1、航空制造企業虛擬單元敏捷制造研究發表時間：2011/6/7 賈國柱 盧月 閔成 來源：萬方數據關鍵字：虛擬制造單元 流程模塊化 共享資源 零件、工藝聚類航空裝備制造企業大多屬于典型的多品種小批量生產類型，由于產品品種規格多、工藝離散程度高，生產組織與管理存在諸多問題。為了提高此類企業的生產績效，有學者提出了在基于工藝專業化原則的設備布局方式下建立虛擬制造單元的思路和方法。 目前關于虛擬制造單元構建方法的研究尚不完善，主要存在的問題是對于產品在虛擬制造單元中加工過程的跟蹤、協調以及控制的復雜度依然很高，難以實現較高的制造敏捷性

2、。另外，在構建虛擬單元完成后，還經常面臨共享制造資源的問題，導致單元被迫中斷其連續的生產過程，從而嚴重影響單元實施的效果。 本文利用零件聚類和工藝聚類兩種聚類相結合的方法，對零件加工流程進行模塊化分析，形成制造系統流程模塊庫。這種方法能夠通過標準模塊調用降低虛擬制造單元的控制難度，提高虛擬制造單元的構建速度，通過降低物流次數達到提高制造系統敏捷型的目的。1 虛擬制造單元構建及流程模塊化 在生產組織過程中，虛擬制造單元無需根據產品生產路徑的要求對已經布置在單元中的設備進行重新布置，而是根據生產任務的加工要求以單元中的設備為“設備池”構建臨時性的虛擬單元。構造虛擬制造單元的目的是將制造功能特征相似

3、的制造資源或工藝特征相似的工件分別聚合，形成不同的虛擬制造單元。從而把單件、小批量生產轉換為批量生產，在保持單件、小批量生產柔性的同時，獲取批量生產的效益。以零件加工制造系統為研究對象，通過零件聚類和工藝聚類，對多品種小批量制造系統中零件的加工流程進行模塊分解和歸納，從而得到制造系統的流程模塊庫，實現零件加工流程的可重構。具體規劃過程如下。 11 零件聚類 首先基于零件的加工流程和路徑建立全體零件-工藝關聯矩陣。根據各種零部件的構成數量，得出反映零部件數量比重的零件-工藝關聯矩陣。最后借助統計分析軟件Minitab中設定的Average Linkage等選項，選擇適當的閥值進行零件聚類，最終得

4、到粒度適中的相似性零件組合。這一步通過標準模塊調用的思路，實現了降低虛擬制造單元的控制難度的目的，從而提高虛擬制造單元的構建速度，最終提高制造系統的敏捷性。 12 工藝聚類 在上一步得到的每一個零件組合內建立零部件-工藝關聯矩陣。借助統計分析軟件Minitab中設定的平均值距離等選項，選擇適當的閥值進行工藝聚類，得到局部流程模塊。通過降低物流次數達到提高制造系統敏捷型的目的。 13 模塊整合 基于上兩步的結論，梳理所有零件組內的流程模塊，形成全局的流程模塊庫，定義流程庫的概念。在處理新零件加工路徑時，系統能夠分析新流程，并由此建立虛擬制造單元。基于聚類分析技術對制造流程進行分析，可以建立制造流

5、程的層次化模型，并以此為基礎建立制造流程模塊和動態流程庫。制造流程模塊和動態流程庫為建立動態的虛擬制造單元提供了數據基礎，當需要完成新訂單的制造任務時，計算機將根據新訂單的制造流程將其納入動態流程庫，歸并為某一制造流程模塊或產生新的模塊，同時生產虛擬制造單元的結構。2 虛擬單元的共享資源問題 構建虛擬單元完成后，經常面臨共享制造資源的問題，即生產工序（如熱處理、噴砂、電鍍等）在與其他生產單元共享這些公共資源時，導致單元被迫中斷其連續的生產過程，從而嚴重影響單元實施的效果。因此各單元需要加工的產品應在盡量滿足單元內部生產節奏不被影響的條件下，制定共享資源的解決方法。 2.1 消除共享資源 根據共

6、享資源問題的實際情況和技術細節，通過技術的改進、改善或革新，消除必須在單元外完成的工序。可以從以下幾個方面考慮： 1） 采用新技術或小型設備。例如，對于熱處理、電鍍等工藝過程，由于設備的加工能力較大，再考慮到運行成本、環境保護等問題，傳統的做法是將所有車間或單元的待加工工件運至相應處理車間，進行一定批量的加工處理。雖然從效率和單件加工成本角度來看，小型化設備不如大批量加工合算，但是它能夠有效的縮短生產周期，使得單元的封閉性得到恢復，進而帶來一系列單元制造的優勢。 2）對加工工序進行分析，采取措施，改進或去掉需要共享資源的工序。例如，可改變加工順序，改變和調整某些工序 ；也可采用新工藝，如改變涂

7、層工藝，用噴漆代替電鍍，則可以在單元內用噴槍完成這一工序。利用工業工程技術對需要使用共享資源進行單元外加工的工件進行工藝流程分析。通過分析看能否去掉某些工序，或者調整工序的順序，使得單元外加工工序處在單元的起始或終了位置。 3）考慮建立兩個單元。在工藝允許的前提下，可以考慮以共享資源為界限，將使用共享資源的單元拆分成兩個獨立的單元。一個在共享資源之前，為共享資源提供半成品 ；另一個在共享資源之后，以共享資源加工的半成品為該單元的輸入。兩個新的單元中均不需要原來的共享資源，共享資源做為單獨的一個工序分出來，使單元的規模變小，但保證了封閉性，從而消除共享沖突。 以上將單元外的加工轉化為單元內的加工

8、的情況都是針對某種特定情況，有一定的局限性，對于生產實際中更廣泛和普遍的情況，就要從保留共享資源，通過協調共享的矛盾來解決。 圖1 虛擬制造單元流程模塊規劃過程技術路線 圖1 虛擬制造單元流程模塊規劃過程技術路線 2.2 保留共享資源    主要思路是通過組織和機制設計等手段，合理分配共享資源給各個單元使用的時間和次序，協調若干個單元的需求矛盾，控制成本，使總的損失盡可能減小。    1） 時間切片思想    時間切片法是從對共享資源的所有分割權入手。共享資源既不是完全被某個單元所占有

9、，也不是完全獨立于制造單元之外，而是被各單元有計劃地占有和控制。該思想是將共享資源可以利用的時間劃分為時間的片段（即時間切片），根據各單元的生產任務和當前進度將切片分配給各個單元，在各自分得的時間切片內，共享資源為某一單元所占有，單元對共享資源享有完全的使用權。此時該單元是滿足封閉性和獨立自主性的制造單元，并具有一定的靈活性，如某個單元不需要使用所分配的切片時段，可以與其他單元進行交易。    2） 將問題劃為排序調度問題考慮結合排序調度的相關理論和方法，建立以生產有序高效進行為目的的排序模型，設計符合該問題的排序算法。生產任務的特點是任意任務一旦開始加工就不可中

10、斷，這意味著必須分配整塊的時間給各個單元。在排序時既要考慮機器可以存在空閑時間，同時對于不同的任務，要考慮所需的切換損失不同。因此排序的不同，總損失之和會有很大的變化。從不同任務對所產生的切換損失和優先權的區別入手，通過比較不同的排序，找到一種使得總延誤權重之和最小的排隊序列。采用滑動排序窗算法可以很好地解決該問題。    進行排序之前，先要建立一個滑動排序窗的模型，同時定義窗內任務數目為m和移動步長為n。算法要求只對窗內的m個任務進行排序，它們就是所有此時需要排序的任務。一旦窗內這部分任務排序完成，窗體就以某一步長向后移動。排序過程如下。  

11、  定義初始隊列（以FCFS排序）的前m個任務作為初始窗，運用優化枚舉規則對窗內任務進行排序。    將窗內m個完成優化排序的前n個分離出排序窗，加入最終的優化隊列，并作為最終隊列的第1至n個任務。    排序窗以n個任務的步長向后移動，使其右邊界到達初始隊列的第m+n個任務，加上剛才未被分離出窗體的任務，重新構成新窗內的m個任務。    循環進行步驟2和步驟3。直到窗體右邊界移動到初始隊列的最后一個為止。    把“末尾窗”中的m個任務進行排序，再把排序結果加入最

12、終的優化隊列，整個全部排序過程便告結束。優化枚舉規則：將窗內m個任務進行全排列，即m！次排序，從中選擇目標函數的最優解作為窗體內的排序結果。根據上文所述，目標函數與每個任務的延誤時間相關，并受切換間隔的約束，表示如下：    目標函數 ：     約束條件 ：     W表示權重，G表示延誤時間，Ts表示實際加工時刻，Tf表示實際完工時刻，Te表示到達時刻（預定開始加工時刻），Ni =1，n，Nij=1，n，表示任務在隊列中的序號，最小切換時間D（Ti，Tj）的大小取決于前后

13、兩個任務組成的任務對。    式（1）中，Gi表示任務i的實際加工時刻和到達時刻的差，即延誤時間。Wi表示任務i的權重。    式（2）中，Tsi表示任務i的實際加工時刻，Tfj表示任務j的實際完工時刻，任務i是在任務j完成之后進行，二者之間存在最小切換間隔D（Ti，Tj）。    式（3）中，Tsi，Tei分別為任務i的實際加工時刻和到達時刻。    此排序算法不用對隊列中全部任務的所有排序可能進行搜索，而只需對窗體內的任務所產生的排序可能進行搜索，依次移動窗體就可完成對所有任務的排序過程。這樣抑制了計算量的指數速度增長，有效突破循環排序引起的運算量瓶頸，使算法特別適用于較多任務的排序（10個以上）。在取得較好優化結果的同時兼顧了計算的可行性，這是此算法最大的優點。它的另外一個特點是W的引入，這使影響任務排序結果的諸方面因素得以權衡考慮。3 結論    為了提高虛擬制造單元在功能式布局制造系統中的敏捷性，本文提出利用零件聚類和工藝聚類兩種聚類相結合的方法對零件加工流程進行模塊化分析，在此基礎上構建虛擬制造單元。完成構建單元之后，由于制造資源共享的現象廣泛存在，打破了單元的獨立性和完整性。本文考