韓 峰 ，張振明，田錫天，耿俊浩

(西北工業(yè)大學(xué) CAPP與制造工程軟件研究所，西安 710072)

0 引言

在傳統(tǒng)工藝設(shè)計中，機床選擇更多的考慮了加工能力。對于機床的負荷信息，由于受制于傳統(tǒng)的先工藝后計劃的串行模式，難以在工藝編制階段有效獲取。區(qū)別于生產(chǎn)計劃最終的生產(chǎn)任務(wù)安排，工藝階段任務(wù)分配選擇的是機床類型，指定了一類機床的工作量，是生產(chǎn)計劃將任務(wù)劃分到具體機床進行排產(chǎn)的基礎(chǔ)。在工藝員對機床任務(wù)量并不了解的狀況下，制定的工藝及機床選擇方案可能集中于個別常用、高性能機床，即在工藝編制階段就造成任務(wù)分配不均的狀況。處于工藝下游的生產(chǎn)計劃在均衡工藝方案的支持下，難以制定出均衡的計劃。通常表現(xiàn)為一部分機床工作量過大，成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的瓶頸，延長了制造周期；另一部分機床過于空閑，浪費了制造資源潛在能力?？梢?，傳統(tǒng)的機床選擇模式限制了生產(chǎn)計劃排產(chǎn)柔性，導(dǎo)致了生產(chǎn)任務(wù)分配不均衡。

由于工藝規(guī)程是生產(chǎn)計劃的信息基礎(chǔ)，工藝路線設(shè)計以及機床選擇直接約束生產(chǎn)排產(chǎn)。為解決工藝對生產(chǎn)平衡的限制，許多學(xué)者提出動態(tài)工藝規(guī)劃，以提供多工藝路線方式減少工藝對計劃的約束，并在此基礎(chǔ)上提供多種機床選擇方案[1,2]。有學(xué)者指出應(yīng)當(dāng)協(xié)同生產(chǎn)計劃制定具有適度柔性和針對性的工藝方案，在工藝規(guī)劃階段對負荷進行考慮，實現(xiàn)均衡任務(wù)分配，但具體方法沒有明確給出[3]?？偨Y(jié)目前的文獻資料，以多種工藝支持生產(chǎn)計劃平衡以及靜態(tài)能力約束下多機床選擇方面學(xué)者們做了大量工作。然而在確定了動態(tài)工藝規(guī)劃方案后，如何綜合考慮機床加工能力和負荷能力，在機床選擇階段支持生產(chǎn)計劃平衡方面研究還很少。工序編制中指定的機床類型是生產(chǎn)計劃的重要依據(jù)，機床選擇是否合理對能否平衡生產(chǎn)縮短生產(chǎn)周期起到重要的作用。筆者從工藝任務(wù)均衡分配這一角度出發(fā)，對機床加工能力和負荷能力約束下的選擇問題進行了深入研究，提出了實時能力約束下的機床優(yōu)選方法。

1 實時能力約束下的機床優(yōu)化選擇方法

實時能力約束下的機床優(yōu)選是在選擇機床過程中，對機床靜態(tài)加工能力和動態(tài)負荷約束協(xié)同考察，并予以評價，以達到工藝任務(wù)分配相對均衡的方法。其中，機床的實時能力是指機床在批次生產(chǎn)計劃周期內(nèi)的加工能力和負荷能力；實時能力約束是機床靜態(tài)加工能力和動態(tài)負荷的約束并集。批次生產(chǎn)計劃周期中的批次類似于生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)批次概念，但面向?qū)ο笫欠峙芜M行的零部件工藝規(guī)劃和生產(chǎn)計劃過程。在批次生產(chǎn)周期內(nèi)，機床能力是根據(jù)前批次生產(chǎn)計劃調(diào)整過的，因此反映了機床任務(wù)量的實時信息，從而保證計劃編制過程中對機床負荷能力的考察。

然而在傳統(tǒng)生產(chǎn)準(zhǔn)備流程中，由于工藝規(guī)劃與生產(chǎn)計劃是串行的兩個階段，工藝規(guī)劃階段是無法獲取機床負荷信息，因此必須將工藝規(guī)劃與生產(chǎn)計劃協(xié)同考慮，將串行的流程變更為并行過程。有學(xué)者進行過協(xié)同方法研究，多數(shù)方法遵循了反饋調(diào)整的思路[4,5]，該思路并不能滿足工藝編制階段實時獲取機床負荷的需求。為此，本文提出了協(xié)同生產(chǎn)計劃，在實時能力約束下優(yōu)選機床的方法。其流程如圖1所示：

圖1 實時能力約束下的機床優(yōu)選方法

首先，依據(jù)工件對關(guān)重機床的占用可能性對工件進行優(yōu)先級劃分。按級別對工件分組，以組為單位分批次對工件進行工藝設(shè)計。批次工藝設(shè)計首先依據(jù)機床實時能力，為工序匹配加工能力和負荷都滿足的機床。此時機床負荷能力取決于歷史生產(chǎn)計劃對機床的任務(wù)分配。其次，基于多層次指標(biāo)體系對所有匹可選機床進行評價和優(yōu)選。進而，生產(chǎn)計劃依據(jù)批次工藝規(guī)程為機床排產(chǎn)，并將機床負荷變化反饋到機床實時能力模型中。后一批次工藝規(guī)劃將在變化了的機床能力約束下進行。整個過程依次循環(huán)，直至所有批次工藝規(guī)劃和生產(chǎn)計劃都制定完成。

此方法將串行的工藝設(shè)計與生產(chǎn)計劃分批次并行進行，使得工藝設(shè)計階段考慮機床負荷成為可能，并實現(xiàn)以變化的機床能力約束工藝設(shè)計。其中，機床實時能力的描述及建模方法、機床選擇及評價方法是實現(xiàn)上述方法的關(guān)鍵技術(shù)。

2 機床實時能力描述及建模方法

目前，機床建模研究主要集中在加工能力方面，機床負荷方面的研究并不深入。而機床面向工藝任務(wù)的可用工時同樣是影響工藝路線設(shè)計和機床選擇的關(guān)鍵。因此，需要建立同時涵蓋機床加工能力和負荷的機床實時能力模型。機床的加工能力主要表現(xiàn)在機床的成形能力、加工精度、尺寸極限等工藝能力；負荷能力主要表現(xiàn)在計劃期內(nèi)機床的工時分配狀況。目前，特征被廣泛應(yīng)用于計算機輔助工藝設(shè)計領(lǐng)域，可以完整表達工件加工表面的形狀、公差要求等，因此本文將機床的實時能力定義為機床面向工藝任務(wù)的可執(zhí)行能力，由加工能力和負荷能力構(gòu)成。機床加工能力以機床可提供的加工方法，以及加工方法可完成的加工特征兩個層次來描述。機床負荷以計劃期內(nèi)機床總工時、已計劃工時和剩余工時的比例關(guān)系來描述。參照以上思路建立的機床實時能力描述模型如圖2所示：

圖2 機床實時能力模型

在機床實時能力模型中，加工能力是指機床可以提供的各種加工方法的能力集合。由兩個相關(guān)的層面來描述。第一層為機床可以提供的工藝類型能力，包含可以加工的典型零件類型和工藝類型。如某機床具有加工盤類零件的鉆孔工藝，則盤類零件和鉆孔工藝就為機床可提供的工藝類型能力。零件加工和工藝類型從不同角度考察機床的工藝能力，并分別核算機床工作量。第二層為特征加工能力，是工藝類型能力在特征層面上的映射。圖中左側(cè)橫條的長短標(biāo)識了工藝能力的強弱。兩個層次中，不同類型的能力在工作時段內(nèi)有各自的負荷狀態(tài)，如圖2中柱狀圖所示，它們是機床負荷在不同能力分類下的多個負荷視圖。加工能力在一定時期內(nèi)是相對穩(wěn)定的，而負荷能力是隨生產(chǎn)計劃進程不斷變化，但在每個批次計劃周期內(nèi)是相對穩(wěn)定的。因此負荷能力由計劃周期內(nèi)機床計劃任務(wù)工時與總工時比例進行描述，剩余工時與計劃總工時的比值反映了負荷狀態(tài)的優(yōu)劣。機床實時能力隨著對每批次工件工藝任務(wù)分配的變化而變化，是指導(dǎo)后續(xù)批次工藝設(shè)計的信息來源。而基于實時能力進行機床選擇和評價是提高任務(wù)均衡性，縮短生產(chǎn)周期的關(guān)鍵。

3 實時能力約束下的機床選擇方法

機床選擇需要考慮加工能力和可用負荷兩個方面。如果機床同時具備完成工藝任務(wù)的加工能力并具有完成該任務(wù)的負荷能力，則該機床可選。對于加工能力，可以通過機床可提供的加工方法、加工特征、特征工藝參數(shù)三個層次依次進行篩選。對于負荷能力，則通過比較機床承擔(dān)本道工序后是否還有剩余工時，判斷機床是否負荷可用。面向加工能力和負荷的機床選擇方法如圖3所示：

圖3 面向加工能力和負荷的機床選擇方法

面向加工能力的機床匹配，可以首先對機床可提供的加工方法與工序要求的加工方法進行對比，并在相同加工方法下比較加工特征的類型，驗證工序加工特征工藝要求是否在機床可提供的工藝能力范圍內(nèi)。面向負荷能力，首先對工序進行工時定額，結(jié)合批量計算工序?qū)⒄加脵C床列表中各機床的工時。其次，對比機床剩余工時得到負荷可用的機床。

基于以上方法的選擇過程同時考察了加工能力和負荷。然而，機床的選擇將加工能力和負荷都滿足工藝任務(wù)要求的機床全部選出，并沒有輔助工藝人員選出最終確定參與工序承制的機床。因此，還需要對所列機床進行評價和比較。本文給出了基于指標(biāo)體系的機床評價方法，依據(jù)指標(biāo)體系計算機床面向工藝任務(wù)的得分，給出可選機床的優(yōu)先級排序，輔助工藝人員選擇最合適機床。

4 基于多指標(biāo)的機床評價方法

機床評價是對機床與工序的適應(yīng)性進行打分。機床與工序的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在兩方面：機床加工能力與工序任務(wù)的適應(yīng)性、機床工時與任務(wù)量的適應(yīng)性。評價方法將從機床提供加工能力對工序質(zhì)量的影響角度，對靜態(tài)加工能力進行評價；從機床在計劃期內(nèi)承擔(dān)的任務(wù)量角度，對機床動態(tài)負荷進行評價。因此，評價方法采用質(zhì)量和負荷作為頂級指標(biāo)，并以指標(biāo)和權(quán)重的形式計算機床評價值。質(zhì)量和負荷的權(quán)重由訂單緊迫程度劃定。評價方法如圖4所示：

圖4 機床量化評價方法

質(zhì)量定義為機床加工能力相對工序加工要求的適應(yīng)度。工序質(zhì)量由該工序所有加工特征質(zhì)量構(gòu)成。特征質(zhì)量以對尺寸精度、粗糙度等工藝指標(biāo)的評價構(gòu)成。評價方法通過有底到頂?shù)姆绞?，首先對子指?biāo)評價值和權(quán)重進行計算，得到各個特征質(zhì)量評價值，并綜合所有特征評價值和權(quán)重，最終獲得工序質(zhì)量評價值。

質(zhì)量評價是能力與任務(wù)的適應(yīng)性評價。針對工序而言，工序要求越接近能力極限對機床穩(wěn)定性要求越高，耗費的工時越久，加工難度也就越大?；谝陨纤悸?，評價方法比較加工要求與機床加工能力的趨近程度，并以趨近度標(biāo)識機床的能力程度。將這一思路建立數(shù)學(xué)模型，如下式所示：

其中，機床的能力范圍為α～β；工藝要求X 與能力極值?或β的差值為能力程度E。機床能力從不同層次有不同的物理意義。以特征的表面粗糙度為例，機床面向該特征粗糙度能力范圍為α～β，工藝要求的粗糙度X 與?或β的最小趨近值為E，即與最接近的極限值的差值，表達了工藝要求與極限能力的趨近程度。趨近值E 與1/2(α?β)相除，規(guī)整能力值在0～1的范圍內(nèi)，消除了粗糙度單位對機床能力值的影響，便于與公差等其他工藝屬性計算能力值后的綜合能力計算。

工件加工表面的重要程度是由零件設(shè)計過程決定的。對設(shè)計選擇的參數(shù)與設(shè)計可選的參數(shù)范圍進行比較，可以獲取該參數(shù)的權(quán)重。該參數(shù)可以是特征的粗糙度、公差等級等。

圖5 權(quán)重確定方法

依據(jù)上述思路可以對各個工藝指標(biāo)權(quán)重進行計算，而各個工藝指標(biāo)的權(quán)重間接反映了特征的重要性，因此可以由工藝指標(biāo)權(quán)重累加獲得特征權(quán)重。公式(2)、(3)分別給出了指標(biāo)權(quán)重和特征權(quán)重的計算方法：

其中，Si為指標(biāo)i選擇值，Sn為設(shè)計可選范圍，Wizb為指標(biāo)i的得分，標(biāo)識了該指標(biāo)的重要級別。公式(3)給出了特征權(quán)重計算公式：

其中，Tj=Sij，Tj為特征j重要級別，Sij為j特征i指標(biāo)的重要級別。特征j與多個特征重要級別的比值，即為該特征j的特征權(quán)重Wt。

負荷描述的是機床可用工時與工序工時的匹配度。已用工時和工序工時與總工時的比例標(biāo)明了機床的負荷狀況。計劃期內(nèi)總工時由生產(chǎn)計劃根據(jù)訂單期限確定，已用工時由以確定的工藝規(guī)程中機床所用工時構(gòu)成。機床負荷評價可由公式（4）表示：

其中，Tp為工序工時定額，N為加工批量，Ts為計劃期內(nèi)總工時，L為剩余工時所占比例。對應(yīng)圖2所示的機床能力分類，不同的類別下負荷計算都參照上式，得到不同能力下的負荷狀態(tài)。

5 工藝設(shè)計中機床優(yōu)選應(yīng)用示例

筆者結(jié)合863/CIMS主題計劃項目，在動態(tài)工藝規(guī)劃系統(tǒng)中以航空零件加工機床選擇為例對以上方法進行驗證。零件毛坯圖如圖6所示。

圖6 框類零件毛坯

毛坯大小600×310×35mm，采用兩孔一面定位方式，用6個M12螺釘壓緊零件，C型框方式連接零件。工藝路線為粗加工正面（修基準(zhǔn)面、鉆壓緊、锪孔）、粗加工反面（鉆工藝孔、锪孔) 、粗精加工反面外形以及中加孔、粗精加工正面內(nèi)形。其中緣條，筋條，腹板、腹板角度孔為主要特征。緣條需要加工閉角和開角，閉角為66.1度，開角為125.5度，腹板上有5度的角度孔。最后的精加工工序為關(guān)重工序，為其選擇可用機床。機床列表如表1所示。

表1 候選機床列表

面向關(guān)重工序參照上述方法對機床能力和負荷進行評價。評價結(jié)果如表2所示。

由于緣條和腹板孔有角度要求，三軸機床不能滿足要求。五軸機床的選用依據(jù)生產(chǎn)緊迫性設(shè)置質(zhì)量、負荷權(quán)重，得到總評分。依據(jù)工序工時和加工數(shù)量，計算選用機床的工作量，與計劃期內(nèi)已有任務(wù)量累加，更新實時負荷能力，約束后續(xù)機床選擇。

6 結(jié)束語

本文提出的實時能力約束下的機床優(yōu)選方法可以使工藝人員在編制工藝之初就獲取相應(yīng)的機床負荷信息，輔助工藝人員制定出任務(wù)均衡的工藝規(guī)程，縮短了生產(chǎn)周期。同時，本文提出的量化評價方法不依賴于人為因素，具有工藝穩(wěn)定性和評價敏捷性特點，對網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造中機床的選擇與評價具有參考價值。

表2 評價結(jié)果

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