基于能力池和角色庫(kù)的制造裝備選擇方法

劉久義，李 博，王克勤

(1.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072)

(2.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

(3.西北工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710072)

根據(jù)制造任務(wù)選擇企業(yè)的制造裝備是制造型企業(yè)普遍面臨的問(wèn)題。合適的制造裝備不但能夠滿足基本的制造要求，而且能夠提高制造質(zhì)量，節(jié)約成本，縮短交貨期。如果制造裝備選擇不好，不但影響企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和成本，給企業(yè)帶來(lái)虧損，甚至有可能影響企業(yè)的聲譽(yù)，使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中失利。因此，制造裝備的選擇是制造型企業(yè)提高制造效率、優(yōu)化制造過(guò)程必須要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

目前關(guān)于制造裝備選擇的研究主要集中在制造資源的建模、配置和選擇方法方面。在制造資源建模方面，肖艷秋[1]等針對(duì)協(xié)同制造系統(tǒng)中虛擬單元的構(gòu)建和優(yōu)化，建立了基于關(guān)聯(lián)約束的協(xié)同制造資源單元信息模型。鄭浩[2]等針對(duì)云制造環(huán)境下制造資源的全面共享，提出一種適用于云制造模式的虛擬資源的建模與優(yōu)化組合方法。在制造資源配置方面，王慶安[3]等研究了變批量生產(chǎn)的制造資源配置技術(shù)。王時(shí)龍[4]等研究了云制造資源的優(yōu)化配置問(wèn)題，構(gòu)建了以成本和時(shí)間最小化、質(zhì)量最優(yōu)化為目標(biāo)的資源優(yōu)化配置模型。在制造資源選擇方面，南京航空航天大學(xué)的劉金山[5]等提出雙鏈遺傳算法，解決制造資源在網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境下的優(yōu)化配置問(wèn)題。房亞?wèn)|[6]等構(gòu)建制造資源選擇綜合評(píng)價(jià)體系，將層次分析法與灰色關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制造資源快速選擇。趙占芳[7]等提出正交差異混合演化算法，進(jìn)行制造資源的選擇。

已有研究主要集中在制造資源的建模、配置以及制造資源選擇的算法和評(píng)價(jià)方面。本文從制造資源保障的角度，對(duì)制造資源選擇模式進(jìn)行了研究，以制造能力和制造角色為基本概念，提出并分析了制造能力池和制造角色庫(kù)，并以制造能力池中的現(xiàn)實(shí)制造能力和制造資源庫(kù)中的期望制造能力的匹配為核心，構(gòu)建了制造資源選擇模型，為制造資源保障提供了前提。

1 制造能力與能力池

1.1 制造能力

制造能力是指在計(jì)劃期內(nèi)，企業(yè)參與制造的全部固定資產(chǎn)，在既定的組織技術(shù)條件下，所能制造的產(chǎn)品數(shù)量，或者能夠處理的原材料數(shù)量。本文所指制造能力均為制造裝備的制造能力，其形式化定義分別如下。

定義2－1(制造能力):設(shè)制造裝備E具有一組可操作的加工活動(dòng)集合A={a1，a2，…，an}(n為自然數(shù))，且A對(duì)應(yīng)一組性能集合PA={p1，p2，…，pn}(p1a≤ p1≤ p1b，p2a≤ p2≤ p2b，…，pna≤pn≤pnb，pia≠pib，i=1，2，…，n)，待加工零件 P具有一組特征F={f1，f2，…，fn}，若AF，可使E在PA約束范圍內(nèi)使P具有F，并達(dá)到一定質(zhì)量要求，則稱E具有制造能力。

在定義2－1中，加工活動(dòng)集合A包括車削、銑削、鏜削、磨削、鉆孔等活動(dòng)。性能集合PA包括最大轉(zhuǎn)速、最大加工尺寸、額定功率、加工精度等級(jí)等。待加工零件的特征F包括平面、曲面、槽、孔等。作用過(guò)程可以是單獨(dú)的一種加工活動(dòng)，如車削或銑削，也可以是幾種活動(dòng)共同作用，如鏜削和磨削同時(shí)作用于被加工零部件。

國(guó)內(nèi)一般將制造能力分為設(shè)計(jì)能力、查定能力和現(xiàn)實(shí)能力，國(guó)外將制造能力分為固定制造能力和可變制造能力。基于本文研究目的，將制造能力分為現(xiàn)實(shí)能力和期望能力?，F(xiàn)實(shí)制造能力指企業(yè)根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)組織條件和技術(shù)水平等因素，審查核定制造裝備所具有的實(shí)際制造能力。期望制造能力指的是從制造需求的角度出發(fā)，期望制造裝備所能夠具有的能力。

1.2 制造能力池

能力具有復(fù)雜性。同一實(shí)體具有不同方面的能力，同一方面的能力又可以分為不同種類。如汽車具有供人駕乘的能力和抗碰撞的能力等，其中，供人駕乘的能力包括發(fā)動(dòng)機(jī)的能力、驅(qū)動(dòng)橋的能力等，抗碰撞的能力包括鋼板的能力和抗碰撞設(shè)計(jì)的能力等。鑒于能力種類繁多，層次關(guān)系復(fù)雜，提出能力池概念以描述、存儲(chǔ)和管理這些不同的能力，并在能力與其承載實(shí)體之間建立聯(lián)系，快速實(shí)現(xiàn)適用能力及其載體的正確選擇，提高制造效率。制造能力池有2層含義:第一層含義是所有現(xiàn)實(shí)制造能力的集合，并且這些現(xiàn)實(shí)制造能力本身具有一定層次結(jié)構(gòu);第二層含義是制造能力池具有存放和管理現(xiàn)實(shí)制造能力的功能，并且通過(guò)在能力池中搜尋現(xiàn)實(shí)制造能力及其組合，可以迅速獲得具有相應(yīng)制造能力的設(shè)備信息。本文主要從制造能力池的第一層含義的角度進(jìn)行研究，其形式化定義如下。

定義2－2(制造能力池):設(shè) ei(i=1，2，3，…)為制造裝備個(gè)體，Ci為ei所具有的現(xiàn)實(shí)能力集合，f為制造裝備能力函數(shù)，則Ci=f(ei)，若E為制造裝備的集合，E={e1，e2，…，en}，則 C'={C1，C2，…，Cn}={f(e1)，f(e2)，…，f(en)}，表示制造能力池。

制造能力池在制造需求與制造裝備相互匹配中起重要作用。不同的現(xiàn)實(shí)制造能力封裝在一起形成角色，企業(yè)按照所需制造裝備的角色從制造能力池中選擇相應(yīng)角色對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)制造能力及其集合，據(jù)此尋找相應(yīng)裝備，實(shí)現(xiàn)制造需求與制造裝備的匹配。

2 制造角色與角色庫(kù)

2.1 制造角色

制造裝備角色指的是制造裝備為滿足一定制造需求所能夠表現(xiàn)出來(lái)的行為模式，同時(shí)也是制造需求對(duì)裝備的期望和要求。制造角色與期望制造能力之間具有緊密聯(lián)系，制造角色是期望制造能力及其集合的宏觀表現(xiàn)，期望制造能力是制造角色的微觀支撐條件，制造角色比制造能力的層次高，包括不同層次結(jié)構(gòu)、不同內(nèi)容的制造能力。制造角色的形式化定義如下。

定義3－1(制造角色):設(shè)A'表示制造裝備的全部期望制造能力的集合，且 A'={a1'，a2'，…，a'n}，R表示制造角色，則R?A'。其中，a'i(i=1，2，…，n)表示具體的期望制造能力，如:a1'表示制造管徑;a2'表示制造厚度;a'n表示生產(chǎn)速度。

2.2 制造角色庫(kù)

制造角色庫(kù)有2層含義:第一層含義是所有制造角色的集合;第二層含義是制造角色庫(kù)具有存放和管理制造角色的功能。通過(guò)在制造角色和制造能力池之間建立聯(lián)系，可以獲得所需制造設(shè)備的相關(guān)信息。從制造角色庫(kù)的第一層含義的角度對(duì)其進(jìn)行形式化定義如下。

定義3－2(制造角色庫(kù)):設(shè)R表示制造角色，R'表示制造角色庫(kù)，則 R'={R1，R2，…，Rn}。

Ri(i=1，2，3，…)表示不同的制造角色。根據(jù)定義3－1，R?A'，則制造角色庫(kù)R'可以表示為R'=2A'。其中，2A'表示 A'的冪集，即 a'i集合(即A')的集合。

以通用機(jī)床為例，通用機(jī)床的制造角色包括車、刨、銑、沖、磨、電火花成型、線切割、鉆、鏜、滾齒、旋鉚和折彎等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了多功能加工中心，包括立式加工中心、臥式加工中心、多工作臺(tái)加工中心(柔性加工單元、FMC)和復(fù)合加工中心等，可同時(shí)扮演銑、鏜、鉆等角色。

3 基于能力池和角色庫(kù)的制造裝備選擇

3.1 制造裝備選擇原理

企業(yè)的制造任務(wù)最終要落實(shí)到適合的制造裝備。制造裝備選擇就是從制造任務(wù)出發(fā)，尋找到合適的制造解決方案。根據(jù)制造任務(wù)的分解從制造角色庫(kù)中選出完成制造任務(wù)所需要的制造角色，然后從制造能力池中選擇這些制造角色所包含的制造能力，再根據(jù)這些制造能力去尋找相對(duì)應(yīng)的制造裝備，完成制造裝備的選擇。圖1所示為制造裝備選擇原理，分為3個(gè)階段。

第一階段，制造任務(wù)分解:在該階段，企業(yè)的制造任務(wù)被按照零部件特征進(jìn)行分解，最終分解為制造角色，即期望制造能力的集合，并從制造角色庫(kù)中找到相應(yīng)的制造角色。

第二階段，期望制造能力和現(xiàn)實(shí)制造能力的匹配:在制造角色庫(kù)中，按照所需制造角色所包含的期望制造能力到制造能力池中尋找相同或相似的現(xiàn)實(shí)制造能力。制造能力池中若存在與期望制造能力相同的現(xiàn)實(shí)制造能力，稱為“匹配”。若不存在，則為“不匹配”。若存在但不能完全滿足期望的制造能力，則稱“一定程度上匹配”。

圖1 制造裝備選擇模型

第三階段，制造裝備匹配策略設(shè)計(jì)階段:根據(jù)期望制造能力和現(xiàn)實(shí)制造能力的匹配程度，從企業(yè)現(xiàn)有的制造裝備中挑選合適的裝備，或者采取其他措施滿足要求。在“匹配”情況下，直接選擇即可。若幾臺(tái)裝備同時(shí)滿足要求，按照效率原則，選擇能夠最高效完成任務(wù)的裝備。在“不匹配”情況下，如果所制造的零部件非企業(yè)核心部件，則可采取外包加工的形式。如果是企業(yè)核心零部件，則要提前制訂采購(gòu)計(jì)劃。若遇技術(shù)封鎖，還需提早布局研發(fā)，爭(zhēng)取掌握核心制造技術(shù)。在“一定程度上匹配”情況下，要采取維修、技術(shù)改造、軟件升級(jí)換代等措施，提高加工精度等裝備性能，力爭(zhēng)滿足加工要求。若仍不滿足要求或者時(shí)間來(lái)不及，應(yīng)參考“不匹配”情況下的做法，重新采購(gòu)或提前自行研發(fā)。

3.2 制造裝備選擇模型

根據(jù)制造能力池、角色庫(kù)的定義及其形式化描述，以及制造裝備選擇原理，建立制造裝備選擇的分階段模型。

階段Ⅰ即制造任務(wù)分解:設(shè)R表示制造角色，R'表示制造角色庫(kù)，T表示制造任務(wù)，將T分解為制造角色的集合，則T={R1，R2，…，Rn}? R'。根據(jù)定義3－1，即R?A'，其中A'表示制造裝備的全部期望制造能力的集合，A'={a1'，a2'，…，a'n}(a'i表示期望制造能力)，則T=2A'，即將制造任務(wù)表示為期望制造能力a'i的集合的集合，亦即A'的冪集形式。

階段Ⅱ即期望制造能力和現(xiàn)實(shí)制造能力的匹配:設(shè)C'表示制造能力池，Ci表示制造裝備ei所具有的現(xiàn)實(shí)能力集合，根據(jù)定義2－2，C'={C1，C2，…，Cn}={f(e1)，f(e2)，…，f(en)}，將期望制造能力集合中的制造能力a'i與C'中的現(xiàn)實(shí)制造能力f(ej)進(jìn)行比較，若a'i∈ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)，則稱期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力匹配。若a'i? f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)，則稱期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力不匹配。若存在A''?A'，且 A''? f(ej)(j=1，2，3，…)，則稱期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力在一定程度上匹配。

階段Ⅲ即制造裝備匹配策略設(shè)計(jì)，分下列3種情形。

情形一:期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力匹配，即a'i∈ f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)的情況下，若e'表示目標(biāo)制造裝備，E表示制造裝備的集合，Ne表示滿足要求的裝備數(shù)目，則e'∈E(Ne≥1)。若Ne=1，則直接選擇該裝備。若Ne＞1，即存在滿足制造需求的制造裝備集合E'={e1'，c2'，…}，Opti()表示擇優(yōu)函數(shù)，則目標(biāo)制造裝備e'=Opti(e'1，c'2，…)，即選擇能夠最高效完成任務(wù)的裝備。

情形二:期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力不匹配，即a'i? f(ej)(i=1，2，3，…，j=1，2，3，…)的情況下，若將制造任務(wù)T表示為T(mén)={Pc，Pno}，其中，Pc表示核心部件，Pc={c1，c2，…}，Pno表示非核心部件，Pno={c'1，c'2，…}，ci和c'i分別表示核心部件和非核心部件的期望制造能力;若Pc?C'，則提前制訂采購(gòu)計(jì)劃。若采購(gòu)中遇到技術(shù)封鎖，還需提前進(jìn)行預(yù)研，爭(zhēng)取掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán);若Pno?C'，則可采取外包加工的方式。

情形三:期望制造能力與現(xiàn)實(shí)制造能力一定程度上匹配，即 A''? A'，且 A''? f(ej)(j=1，2，3，…)的情況下，應(yīng)該通過(guò)采取維修、技術(shù)改造、軟件升級(jí)換代等措施，來(lái)提高裝備性能，達(dá)到加工要求。若仍不滿足要求或者時(shí)間來(lái)不及，應(yīng)重新采購(gòu)或提前預(yù)研。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立能力池和角色庫(kù)并以現(xiàn)實(shí)制造能力和期望制造能力的匹配為核心，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)制造裝備的快速、高效選擇，提高了企業(yè)制造資源利用的效率和質(zhì)量。與以往研究從制造資源的建模、配置、選擇算法和評(píng)價(jià)方面的出發(fā)點(diǎn)不同，本文從制造資源保障的角度進(jìn)行研究，提出的基于能力池和角色庫(kù)的制造裝備選擇方法是一種高效的資源保障模式，進(jìn)一步豐富和完善了資源保障管理理論，同時(shí)對(duì)制造企業(yè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。后續(xù)研究工作正在展開(kāi)，主要集中于制造角色庫(kù)和能力庫(kù)的建立及其與ERP等企業(yè)信息系統(tǒng)的集成。

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[2] 鄭浩，馮毅雄，譚建榮，等.一類制造資源的協(xié)同建模、優(yōu)化與求解技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18(7):1387－1395.

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