基于em—plant虛擬制造技術(shù)在優(yōu)化零件工藝規(guī)劃中的應(yīng)用

伍偉敏++周麗萍

摘要：本文以油泵的生產(chǎn)線為例，借助于面向?qū)ο蟮膃M-plant 軟件， 建立工藝規(guī)劃流程系統(tǒng)框架， 研究車間布局設(shè)計(jì)以及數(shù)控仿真中工藝規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)加工方式的零件優(yōu)化中存在著一些弊端，主要體現(xiàn)為工藝順序不完善，結(jié)構(gòu)規(guī)劃不健全，以及參數(shù)制定過程不標(biāo)準(zhǔn)等等。而eM-plant虛擬技術(shù)能夠?qū)χ饕獙?duì)象進(jìn)行快速仿真優(yōu)化，在工藝規(guī)劃中節(jié)約時(shí)間，降低工時(shí)。因此，本文針對(duì)eM-plant虛擬技術(shù)中工藝的規(guī)劃流程，對(duì)零件優(yōu)化的方式進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：工藝規(guī)劃 em-plant 仿真模擬 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：F406.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0095-02

1 引言

在制造企業(yè)中，企業(yè)信息化建設(shè)的一個(gè)焦點(diǎn)問題仍然體現(xiàn)在有關(guān)零件加工過程的工藝管理方面。虛擬制造技術(shù)在企業(yè)工藝規(guī)劃中以其仿真模擬、可視化管理、優(yōu)化配置等一系列數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，減少生產(chǎn)工藝規(guī)劃費(fèi)用，縮短從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化時(shí)間，達(dá)到為企業(yè)節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)、制造的成本。

從零件的特征角度來講，它的構(gòu)成方式是多種多樣的。不同的加工方式所體現(xiàn)出的標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。首先，生產(chǎn)者要根據(jù)零件的組合狀態(tài)進(jìn)行工藝線路的制定。簡(jiǎn)單來講，就是實(shí)現(xiàn)整體的加工過程。生產(chǎn)的重要部分包括：相關(guān)參數(shù)的制定、具體線路的規(guī)劃以及零件的合理配備。只有加工中的整體性體現(xiàn)出來，才能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)的最優(yōu)化。其次，從模型建立的過程中來說，它需要不同模塊與目標(biāo)的整合，才能夠體現(xiàn)決策的有效性。模型的建立過程為零件工藝的優(yōu)化提供了一個(gè)集成化的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)者按照既定的方式進(jìn)行規(guī)劃，完善決策的過程，能夠達(dá)到兩方面效果。一方面，可以減少零件在生產(chǎn)過程中的損耗。另一方面，有利于多樣化工藝方式的形成。

2 工藝規(guī)劃模型的建立

工藝規(guī)劃是零件從設(shè)計(jì)到制造之間的聯(lián)系指導(dǎo)文件，在生產(chǎn)中優(yōu)化配置工藝資源，合理編排工藝過程，將零件的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為零件的制造信息。一般來講，設(shè)計(jì)者利用IDEF0 模型來對(duì)工藝系統(tǒng)的規(guī)劃方式進(jìn)行闡述和說明[1]，如圖1所示。該圖是模型建立的具體過程。系統(tǒng)主要以“軟件平臺(tái)”作為程序的生成主體，利用數(shù)字化系統(tǒng)形成工藝的整體框架，對(duì)零件的加工過程進(jìn)行模擬。一般來講，模擬程序是同步化的。系統(tǒng)能夠根據(jù)集約中心所提供的數(shù)據(jù)，制定不同的設(shè)計(jì)路線，將實(shí)物在虛擬空間內(nèi)體現(xiàn)出來，通過特定的加工方式進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。這樣模擬的好處在于它能夠體現(xiàn)零部件的加工過程，使機(jī)床、機(jī)械道具等產(chǎn)品得到有效的利用。另外，系統(tǒng)能夠在參數(shù)信道中實(shí)現(xiàn)NC代碼的形成，實(shí)現(xiàn)工藝方法的優(yōu)化。[2]其數(shù)字化工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)與仿真流程框架如圖2所示。

3 實(shí)例分析

以某油泵生產(chǎn)公司的生產(chǎn)線為例。在油泵零件工藝中體現(xiàn)軟件的數(shù)字化過程，系統(tǒng)以em-plant技術(shù)作為基本載體，在特定生產(chǎn)線路模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行整體規(guī)劃。它的優(yōu)勢(shì)在于能夠根據(jù)系統(tǒng)中的歷史參數(shù)進(jìn)行具體化設(shè)定，為零件模擬與加工提供理論依據(jù)。

3.1 車間布局的設(shè)計(jì)

虛擬制造方面，油泵各組成零件的工藝過程不一樣，復(fù)雜簡(jiǎn)易程度也不一樣，在結(jié)合成組可調(diào)生產(chǎn)線的特點(diǎn)，如圖3所示，該圖是車間布局流程圖。

從圖中可看出：整個(gè)制造車間的布局流程是以“毛坯”為載體，在分類的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工序的確定。當(dāng)毛坯進(jìn)入到機(jī)床使，系統(tǒng)會(huì)將其進(jìn)行自動(dòng)化分類，在入床口進(jìn)行第一次檢驗(yàn)。當(dāng)加工完成后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)化提醒，對(duì)整個(gè)零件的質(zhì)量進(jìn)行檢查。如果檢查情況完好，則執(zhí)行下一階段的流程。如果零件有損壞，則返回系統(tǒng)中心進(jìn)行重新檢驗(yàn)。可在em-plant仿真軟件中設(shè)計(jì)出車間布局，這種車間布局節(jié)省空間，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.2 數(shù)控仿真中的工藝規(guī)劃

首先要建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，包括資源庫(kù)、知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等工藝規(guī)劃相關(guān)的建立；其次是生成零件加工工藝文件；可選取油泵體上的某工藝結(jié)構(gòu)為例，根據(jù)圖2所示框架，在虛擬制造技術(shù)中完成資源庫(kù)、知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、模型導(dǎo)入、特征辨識(shí)、加工生產(chǎn)線、模擬刀具路徑生成代碼和生產(chǎn)線平衡等工作的建模和數(shù)控仿真；最后根據(jù)判斷生成優(yōu)化的工藝規(guī)程卡。

3.3 油泵生產(chǎn)線模擬

在完成工藝規(guī)劃的初始階段，需要模擬油泵生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)線物流的仿真和制造性能的驗(yàn)證，通過em-plant以確定能否滿足生產(chǎn)能力的要求。將模擬零件制造過程中的節(jié)拍、工藝參數(shù)、物流參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，評(píng)估當(dāng)前虛擬生產(chǎn)線的制造性能，如零件加工時(shí)間、工藝系統(tǒng)的負(fù)荷率、加工數(shù)量等。

通過以上步驟，在em-plant平臺(tái)上完整地設(shè)計(jì)出各種外在條件下的油泵生產(chǎn)線方案，相比于傳統(tǒng)的規(guī)劃方式，在實(shí)際生產(chǎn)前可以通過改換參數(shù)修正工藝方案，獲取最優(yōu)化設(shè)計(jì)以顯著提高規(guī)劃質(zhì)量。

3.4 系統(tǒng)中主要對(duì)象的優(yōu)化

3.4.1 優(yōu)化對(duì)象

（1）在同一機(jī)床廠當(dāng)中，零部件的類型是不同的。系統(tǒng)可以根據(jù)零件加工的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)裝夾順序進(jìn)行時(shí)間的設(shè)定，對(duì)零部件進(jìn)行組合排列。這樣的優(yōu)勢(shì)在于能夠使零件的分配時(shí)間減少，系統(tǒng)車間的體系化形成。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)進(jìn)入加工制造空間的先后順序進(jìn)行流程設(shè)定，將其作為主要的優(yōu)化對(duì)象。根據(jù)油泵零部件加工工藝規(guī)程，進(jìn)入車間加工的是油泵體、溢流閥、定位銷、油泵蓋、箱座、檔板、轉(zhuǎn)子等多個(gè)零件，按照一定順序來計(jì)算總裝夾時(shí)間，確定具體零件和裝夾時(shí)間∑T，現(xiàn)在優(yōu)化的就是上述零件的次序以使得∑T最小。

（2）根據(jù)零件加工時(shí)間長(zhǎng)短和選擇不同運(yùn)行成本的設(shè)備，可以對(duì)個(gè)別參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，使總成本趨于最小。優(yōu)化的參數(shù)有：①進(jìn)入順序，使得裝夾時(shí)間最??；②進(jìn)入加工單元前暫存站的容量最小是多少；③加工單元中數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床的加工時(shí)間和成本進(jìn)行合理調(diào)配。在這三個(gè)參數(shù)共同作用下，使得總成本最低。

3.4.2 eM-Plant 中的優(yōu)化工具

eM-Plant軟件中GASequence工具是專門用來優(yōu)化次序的，在Contents欄中，輸入要優(yōu)化的原始次序的數(shù)據(jù)值，在Genetic Operators欄中可以設(shè)置變異，倒置和雜交的值，在該模型應(yīng)用中取交叉值 0.6，變異值 0.1。

GAWizard工具能把遺傳算法和已經(jīng)建好的模型融為一個(gè)整體，是搭建模型與遺傳算法的一個(gè)橋梁。該工具的Define欄中，可以設(shè)置需要優(yōu)化是最大還是最小問題、每代個(gè)體數(shù)量、代數(shù)、定義優(yōu)化參數(shù)等；在Run欄中可以控制算法的開始、暫停與結(jié)束；在Evaluate欄中可以看出最好的適應(yīng)度值、各代個(gè)體的適應(yīng)值情況和統(tǒng)計(jì)圖表等。在本模型中取每代個(gè)體數(shù)量為8，代數(shù)為100。

3.4.3 在 eM-Plant 中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

利用GASequence和GAWizard兩個(gè)工具和相應(yīng)的編程來實(shí)現(xiàn)。在Delivery中存放上述多個(gè)零件并命名。deSetUpTime程序用來根據(jù)各零件的名稱來換算相應(yīng)的時(shí)間，SetExample程序用來把零件的名稱輸入到deliver表中，編寫相應(yīng)的程序。通過對(duì)GASequence的設(shè)置，在DefineSet里面輸入要優(yōu)化的裝夾時(shí)間。GAWizard的設(shè)置選擇優(yōu)化最小值，本例中每代個(gè)體數(shù)量為8，代數(shù)為100代，選擇Parametrizing model by GA-tables，在edit里編入相應(yīng)程序運(yùn)行優(yōu)化。根據(jù)遺傳算法的特點(diǎn)每一個(gè)個(gè)體都必須被評(píng)價(jià)一次，評(píng)價(jià)次數(shù)公式：

評(píng)估量=每代個(gè)體數(shù)量×（代數(shù)×2-1）

最后，通過對(duì)優(yōu)化結(jié)果值、部分各代個(gè)體適應(yīng)度值分析，對(duì)整個(gè)模型優(yōu)化過程作出評(píng)價(jià)，根據(jù)結(jié)果可以減少代數(shù)，從而減少了優(yōu)化時(shí)間。由此找到最優(yōu)的零件加工順序，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了成本。

4 結(jié)語

本文以油泵生產(chǎn)線為例，對(duì)基于eM-Plant虛擬制造技術(shù)下優(yōu)化零件工藝規(guī)劃進(jìn)行研究，構(gòu)建了數(shù)字化工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)與仿真模型，使產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)與制造的周期縮短，提高工藝規(guī)劃的質(zhì)量。通過數(shù)控模擬加工，能夠得到合理的規(guī)劃工藝，減少項(xiàng)目規(guī)劃的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

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