安 波 廖文和 郭 宇 劉驕劍

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

面向關(guān)鍵零件的擴(kuò)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(xué)，南京，210016

針對(duì)擴(kuò)散制造這種緊耦合網(wǎng)絡(luò)化制造模式，提出了面向關(guān)鍵零件的擴(kuò)散制造單元選擇方法。建立了關(guān)鍵零件制造過(guò)程的PPR（零件、工藝、制造資源）本體模型；設(shè)計(jì)了擴(kuò)散關(guān)鍵件加工需求與擴(kuò)散制造單元制造能力匹配度計(jì)算流程；分析擴(kuò)散工藝及制造單元重構(gòu)特性，利用信息熵的原理，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜性度量。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了該選擇方法的有效性。

擴(kuò)散制造單元；關(guān)鍵零件；PPR本體模型；匹配度；重構(gòu)復(fù)雜度

0 引言

擴(kuò)散制造是面向戰(zhàn)時(shí)武器裝備批量生產(chǎn)需求的緊耦合網(wǎng)絡(luò)化制造模式，“緊耦合”是相對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)化制造如虛擬企業(yè)、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟等“松耦合”管理模式提出的，其特點(diǎn)是設(shè)定了“全過(guò)程可控”的網(wǎng)絡(luò)化制造過(guò)程管理目標(biāo)，主要體現(xiàn)在主企業(yè)對(duì)擴(kuò)散企業(yè)的管理范圍和控制力度比一般的網(wǎng)絡(luò)化制造模式更廣、更大，從而降低不確定因素對(duì)制造過(guò)程的影響，提高快速響應(yīng)能力，保證整個(gè)制造過(guò)程可控、可靠、可測(cè)，以應(yīng)對(duì)戰(zhàn)時(shí)武器裝備批量激增的需求。工藝擴(kuò)散［1－2］是緊耦合特性的表現(xiàn)形式之一，要求主企業(yè)關(guān)鍵零件工藝在擴(kuò)散企業(yè)內(nèi)復(fù)制，即擴(kuò)散企業(yè)按照主企業(yè)發(fā)布的工藝進(jìn)行生產(chǎn)，整個(gè)關(guān)鍵零件生產(chǎn)如同在本企業(yè)內(nèi)部的重現(xiàn)。工藝擴(kuò)散使擴(kuò)散企業(yè)一方面可以省略編制工藝時(shí)間，以及大量的加工過(guò)程仿真試驗(yàn)；另一方面可以按照已有的生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)大綱進(jìn)行生產(chǎn)，保證關(guān)鍵零件的質(zhì)量，在短時(shí)間內(nèi)提高其制造能力。所以在選擇擴(kuò)散制造資源時(shí)應(yīng)考慮擴(kuò)散工藝在外企業(yè)的可復(fù)制性問(wèn)題。

文獻(xiàn)［3－6］基于網(wǎng)絡(luò)的資源發(fā)現(xiàn)和選擇進(jìn)行了研究，但應(yīng)用對(duì)象都是一般的網(wǎng)絡(luò)化制造，還不能很好地滿(mǎn)足擴(kuò)散制造這種面向武器裝備批量生產(chǎn)的緊耦合網(wǎng)絡(luò)化制造模式。本文提出一種面向關(guān)鍵零件的擴(kuò)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(guò)匹配度及重構(gòu)復(fù)雜度計(jì)算，確定滿(mǎn)足工藝擴(kuò)散加工需求的制造資源，為擴(kuò)散制造的順利實(shí)施提供了前提條件。

1 擴(kuò)散制造單元選擇原理

在本文中只討論承擔(dān)關(guān)鍵零件制造任務(wù)的資源，我們稱(chēng)之為面向關(guān)鍵零件的擴(kuò)散制造單元（簡(jiǎn)稱(chēng)擴(kuò)散制造單元）。

定義1 擴(kuò)散制造單元是分布在各個(gè)擴(kuò)散企業(yè)，且按照定型工藝承擔(dān)零件級(jí)任務(wù)的生產(chǎn)的物理生產(chǎn)要素及生產(chǎn)組織，是在某一擴(kuò)散企業(yè)內(nèi)完成一個(gè)關(guān)鍵零件加工的制造設(shè)備、工裝和物流系統(tǒng)的集合。

由成組工藝原理可知，80%的零件可以按成組技術(shù)組織加工［7］。本文從同類(lèi)零件工藝在不同企業(yè)的制造單元的加工可復(fù)制性出發(fā)，來(lái)判斷擴(kuò)散關(guān)鍵零件及加工工藝與擴(kuò)散制造單元制造能力的匹配程度，通過(guò)成組工藝的原理選擇具備生產(chǎn)能力的擴(kuò)散制造單元，這樣，不僅可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散工藝在擴(kuò)散制造單元中最大限度的復(fù)制，而且可以保證制造單元中工裝及物流系統(tǒng)等資源在擴(kuò)散生產(chǎn)過(guò)程中繼續(xù)發(fā)揮作用。

另外，由于不同企業(yè)的主要業(yè)務(wù)范圍和業(yè)務(wù)能力不同，主企業(yè)、擴(kuò)散企業(yè)間在車(chē)間布局、物流系統(tǒng)及生產(chǎn)習(xí)慣方面也存在差異，所以有時(shí)候擴(kuò)散企業(yè)并不能完全按照擴(kuò)散工藝進(jìn)行生產(chǎn)，需對(duì)擴(kuò)散工藝或制造單元進(jìn)行調(diào)整［1－2］。重構(gòu)復(fù)雜程度也是主企業(yè)在選擇制造單元時(shí)會(huì)考慮的一個(gè)指標(biāo)。

所以擴(kuò)散制造單元選擇流程大體可以分為以下幾步進(jìn)行：

（1）問(wèn)題描述。輸入待擴(kuò)散關(guān)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(jì)算。檢索擴(kuò)散企業(yè)同類(lèi)零件產(chǎn)品制造單元，計(jì)算擴(kuò)散關(guān)鍵零件與工藝在外企業(yè)擴(kuò)散制造單元的匹配度。

（3）重構(gòu)復(fù)雜性計(jì)算。分析擴(kuò)散工藝及擴(kuò)散單元重構(gòu)復(fù)雜性，計(jì)算復(fù)雜度，為最終選取擴(kuò)散單元提供依據(jù)。

（4）結(jié)果輸出。

2 PPR本體模型建立

本體是某一領(lǐng)域概念化顯示的解釋說(shuō)明，它定義了共享的詞匯，提供了概念的分類(lèi)和關(guān)系，有力地支持了知識(shí)的表達(dá)、共享、存儲(chǔ)和集成。關(guān)于制造域的本體模型研究已有不少報(bào)道［8－9］，本文建立了圖1所示的基于本體的PPR模型，旨在對(duì)關(guān)鍵零件的制造過(guò)程以及過(guò)程中相關(guān)概念進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的抽象表達(dá)以及在不同擴(kuò)散企業(yè)、不同平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)共享。

圖1 PPR本體模型示意圖

定義2 PPR本體模型是對(duì)擴(kuò)散關(guān)鍵零件制造過(guò)程形式化的描述，從工程的角度抽象與描述產(chǎn)品制造過(guò)程中知識(shí)的概念與關(guān)系。

PPR本體模型可以定義為一個(gè)三元組：

PPR本體模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 PPR本體模型結(jié)構(gòu)表

定義3 加工元是描述關(guān)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(lái)的即為加工元的三個(gè)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(guān)鍵零件加工的所有加工元按照工藝路線中各工序執(zhí)行先后順序組合起來(lái)的集合。

參照文獻(xiàn)［10］中對(duì)事件序列的定義，對(duì)加工序列MSequence給出如下表示方法：

式中，符號(hào)“＜“表示加工元的順序，即關(guān)系PriorTo，如A＜B，表示加工元A先于加工元B進(jìn)行加工。

3 擴(kuò)散制造單元選擇

3.1 匹配度計(jì)算流程

機(jī)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(fā)，建立待擴(kuò)散加工需求與同類(lèi)零件外部企業(yè)制造單元加工能力的匹配關(guān)系，從基于本體語(yǔ)義的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)加工特征需求與設(shè)備加工能力的匹配，進(jìn)而計(jì)算整個(gè)擴(kuò)散件加工工藝與候選同類(lèi)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(shí)現(xiàn)待擴(kuò)散件的加工工序所需設(shè)備全部或部分在擴(kuò)散企業(yè)同一制造單元中聚集，且保證原有物流、工裝繼續(xù)適合擴(kuò)散件的生產(chǎn)。

擴(kuò)散關(guān)鍵零件加工特征需求

式中，PropertyofWO為待擴(kuò)散關(guān)鍵零件工序?qū)傩?；PropertyofMF為該工序?qū)?yīng)擴(kuò)散關(guān)鍵零件加工特征屬性；PropertyofPart為待擴(kuò)散關(guān)鍵零件基本屬性。

圖1中點(diǎn)劃線圍起部分即為關(guān)鍵件的加工需求。

設(shè)備加工能力

式中，PropertyofMT為候選加工單元某設(shè)備加工能力。

圖1中雙點(diǎn)劃線圍起部分內(nèi)容即為設(shè)備加工能力。

遍歷工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)擴(kuò)散關(guān)鍵零件類(lèi)型檢索擴(kuò)散企業(yè)同類(lèi)零件的加工工藝，并進(jìn)行匹配度計(jì)算，圖2是匹配度計(jì)算流程圖。

圖2 匹配度計(jì)算流程

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

（2）若MCapj滿(mǎn)足MReqi，則匹配成功，轉(zhuǎn)步驟（3），若匹配失敗轉(zhuǎn)步驟（5）；

（3）若該設(shè)備是第一次檢索到，則轉(zhuǎn)步驟（4），否則轉(zhuǎn)步驟（6）；

（4）匹配數(shù)S←S＋1，轉(zhuǎn)步驟（6）；

（5）j←j＋1，若j已達(dá)到加工序列中設(shè)備最大數(shù)，轉(zhuǎn)步驟（2），否則，轉(zhuǎn)步驟（6）；

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

（7）計(jì)算匹配度，其計(jì)算公式為

式中，S為MCap與MReq匹配個(gè)數(shù)；P為MSequence中設(shè)備類(lèi)型數(shù)。

3.2 擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜性計(jì)算

3.2.1 重構(gòu)復(fù)雜性分析

（1）擴(kuò)散工藝重構(gòu)。由于軍品對(duì)質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格，軍工企業(yè)對(duì)關(guān)鍵零件生產(chǎn)工藝的調(diào)整流程較為復(fù)雜［12］，必須反復(fù)經(jīng)過(guò)主企業(yè)、擴(kuò)散企業(yè)雙方校對(duì)、審核、會(huì)簽等一系列過(guò)程，調(diào)整周期長(zhǎng)，不滿(mǎn)足擴(kuò)散制造本身對(duì)生產(chǎn)任務(wù)快速響應(yīng)的需求，而且調(diào)整工藝內(nèi)容越多，產(chǎn)品質(zhì)量越難以保證，另外，擴(kuò)散企業(yè)內(nèi)部對(duì)相似零件的加工有固定的流程，更能符合現(xiàn)有生產(chǎn)條件的操作習(xí)慣，且能夠保證生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量，此時(shí)可根據(jù)擴(kuò)散企業(yè)的具體情況，對(duì)擴(kuò)散工藝進(jìn)行必要的二次優(yōu)化。擴(kuò)散工藝的重構(gòu)項(xiàng)可分為工序加工方法、基準(zhǔn)選擇、加工參數(shù)、工序順序等四類(lèi)。

（2）擴(kuò)散制造單元重構(gòu)。同一生產(chǎn)任務(wù)在不同的擴(kuò)散制造單元的生產(chǎn)實(shí)際狀況有可能不同，所以擴(kuò)散企業(yè)在接到生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，對(duì)自身制造單元進(jìn)行重構(gòu)的內(nèi)容及復(fù)雜程度也是有差別的。擴(kuò)散企業(yè)接到生產(chǎn)任務(wù)及擴(kuò)散工藝后，根據(jù)產(chǎn)品特征、任務(wù)批量、交貨期限以及自身資源狀態(tài)，進(jìn)行局部調(diào)整。調(diào)整的項(xiàng)數(shù)越多，重構(gòu)成本越高，與原有生產(chǎn)習(xí)慣差距越大，重構(gòu)的斜升時(shí)間越長(zhǎng)。制造資源重構(gòu)項(xiàng)包括設(shè)備、工裝、物流的數(shù)量及位置的改變。

3.2.2 擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜度計(jì)算

復(fù)雜性建立在多樣性和差異性之上，系統(tǒng)特性差異使相似性變化而出現(xiàn)復(fù)雜性［13］。本文通過(guò)對(duì)比各重構(gòu)項(xiàng)在重構(gòu)前后的差異，計(jì)算擴(kuò)散任務(wù)在某一制造單元重構(gòu)的復(fù)雜程度。熵是表達(dá)不確定性及信息的有效概念，同時(shí)也可以用來(lái)表達(dá)某個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度［14－15］，本文利用信息熵理論對(duì)擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜性進(jìn)行度量。

定義5 參照PPR實(shí)例指主企業(yè)發(fā)布的未經(jīng)調(diào)整的關(guān)鍵零件加工工藝（EProcess）及擴(kuò)散企業(yè)根據(jù)擴(kuò)散工藝調(diào)整后的制造單元（ReMUnit）各資源的數(shù)量，記為Ideal＿PPRIns，Ideal＿PPRIns＝｛EProcess，ReMUnit｝。

定義6 實(shí)際PPR實(shí)例指擴(kuò)散企業(yè)調(diào)整后的工藝文件（ReProcess）及擴(kuò)散企業(yè)制造單元（MUnit）中各資源的數(shù)量，記為Actual＿PPRIns，Actual＿PPRIns＝｛ReProcess，MUnit｝。

通過(guò)對(duì)比Actual＿PPRIns中各重構(gòu)項(xiàng)與Ideal＿PPRIns中對(duì)應(yīng)重構(gòu)項(xiàng)，利用熵原理計(jì)算擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜度，即

其中，Pi為重構(gòu)項(xiàng)為i時(shí)，未變動(dòng)項(xiàng)所占的比例；dij為重構(gòu)影響因子，用以表征因重構(gòu)項(xiàng)的不同而產(chǎn)生的對(duì)重構(gòu)系統(tǒng)影響的不同；i＝1表示對(duì)擴(kuò)散關(guān)鍵零件工藝中各工序進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)N＝1，pij為需作調(diào)整的工序比例；i＝2表示對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)N＝3，j＝1、j＝2、j＝3分別為購(gòu)買(mǎi)、租借及廠內(nèi)調(diào)整位置等狀態(tài)，pij為在狀態(tài)j時(shí)，調(diào)整的設(shè)備比例；i＝3表示對(duì)工裝進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)N＝2，j＝1、j＝2分別為添加新工裝、租借等狀態(tài)，pij為在狀態(tài)j時(shí)，調(diào)整的工裝比例；i＝4表示對(duì)物流系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，此時(shí)N＝3，j＝1、j＝2、j＝3分別為購(gòu)買(mǎi)、租借及廠內(nèi)調(diào)整位置等狀態(tài)，pij為在狀態(tài)j時(shí)，調(diào)整的物流裝置比例。

表2所示為各重構(gòu)狀態(tài)下dij的取值。

表2 重構(gòu)影響因子dij取值

4 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證所構(gòu)建方法的有效性，下面通過(guò)輸出軸擴(kuò)散制造單元的選擇過(guò)程說(shuō)明其應(yīng)用結(jié)果。將生產(chǎn)柱塞和單拐曲軸的擴(kuò)散單元1、2作為候選對(duì)象，相關(guān)信息如表3所示。

表3 待擴(kuò)散關(guān)鍵零件與擴(kuò)散企業(yè)生產(chǎn)零件信息

按照主企業(yè)的定型工藝，輸出軸共需3類(lèi)設(shè)備、7道工序加工完成，根據(jù)匹配度計(jì)算流程，擴(kuò)散單元1有C620、M1432兩類(lèi)設(shè)備滿(mǎn)足輸出軸的加工；擴(kuò)散單元2有C620、M1432、X52K三類(lèi)設(shè)備滿(mǎn)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(jì)算

擴(kuò)散單元接到輸出軸生產(chǎn)任務(wù)和工藝后，需根據(jù)生產(chǎn)要求、自身的實(shí)際生產(chǎn)狀況，對(duì)工藝和單元進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的內(nèi)容如表5所示。

表5 擴(kuò)散制造單元1、2重構(gòu)情況

根據(jù)擴(kuò)散制造重構(gòu)復(fù)雜度計(jì)算式（2），得出擴(kuò)散單元1、2重構(gòu)復(fù)雜性的計(jì)算結(jié)果：

H1＞H2，即擴(kuò)散單元2重構(gòu)的復(fù)雜性要小于擴(kuò)散單元1，所以，經(jīng)過(guò)基于成組工藝的匹配度和重構(gòu)復(fù)雜度計(jì)算得出，滿(mǎn)足工藝復(fù)制，且重構(gòu)復(fù)雜性小的擴(kuò)散制造單元為單元2。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)面向關(guān)鍵零件的擴(kuò)散制造單元選擇問(wèn)題進(jìn)行研究，建立了關(guān)鍵零件制造過(guò)程本體PPR模型，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵零件制造任務(wù)與擴(kuò)散制造單元匹配度算法流程，并分析了擴(kuò)散工藝與制造單元重構(gòu)性；利用信息熵原理對(duì)重構(gòu)的復(fù)雜性進(jìn)行了度量，完成了擴(kuò)散制造單元的選擇。本文為擴(kuò)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(gòu)復(fù)雜度也可以為外部企業(yè)是否參與擴(kuò)散制造提供決策的依據(jù)，具體的評(píng)價(jià)體系、評(píng)價(jià)指標(biāo)將作為后續(xù)內(nèi)容進(jìn)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(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)镃AD／CAPP／CAM、制造業(yè)信息化。發(fā)表論文5篇。廖文和，男，1965年生。南京航空航天大學(xué)校長(zhǎng)助理、教授、博士研究生導(dǎo)師。郭 宇，男，1971年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院副教授。劉驕劍，男，1985年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士研究生。