面向工艺规划与车间调度的集成方法研究

崔晓康，肖艳秋，王磊，李启

(郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州 450002)

0 前言

生产调度是生产管理过程中的关键环节，但由于传统的工艺规划和生产调度相互独立，导致了工艺与调度的严重脱节。而单元化的制造模式既保留了流水车间的效率又融合了加工车间的柔性，因此基于单元协同的工艺规划与调度的集成研究成为了一种现实需求。

早在20世纪80年代中期，CHRYSSOLOURIS等［1］首先提出了工艺规划与车间调度集成(integrated process planning and scheduling，IPPS)的构想;随后，BECKENDORFF等［2］运用可选工艺路线来增加系统的柔性;KHOSHNEVIS等［3］将动态反馈应用到了IPPS中;而ZHANG［4］和LARSEN［5］则在前人工作的基础之上，将集成系统分层规划，收到了良好的效果;近年来针对IPPS问题，国内外的学者也进行了大量的研究，提出了各种集成模型，大致包括以下3种:非线性工艺规划、闭环工艺规划和分布式工艺规划［6］。虽然上述研究对于构建工艺与调度集成模型已经取得了较多的成果，但对于集成模型的研究方法还较少，本文作者借鉴了文献［8］的中节点流程图的思想，提出了调度因子的概念，为工艺路线的制定和生产计划的排产进行了综合的集成优化。

1 面向工艺与调度集成的模型构建

1.1 工艺与调度集成模型

工艺规划与车间调度集成的重要功能是对资源的合理配置与调度，工艺规划是按照工艺要求来选择可行的加工方法和利用生产资源，而车间调度则试图把可用的资源调配给指定的工序，因此制造资源就成为了集成系统的连接点。文中提出了基于虚拟制造单元的工艺规划与车间调度系统集成模式如图1所示。该模型由产品设计任务开始，从功能实现的角度以工艺计划、生产作业计划与控制为核心，在产品设计、工艺规划、作业计划的过程中进行分布式并行运作。该模型的重点在于以虚拟制造单元为基础，进行工艺规划与作业计划的协同优化，以工序驱动作业计划的排产，达到作业车间调度智能化、高效率的特点。

图1 工艺规划与车间调度集成模型

工艺规划主要是根据产品设计的要求，为零件选择合适的加工方法和加工参数，文中将一个零件工艺计划的制定分为技术分析阶段、资源分析阶段和详细设计阶段。在技术分析阶段对零件的加工特征及其之间关系进行处理;资源分析阶段则接收来自产品工艺技术分析信息和车间的制造资源状态信息，根据车间内制造资源信息，对各工艺技术方案进行分析，当可用资源与某一工序相匹配时，将该制造资源作为这道工序的候选设备在最后的详细设计阶段由工艺规划系统进行详细工艺设计，确定切削用量、刀具路径及相应的加工时间等参数。然后把具有完整工艺路线及详细资源和技术信息的工艺计划送入车间调度系统进行作业计划排产。车间资源调度组织模型采用基于虚拟单元与工序驱动的作业计划和控制模式，从而对制造资源和生产过程进行检测与实时控制。

上述工艺规划与车间调度集成模型通过把工艺路线制定过程分为3个阶段，前两个阶段主要为工艺计划的制定，第三个阶段为作业计划的排产，在技术分析阶段完成工作量较大并且与制造资源和时间无关的粗工艺路线制定内容，从而很好地解决了及时工艺规划与闭环工艺规划在短时间内无法完成所有工艺计划的问题，提高了工艺路线的可重用性。该集成系统的结构形式如图2所示。

图中矩形框代表集成系统中的某一功能模块，它要完成系统内相应的工作，而平行四边形框代表了某一功能的处理结果，或者某些功能处理时的必要信息，双点划线框内代表基于虚拟制造单元的资源组织调度模型，该模型先对工艺规划系统初步制定的粗工艺路线中的工序进行资源选择分配，将车间中的可用资源与工序进行匹配，而整个系统根据资源组织调度模型的设计结果进行技术仿真和过程仿真，在满足实际条件的情况下进行作业计划排产，进而送达车间进行生产，否则就重新进行分析和分配。

基于虚拟制造单元的制造资源模型是面向工艺与调度智能化集成的方式方法，它描述了在作业车间调度系统中如何根据工艺路线组织制造资源，虚拟制造单元模式将不同车间、不同分厂、甚至不同企业的制造资源视为共享的制造资源模型知识库，面对多种多样且在不断变化的加工工件，原有的虚拟单元组状态无法满足生产需要时，系统就在资源库中选择合适的资源，进行虚拟制造单元重构，从而适应动态多变的市场环境。虚拟制造单元是一种生产车间级的调度作业模式，当产品发生变化时，原有的单元组态方案无法满足新产品的生产需求，可根据生产任务的特点以及企业可利用的制造资源的状态、制造能力等信息对虚拟单元进行重构，从而快速扩展制造系统的生产能力，提高了车间作业调度系统的柔性。

图2 集成系统的结构形式

1.2 柔性工艺路线节点网络流程图

柔性的工艺路线往往包括可供选择的机床、可供选择的工艺路径和可供选择的工序序列。柔性工艺路线按照集成化的要求可被描述为网络化流程图、ORG工艺流程图和与/或节点网络流程图。文中采用与/或节点网络流程图来对工艺和调度进行集成优化。在这个流程图中包含了6种节点，分别为:起始节点、工序节点、终止节点、或节点、与节点以及合并节点。起始和终止节点为虚拟节点分别代表工艺路线的开始和结束;工序节点表示工艺路线中供加工的工序;或节点表示零件在之后的工序中可以有多条工艺路径来完成，及每条路径都能完成该工序的操作;而与节点则表示零部件在接下的工序中必须同时进行多条路径的操作才能满足工艺路线的要求;合并节点表示在多条可供选择或同时加工的路径下，工艺路线又回归到一条路径上来。如图3所示，表示了某零部件的集成工艺路线的与/或节点网络流程图。

图3 集成工艺路线的与/或节点网络流程图

图中所示的各工序节点中包含了工序号、可供选择的制造资源以及其所需的加工时间，在技术分析阶段制定粗工艺路线，而资源分析阶段则将满足要求的车间制造资源分配给相应的工序节点，同一个工序节点的制造资源则通过优化选择的方式进行匹配。将这些信息进行储存后便进入详细设计阶段，为完成最终工艺路线的制定和生产计划的排产奠定基础。

2 基于调度因子的工序与车间制造资源匹配选择

2.1 调度因子的概念

这一步主要包括在考虑调度准则的前提下，如何来确保分配到工序的制造资源是最适合的。这个机器对于某一项工序的操作在不违反工艺规划标准的情况下能够实现相同的公差或者表面光洁度等要求。调度准则仅仅要求工件加工时间和废品率，而工艺与调度集成模型则期望既能减少加工时间又能降低废品率。这就导致车间需要快速响应加工需求以及时间要求。由此定义了调度因子如下:

式中:C为设备总费用;

C0为单元时间内设备操作费用;

T为设备操作的平均循环时间;

N为可供使用选择的机器数;

X1－X10为可供选择的变量的重要度，用1－10表示(1表示重要度最小，10表示重要度最大)。

一台设备被某项特定的操作所选择是因为这台设备具有最高价值的调度因素。这个调度因素与C成正比，与C0、T和N成反比。

对于理想状态下理想设备计算所得的调度因子称为理想调度因子μI，理想工作条件包括理想的设备和工具。然而在实际工作环境中，情况可能有所不同。车间调度是根据实际的设备数量以及他们的性能、工具等来进行排产的。基于实际的车间条件，实际调度因子μA的计算方法如下:

理想调度因子:式中:CI0表示理想操作费用，TI表示理想循环时间;实际调度因子:

式中:CA0表示实际操作费用，TA表示实际循环时间;

通过计算可以得到进行指定操作设备的实际调度因子，然后选择其中的最大值来进行该操作，步骤如下:

步骤1:检查设备是否具备工作条件，出现故障或正在维修的设备是不能进行作业安排的;

步骤2:检查每台设备的现状(可用或者不可用)。当一台机器的作业周期比这台机器的可利用时间还长，那么这台机器也被认为是无法使用的;

步骤3:根据精度、表面光洁度、可用原材料以及加工速度，空间的限制和其他因素来查验可用设备的执行力;

步骤4:基于调度因子，进行理想工艺规划转化为实际工艺规划。

2.2 最优工艺路线和生产调度计划

经过技术分析和资源分析后，由集成模型制定的粗工艺路线进入详细设计阶段，在粗工艺路线中每个工序都具有多个可选的车间制造资源，这些可用的制造资源在详细设计阶段通过调度因子来进行匹配选择，最终来完成最优工艺路线的制定和生产调度计划的排产。针对图2所示的某零部件的节点网络流程图，应用该方法得到的最终结果如图4所示。

图4 最优工艺路线和生产调度计划

如图所示灰色框表示有多个可供选择的加工工序，而粗线条则表示需要按照节点网络流程图中的顺序返回到之前最近的一个与节点进行另外一条工艺路径的加工操作。由此便能确定该零部件的详细工艺路线及其车间生产计划的排产。

3 结束语

在对车间工艺规划和车间作业调度分析的基础上，结合基于虚拟制造单元的资源调度组织模型，将车间工艺规划与车间作业调度二者的结合点即制造资源单元化，在资源组织调度模型的框架内进行工序与资源的匹配，最后通过调度因子分别对理想调度情况和实际调度情况进行分析，将实际车间环境映射到集成模型中，实现工艺规划与车间调度模型之间的信息融合，提高了车间的生产效率。

［1］CHRYSSOLOURISG，CHAN S．An Integrated Approach to Process Planning and Scheduling［J］．Annals of the CIRP，1985，34(1):413－417．

［2］BECKENDORFF U，KREUTZFELDT J，ULLMANN W．Reactive Workshop Scheduling Based on Alternative Routings［C］．Proceedings of a Conference on Factory Automation and Information Management．Boca Raton，Florida:CRC Press Inc．，1991:875－885．

［3］KHOSHNEVISB，CHEN Q M．Integration of Process Planning and Scheduling Function［C］．IIE Integrated Systems Conference＆Society for Integrated Manufacturing Conference Proceedings．Atlanta:Industrial Engineering＆Management Press，1989:415－420．

［4］ZHANG H C．IPPM a Prototype to Integrated Process Planning and Job Shop Scheduling Functions［J］．Annals of the CIRP，1993，42(1):513－517．

［5］LARSEN N E．Methods for Integration of Process Planning and Production Planning［J］．International Journal of Computer Integrated Manufacturing，1993，6(1/2):152－162．

［6］高亮，李新宇，工艺规划与车间调度集成研究现状及进展［J］．中国机械工程，2011，42(8):1001－1007．

［7］董朝阳，蔡安江，张琳，等，基于协同优化的工艺设计与调度并行集成［J］．机械设计与制造，2009，21(9)．258－259．

［8］QIAO Lihong．Establishing Geometry and Functional Parameters Relationships through Regression Analysis and their Assistance to Product Customization［J］．International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，58(5/8):727－740．

［9］王庆璞，廖小平，岳燕湘，等．设备能力导航的工艺规划和生产调度系统设计与实现［J］．机械设计与制造，2009，21(4)．209－211．