汽車線束工藝工序及工序關系自動生成

朱吉滿， 徐本柱， 凌欣南， 劉曉平

（1. 合肥工業大學計算機與信息學院可視化與協調計算(VCC)研究室，安徽 合肥 230009；2. 合肥江淮新發汽車有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車線束在生產之前，需要首先分析線束圖紙[1]，提取其包含的工序種類以及數目，然后進行合理的工藝規劃[2-3]、制定高效的工藝路線[4-5]以提高實際生產的效率，最后經過裁線、壓接、組裝等一系列復雜的工序才能加工完成。然而，通常一款中等規模的汽車線束，其包含的工序達數千道之多。以人工方式分析線束圖紙，得到各道工序，不僅耗時費力，而且對于一些復雜的圖紙往往準確性得不到保證，難以滿足實際生產的需要。因此，研究如何自動識別線束圖紙中工藝工序具有重要的理論和現實意義。此外，工序間的約束關系是制定工藝路線的基礎，也是進行生產調度的依據，因而，探討工序間邏輯關系的生成方法是識別工序并使之直接用于安排生產必不可少的部分。

工序自動生成方法是CAPP領域研究的重要問題之一，比較常見的有基于派生式[6]CAPP系統的工序生成方法和基于生成式[7-8]CAPP系統的工序生成方法。但是，基于派生原理的方法，要求零件的系列結構相似，并且加工形面也比較接近，而汽車線束工藝中，不同類型的線束構件特征差異顯著，同一構件由于使用參數的不同，其工序的組成也將發生明顯的變化，故該方法難以應用到汽車線束領域。基于生成式的方法要求對零件建模，模擬人工進行工藝設計，通用性不夠好，線束工藝設計需要工藝員參與且具有很強的領域特性，需要重新建模求解。文獻[9]研究了基于關聯規則生成典型工序序列的方法，該方法能夠有效挖掘關聯程度很高的工序序列，對一些關聯程度不明顯的工序則不夠敏感。

目前，尚沒有專門自動識別汽車線束工序及其關系的軟件上市，國外雖然有一些大型軟件如HarnWare、VeSys等具有工序識別模塊，但是其技術實現卻未見相關文獻報道，因此，研究汽車線束工序自動識別具有重要的現實價值。汽車線束工藝具有很強的領域特征，工藝工序的組成及工序間關系與線束構件的工藝特性、工藝生產規則、工藝知識[10]等密切相關。

1 線束工藝圖模型

1.1 線束工藝圖的定義

線束工藝圖是線束工藝生產中所需絕大部分數據的來源[11]。線束工藝圖紙中，接插件通過線束段相互連接，包裹件以及緊固件附著于線束段上。在線束工藝圖中排除插接件、包裹件等線束組件，單純研究其導線部分，線束可以看著一個無向的連通無環圖。下面給出線束工藝圖中節點、線束段和插接件的定義：

1）節點：線束工藝圖中的節點是端點和分支點的集合。記為V= {v1,v2, … ,vm}。當vi的度為1時，vi為端點，表示一個多根導線端點的集合；當vi的度大于1時，vi為分支點，表示多個線束段的連接點。

2）線束段：如果|V|≥2，則 ?u,v∈V(u≠v)表示線束工藝圖中的兩個不同的節點，稱邊e=(u,v)為線束工藝圖中的線束段。線束段表示一束導線，內含一根或多根導線。線束工藝圖紙中線束段的集合記為E= {e1,e2,… ,en}。

3）插接件：線束工藝圖中的插接件是護套和搭鐵的集合，記為C。設ci表示組成C的第i個插接件，則有C= {c1,c2, …,ck}表示線束工藝圖中的k個接插件。ci(1 ≤i≤k)連接到V中的一個端點，其有n個端口，每個端口可以插入m(m≥ 0)根導線。如果ci為護套，則有n≥1；如果ci為搭鐵，則有n=1。

圖1 插接件示例

圖1 所示為插接件示例。插接件孔位內的除了顯式的用文本表示該端口內含有的導線線號、顏色、線徑信息以及插接件圖形下方標有其名稱和型號信息外，還隱式的包含了大量線束工藝設計特征約束信息，包括可以壓接端子的型號、導線是否需要穿防水栓、端口是否插防水堵以及線端是否需要噴色等。這些隱含信息除了與插接件本身的屬性相關外，還與和它連接的導線屬性以及工藝需求密切相關。

插接件作為端點工藝特征的載體，可以作為提取工藝工序的依據之一，在下文的工序自動識別算法中將用到。如圖1(b)所示，由于導線S1、13A和58的顏色和線徑屬性一致，為了在車間組裝時能夠正確區分它們，在生成工序時根據這些特征信息，需要增加噴色工序，即給導線噴上不同顏色的油漆以示區分。

在介紹了節點、線束段以及插接件的概念的基礎上，可以給出線束工藝圖的定義：

定義1線束工藝圖WHG定義為三元組(V,E,C)，其中V是節點集合，E是線束段的集合，C是接插件的集合。線束工藝圖中所有插接件C連接于V中的端點，作為相應節點的屬性，C中插接件彼此之間通過E中的線束段相互連接。此外，E中的線束段是線束圖紙中包裹件、緊固件等依附的載體。

1.2 線束工藝圖的表示

由于線束工藝圖中的線束段表示一個或者多根重疊在一起的導線，因此線束工藝圖是一個多連通圖[12]。由于三元組(V,E,C)只表明了線束工藝圖的拓撲結構以及端點的工藝屬性，為了表示線束工藝圖中導線的邏輯連接關系，下面引入回路的概念。

定義2回路是一個或者多根物理上連接在一起可以相互間傳導電信號的導線集合，記為CL。則有CL= {wn1,wn2, …,wnn}，其中wni表示構成回路的第i根導線的線號，其端點位于插接件的端口內，對應線束工藝圖中一個端點。回路是線束工藝圖的一個無向的連通無環子圖(V′,E′,C′)，CL中的邊只表示一根導線。

由一根導線構成的回路稱之為單根線。線束工藝圖中的所有回路的集合為回路集CLS，則CLS= {CL1,CL2,… ,CLn}。

回路不僅是分解線束工藝圖紙線束段的重要依據，同時還是線束工藝設計的基本單位，如內聯設計時，需要逐一在回路中的多根導線連接點處附近確定壓接端子位置等操作，從而確定線束工藝圖中的分支點的屬性。

圖2 線束工藝圖及其表示

圖2 (a)是一張簡易的線束圖紙，其拓撲結構如圖2(b)所示，節點V1～V7是端點，分別連接有護套M01～M07，節點V8～V12是分支點。通過回路提取算法可以從該多連通圖中提取出回路集，以表明線束工藝圖中的導線邏輯連接關系，如圖2(c)所示。回路集中之所以記錄線號所處于的護套及其端口號，是因為這樣可以在依據線束工藝約束特征提取工序及其工藝參數時提高查找的效率。

2 工序的自動識別

2.1 特征及工序的定義

如何利用線束生產中的領域知識和線束部件的約束特征從線束圖紙中準確識別出工序，需要更好地闡述工序的自動生成算法，先引入特征和工序的概念：

定義3特征是線束圖紙中工件根據線束領域知識必須滿足的工藝約束集F。通常，一個工件w根據工藝處理的過程和目的可以提取出節點n個特征Fw= {f1,f2, … ,fn}。

以圖2中的回路CL2={2A,2B,2C}為例，該回路在分支點V9處通過內聯端子壓接在一起，導線2A的另一端位于端點V2處，與插接件M01相連接。根據插接件M01的工藝特性可知，其中導線2A的具有特征：F2A={f1,f2,f3,f4,f5}，其中f1：導線顏色為黑色(B)，導線線徑0.3mm；f2：一端位于插接件M01的2號端口，端子類型為DJ3042-1；f3：另一端2B與和2C合壓，合壓線徑為0.9mm；f4：M01為防水護套，導線端點需要做防水處理；f5：護套M01的其他端口內存在與導線2A屬性一致的導線，需要做噴色處理。

定義4工序指一個或一組工人在一個工作場所對若干個操作對象連續完成的各項生產活動的總和。工序可以用四元組P=＜N,W,O,G＞表示，其中：N為工序名稱，W為工件對象集，O為操作集，G為工序目標。

一道或者多道工序通常是為了完成某一個特征而設定的。因此，特征與工序之間存在著一對多的關系。如，對于上例中的特征f2，需要根據端子DJ3042-1的特性，先對導線2A的一端去除一定長度的外皮（稱之為剝頭），然后才能壓接端子（稱為端壓）。因此，特征f2需要剝頭和端壓兩道工序才能完成。

2.2 工序的自動識別算法

線束工藝圖是一個多連通圖，其邏輯連接關系可以通過回路集來表示，回路是實際生產中加工線束的依據。因此，線束圖紙中包含的各道工序分布于回路之中，通過對回路特征的分析，進而可以提取出工藝工序。

為了正確自動識別出線束圖紙中的工序，需要知道圖紙的回路集之外，還要作如下約定：

約定1： 回路集中的任意一個節點都能在線束工藝圖中可以找到。

約定2： 線束工藝圖中的所有度為1的節點都在回路集中至少出現一次。

上述約定既可以保證算法處理的每一個節點都是有效地，又可以確保每一個合法的節點都被處理到，而不會丟失工序。在此基礎上，提出下面的工序自動識別算法：

Step 1利用回路提取算法得到線束工藝WHG的回路集CLS= {CL1,CL2, …,CLn}，初始化工藝工序集P=?；

Step 2i++，如果i≤n，令j=0，跳轉至Step3。否則，輸出工序集P，結束；

Step 3分析回路CLi的線束段集合E={e1,e2,… ,ek}和節點集V= {v1,v2,…vl}，作如下處理：

1）對E中的每一條邊ea(1 ≤a≤k)，提取其特征集Fa，則回路CLi的邊特征集FE=FE∪Fa；

2）對V中的節點vb(1 ≤b≤l)，如果vb是端點，從線束工藝圖中搜索與之相連接的插接件c，根據c提取vb的特征Fb，加入CLi的節點特征集FV=FV∪Fb；如果vb是分支點，表示vb處需要進行內聯壓接，根據工藝設計結果提取特征集FV；

3）計算得到回路CLi的特征集FCLi=FE∪FV= {f1,f2,… ,fm}；

Step 4j++，如果j≤m，轉至Step5，否則跳轉至Step2；

Step 5根據特征fj，分析完成該特征需要的工序集Pj。對 ?p∈Pj，提取p需要處理的工件對象集、操作集和目標集。令P=P∪Pj，轉至Step4。

圖3來自實際的生產工藝卡，它表示回路CL= {19,1A, 1}的壓接示意圖，下面以此為例闡述上述工序自動識別算法，此時回路集中只有一條回路，即CLS={CL}。

回路CL的線束段集合E={LA,LB,LC}，節點集V={vA,vB,vc,vH}。首先分別提取各個線束段和節點的特征，CL共有8個特征，如表1所示。然后，逐一分析各個特征，提取其所對應的12道工序，如表2所示。

圖3 3根導線壓接示意圖

表1 CL的特征集

表2 特征與工序的對應表

上述實例中包含的特征集與工藝設計的結果密切相關，汽車線束回路中端子的壓接位置、數目的不同，直接影響了其工序的組成。因此，不同回路之間由于工藝設計的結果不同，也將呈現出明顯的差異。表3列出了一些典型的工藝特征及其對應的工序。

表3 典型的工藝特征及其對應的工序

3 工序間約束關系的自動生成

3.1 工序間的邏輯關系

工序間的基本邏輯關系可分為3種：順序關系、互斥關系和并行關系。設P1=＜N1,W1,O1,G1＞和P2=＜N2,W2,O2,G2＞表示兩道不同的工序，下面根據這兩道工序的工序對象集和工序目標對二者之間的邏輯關系做出定義：

1）順序關系：符號表示為＜，P1＜P2表示工序P1必須先于工序P2進行，只有當工序P1完成以后工序P2才可以開始。特別地，工序P1的目標工件中存在工件屬于工序P2的工序對象集，即?g∈G1滿足g∈W2，則P1與P2必定滿足順序關系。為了表示的方便，P1＜P2也可記為P2＞P1。

2）互斥關系：符號表示為⊕，工序P1和P2滿足互斥關系表明P1與P2有著共同的工序處理對象，即工序P1、P2不能同時進行，必須其中一個完成后，另一個才能進行，但是P1與P2之間不存在順序關系。因此P1⊕P2的必要條件是W1∩W2≠?。

3）并行關系：符號表示為||，工序P1與工序P2滿足并行關系表示兩者之間可以同時進行而相互之間不產生影響。工序P1||P2的必要條件是W1∩W2=? 并 且 ??g1∈G1,g2∈G2滿 足g1∈W2或g2∈W1。

上述定義是判定工序間關系的依據。以表2中的工序為例，由于穿防水栓p6的目標集是防水端壓p4的工序對象集，因此，工序p4與p6之間具有順序關系p6＜p4。工序p4與p11存在對導線LA的競爭使用，即o4∩o11={LA}≠?，故有p4⊕p11。再看工序p7和p9，由于他們之間處理的工序對象相互獨立，因此有p7||p9。

需要說明的是，工序間還存在選擇關系，因為有時可以使用不同種類的設備完成同一道工序。如壓接工序可以分別采用普通機器和全自動壓接機完成，此時W1=W2且G1=G2但O1≠O2，故P1、P2之間存在選擇關系，即兩道工序只能選擇一道進行。本文研究的是自動識別線束圖紙中的工序組成，不涉及車間設備的使用情況，因而，選擇關系不在本文的考慮范圍之內。

3.2 工序間的邏輯關系自動生成算法

正確識別工序間的邏輯關系是實際生產中制定工藝路線、合理安排生產的基礎。對于一個由n道工序組成的工序集P= {p1,p2,… ,pn}可以用一個n×n的約束矩陣A表示其相互之間的邏輯關系，矩陣中的元素A[i][j](1 ≤i,j≤n)表示工序pi和pj之間的邏輯關系。

通常一張中等規模的線束圖紙包含的工序達上千道，通過約束矩陣來描述各道工序間的邏輯關系，矩陣規模將十分巨大。考慮到線束車間實際生產時，以回路作為基本單位，因此，從不同回路中提取出的工序之間應該彼此獨立，互不干涉。對每一個回路中的各道工序彼此間邏輯關系單獨用一個約束矩陣表示，這樣可顯著減小矩陣的整體規模，那么線束圖紙中的所有工序約束關系可以表示為一個列矩陣向量A=(A1,A2,… ,An)，其中Ai表示回路CLi中各道工序間的約束關系矩陣。

在上述基礎上，下面給出線束工序約束關系的自動生成算法：

Step 1獲取線束圖紙中的回路數目n，令i= 1，初始化工序約束關系矩陣A為一個n維列向量 (A1,A2, …,An)。

Step 2如果i＞n，算法結束。否則，利用工序自動識別算法提取得到回路CLi的工序集P= {p1,p2,… ,pm}，初始化Ai為一個m×m的方陣，令j=1。

Step 3如果j＞m，i=i+1，轉入Step2。

Step 4令k=j+1，Ai[j][j]='-'。

Step 5如果k≤m，根據線束工藝約束特征以及工序pj與pk處理的工件對象集，確定兩者之間的關系。如果滿足順序關系，令Ai[j][k]='＜ '，Ai[k][j]= '＞ '；如果滿足互斥關 系，令Ai[j][k]=Ai[k][j]='⊕ '，否 則 置Ai[j][k]=Ai[k][j]= '||'。k++，轉Step 5。

Step 6j=j+1，轉Step 3。

下面以圖2所示線束圖紙中2號回路CL2={2A,2B,2C}為例，簡要闡述線束工藝工序的自動識別和相互邏輯關系生成過程。

圖4(a)為CL2在線束圖紙中的拓撲結構，其由3根導線組成，導線的顏色、線徑在圖中已經給出，但是無法確定每根導線的長度；圖4(b)是工藝設計中在分支點處偏左側50的位置壓接內聯端子，將其進行合壓的示意圖，此時可計算各根導線的尺寸；依據工序自動識別算法和結合各導線線端所連接的插接件提取各自的特征，自動識別出的工序組成如圖4(c)所示；根據工序間的處理對象已經相關工藝約束，工序相互之間的邏輯關系通過圖4(d)的約束矩陣給出。同理，可以得出其它回路的工序集及其約束矩陣。工序集和約束矩陣是制定工藝路線、進行工藝規劃的重要依據。

圖4 回路CL2的工序識別

4 應用實例

文中所論述的基本思想是作者在AutoCAD 2007為平臺上以C++語言基于Object ARX進行二次開發的過程中總結和提煉的，已經在汽車線束輔助設計系統中得到驗證。

圖5所示是一張簡易的線束工藝圖紙，它總共包含3個回路：CL1={10}、CL2={12A，12B，12C，12D}和CL3={25A，25B，25C，25D，25E}。經過工藝設計，運用上文所述的算法可以的自動得到工藝工序，圖6和圖7是系統自動生成的線束實際生產中使用的下線卡和壓接卡。下線卡中給出了要裁剪的每一根導線的詳細信息，包括兩端的剝皮參數（頭剝和尾剝）。此外，對于需要進行噴色的導線也有說明。

圖5 一張簡易的線束工藝圖紙

由于圖紙中3個回路之間不存在相互關聯關系，故采用3個矩陣分別表示各自回路中工藝工序間的約束關系，如表4所示。由于回路CL2和CL3中包含的工藝工序較多，表中只列出了矩陣的部分行數。

圖6 下線工序卡

圖7 壓接工序卡

表4 工序間關系

5 小 結

本文首先對線束工藝圖紙的特征進行了總結，建立了線束工藝圖模型，以無環連通圖表示其拓撲結構，以回路集描述其導線邏輯連接關系。然后，對工序做了形式化定義并將工序間邏輯關系分為順序關系、互斥關系和并行關系3種，最后，給出了線束工藝工序自動識別算法和工序間邏輯關系自動生成算法，從而快速準備的自動生成線束圖紙中的工藝工序集和其約束關系矩陣，從而為線束工藝路線的制定、進行工藝規劃奠定了基礎。

實踐證明，該算法已在合肥多家汽車線束企業得到很好的應用。對于一張復雜的線束圖紙，由一個工藝員手工分析，提取工藝工序和判定工序間的關系需要一個星期才能完成，利用本文提出的算法，自動識別線束工藝工序并識別工序間邏輯關系僅僅需要2天的時間，并且準確性得到顯著的提高。由于目前開發的系統是根據與我們有過合作的生產廠家的實際現狀開發的，而汽車線束生產廠家間生產習慣的具有差異性，因此，下一步的工作是繼續結合其它生產廠家的工藝制造特點，使得軟件具有更好的通用性。

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