航空制造企业虚拟单元敏捷制造研究(精选).doc

航空制造企业虚拟单元敏捷制造研究发表时间：2011/6/7贾倒柱卢月闵成-來源：力方数据关键7：虚拟制造单元 流程模块化 共宇资源 冬件、工艺聚类航空装备制造企业大多属于典型的多品种小批量生产类型，由于产品品种规格多、工艺 离散程度高，生产组织与管理存在诸多问题为了提高此类企业的生产绩效，有学者提出了 在基于工艺专业化原则的设备布局方式下建立虚拟制造单元的思路和方法目前关于虚拟制造单元构建方法的研究询不完善，主要存在的问题是对于产品在虚拟制 造单元中加丁•过稈的跟踪、协调以及控制的复杂度依然很高，难以实现较高的制造敏捷性 另外，在构建虚拟单元完成后，还经常面临共享制造资源的问题，导致单元被迫中断其连续 的生产过程，从而严重彩响单元实施的效果木文利用零件聚类和工艺聚类两种聚类相结合的方法,对零件加工流程进行模块化分析, 形成制造系统流稈模块库这种方法能够通过标准模块调用降低虚拟制造单元的控制难度， 提高虚拟制造单元的构建速度，通过降低物流次数达到提高制造系统敏捷型的目的1虚拟制造单元构建及流稈模块化在生产组织过穆中，虚拟制造单元无需根据产品生产路径的要求对已经布置在单元中的 设备进行重新布置，而是根据生产任务的加工要求以单元中的设备为“设备池”构建临时性 的虚拟单汕构造虚拟制造单元的目的是将制造功能特征相似的制造资源或T•艺特征相似的 工件分别聚合，形成不同的虚拟制造单元。

从而把单件、小批量生产转换为批量生产，在保 持单件、小批量生产柔性的同时，获取批量生产的效益以零件加工制造系统为研究对象， 通过零件聚类和丁•艺聚类，对多品种小批量制造系统中零件的加丁流程进行模块分解和归纳, 从而得到制造系统的流程模块库，实现零件加工流程的可重构具体规划过程如下1. 1零件聚类首先基于零件的加工流程和路径建立全体零件•工艺关联矩阵根据各种零部件的构成 数量，得出反映零部件数量比重的零件■工艺关联矩阵最后借助统计分析软件Minitab中设 定的Average Linkage等选项，选择适当的阀值进彳亍零件聚类，最终得到粒度适中的相似性零 件纟R合这一步通过标准模块调用的思路，实现了降低虚拟制造单元的控制难度的目的，从 而提高虚拟制造单元的构建速度，最终提高制造系统的敏捷性1. 2工艺聚类在上一步得到的每一个零件组合内建立零部件■工艺关联矩阵借助统计分析软件 Minitab中设定的平均值距离等选项，选择适当的阀值进行工艺聚类，得到局部流程模块 通过降低物流次数达到提高制造系统敏捷型的目的1. 3模块整合基于上两步的结论，梳理所有零件组内的流程模块，形成全局的流程模块库，定义流稈 库的概念。

在处理新零件加工路径时，系统能够分析新流程，并由此建立虚拟制造单元基 于聚类分析技术对制造流程进行分析，可以建立制造流程的层次化模型，并以此为基础建立 制造流程模块和动态流程库制造流稈模块和动态流稈库为建立动态的虚拟制造单元提供了 数据基础，当需要完成新订单的制造任务时，计算机将根据新订单的制造流程将其纳入动态 流程库，归并为某一制造流稈模块或产生新的模块，同时生产虚拟制造单元的结构2虚拟单元的共享资源问题构建虚拟单元完成后，经常面临共享制造资源的问题，即生产工序（如热处理、喷砂、 电镀等）在与其他生产单元共享这些公共资源时，导致单元被迫中断其连续的生产过程，从 而严重影响单元实施的效果因此各单元需要加工的产品应在尽量满足单元内部生产节奏不被影响的条件下，制定共享资源的解决方法2.1消除共享资源根据共享资源问题的实际情况和技术细节，通过技术的改进、改善或革新，消除必须在 单元外完成的工序可以从以下几个方面考虑：1） 采用新技术或小型设备例如，对于热处理、电镀等工艺过稈，由于设备的加工能 力较大，再考虑到运行成本、环境保护等问题，传统的做法是将所有车问或单元的待加工工 件运至相应处理车间，进行一定批量的加工处理。

虽然从效率和单件加工成木角度来看，小 世化设备不如大批量加工合算，但是它能够有效的缩短生产周期，使得单元的封闭性得到恢 复，进而带來一系列单元制造的优势2） 对加工工序进行分析，采取措施，改进或去掉需要共厚资源的工序例如，可改变 加T顺序，改变和调桀某些丁序；也可采用新工艺，如改变涂层T艺，用喷漆代替电镀， 则可以在单元内用喷枪完成这一 T序利用工业工稈技术对需要使用共享资源进行单元外加 工的T件进行工艺流程分析通过分析看能否去掉某些T序，或者调整工序的顺序，使得单 元外加工工序处在单元的起始或终了位置3） 考虑建立两个单元在工艺允许的前提下，可以考虑以共享资源为界限，将使用共 享资源的单元拆分成两个独立的单元一个在共享资源Z前，为共享资源提供半成品；另 一个在共享资源Z后，以共享资源加T的半成品为该单元的输入两个新的单元中均不需要 原来的共享资源，共享资源做为单独的一个工序分出来，使单元的规模变小，但保证了封闭 性，从而消除共享冲突以上将单元外的加工转化为单元内的加工的情况都是针对某种特定情况,有一定的局限 性，对于生产实际中更广泛和普遍的情况，就要从保留共享资源，通过协调共享的矛盾来解 决。

图1虚拟制造单元流程模块规划过程技术路线图1虚拟制造单元流程模块规划过程技术路线2. 2保留共享资源主要思路是通过组织和机制设计等手段，合理分配共享资源给齐个单元使用的时间和次 序，协调若干个单元的需求矛盾，控制成木，使总的损失尽可能减小1） 时间切片思想时间切片法是从对共享资源的所有分割权入手共享资源既不是完全被某个单元所占-有, 也不是完全独立于制造单元Z外，而是被各单元有计划地占有和控制该思想是将共享资源 可以利用的时间划分为时间的片段（即时间切片），根据各单元的生产任务和当前进度将切 片分配给各个单元，在备自分得的时间切片内，共享资源为某一单元所占-有，单元对共享资 源享有完全的使用权此时该单元是满足封闭性和独立自主性的制造单元，并具有一定的灵 活性，如某个单元不需要使用所分配的切片时段，可以与其他单元进行交易2） 将问题划为扌非序调度问题考虑结合排序调度的相关理论和方法，建立以生产有序高 效进行为目的的排序模型，设计符合该问题的排序算法生产任务的特点是任意任务一旦开 始加工就不可中断，这意味肴必须分配整块的时间给各个单元在排序时既要考虑机器可以 存在空闲时间，同时对于不同的任务，要考虑所需的切换损失不同。

因此排序的不同，总损 失Z和会有很大的变化从不同任务对所产生的切换损失和优先权的区别入手，通过比较不 同的排序，找到一种使得总延误权重之和最小的排队序列采用滑动排序窗算法可以很好地 解决该问题进行排序Z前，先要建立一个滑动排序窗的模型，同时定义窗内任务数目为m和移动步 长为n算法要求只对窗内的m个任务进行排序，它们就是所有此时需要排序的任务一旦 窗内这部分任务排序完成，窗体就以某一步长向后移动排序过程如下•定义初始队列（以FCFS排序）的前m个任务作为初始窗，运用优化枚举规则对窗内 任务进行排序•将窗内m个完成优化排序的前n个分离出排序窗，加入最终的优化队列，并作为最 终队列的第1至n个任务•排序窗以n个任务的步长向后移动，使其右边界到达初始队列的第m+n个任务，加 上刚才未被分离岀窗体的任务，重新构成新窗内的m个任务•循环进行步骤2和步骤3肓到窗体右边界移动到初始队列的最后一个为止•把“末尾窗”中的m个任务进行排序，再把排序结果加入最终的优化队列，整个全 部排序过程便告结束优化枚举规则：将窗内m个任务进行全排列，即m!次排序，从中选 择目标函数的最优解作为窗体内的排序结果根据上文所述，目标函数与每个任务的延误时 间相关，并受切换间隔的约 束，表示如卜：目标函数：■ ■min f WiGi , G=乙一乙 （1）约束条件：石》耳+ £＞（7；,7；）,比=约+1 ⑵乙，f=l,・・F （3）W表示权重,G表示延误时间，A表示实际加工时刻,h表示实际完工时刻,几表示到 达时刻（预定开始加工时刻），Ni =1, -n, Nij二1, -n,表示任务在队列中的序号，最小 切换时间D （只，Tj）的大小取决于前后两个任务组成的任务对。

式（1）中,G表示任务i的实际加工时刻和到达时刻的差,即延误时间Wi表示任务i 的权重式（2）中，G表示任务i的实际加工时刻，丁门表示任务j的实际完工时刻，任务i是 在任务j完成Z后进行，二者之间存在最小切换间隔D （", Tj）式（3）中,Tsi, J分别为任务i的实际加工时刻和到达时刻此排序算法不用对队列中全部任务的所有排序可能进行搜索，而只需对窗体内的任务所 产生的排序可能进行搜索，依次移动窗体就可完成对所有任务的排序过程这样抑制了计算 量的指数速度增长，有效突破循环排序引起的运算量瓶颈，使算法特别适用于较多任务的排 序（10个以上）在取得较好优化结果的同时兼顾了计算的可行性，这是此算法最大的优 点它的另外一个特点是W的引入，这使影响任务排序结果的诸方血因素得以权衡考虑3结论为了提高虚拟制造单元在功能式布局制造系统中的敏捷性,木文提出利用零件聚类和工 艺聚类两种聚类相结合的方法对零件加T流程进行模块化分析，在此基础上构建虚拟制造单 元完成构建单元Z后，由于制造资源共享的现象广泛存在，打破了单元的独立性和完整性 木文考虑对共享资源进行保制和协调两个角度，重点针对协调机制下，使用滑动排序窗算法 优化排序，解决共享的矛厉。

该方法运算速度快，排序效果好，实施容易，更符合实际生产 需求对于某些多品种小批量制造系统，有时可能存在这种情况，尽管进行了两次聚类，但是 流稈模块仍I口处于割裂分离的状态，这是木方法有待完善的地方另外对于多资源的共享情 况，变量、限制条件和不确定因素会大大增加，但更具有实际意义，可以作为今后研究的方 向。