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复杂零件网络化制造的生产加工状态模型研究

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2013年4月 第41卷第7期 机床与液压 MACHINE TO0L&HYDRAUIJICS Apr.2013 Vo1.41 No.7 DOI:10.3969/j.issn.1001—3881.2013.07.024 复杂零件网络化制造的生产加工状态模型研究 杨胜富,孙卫红,鲁文超 (中国计量学院机电工程学院,浙江杭州310018) 摘要:针对网络化制造环境下,跟踪复杂零件的生产加工状态效率低,建立了生产状态清单模型。该模型采用层级清 单的组成方案。在模型构建过程中,建立以制造资源层为枢纽,由零件层、制造资源层、任务层组成的多层状态清单模 型;然后运用2进制数和16进制数计算出清单中各层的状态值;并将模型应用于某企业网络化制造系统,提高了该企业跟 踪复杂零件生产加工状态的效率,同时证明了该模型的可行性和实用性。 关键词:网络化制造;状态清单;多层任务状态 中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1001—3881(2013)7—084—5 Research on Production and Processing State Model of Complex Parts in Networked Manufacturing YANG Shengfu.SUN Weihong.LU Wenchao (College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou Zhejiang 310018,China) Abstract:In the networked manufacturing environment,it is difficult to track complex parts production and processing status. Status bill model was proposed to track complex parts production and processing status.The model was constructed by layers bil1.In the process of constructing model,the bill was constituted of parts layer,manu ̄ctufing resource layer and task layer.The status val- ues of all layers were calculated by using binary number and hexadecimal number.Finally,the model was applied to the manufaetur- ing system of an enterprise.It is proved that this model can be used to improve the eficifency of tracking the status of the production and processing,and the model is feasible and印plicable. Keywords:Networked manufacturing;Bill of status;Muhi—layer task status 在网络化制造环境下,高效地跟踪复杂零件生产 加工状态具有重要意义,同时也是难点问题之一。复 杂零件生产加工状态不仅是紧急情况下生产调度的重 要依据,还是生产计划滚动的重要参考。一般情况 下,复杂零件有多个生产任务,各个生产任务往往是 由三四道或者五六道工序组成,由一个制造资源进行 生产加工…。工序任务加工状态及制造资源的生产状 态是复杂零件生产加工状态的重要组成部分。制造资 源都有各自的状态描述方法,不同的状态描述方法造 成了工序任务加工状态与制造资源生产状态信息不能 及时交互。信息孤岛在一定程度上降低了跟踪的效率 和准确性。网络化制造环境下,要改善跟踪复杂零件 生产加工状态的效率,需要一个便于各状态信息交互 的模型。建立这样的模型要解决以下两个问题:(1) 为复杂零件、制造资源和制造任务寻求高效准确的状 态描述方法;(2)建立能实现复杂零件状态、制造 资源生产状态和制造任务加工状态信息交互的模型。 目前关于车间制造中物料工艺状态的描述方法相 状态矢量,再通过2进制计算物料工艺矢量的物料工 艺状态值。此方法解决了工序多时字符串多的问题, 但是不能精确地记录物料在一道工序加工过程中的状 态。王万雷 提出16进制描述法,用16进制中前1O 位记录每道工序状态,组成工艺状态矢量,通过16 进制计算某时刻物料工艺矢量的物料工艺状态值。该 方法减少了每一个任务域中可以表达的工艺状态矢量 长度,加大了计算量。虽然这些都是车间制造中物料 工艺状态的描述方法,但是从物料流动性质来看,在 一个企业内部各个车间之间流动的物料与在虚拟企业 中各个企业之间的物料流动本质上是一样的 ,通过 借鉴相对成熟的车间物料工艺状态描述方法,描述网 络化制造复杂零件生产状态是可行的。 网络化制造环境下,复杂零件的各道工序根据加 工特性组成制造任务收敛于某一个制造资源,各个制 造资源由协作关系收敛于某个复杂零件。同理,任务 状态、制造资源状态、复杂零件状态也遵从于这样的 收敛关系。这样的收敛特征类似于离散行业BOM (BOM4D),BOM4D通常采用树形、非循环式的图表 来描述产品每一个部件与其子部件之间的关系,描述 对比较成熟 ,刘晓冰等 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,组成工艺 收稿日期:2012—03—20 作者简介:杨胜富(1987一),男,硕士研究生,研究方向为企业信息化。E—mail:yf.5566@163.corn。 第7期 杨胜富等:复杂零件网络化制造的生产加工状态模型研究 ・85・ 图表最后收敛于某一根节点,即所有原材料、子部 件、部件单元最终收敛于同一父部件 。BOM的作 用之一是辅助解决了由于平台异构所带来的数据交换 和共享难题 。因为制造资源是中间收敛点,所以作 者建立以制造资源层为枢纽由零件层、制造资源层、 任务层3层组成的多层状态清单模型,实现各状态信 息交互,防止产生信息孤岛。 综合以上分析,网络化制造环境下,跟踪复杂零 件生产状态的关键在于各种状态描述的准确性及各层 状态间信息交互的及时性。运用纯数学的2进制数和 16进制数计算方法使状态信息描述更准确,且便于 计算机识别;由零件层、制造资源层、任务层3层组 成的状态清单模型,利于各状态信息问交互,防止产 生信息孤岛;而且基于进制数与清单模型的状态跟踪 具有良好的可扩展性和人机互操作性。 1状态描述方法 1.1状态矢量 状态矢量包括零部件制造任务状态矢量和制造资 源状态矢量两个部分,分别记为 和 。 零部件制造任务状态矢量是指由零部件制造任务 的加工状态信息组成的矢量,记为To=(d …d,d。), 其中d 表示第i个零部件制造任务的加工状态信息, d 的取值为2进制中的0或1,0表示任务未完成加 工,1表示任务已完成加工。 例如,假设制造资源1中有10个零部件制造任 务,其中第0个、第2个、第7个零部件制造任务还 未完成加工,其余零部件制造任务已完成加工,其任 务状态矢量记为To=(1110111010)。 制造资源状态矢量是指由制造资源的生产状态 信息组成的矢量,记为Te=(Pn'"P。P。),其中p 表 示第i个制造资源的生产状态信息,p 取值为16进 制中前11位,即(0,1,2,…,A),分别表示完 成任务的百分数。16位进制位值与完成量对应关系 见表1。 表1 位值与完成量对应关系 位值0 1 2 3 … 9 A 完成量/% 未开始 10 20 30 … 9O 完成 例如,假设复杂零件A有7个制造资源共同加 工,其中第1个、第6个制造资源还未开始零部件制 造任务的加工,第0个、第2个、第3个制造资源已 完成了50%的零部件制造任务的加工,第4个、第5 个制造资源已完成全部零部件制造任务的加工,其任 务状态矢量记为:Tv=(0AA5505)。 1.2任务状态值 任务状态值表示任务目前的生产加工情况,是通 过相应的进制计算任务状态矢量得到的值,用 表 示。Vk= ・M ,其中k的取值为(D,P),D表示 求零部件制造任务状态,用2进制计算;P表示求制 造资源状态,用16进制计算。 vo=To・ =(d …d do)(2 …212”) (1) = ・Mp=(P …P。P。)(16 …16 16”) (2) 其中:/2≤31,m≤7。 用公式(1)计算上述所举例子的零部件制造任 务状态值vo=To・ =890,用公式(2)计算制造 资源生产状态值 =Te・M =11 162 885。 1.3任务状态域 由于现在大多是32位的计算机,最多能表示4 个字节的整数,用16进制计算最多可以表示8位, 用2进制计算最多可以表示32位。计算机硬件条件 的导致用以上方法进行任务状态描述时,协作资 源不能超过8家,零部件制造任务分解不能超过32 个制造任务。为了突破这样的,借鉴相关文 献 中的状态域划分规则来解决该问题。 制造资源状态域划分规则。将制造资源以8位长 度为准,从第0个制造资源开始把制造资源矢量 分块为: =[…(t 一t9t )(t …tlt。)]=(… r0),其中 表示制造资源状态0域矢量, :表 示制造资源状态8域矢量,以此类推。 零部件制造任务状态域划分规则。将零部件制造 任务状态以32位长度为准,从第0个零部件制造任 务开始把零部件制造任务矢量 分块为:To= […(t …t33t )(t 一tlt。)]=(… ),其中 表示制造任务状态0域矢量, 表示制造任务状态 32域矢量,以此类推。 1.4任务状态域中任务状态值 任务状态域中任务状态值用 表示,其中k的 取值为(D,P),D表示求零部件制造任务状态值, 用2进制计算;P表示求制造资源状态值,用16进 制计算。q为所求的k的任务状态所在的任务状态 域。利用任务状态域划分规则,根据k值对任务状态 矢量进行划分,再由每个任务状态域中任务状态值推 导出任务状态。首先确定任务/2所在的任务域q= 2/一mod(n,k),其中mod(/2,k)表示整数/2除以整数k 的余数,且/2>k,k取值为2或16,任务/2在该任务 域上的任务状态值为: =∑t ×k ,其中0≤ ≤|j}。 任务状态域中任务状态值判断任务n的生产情 况,先判断任务/2所在域值q=n—mod(n,k),再比 较任务域内的任务状态值 和k ’,求 ’, 得到模数m和余数s。当k为D时表示求零部件制造 任务状态,此时k=2,如果得到的m值是k的整数 倍,可以断定任务n还没有开始,否则可以认定为已 加工完成。当k为P时表示求制造资源状态,此时 ・86・ 机床与液压 第41卷 =16,如果得到的m值是k的整数倍,则进一步求 解talk,计算得到余数-『,于是制造资源的完成百分 比可以表示为(10× )%。 单模型。该模型可以实现零件层、资源层、任务层的 信息交互。通过清单模型不仅可以查询到零件的制造 资源及其生产状态,还可以跟踪各制造资源中零部件 制造任务的加工状态。图1为复杂零件生产状态清单 模型。 2状态清单模型 2.1模型描述 运用物料清单的思想,建立复杂零件生产状态清 I 零件 I 1  l l__●__——●-__●——●___——●___ I  lI l I  ll i匝圈—_____——●__●——____—— _● 制造资源1 PI , 制造资源2 P2 : 制造资源3 , 制造资源4 . 制造资源m 任务1 D1 任务1 D1 任务1 D1 任务1 D1 任务1 Dl I i[困 任务2 D2 任务H DH 任务2 D2 任务f DJ 任务2 D2 任务J DJ 任务2 D2 任务置 Dx 任务2 D2 任务工 DL L....——...——...—— 图1 复杂零件生产状态清单模型 图1表示复杂零件由m个制造资源共同协作完 成生产,每个制造资源i将会有多个不同的零部件制 造任务。其中, 表示零件的生产状态值,由资源 层中P 值组成制造资源矢量 计算得到,P 值表示 第i个制造资源当前完成零部件制造任务的百分量; 表示第 个制造资源的加工状态值,由制造任务层 中各个制造任务的状态D 的值组成制造任务加工状 态矢量 计算得到,D 的值表示各个制造任务当前 的加工状态。 2.2进制数确定 16进制数根据资源层中制造资源矢量 计算,同时 可根据制造资源数量计算零件状态完成阈值。例如零 件由7个制造资源共同协作完成生产,其阈值矢量用 16进制描述为AAAAAAA,其状态值 为17895697。 资源层中制造资源包含两个值:一个是制造资源 i生产状态的百分量P ,表示对应的任务层中零部件 制造任务生产完成的百分比,由l6进制数表示;另 个是制造资源状态值 ,采用2进制数对任务层 一中零部件制造任务加工状态矢量 计算得到。资源 层中制造资源的 和P 反映出零件生产过程的重要 盟主企业跟踪复杂零件生产状态时需要准确的数 据依据。针对资源层制造资源状态,采用16进制数 信息。由制造资源状态值 和制造资源生产状态百 分量P ,盟主企业可以确定制造资源完成的零部件 制造任务,即任务层状态矢量。例如零件由7个制造 比采用2进制数更能准确地描述制造资源的生产状 态。例如,零件A由7个制造资源共同协作完成生 产,假设资源层制造资源的状态矢量用2进制描述为 0101101,认为第1,4,6个制造资源并没有进行生 产,但实际情况可能是第1个制造资源中包含有10 个零部件制造任务,而第1个制造资源已完成了第 0,1,2,3,4个零部件制造任务的加工,故用2进 制数描述会产生状态描述不准确的现象;采用l6进 制数描述上述例子,第1个制造资源已完成了5个零 部件的加工,其生产状态用16进制数表示为50%。 可见采用16进制数比采用2进制数更能准确地描述 制造资源的生产状态。 任务层中生产任务状态主要由各制造资源自行管 理,盟主企业毋须知道其准确的加工状态。而且一般 加工任务由十几甚至上百道工序组成,采用2进制不 仅能够满足其加工状态描述,同时还能增加一个域中 所能表达的任务数、降低计算的复杂度。 2.3层级分析 由上述分析可知,零件层的零件状态值 采用 资源共同协作完成生产,假设其生产状态矢量为 37593AA,认为其中制造资源7,6,5,4,3分别完 成了制造任务量的30%,70%,50%,90%,30%, 制造资源2,1完成了生产任务。假设制造资源7中 包含有10个零部件制造任务且状态值 为14,根 据状态值 和完成量30%,可以确定其任务层制造 任务状态矢量为0000001 1 10。 3实例应用 以某企业接到的大型齿轮箱产品为研究对象,建 立其在网络化制造环境下的任务状态清单。产品总体 结构如图2所示,齿轮箱的总体尺寸为215 em×193 em×322 em,约5 670 kg。其体积和质量大、涉及零 件多、结构复杂、要求设备种类多,而且对单个设备 的要求高。客户的满意度要求比较高,所以对各个零 部件的生产状态进行跟踪非常重要,作者以它为例子 进行应用分析。 第7期 杨胜富等:复杂零件网络化制造的生产加工状态模型研究 ・87・ 1一联动侧架 2一驱动器侧架 从齿轮箱的制造工艺出发,将其加工过程分解成 3一右上角包板 4一左上角包板 不同制造任务,根据制造任务分解及制造资源需求分 5一右下角包板 6一左下角包板 析发现,不同零件的加工对制造资源需求具有相似 7一右后边包板 性,因此可以将它们合并成一个制造任务,并在同一 8一右前边包板 9一左后边包板 个制造单位中完成加工,整个齿轮箱的制造过程可分 1O一左前边包板 l1一顶后边包板 为材料切割、折弯、粗铣+钻孔+精铣、装配+焊 l2一顶前边包板 1卜底后边包板 接、退火、表面处理+精加工和喷漆7个制造任务。 14一底前边包板 15一间隔板 假设这7个制造任务由7个制造资源共同完成,制造 16__间隔片 l卜凸模支撑角板 任务、制造资源及零部件制造任务分配情况如表2如 l8_吊耳 19一焊接支脚 示。假设某时刻各零部件制造任务加工情况如表3所 示。 图2齿轮箱总体结构示意图 . 表2零部件任务分配表 制造任务 材料切割 折弯 粗铣+钻孔+精铣装配+焊接 退火表面处理+精加工 喷漆 零部件 1~l9 3~6 1、2、7~19 1—19 箱体 箱体 箱体 零部件完成情况 全部完成 3、4完成 1完成,7—13完成 未开始 未开始 未开始 未开始 针对表2中假设的生产加工情况,根据状态矢量 完成加工;B企业生产情况值为5,表示已完成 描述方法,描述出零部件制造任务矢量和制造资源状 50%的加工;通过资源层中生产状态值可以查看到 态矢量 任务层中制造任务的加工情况,例如A企业生产状 To=(1111111111111111111) 态值为524 287,可查看到制造任务的加工状态均 To=.(0011) 为1,表示均完成加工。通过实际应用证明了:多 To =(000000111111101) 层任务状态清单模型能够高效地跟踪到复杂零件生 Tp=(000055A) 产加工状态,保证了状态信息共享,提高了企业的 根据零部件制造任务矢量和制造资源状态矢量, 生产效率和服务质量。 由任务状态值计算公式(1)、(2)可计算得到零部 4总结 件制造任务状态值和制造资源状态值 分析了网络化制造环境下,跟踪复杂零件生产加 =TD ‘ =524 287 ,vo=To・ :3 工状态的难点问题,提出建立以制造资源层生产状态 ,。=To ・ =509 为枢纽,由零件层、制造资源层、任务层组成的多层 状态清单模型。模型以制造资源层为枢纽,利于模型 =T ‘M =1 370 将任务层的零部件制造任务的状态矢量、制造资 中3层状态间的信息数据的交互,使生产状态信息查 源状态矢量、制造资源状态、零件状态值制成状态清 询更便捷、模型更实用,盟主企业更高效地跟踪复杂 单,可以看到该时刻齿轮箱的生产状态清单如图3所 零件的生产加工状态。 示。 同时科学、可靠的状态信息对于网络化制造中生 文中提出的状态清单模型在该企业得到应用, 产计划重排、任务调度等具有重要意义。作者将纯数 从图3所示的生产任务状态清单可以查询到零件层 学的2进制计算和16进制计算方法混合运用,使得 中齿轮箱的状态值为1 370,该值未达到完成阈值 任务的状态信息表述更准确可靠。 17 895 697,表示零件未完成加工;通过该值可查 最后以实际应用证明:在网络化制造环境下,通 询到资源层中各个制造资源的生产完成情况及生产 过多层状态清单模型能提高跟踪复杂零件生产加工状 状态值。例如A企业生产完成情况值为A,表示已 态的效率,同时提高了企业的服务质量。 ・88- 机床与液压 第41卷 I零件层I .  .. 厂 I! ! 1 1 . . 1制造资源层l A 524 287 ll 5 3B l  5l 5C 由09 任务1 1 l任务1 l l 任务1 l E宙压I 由 任务层 任务2 1 任务3 l 任务4 1 任务5 任务6 任务7 任务8 任务9 l l l l l l任务2 1 l I任务3 0 l I任务4 0 l 任务2 O 任务3 1 任务4 l 任务5 任务6 任务7 任务8 任务9 1 l l l l 任务l0 l 任务I1 l 任务l2 l 任务l3 l 任务l4 l 任务l5 l 任务l0 0 任务ll 0 任务l2 0 任务l3 0 任务l4 O 任务15 O 任务l6 l 任务l7 l 任务l8 1 任务l9 1 图3齿轮箱生产状态清单 参考文献: 【1】郭宁,金天国,刘文剑.基于虚拟制造单元的制造资源组 织模型[J].计算机集成制造系统,2010,16(8):1650— 1656. ventory in Reliable Production Lines[J].International Journal of Production Economics,2001,70(2):185—197. 【6】YURTSEVER,TANJU.Computerized Manufacturing Moni- toting and Dispatch System[J].Computers&Industrila Engineering,1998,35(12):137—140. 【2】刘晓冰,黄学文,马跃等.基于集合S(I)理论的物料工 艺状态描述[J].机械工程学报,2003,39(9):62—65. 【7】薄洪光,张楠,刘晓冰,等.基于批次的流程行业物料清 单集成技术[J].计算机集成制造系统,2010,16(I): 166—172. 【3】王万雷.制造执行系统(MES)若干关键技术研究[D]. 大连:大连理工大学,2005. 【4】黄学文,范玉顺.基于二进制和十六进制的物料工艺状 态描述方法[J].计算机集成制造系统,2006,12(2): 281—284. 【8】XU Hanchuan,XU Xiaofei,HE Ting.Research on Trnsfaor- mation Engineering BOM into Manufacturing BOM Based on BOP[J].Applied Mechanics and Materials,2007,10 (11):99—103. 【5】PAPADOPOULOS H T,VIDALIS M I.Minimizing WIP In— (上接第73页) 【2】MASORY O,WANG J,ZHUANG H.On the Accuracyof a Stewart Platform.Part II.Kinematic Calibration andcompen- 【4】高猛.少自由度并联机构运动学标定[D].北京:清华大 学,2005. 【5】陈雄标,袁哲梭.机器人用六维腕力传感器标定研究 [J].机器人,1997,19(1):7—11. sation[C]//Proceedings of the 1993 IEEE International Conference on Robotics and Automation,Applied Automatic Control Principles and ApplicationsDivision,May 2—6, 【6】刘大炜,王立平,关立文.一个特殊3自由度并联机构的 精度分析及标定[J].机械工程学报,2010,46(9):46— 52. 1993,Atlnta,GA,USA.Piascataway,NJ:IEEE,1993: 725—731. 、 【7】黄真.空间机构学[M].北京:机械工业出版社,1991. 【8】代小林,丛大成,韩俊伟,等.基于光学坐标测量机的 STEWART机构标定研究[J].机床与液压,2007,35 (8):45—46. 【3】KHALIL W,BESNARD S.Self Calibration of Stewart-Cough Parallel Robots Witl1out Extrasensors『J].IEEE Trans.on Robotics and Automation,1999,15(6):1118—1121. 

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