、任務(wù)層3層組成的狀態(tài)清單模型，利于各狀態(tài)信息間交互，防止產(chǎn)生信息孤島;而且基于進制數(shù)與清單模型的狀態(tài)跟蹤具有良好的可擴展性和人機互操作性。

1 狀態(tài)描述方法

1.1 狀態(tài)矢量

狀態(tài)矢量包括零部件制造任務(wù)狀態(tài)矢量和制造資源狀態(tài)矢量兩個部分，分別記為TD和TP。

零部件制造任務(wù)狀態(tài)矢量是指由零部件制造任務(wù)的加工狀態(tài)信息組成的矢量，記為TD=(dn…d1d0)，其中di表示第i個零部件制造任務(wù)的加工狀態(tài)信息，di的取值為2進制中的0或1，0表示任務(wù)未完成加工，1表示任務(wù)已完成加工。

例如，假設(shè)制造資源1中有10個零部件制造任務(wù)，其中第0個、第2個、第7個零部件制造任務(wù)還未完成加工，其余零部件制造任務(wù)已完成加工，其任務(wù)狀態(tài)矢量記為TD=(1110111010)。

制造資源狀態(tài)矢量是指由制造資源的生產(chǎn)狀態(tài)信息組成的矢量，記為TP=(pn…p1p0)，其中pi表示第i個制造資源的生產(chǎn)狀態(tài)信息，pi取值為16進制中前11位，即 (0，1，2，…，A)，分別表示完成任務(wù)的百分?jǐn)?shù)。16位進制位值與完成量對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 位值與完成量對應(yīng)關(guān)系

例如，假設(shè)復(fù)雜零件A有7個制造資源共同加工，其中第1個、第6個制造資源還未開始零部件制造任務(wù)的加工，第0個、第2個、第3個制造資源已完成了50%的零部件制造任務(wù)的加工，第4個、第5個制造資源已完成全部零部件制造任務(wù)的加工，其任務(wù)狀態(tài)矢量記為:TP=(0AA5505)。

1.2 任務(wù)狀態(tài)值

任務(wù)狀態(tài)值表示任務(wù)目前的生產(chǎn)加工情況，是通過相應(yīng)的進制計算任務(wù)狀態(tài)矢量得到的值，用Vk表示。Vk=Tk·Mk，其中k的取值為 (D，P)，D表示求零部件制造任務(wù)狀態(tài)，用2進制計算;P表示求制造資源狀態(tài)，用16進制計算。

其中:n≤31，m≤7。

用公式 (1)計算上述所舉例子的零部件制造任務(wù)狀態(tài)值VD=TD·MD=890，用公式 (2)計算制造資源生產(chǎn)狀態(tài)值VP=TP·MP=11 162 885。

1.3 任務(wù)狀態(tài)域

由于現(xiàn)在大多是32位的計算機，最多能表示4個字節(jié)的整數(shù)，用16進制計算最多可以表示8位，用2進制計算最多可以表示32位。計算機硬件條件的限制導(dǎo)致用以上方法進行任務(wù)狀態(tài)描述時，協(xié)作資源不能超過8家，零部件制造任務(wù)分解不能超過32個制造任務(wù)。為了突破這樣的限制，借鑒相關(guān)文獻［2-4］中的狀態(tài)域劃分規(guī)則來解決該問題。

制造資源狀態(tài)域劃分規(guī)則。將制造資源以8位長度為準(zhǔn)，從第0個制造資源開始把制造資源矢量TP分塊為:TP=［…(t15…t9t8)(t7…t1t0)］=(…T16T8T0)，其中T0表示制造資源狀態(tài)0域矢量，T32表示制造資源狀態(tài)8域矢量，以此類推。

零部件制造任務(wù)狀態(tài)域劃分規(guī)則。將零部件制造任務(wù)狀態(tài)以32位長度為準(zhǔn)，從第0個零部件制造任務(wù)開始把零部件制造任務(wù)矢量 TD分塊為:TD=［…(t61…t33t32)(t31…t1t0)］=(…T64T32T0)，其中T0表示制造任務(wù)狀態(tài)0域矢量，T32表示制造任務(wù)狀態(tài)32域矢量，以此類推。

1.4 任務(wù)狀態(tài)域中任務(wù)狀態(tài)值

任務(wù)狀態(tài)域中任務(wù)狀態(tài)值用Vkq表示，其中k的取值為 (D，P)，D表示求零部件制造任務(wù)狀態(tài)值，用2進制計算;P表示求制造資源狀態(tài)值，用16進制計算。q為所求的k的任務(wù)狀態(tài)所在的任務(wù)狀態(tài)域。利用任務(wù)狀態(tài)域劃分規(guī)則，根據(jù)k值對任務(wù)狀態(tài)矢量進行劃分，再由每個任務(wù)狀態(tài)域中任務(wù)狀態(tài)值推導(dǎo)出任務(wù)狀態(tài)。首先確定任務(wù)n所在的任務(wù)域q= n-mod(n，k)，其中mod(n，k)表示整數(shù)n除以整數(shù)k的余數(shù)，且n＞k，k取值為2或16，任務(wù)n在該任務(wù)域上的任務(wù)狀態(tài)值為:其中0≤i≤k。

任務(wù)狀態(tài)域中任務(wù)狀態(tài)值判斷任務(wù)n的生產(chǎn)情況，先判斷任務(wù)n所在域值q=n-mod(n，k)，再比較任務(wù)域內(nèi)的任務(wù)狀態(tài)值Vkq和k(n-q)，求Vkq/k(n-q)，得到模數(shù)m和余數(shù)s。當(dāng)k為D時表示求零部件制造任務(wù)狀態(tài)，此時k=2，如果得到的m值是k的整數(shù)倍，可以斷定任務(wù)n還沒有開始，否則可以認(rèn)定為已加工完成。當(dāng)k為P時表示求制造資源狀態(tài)，此時k=16，如果得到的m值是k的整數(shù)倍，則進一步求解m/k，計算得到余數(shù)j，于是制造資源的完成百分比可以表示為(10×j)%。

2 狀態(tài)清單模型

2.1 模型描述

運用物料清單的思想，建立復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)清單模型。該模型可以實現(xiàn)零件層、資源層、任務(wù)層的信息交互。通過清單模型不僅可以查詢到零件的制造資源及其生產(chǎn)狀態(tài)，還可以跟蹤各制造資源中零部件制造任務(wù)的加工狀態(tài)。圖1為復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)清單模型。

圖1 復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)清單模型

圖1表示復(fù)雜零件由m個制造資源共同協(xié)作完成生產(chǎn)，每個制造資源i將會有多個不同的零部件制造任務(wù)。其中，VP表示零件的生產(chǎn)狀態(tài)值，由資源層中Pi值組成制造資源矢量TP計算得到，Pi值表示第i個制造資源當(dāng)前完成零部件制造任務(wù)的百分量; VDi表示第i個制造資源的加工狀態(tài)值，由制造任務(wù)層中各個制造任務(wù)的狀態(tài)Di的值組成制造任務(wù)加工狀態(tài)矢量TD計算得到，Di的值表示各個制造任務(wù)當(dāng)前的加工狀態(tài)。

2.2 進制數(shù)確定

盟主企業(yè)跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)狀態(tài)時需要準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。針對資源層制造資源狀態(tài)，采用16進制數(shù)比采用2進制數(shù)更能準(zhǔn)確地描述制造資源的生產(chǎn)狀態(tài)。例如，零件A由7個制造資源共同協(xié)作完成生產(chǎn)，假設(shè)資源層制造資源的狀態(tài)矢量用2進制描述為0101101，認(rèn)為第1，4，6個制造資源并沒有進行生產(chǎn)，但實際情況可能是第1個制造資源中包含有10個零部件制造任務(wù)，而第1個制造資源已完成了第0，1，2，3，4個零部件制造任務(wù)的加工，故用2進制數(shù)描述會產(chǎn)生狀態(tài)描述不準(zhǔn)確的現(xiàn)象;采用16進制數(shù)描述上述例子，第1個制造資源已完成了5個零部件的加工，其生產(chǎn)狀態(tài)用16進制數(shù)表示為50%。可見采用16進制數(shù)比采用2進制數(shù)更能準(zhǔn)確地描述制造資源的生產(chǎn)狀態(tài)。

任務(wù)層中生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)主要由各制造資源自行管理，盟主企業(yè)毋須知道其準(zhǔn)確的加工狀態(tài)。而且一般加工任務(wù)由十幾甚至上百道工序組成，采用2進制不僅能夠滿足其加工狀態(tài)描述，同時還能增加一個域中所能表達的任務(wù)數(shù)、降低計算的復(fù)雜度。

2.3 層級分析

由上述分析可知，零件層的零件狀態(tài)值VP采用16進制數(shù)根據(jù)資源層中制造資源矢量TP計算，同時可根據(jù)制造資源數(shù)量計算零件狀態(tài)完成閾值。例如零件由7個制造資源共同協(xié)作完成生產(chǎn)，其閾值矢量用16進制描述為AAAAAAA，其狀態(tài)值VP為17895697。

資源層中制造資源包含兩個值:一個是制造資源i生產(chǎn)狀態(tài)的百分量Pi，表示對應(yīng)的任務(wù)層中零部件制造任務(wù)生產(chǎn)完成的百分比，由16進制數(shù)表示;另一個是制造資源狀態(tài)值VD，采用2進制數(shù)對任務(wù)層中零部件制造任務(wù)加工狀態(tài)矢量TD計算得到。資源層中制造資源的VD和Pi反映出零件生產(chǎn)過程的重要信息。由制造資源狀態(tài)值VD和制造資源生產(chǎn)狀態(tài)百分量Pi，盟主企業(yè)可以確定制造資源完成的零部件制造任務(wù)，即任務(wù)層狀態(tài)矢量。例如零件由7個制造資源共同協(xié)作完成生產(chǎn)，假設(shè)其生產(chǎn)狀態(tài)矢量為37593AA，認(rèn)為其中制造資源7，6，5，4，3分別完成了制造任務(wù)量的30%，70%，50%，90%，30%，制造資源2，1完成了生產(chǎn)任務(wù)。假設(shè)制造資源7中包含有10個零部件制造任務(wù)且狀態(tài)值VD為14，根據(jù)狀態(tài)值VD和完成量30%，可以確定其任務(wù)層制造任務(wù)狀態(tài)矢量為0000001110。

3 實例應(yīng)用

以某企業(yè)接到的大型齒輪箱產(chǎn)品為研究對象，建立其在網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下的任務(wù)狀態(tài)清單。產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，齒輪箱的總體尺寸為215 cm×193 cm×322 cm，約5 670 kg。其體積和質(zhì)量大、涉及零件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求設(shè)備種類多，而且對單個設(shè)備的要求高。客戶的滿意度要求比較高，所以對各個零部件的生產(chǎn)狀態(tài)進行跟蹤非常重要，作者以它為例子進行應(yīng)用分析。

圖2 齒輪箱總體結(jié)構(gòu)示意圖

從齒輪箱的制造工藝出發(fā)，將其加工過程分解成不同制造任務(wù)，根據(jù)制造任務(wù)分解及制造資源需求分析發(fā)現(xiàn)，不同零件的加工對制造資源需求具有相似性，因此可以將它們合并成一個制造任務(wù)，并在同一個制造單位中完成加工，整個齒輪箱的制造過程可分為材料切割、折彎、粗銑+鉆孔+精銑、裝配+焊接、退火、表面處理+精加工和噴漆7個制造任務(wù)。假設(shè)這7個制造任務(wù)由7個制造資源共同完成，制造任務(wù)、制造資源及零部件制造任務(wù)分配情況如表2如示。假設(shè)某時刻各零部件制造任務(wù)加工情況如表3所示。

表2 零部件任務(wù)分配表

表3 某時刻加工情況表

針對表2中假設(shè)的生產(chǎn)加工情況，根據(jù)狀態(tài)矢量描述方法，描述出零部件制造任務(wù)矢量和制造資源狀態(tài)矢量

根據(jù)零部件制造任務(wù)矢量和制造資源狀態(tài)矢量，由任務(wù)狀態(tài)值計算公式 (1)、(2)可計算得到零部件制造任務(wù)狀態(tài)值和制造資源狀態(tài)值

將任務(wù)層的零部件制造任務(wù)的狀態(tài)矢量、制造資源狀態(tài)矢量、制造資源狀態(tài)、零件狀態(tài)值制成狀態(tài)清單，可以看到該時刻齒輪箱的生產(chǎn)狀態(tài)清單如圖3所示。

文中提出的狀態(tài)清單模型在該企業(yè)得到應(yīng)用，從圖3所示的生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)清單可以查詢到零件層中齒輪箱的狀態(tài)值為1 370，該值未達到完成閾值17 895 697，表示零件未完成加工;通過該值可查詢到資源層中各個制造資源的生產(chǎn)完成情況及生產(chǎn)狀態(tài)值。例如A企業(yè)生產(chǎn)完成情況值為A，表示已完成加工;B企業(yè)生產(chǎn)情況值為5，表示已完成50%的加工;通過資源層中生產(chǎn)狀態(tài)值可以查看到任務(wù)層中制造任務(wù)的加工情況，例如A企業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)值為524 287，可查看到制造任務(wù)的加工狀態(tài)均為1，表示均完成加工。通過實際應(yīng)用證明了:多層任務(wù)狀態(tài)清單模型能夠高效地跟蹤到復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)，保證了狀態(tài)信息共享，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和服務(wù)質(zhì)量。

4 總結(jié)

分析了網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)的難點問題，提出建立以制造資源層生產(chǎn)狀態(tài)為樞紐，由零件層、制造資源層、任務(wù)層組成的多層狀態(tài)清單模型。模型以制造資源層為樞紐，利于模型中3層狀態(tài)間的信息數(shù)據(jù)的交互，使生產(chǎn)狀態(tài)信息查詢更便捷、模型更實用，盟主企業(yè)更高效地跟蹤復(fù)雜零件的生產(chǎn)加工狀態(tài)。

同時科學(xué)、可靠的狀態(tài)信息對于網(wǎng)絡(luò)化制造中生產(chǎn)計劃重排、任務(wù)調(diào)度等具有重要意義。作者將純數(shù)學(xué)的2進制計算和16進制計算方法混合運用，使得任務(wù)的狀態(tài)信息表述更準(zhǔn)確可靠。

最后以實際應(yīng)用證明:在網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，通過多層狀態(tài)清單模型能提高跟蹤復(fù)雜零件生產(chǎn)加工狀態(tài)的效率，同時提高了企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。

圖3 齒輪箱生產(chǎn)狀態(tài)清單

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