陳德敏

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基于虛擬制造的生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度方法研究

陳德敏

（中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400039）

以離散生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度方法為研究對(duì)象，在對(duì)生產(chǎn)輔助工具狀態(tài)建模的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)零部件加工過(guò)程的實(shí)時(shí)仿真來(lái)確定工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的閑置時(shí)間，來(lái)制定輔助工具生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃的方法，使生產(chǎn)輔助工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更加高效地為生產(chǎn)服務(wù)。并研究了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度沖突解決方法，使制定的調(diào)度計(jì)劃更加具有可操作性。在此研究基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯可配置的生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，并在某離散制造企業(yè)進(jìn)行了成功應(yīng)用。

生產(chǎn)輔助工具；動(dòng)態(tài)調(diào)度；虛擬制造；管理系統(tǒng)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，制造企業(yè)越來(lái)越重視生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)變，精益生產(chǎn)越來(lái)越受到人們的重視[1-3]。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具管理是車間管理的重要組成部分，其在很大程度上決定了離散制造企業(yè)產(chǎn)品制造的能力和服務(wù)水平。

近年來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具按需領(lǐng)取的管理模式逐步被準(zhǔn)時(shí)配送制管理模式替代[4-6]，其中一個(gè)重要的原因是生產(chǎn)輔助工具準(zhǔn)時(shí)配送是企業(yè)實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)的重要體現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)管理模式下工序準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)的弊端[7-9]。但是從實(shí)踐的效果來(lái)看，輔助工具配送到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)后使用效率低、工序?qū)o助工具的無(wú)效占用時(shí)間較長(zhǎng)問(wèn)題較為突出。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度作為生產(chǎn)輔助工具準(zhǔn)時(shí)配送制的有效補(bǔ)充，是提高生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具利用效率和解決工序?qū)o助工具無(wú)效占用的有效措施。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)輔助工具在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地確定工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的閑置時(shí)間，并制定合理可行的動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃。

1 狀態(tài)信息確定

1.1 建模

生產(chǎn)輔助工具狀態(tài)建模是計(jì)算機(jī)輔助工具管理的基礎(chǔ)。生產(chǎn)輔助工具最主要的狀態(tài)可描述為在庫(kù)、在線加工、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)閑置。為方便工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)管理，用集合S[]來(lái)表示生產(chǎn)輔助工具的狀態(tài)信息模型：

式中：為狀態(tài)信息編碼；為輔助工具的名稱；為工廠日歷天；為工具位置信息，＝0表示工具在庫(kù)，＝1表示工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)；1為開(kāi)始某項(xiàng)任務(wù)時(shí)間；2為完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)間；Δ為工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的閑置時(shí)間；為完成加工任務(wù)后，工具回收或調(diào)度，＝0表示工具將在完成加工任務(wù)后被回收，＝1表示工具將在完成加工任務(wù)后在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度。

一道工序或者一個(gè)配送計(jì)劃對(duì)應(yīng)的一組生產(chǎn)輔助工具用矩陣表示為：

式中：S為第個(gè)工具的狀態(tài)集合。

1.2 狀態(tài)確定

制定生產(chǎn)輔助工具在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃的核心在于準(zhǔn)確確定工具在某時(shí)刻的狀態(tài)信息。有兩種方法可以確定。

（1）人工制定生產(chǎn)輔助工具的狀態(tài)信息

車間管理人員每天根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝信息開(kāi)具派工單，工單中包含了加工零部件的名稱、物料、設(shè)備及輔助工具、數(shù)量、開(kāi)工時(shí)間及完工時(shí)間等信息。人工遍歷這些工單，就可以統(tǒng)計(jì)某個(gè)輔助工具在工廠日歷的一個(gè)時(shí)段當(dāng)中的加工任務(wù)、在線加工時(shí)間、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)閑置時(shí)間、在庫(kù)時(shí)間等信息，從而制定輔助工具的狀態(tài)信息。這種方式由于人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適宜于大范圍推廣。

（2）通過(guò)虛擬制造確定刀具的狀態(tài)

虛擬制造能應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)零件的加工方法、工序順序、工裝和工藝參數(shù)的選用以及加工工藝性、裝配工藝性等均可建模仿真[10]，從而能夠優(yōu)化制造過(guò)程，提高加工效率。

數(shù)控加工仿真功能集成了NC程序管理系統(tǒng)，能夠根據(jù)NC程序文件的換刀指令找到切削刀具ID，提取刀具的類型信息[11]，包括刀具名稱、幾何參數(shù)等。并能快速統(tǒng)計(jì)工具在某項(xiàng)加工任務(wù)中的加工時(shí)間，確定工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)閑置時(shí)間，預(yù)測(cè)刀具的剩余壽命，以此建立工具狀態(tài)信息。該方法自動(dòng)化程度高，可單獨(dú)運(yùn)行，為工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，也可以集成在工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)中。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃的制定

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度的關(guān)鍵在于制定合理可行的調(diào)度計(jì)劃，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃制定流程如圖1所示。

（1）根據(jù)虛擬制造提供的數(shù)控加工仿真確定工具在工廠日歷的某個(gè)時(shí)段內(nèi)在庫(kù)時(shí)間、在線加工時(shí)間、閑置時(shí)間等信息，并以天為單位進(jìn)行工具信息建模。在該模型中，可根據(jù)工具ID以及時(shí)間查詢工具在某一時(shí)刻的狀態(tài)、剩余壽命等信息。

（2）遍歷某道工序所需要的工具，在某工序開(kāi)始時(shí)刻狀態(tài)顯示該工具在庫(kù)，則將該工具添加到配送計(jì)劃中；如果狀態(tài)顯示在現(xiàn)場(chǎng)閑置中，則該工具可能處在上道工序完成后的閑置時(shí)間之內(nèi)，此時(shí)可縮短上道工序的閑置時(shí)間，以滿足本道工序?qū)υ摴ぞ叩男枨?；如果縮短閑置時(shí)間仍不能解決調(diào)度時(shí)間沖突，則根據(jù)確定的優(yōu)先原則解決時(shí)間沖突問(wèn)題。

圖1 動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃流程圖

（3）對(duì)價(jià)格較高、資源占用量大的工具，庫(kù)存有限，極易出現(xiàn)不同工序?qū)ν还ぞ叩男枨髸r(shí)間沖突。如果調(diào)度時(shí)間沖突，則首先考慮急件優(yōu)先原則，急件往往對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益以及聲譽(yù)影響較大；如果兩個(gè)產(chǎn)品的完成時(shí)間相同，則由人工根據(jù)資源消耗速度及經(jīng)驗(yàn)等選擇工具的調(diào)度順序。

（4）一般而言，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃的時(shí)間單位要與配送計(jì)劃保持一致，并對(duì)配送計(jì)劃中可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度的輔助工具加以說(shuō)明，標(biāo)明工具在前一個(gè)加工任務(wù)所對(duì)應(yīng)的設(shè)備以及最遲完工時(shí)間等信息。

離散生產(chǎn)過(guò)程由于急件插入及其他工序生產(chǎn)延誤等原因出現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)生變更時(shí)，為提升復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)作效率，則動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃流程將根據(jù)修正后的工序開(kāi)工時(shí)間重新調(diào)整，但之前的調(diào)度計(jì)劃將被保留。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上研究，為離散生產(chǎn)車間開(kāi)發(fā)了一套生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，其中包括刀具、工裝及檢具的管理，系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)流程圖

車間管理人員根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃和工藝信息，生成以工序?yàn)閱挝坏墓ぞ咝枨笥?jì)劃以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的輔助工具需求計(jì)劃，合并需求計(jì)劃生成以天為單位的配送計(jì)劃以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃，并根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)輔助工具的動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃對(duì)配送計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，減少不必要的配送，并在配送計(jì)劃中對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度的工具標(biāo)示調(diào)度時(shí)間、上道工序相對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息等內(nèi)容。

離散制造企業(yè)自身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯差異較大，業(yè)務(wù)流程隨企業(yè)的發(fā)展而變化，為增加生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的柔性和可配置性，在業(yè)務(wù)功能層和數(shù)據(jù)庫(kù)之間增加了中間平臺(tái)層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

中間平臺(tái)層的引入使對(duì)客戶差異化需求的快速響應(yīng)成為可能。XML文檔用來(lái)存放中間平臺(tái)層對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯的配置信息，提高了程序的可配置、可拓展性；XML數(shù)據(jù)以純文本格式進(jìn)行存儲(chǔ)，提供了一種獨(dú)立于軟件和硬件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，可通過(guò)各種不兼容的應(yīng)用程序來(lái)讀取數(shù)據(jù)，使開(kāi)發(fā)的生產(chǎn)輔助工具管理系統(tǒng)更加方便地與各種異構(gòu)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖3 工具管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)在某離散制造企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)控加工仿真來(lái)計(jì)算工具的閑置時(shí)間，形成以天為單位的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工具動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃，并以此對(duì)工序關(guān)聯(lián)的輔助工具進(jìn)行優(yōu)化，生產(chǎn)輔助工具管理人員可查詢與工序關(guān)聯(lián)的工具配送和調(diào)度信息。系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)界面如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)

通過(guò)系統(tǒng)的應(yīng)用，該離散制造車間徹底解決了傳統(tǒng)按需領(lǐng)取的工具管理模式效率低、庫(kù)存量大的弊端，同時(shí)由于工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度及時(shí)，極大地解決了工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)效占用的問(wèn)題，提高了工具使用效率，降低了單件加工準(zhǔn)備時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

建立生產(chǎn)輔助工具狀態(tài)信息模型，通過(guò)虛擬制造的數(shù)控仿真功能確定輔助工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的閑置時(shí)間，從而制定生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工具動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃。以動(dòng)態(tài)調(diào)度計(jì)劃調(diào)整優(yōu)化配送計(jì)劃，減少了不必要的配送，提高了生產(chǎn)輔助工具在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的利用效率，進(jìn)一步縮短了加工準(zhǔn)備時(shí)間。同時(shí)研究了離散車間生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理實(shí)現(xiàn)方式，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯可重構(gòu)的生產(chǎn)輔助工具動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，并在離散制造車間進(jìn)行了應(yīng)用。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)很好地解決了工序?qū)o助工具無(wú)效占用時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，提高了工具的利用效率。

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Research on Dynamic Scheduling Method of Production Aids Based on Virtual Manufacturing

CHEN Demin

(Chongqing Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Chongqing 400039, China )

The dynamic scheduling method of auxiliary tool on discrete production site was taken as the research object. By the real-time simulation process the way of determining idle time of parts processing tools in the field of production was put forward, and the method of dynamic scheduling tool production plan was established, the distribution plan was adjusted through dynamic scheduling, by which the times and numbers of distribution was reduced. And the research on the dynamic dispatching conflict of the production site auxiliary tool is studied, which makes the dispatching plan more feasible. On the basis of this research, the overall design and information modeling of the production site auxiliary tool dynamic dispatching system was carried out, and the corresponding production assistant tool management system was developed.

production assistant tools；dynamic scheduling；virtual manufacturing；management system

TH166

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.002

1006－0316 (2018) 02－0006－04

2017－06－29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2016ZX05045-004）

陳德敏（1983－），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，助理研究員，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)集成制造及礦用安全設(shè)備。