面向FMS生產(chǎn)調(diào)度和控制的零件動態(tài)工藝模型研究

面向FMS生產(chǎn)調(diào)度和控制的零件動態(tài)工藝模型研究*

注意：本文已經(jīng)在《中國機械工程》(1998,9(9):36～38)雜志發(fā)表
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趙天奇鄧建春童國帆李培根段正澄

摘要：提出一種基于FMS生產(chǎn)調(diào)度與控制的零件動態(tài)工藝模型。該模型由零件加工工序和各個工序之間的約束關(guān)系描述兩部分組成，去掉了傳統(tǒng)人為的加工順序約束，易于與生產(chǎn)調(diào)度控制系統(tǒng)集成，能充分發(fā)揮FMS生產(chǎn)調(diào)度柔性的特點，為FMS優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度的實現(xiàn)提供一條較好的途徑。
關(guān)鍵詞FMS生產(chǎn)調(diào)度CAPP動態(tài)工藝模型
中國圖書資料分類法分類號TH165

筆者根據(jù)FMS生產(chǎn)調(diào)度的特點，在現(xiàn)有零件模型的基礎(chǔ)上提出零件的動態(tài)工藝模型。

1零件工藝模型的常用表達方法
通常的CAPP系統(tǒng)只能設(shè)計出靜態(tài)的或只具有部分柔性的理想化的工藝規(guī)程。
1.1固定加工順序的工藝文件方式
通常生產(chǎn)調(diào)度中使用的零件工藝文件格式為
零件名；
零件號；
工序1，機床名加工時間；
工序2，機床名加工時間；
……
工序n，機床名 加工時間；
END
該方法的優(yōu)點是表達方式簡單明了，缺點是限制了加工的自由度及柔性，使得加工只能嚴格按給定的工藝順序進行，從而限制了柔性加工系統(tǒng)最優(yōu)指標的實現(xiàn)。該方法對單機加工或JOB—SHOP生產(chǎn)較合適。
1.2多工藝方案與/或圖的表示方法［1，2］
圖1為一個實例零件的與/或圖。用與/或圖

圖1實例零件的加工順序與/或圖

可以表示出零件加工順序的部分約束關(guān)系。通過對該圖按一定的啟發(fā)式搜索算法進行搜索可得到多個可行的加工工藝路線。
該方法在一定程度上增加了CAPP的柔性，并考慮到了靜態(tài)生產(chǎn)環(huán)境，但是沒有考慮實際的動態(tài)生產(chǎn)情況，因而還很難在FMS生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用。
1.3有向圖表示方法
有向圖可以表示零件的加工工藝順序。圖2為一實例。通過對有向圖的遍歷可得到多個工藝方案。

圖2實例零件工序結(jié)構(gòu)的有向圖表示

該方法直觀地表達了零件加工工序及工序之間的約束關(guān)系，可用圖論的方法進行描述與變換，但對FMS可替代加工工序無法表達，須對多個加工工藝方案進行復(fù)雜的評價才有可能得到可行的加工方案。

2基于FMS的零件動態(tài)工藝模型
為了適應(yīng)FMS生產(chǎn)柔性的特點，零件工藝描述必須既能反映零件的所有加工特征，又能反映出加工工序之間的約束關(guān)系，同時還能表示出加工工序的可替代性。所謂可替代加工工序是指某一工序可以由不同的機床加工完成，一旦確定好加工機床，則可完成該工序加工的其它候補工序即取消。
為了增加零件工藝表達的靈活性，減少人為的對工藝加工順序的約束，筆者以現(xiàn)有零件工藝模型為基礎(chǔ)，提出了一種更靈活的表示方法。
零件動態(tài)工藝模型仍用有向圖表示(見圖3)，圖中節(jié)點表示零件的一個加工工序或一系列的可替代加工工序，該工序與加工機床及對應(yīng)的加工參數(shù)相聯(lián)系(如加工時間、刀具號、NC文件名等)；有向弧表示零件工序的加工順序約束關(guān)系。任何從頭節(jié)點(Head)到尾節(jié)點(End)的遍歷路徑都是一個有效的加工工藝路線。

圖3實例零件的動態(tài)工藝模型

假設(shè)該有向圖有n條遍歷路線(工藝方案)，第i道工序有ki種加工方案(即有ki-1個可替代加工工序)，共有m個節(jié)點(不計Head和End節(jié)點)，則零件可能有的加工方案數(shù)為。
常用的CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝方案較大地限制了零件工藝表達的柔性。較好的情況是僅考慮了部分生產(chǎn)調(diào)度的靜態(tài)因素，而且一定要產(chǎn)生完整的和確定的加工工藝路線(一般要通過對多工藝方案進行評價后得到)，這使得CAPP系統(tǒng)過于復(fù)雜。這里提出的零件動態(tài)工藝模型卻是僅提供零件的工序、可替代工序及工序加工順序之間的約束關(guān)系，至于實際生產(chǎn)中具體選擇什么樣的加工順序、每道工序中選擇哪一個可替代工序則完全由實際生產(chǎn)中的資源狀態(tài)、零件本身的加工情況以及用戶的具體要求進行選擇，零件的具體加工工藝路線不需要事先確定，直到零件加工好后才知道，并且相同類型的零件可能有不同的工藝路線，零件的具體加工工藝是在實際加工中根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)及加工性能指標動態(tài)重組而成。
這樣的零件描述相對傳統(tǒng)的Job-Shop生產(chǎn)而言似乎是不完備的，但卻為現(xiàn)代化的柔性生產(chǎn)提供了更大的調(diào)度空間。該方法不僅大大減少了CAPP的工作量及難度，顯著提高了實際生產(chǎn)調(diào)度控制中的靈活性，而且不會提高調(diào)度控制的難度，從而為FMS生產(chǎn)性能(如系統(tǒng)生產(chǎn)率、總加工時間、機床負荷平衡率等)的提高創(chuàng)造了條件。

3零件動態(tài)工藝模型的計算機表示方法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3.1零件工藝參數(shù)描述
該部分描述了零件的所有工序參數(shù)，以文件形式表示，其結(jié)構(gòu)為
零件名；
零件號；
工序1，工序11 工序12 … 工序1k1；
工序2，工序21 工序22 … 工序2k2；
……
工序n，工序n1 工序n2 … 工序nkn；
END
工序i表示第i道工序的信息節(jié)點；工序ij表示工序i的所有可完成該工序加工的工序節(jié)點序列。上述文件表示零件共有n道加工工序，其中工序1有k1種實現(xiàn)方法，工序2有k2種實現(xiàn)方法，……工序n有kn種實現(xiàn)方法。
工序信息節(jié)點及可替代工序節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C++語言表示)為
class ProcedureInfo∥工序信息節(jié)點類
｛ public：
ProcedureInfo():∥構(gòu)造函數(shù)
ProcedureInfo(int,float,ProcedureInfo* AlternativeProcedureInfo=NULL)；
～ProcedureInfo();∥析構(gòu)函數(shù)
int Machine_No;∥機床號
float Machining_Time;∥加工時間
ProcedureInfo* Alternative ProcedureInfo;∥替代工序的加工信息
｝；
class Procedure∥工序節(jié)點類
｛ public：
Procedure();∥構(gòu)造函數(shù)
Procedure(int);∥構(gòu)造函數(shù)
～Procedure();∥析構(gòu)函數(shù)
int Procedure_No;∥工序號
ProcedureInfo*?ThisProcedureInfo;∥當前工序
Procedure* NextProcedure;∥下一道工序
｝；
3.2工藝約束關(guān)系描述
零件工藝約束關(guān)系主要描述各加工工序之間的加工順序。因工序是有向圖中的節(jié)點，工序之間的約束關(guān)系即為節(jié)點之間的關(guān)系，可用圖論方法進行描述。
3.2.1用鄰接矩陣方法
以圖3為例來說明。
鄰接矩陣

因?qū)嶋H零件鄰接矩陣多為稀疏矩陣，也可用十字鏈

表結(jié)構(gòu)表示。
3.2.2用鄰接表方法
仍以圖3為例說明。其鄰接表(見圖4)為

圖4實例零件的鄰接表形式

鄰接表中每個方框表示零件的一道工序(即工序節(jié)點)，方框內(nèi)的數(shù)字表示工序號。工序節(jié)點按工序號順序排放(第一列)，并用箭頭指向其相鄰的工序節(jié)點。相鄰的工序節(jié)點中節(jié)點號為正表示該節(jié)點為后續(xù)工序節(jié)點，為負表示該節(jié)點為前繼工序節(jié)點。鄰接表中工序節(jié)點的結(jié)構(gòu)與類Procedure相似。

4基于零件動態(tài)工藝模型的調(diào)度控制方法的實現(xiàn)算法與特點
4.1實現(xiàn)算法
基于零件動態(tài)工藝模型的調(diào)度控制算法是在零件動態(tài)工藝模型的基礎(chǔ)上結(jié)合啟發(fā)式動態(tài)調(diào)度算法實現(xiàn)的，其過程為
Step 1：搜索零件鄰接表，把無前繼節(jié)點的工序節(jié)點加入可調(diào)度工序集合中。
Step 2：在可調(diào)度工序集合中動態(tài)選擇一工序。
Step 3：搜索出該工序節(jié)點的后續(xù)節(jié)點。
a.刪除這些后續(xù)工序節(jié)點中對應(yīng)所選擇的加工工序的前繼工序節(jié)點；
b.在可調(diào)度工序集合中刪除所選擇的工序節(jié)點；
c.判斷這些后續(xù)工序節(jié)點是否有前繼節(jié) 點，把無前繼節(jié)點的工序節(jié)點加入可調(diào)度工序集合中。
Step 4：判斷可調(diào)度工序集合中的元素個數(shù)：
若為零，則該零件加工完成，轉(zhuǎn)Step 5；
否則轉(zhuǎn)Step 2。
Step 5：發(fā)出該零件加工完成指令。
4.2零件動態(tài)工藝模型的特點
(1)易于實現(xiàn)。在CAPP階段只根據(jù)零件工藝特征及生產(chǎn)系統(tǒng)資源產(chǎn)生實現(xiàn)這些特征的加工工序節(jié)點或可替代工序節(jié)點，以及工序之間的約束關(guān)系，而不需要直接產(chǎn)生確定的加工工藝方案以及對這些方案的評價；
(2)合理描述了零件的工藝過程，去掉了人為的不合理的加工順序約束，并增加了對FMS中經(jīng)常存在的可替代加工工序的描述；
(3)充分考慮了FMS生產(chǎn)的特點，易于與生產(chǎn)調(diào)度控制系統(tǒng)集成；
(4)能充分發(fā)揮FMS生產(chǎn)調(diào)度的柔性，并且不會顯著增加調(diào)度控制的工作量與難度，為FMS的優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻

1Deng Chao.An Integrated System of CAPP and JOB-SHOP Scheduling.International Conference on Manufacturing Automation,HongKong,1997.
2Cai L G,Li P G,Duan Z C.An Applied Part Model Based on Form Feature Binary Tree for Integrated CAD/CAPP/CAM System of Rotational Componences.ICIM’95，Wuhan,1995.

趙天奇男，1965年生。華中理工大學(xué)(武漢市430074)機械科學(xué)與工程學(xué)院制造自動化研究所博士研究生、講師。研究方向為柔性制造系統(tǒng)建模、仿真、調(diào)度與控制，CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)，智能制造系統(tǒng)等，發(fā)表論文10多篇。
鄧建春童國帆李培根段正澄武漢市430074華中理工大學(xué)

*國家863高技術(shù)計劃資助項目(863—511—9608)
收稿日期：1997—05—20修回日期：1997—12—29

 

The Research on Part Dynamic Process Model Based on the Scheduling and controlling for FMS
Zhao Tianqi(Huazhong University of Science & Technology, Wuhan,P.R. China)
Deng Jianchun, Tong Guofan, Li Peigen, Duan Zhengcheng

Abstract: In thia paper adynamic process model of part is built based on the sceduling and controlling for FMS. It is composed of the processes(include the alternative processes)description and the constraint relationships among these processes.The model can celstraditional man-made constrains among processes, and can bring the flexibility to be integrated with production and sceduling system, so it provide a good method for optimal production and sceduling for FMS.
Keywords: FMS,sceduling, CAPP, dynamic process model

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