面向關鍵零件的擴散制造單元選擇方法研究

安 波 廖文和 郭 宇 劉驕劍

南京航空航天大學，南京，210016

面向關鍵零件的擴散制造單元選擇方法研究

安 波 廖文和 郭 宇 劉驕劍

南京航空航天大學，南京，210016

針對擴散制造這種緊耦合網絡化制造模式，提出了面向關鍵零件的擴散制造單元選擇方法。建立了關鍵零件制造過程的PPR（零件、工藝、制造資源）本體模型；設計了擴散關鍵件加工需求與擴散制造單元制造能力匹配度計算流程；分析擴散工藝及制造單元重構特性，利用信息熵的原理，實現了擴散制造重構復雜性度量。通過應用實例驗證了該選擇方法的有效性。

擴散制造單元；關鍵零件；PPR本體模型；匹配度；重構復雜度

0 引言

擴散制造是面向戰時武器裝備批量生產需求的緊耦合網絡化制造模式，“緊耦合”是相對于一般網絡化制造如虛擬企業、動態聯盟等“松耦合”管理模式提出的，其特點是設定了“全過程可控”的網絡化制造過程管理目標，主要體現在主企業對擴散企業的管理范圍和控制力度比一般的網絡化制造模式更廣、更大，從而降低不確定因素對制造過程的影響，提高快速響應能力，保證整個制造過程可控、可靠、可測，以應對戰時武器裝備批量激增的需求。工藝擴散［1－2］是緊耦合特性的表現形式之一，要求主企業關鍵零件工藝在擴散企業內復制，即擴散企業按照主企業發布的工藝進行生產，整個關鍵零件生產如同在本企業內部的重現。工藝擴散使擴散企業一方面可以省略編制工藝時間，以及大量的加工過程仿真試驗；另一方面可以按照已有的生產、質量檢驗大綱進行生產，保證關鍵零件的質量，在短時間內提高其制造能力。所以在選擇擴散制造資源時應考慮擴散工藝在外企業的可復制性問題。

文獻［3－6］基于網絡的資源發現和選擇進行了研究，但應用對象都是一般的網絡化制造，還不能很好地滿足擴散制造這種面向武器裝備批量生產的緊耦合網絡化制造模式。本文提出一種面向關鍵零件的擴散制造單元選擇方法，建立了PPR（零件、工藝、制造資源）本體模型，通過匹配度及重構復雜度計算，確定滿足工藝擴散加工需求的制造資源，為擴散制造的順利實施提供了前提條件。

1 擴散制造單元選擇原理

在本文中只討論承擔關鍵零件制造任務的資源，我們稱之為面向關鍵零件的擴散制造單元（簡稱擴散制造單元）。

定義1 擴散制造單元是分布在各個擴散企業，且按照定型工藝承擔零件級任務的生產的物理生產要素及生產組織，是在某一擴散企業內完成一個關鍵零件加工的制造設備、工裝和物流系統的集合。

由成組工藝原理可知，80%的零件可以按成組技術組織加工［7］。本文從同類零件工藝在不同企業的制造單元的加工可復制性出發，來判斷擴散關鍵零件及加工工藝與擴散制造單元制造能力的匹配程度，通過成組工藝的原理選擇具備生產能力的擴散制造單元，這樣，不僅可以實現擴散工藝在擴散制造單元中最大限度的復制，而且可以保證制造單元中工裝及物流系統等資源在擴散生產過程中繼續發揮作用。

另外，由于不同企業的主要業務范圍和業務能力不同，主企業、擴散企業間在車間布局、物流系統及生產習慣方面也存在差異，所以有時候擴散企業并不能完全按照擴散工藝進行生產，需對擴散工藝或制造單元進行調整［1－2］。重構復雜程度也是主企業在選擇制造單元時會考慮的一個指標。

所以擴散制造單元選擇流程大體可以分為以下幾步進行：

（1）問題描述。輸入待擴散關鍵零件的制造信息，包括零件及加工特征信息、加工工藝信息。

（2）匹配度計算。檢索擴散企業同類零件產品制造單元，計算擴散關鍵零件與工藝在外企業擴散制造單元的匹配度。

（3）重構復雜性計算。分析擴散工藝及擴散單元重構復雜性，計算復雜度，為最終選取擴散單元提供依據。

（4）結果輸出。

2 PPR本體模型建立

本體是某一領域概念化顯示的解釋說明，它定義了共享的詞匯，提供了概念的分類和關系，有力地支持了知識的表達、共享、存儲和集成。關于制造域的本體模型研究已有不少報道［8－9］，本文建立了圖1所示的基于本體的PPR模型，旨在對關鍵零件的制造過程以及過程中相關概念進行描述，實現制造過程的抽象表達以及在不同擴散企業、不同平臺之間的數據共享。

圖1 PPR本體模型示意圖

定義2 PPR本體模型是對擴散關鍵零件制造過程形式化的描述，從工程的角度抽象與描述產品制造過程中知識的概念與關系。

PPR本體模型可以定義為一個三元組：

PPR本體模型結構見表1。

表1 PPR本體模型結構表

定義3 加工元是描述關鍵零件某一加工工序信息的基本單元。

在圖1中用虛線框圍起來的即為加工元的三個元素MF、WO、WT，加工元用MCell表示：

定義4 加工序列是將完成某一關鍵零件加工的所有加工元按照工藝路線中各工序執行先后順序組合起來的集合。

參照文獻［10］中對事件序列的定義，對加工序列MSequence給出如下表示方法：

式中，符號“＜“表示加工元的順序，即關系PriorTo，如A＜B，表示加工元A先于加工元B進行加工。

3 擴散制造單元選擇

3.1 匹配度計算流程

機床是決定零件的具體特征能否被加工的主要因素［11］，本文從成組工藝原理出發，建立待擴散加工需求與同類零件外部企業制造單元加工能力的匹配關系，從基于本體語義的角度出發，實現單個加工特征需求與設備加工能力的匹配，進而計算整個擴散件加工工藝與候選同類零件制造單元的匹配程度，以期檢索到匹配度高的加工單元，實現待擴散件的加工工序所需設備全部或部分在擴散企業同一制造單元中聚集，且保證原有物流、工裝繼續適合擴散件的生產。

擴散關鍵零件加工特征需求

式中，PropertyofWO為待擴散關鍵零件工序屬性；PropertyofMF為該工序對應擴散關鍵零件加工特征屬性；PropertyofPart為待擴散關鍵零件基本屬性。

圖1中點劃線圍起部分即為關鍵件的加工需求。

設備加工能力

式中，PropertyofMT為候選加工單元某設備加工能力。

圖1中雙點劃線圍起部分內容即為設備加工能力。

遍歷工藝數據庫，根據擴散關鍵零件類型檢索擴散企業同類零件的加工工藝，并進行匹配度計算，圖2是匹配度計算流程圖。

圖2 匹配度計算流程

（1）提取待擴散加工序列MSequence中MCell對應的加工特征需求集｛MReq1，MReq2，…，MReqn｝與候選加工序列MSequenceC1加工元設備對應的加工能力集｛MCap1，MCap2，… ，MCapm｝；

（2）若MCapj滿足MReqi，則匹配成功，轉步驟（3），若匹配失敗轉步驟（5）；

（3）若該設備是第一次檢索到，則轉步驟（4），否則轉步驟（6）；

（4）匹配數S←S＋1，轉步驟（6）；

（5）j←j＋1，若j已達到加工序列中設備最大數，轉步驟（2），否則，轉步驟（6）；

（6）i←i＋1，若i未達到工序最大數，轉步驟（2），且將j重新置為1，否則，轉步驟（7）；

（7）計算匹配度，其計算公式為

式中，S為MCap與MReq匹配個數；P為MSequence中設備類型數。

3.2 擴散制造重構復雜性計算

3.2.1 重構復雜性分析

（1）擴散工藝重構。由于軍品對質量的要求非常嚴格，軍工企業對關鍵零件生產工藝的調整流程較為復雜［12］，必須反復經過主企業、擴散企業雙方校對、審核、會簽等一系列過程，調整周期長，不滿足擴散制造本身對生產任務快速響應的需求，而且調整工藝內容越多，產品質量越難以保證，另外，擴散企業內部對相似零件的加工有固定的流程，更能符合現有生產條件的操作習慣，且能夠保證生產效率及加工質量，此時可根據擴散企業的具體情況，對擴散工藝進行必要的二次優化。擴散工藝的重構項可分為工序加工方法、基準選擇、加工參數、工序順序等四類。

（2）擴散制造單元重構。同一生產任務在不同的擴散制造單元的生產實際狀況有可能不同，所以擴散企業在接到生產任務時，對自身制造單元進行重構的內容及復雜程度也是有差別的。擴散企業接到生產任務及擴散工藝后，根據產品特征、任務批量、交貨期限以及自身資源狀態，進行局部調整。調整的項數越多，重構成本越高，與原有生產習慣差距越大，重構的斜升時間越長。制造資源重構項包括設備、工裝、物流的數量及位置的改變。

3.2.2 擴散制造重構復雜度計算

復雜性建立在多樣性和差異性之上，系統特性差異使相似性變化而出現復雜性［13］。本文通過對比各重構項在重構前后的差異，計算擴散任務在某一制造單元重構的復雜程度。熵是表達不確定性及信息的有效概念，同時也可以用來表達某個系統的復雜度［14－15］，本文利用信息熵理論對擴散制造重構復雜性進行度量。

定義5 參照PPR實例指主企業發布的未經調整的關鍵零件加工工藝（EProcess）及擴散企業根據擴散工藝調整后的制造單元（ReMUnit）各資源的數量，記為Ideal＿PPRIns，Ideal＿PPRIns＝｛EProcess，ReMUnit｝。

定義6 實際PPR實例指擴散企業調整后的工藝文件（ReProcess）及擴散企業制造單元（MUnit）中各資源的數量，記為Actual＿PPRIns，Actual＿PPRIns＝｛ReProcess，MUnit｝。

通過對比Actual＿PPRIns中各重構項與Ideal＿PPRIns中對應重構項，利用熵原理計算擴散制造重構復雜度，即

其中，Pi為重構項為i時，未變動項所占的比例；dij為重構影響因子，用以表征因重構項的不同而產生的對重構系統影響的不同；i＝1表示對擴散關鍵零件工藝中各工序進行調整，此時N＝1，pij為需作調整的工序比例；i＝2表示對設備進行調整，此時N＝3，j＝1、j＝2、j＝3分別為購買、租借及廠內調整位置等狀態，pij為在狀態j時，調整的設備比例；i＝3表示對工裝進行調整，此時N＝2，j＝1、j＝2分別為添加新工裝、租借等狀態，pij為在狀態j時，調整的工裝比例；i＝4表示對物流系統進行調整，此時N＝3，j＝1、j＝2、j＝3分別為購買、租借及廠內調整位置等狀態，pij為在狀態j時，調整的物流裝置比例。

表2所示為各重構狀態下dij的取值。

表2 重構影響因子dij取值

4 應用實例

為驗證所構建方法的有效性，下面通過輸出軸擴散制造單元的選擇過程說明其應用結果。將生產柱塞和單拐曲軸的擴散單元1、2作為候選對象，相關信息如表3所示。

表3 待擴散關鍵零件與擴散企業生產零件信息

按照主企業的定型工藝，輸出軸共需3類設備、7道工序加工完成，根據匹配度計算流程，擴散單元1有C620、M1432兩類設備滿足輸出軸的加工；擴散單元2有C620、M1432、X52K三類設備滿足輸出軸的加工，所以匹配度分別為66.7%、100%，如表4所示。

表4 匹配度計算

擴散單元接到輸出軸生產任務和工藝后，需根據生產要求、自身的實際生產狀況，對工藝和單元進行調整，調整的內容如表5所示。

表5 擴散制造單元1、2重構情況

根據擴散制造重構復雜度計算式（2），得出擴散單元1、2重構復雜性的計算結果：

H1＞H2，即擴散單元2重構的復雜性要小于擴散單元1，所以，經過基于成組工藝的匹配度和重構復雜度計算得出，滿足工藝復制，且重構復雜性小的擴散制造單元為單元2。

5 結語

本文針對面向關鍵零件的擴散制造單元選擇問題進行研究，建立了關鍵零件制造過程本體PPR模型，設計了關鍵零件制造任務與擴散制造單元匹配度算法流程，并分析了擴散工藝與制造單元重構性；利用信息熵原理對重構的復雜性進行了度量，完成了擴散制造單元的選擇。本文為擴散制造單元的選擇提供了新的解決方法。另外，制造單元重構復雜度也可以為外部企業是否參與擴散制造提供決策的依據，具體的評價體系、評價指標將作為后續內容進行研究。

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Research on Selection Method of Extended Manufacturing Units Oriented Key Parts

An Bo Liao Wenhe Guo Yu Liu Jiaojian
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

According to the particularity of extended manufacturing which is a tight coupled networked manufacturing model，a selection method of extended manufacturing units oriented key parts was put forward.In the view of manufacturing process，the key parts PPR model was constructed；on the basis of the model，the flow of matching degree algorithm between the manufacturing requirements and the manufacturing capability was designed；the reconfiguration characteristics of process and manufacturing units were analyzed，and based on information entropy theory，the measurement of complexity degree of extended manufacturing reconfiguration was carried out.At last，an instance was provided to testify the validity of the selection method of manufacturing units.

extended manufacturing unit；key parts；part，process and resource（PPR）ontology model；matching degree；reconfiguration complexity

TP391

1004—132X（2011）01—0044—05

2009—12—31

（編輯 盧湘帆）

安 波，男，1981年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。主要研究方向為CAD／CAPP／CAM、制造業信息化。發表論文5篇。廖文和，男，1965年生。南京航空航天大學校長助理、教授、博士研究生導師。郭 宇，男，1971年生。南京航空航天大學機電學院副教授。劉驕劍，男，1985年生。南京航空航天大學機電學院博士研究生。