CN103995978B - 一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决重构过程中考虑加工时间、批量的可重构制造系统零件族构建问题，提出一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法。步骤一、获得功能序列和加工批量序列；步骤二、获得加工时间序列；步骤三、构成一个时间、批量综合序列(TQ_a/TQ_b)；步骤四、求解最长公共子序列LCS，以及对应的综合序列子序列；步骤五、求解最短混合工艺路线，以及对应综合混合序列；步骤六、分析利用SCS加工订单零件时产生的闲置机床和需要绕过的闲置机床情况，进行相关计算；步骤七、求解修正系数，并求解两个工艺路线的相似系数，通过两两相互比较，得出最终的相似矩阵(S)；步骤八、采用分层聚类算法构建出最终的零件族。

Description

一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族构建方法

技术领域

本发明属于先进制造技术领域，涉及一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族构建方法。

背景技术

随着全球化的进程，加剧了制造行业的竞争，而产品种类的不断增多、市场需求的大幅度波动、技术的不断更新换代、产品周期的不断缩小，使得传统的制造系统已经无法满足快速响应、柔性生产、高效益等生产目标。全球化的竞争使得新产品的推出窗口越来越小，消费者的苛刻要求，迫使企业想方设法以低成本生产高质量的产品来获取竞争优势。而可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System，RMS)可以根据客户要求提供精确的功能和能力需求，逐渐成为了研究的热点。

RMS是一个以零件族为中心，通过调整系统中的软硬件来对市场的变化做出快速反应的系统，所以零件族的构建成为了RMS的关键点之一。如何根据客户提出的生产要求，合理、高效构建零件族就是本专利解决的问题。

现有技术中零件族构建有两个分支，其一是采用矩阵表示法，即构造一个机床-零件关联矩阵，并采用集群算法寻找机床和零件集群，但是在实际应用时容易出现局部可分群，导致错误的分群；为了弥补这些不足，提出了相似性系数法，但是由于是以机床-零件关联矩阵为基础，存在无法识别瓶颈机床等问题[7]。同时有部分学者开始研究基于工艺路线的相似性系数，并逐渐成为研究的主流。

目前已经存在基于工艺路线的相似性系数算法存在着如下问题：

(1)单纯分析工艺路线中的机床(即功能因素)，而没有考虑到机床加工的先后顺序。

(2)有部分研究采用工艺路线的相异性间接构建零件族，存在着不可预知的误差。

(3)未考虑合并工艺路线后产生的闲置机床和部分需要绕过的闲置机床。

(4)大部分的研究未将加工批量、加工时间等因素考虑到相似性算法中。

(5)部分算法过于冗长，不便理解，且效率不高。

发明内容

本发明为了解决重构过程中考虑加工时间、批量的可重构制造系统零件族构建问题，提出一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法。

本发明方法是通过下述技术方案实现的：

一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、根据订单获得未分组零件的工艺路线和批量信息，即获得功能序列(P_a/P_b)和加工批量序列(Q_a/Q_b)；

步骤二、根据企业实际生产条件，分析利用现有机床加工订单中零件需要的时间，即工艺路线上每一台机床的加工时间，获得加工时间序列(T_a/T_b)；

步骤三、通过加工批量序列和加工时间序列的各个元素相乘，构成一个时间、批量综合序列(TQ_a/TQ_b)；

步骤四、根据功能序列采用动态规划法求解最长公共子序列LCS，以及对应的综合序列子序列(TQ^LCSa/TQ^LCSb)；

步骤五、求解最短混合工艺路线SCS，以及对应综合混合序列(TQSCS_ab)；

步骤六、分析利用SCS加工订单零件时产生的闲置机床和需要绕过的闲置机床情况，进行相关计算；

步骤七、求解修正系数λ，并求解两个工艺路线的相似系数(TQS_ab)，通过两两相互比较，得出最终的相似矩阵(S)；

步骤八、采用分层聚类算法构建出最终的零件族。

自此，就实现了可重构制造系统零件族的构建过程。

本发明的有益效果：

1、考虑最长公共子序列、最短混合工艺路线、加工时间、加工批量，尽可能根据生产实际进行来对零件进行分组，从而为系统的重构提供正确的输入，为构建有效的重构系统奠定基础。

2、以最长公共子序列为核心的相似性系数，直接求解工艺路线的相似度，且考虑机床的先后顺序，算法直观、简洁，并且又不失正确性，具有很强的适用性。

3、以相似性系数矩阵为输入，再利用分层聚类算法进行聚类，构建零件族，具有较高的效率。

附图说明

图1为本发明考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法流程图。

具体实施方式

RMS零件族构建的本质是分析两个零件的工艺路线的相似性，如果零件间的工艺路线越接近，那么它们就越相似，划分为同一个零件族的概率就越高。所以，零件族构建的关键就是求解工艺路线的相似度。早期，在求解工艺路线的相似度时通常是寻求工艺路线元素的相似度，即具有相同的机床就是相似的。近年来，研究人员更多地关注工艺路线间是否存在公共子序列，并以最长公共子序列(LCS)为核心来评价工艺路线的相似度。另外，重构后的制造单元的资源利用率对于单元性能的评价具有举足轻重的作用，所以将工艺路线合并后产生的闲置机床数量和绕过动作数量成为重要影响因素，并衍生出对最短混合工艺路线的研究(SCS)。

通过相似性系数法求解出相似矩阵后，需要利用聚类算法来形成零件族，关于聚类算法的研究已经比较成熟，通常采用分层聚类方法，既简单又有效。

一、最长公共子序列(LCS)

在计算两个零件的工艺路线的相似性系数之前，需要先求解出工艺路线间的最长公共子序列(LCS)，即两个工艺路线中具有相同的先后关系的机床数量的最大值。所谓的子序列就是从原序列中删除零个或者更多的元素，并且保持原来的先后顺序的序列。而最长公共子序列就是所有子序列中最长的那一个。举例来说，有两个工艺路线A＝{a d c b}、B＝{f d e c h b}，{d b}是序列A和序列B的一个公共子序列，但不是最长公共子序列。序列A和序列B的最长公共子序列是{d c b}。

最长公共子序列本质上是编辑距离的特例。所谓编辑距离是将一个序列转化成另一个序列进行的最少的替代、删除、插入操作数。将插入、删除的权重和置为1，并删除替代的权重，就可以得到最长公共子序列。

二、最短混合工艺路线(SCS)

混合工艺路线(the Composite Supersequence，CS)是以最长公共子序列为基础，按照两个工艺路线中机床原有的先后顺序，通过在LCS前后、中间添加两个工艺路线中的非公共元素获得的新工艺路线，而最短混合工艺路线(the Shortest CompositeSupersequence，SCS)是混合工艺路线中最短的那一条，由于在添加两个原始工艺路线中的非公共元素时，来自两个原始工艺路线的元素具有相同的优先级，所以构成的混合工艺路线不唯一，即最短混合工艺路线可能有多种结果。最短混合工艺路线的特点是包含的闲置机床最少，且需要绕过的闲置机床的数量最少。所以，最短混合工艺路线是重构单元的雏形。

三、相似性系数(TQS_ab)的求解

以最长公共子序列(LCS_ab)为中心，通过添加工序P_a,P_b中非公共元素来构造最短混合工序，由于工序P_a,P_b中位最长公共子序列前后的元素的添加情况会影响绕过机床数量，考虑到最短混合工序的构造目的是闲置和绕过的机床的时间与批量乘积的和最小，所以在最长公共子序列之前添加元素时，工序P_a,P_b中非公共元素对应的tq^a,tq^b的和大的添加在最前面，同样地，在在最长公共子序列之后添加元素时，工序P_a,P_b中非公共元素对应的tq^a,tq^b的和大的添加在最后面；另外，由于在最长公共子序列中间添加非公共元素时对最终目的没有影响(中间的非公共元素必然绕过和闲置)，所以这部分的添加具有任意性。

利用构造的最短混合工序进行工件a和工件b的生产时，需要绕过的机床对应的参数(时间与批量的乘积)由公式(1)所示

TQBPM_ab＝TQBPM_a+TQBPM_b (1)

其中

TQBPM_a＝TQBL_a+TQIL_a+TQAL_a (2)

TQBPM_b＝TQBL_b+TQIL_b+TQAL_b (3)

利用构造的最短混合工序进行工件a和工件b的生产时，产生的闲置机床对应的参数(时间与批量的乘积)由公式(4)所示

TQIM_ab＝TQIM_a+TQIM_b (4)

其中

TQIM_a＝TQP_b-TQLCS_b+(TQLCS_b-TQLCS_a) (5)

TQIM_b＝TQP_a-TQLCS_a+(TQLCS_a-TQLCS_b) (6)

工件a和工件b的加工工序的相似系数如式(11)所示

${\mathrm{TQS}}_{\mathrm{ab}}=\frac{{\mathrm{TQLCS}}_a+{\mathrm{TQLCS}}_b}{{\mathrm{TQLCS}}_a+{\mathrm{TQLCS}}_b+{\mathrm{TQBPM}}_{\mathrm{ab}}+{\mathrm{TQIM}}_{\mathrm{ab}}}\×\mathrm{\λ}---\left(11\right)$

其中 $\mathrm{\λ}=\frac{1}{{\mathrm{NOLCS}}_{\mathrm{ab}}}\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{NOLCS}}_{\mathrm{ab}}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\min \{{\mathrm{TQ}}_i^{{\mathrm{LCS}}_a},{\mathrm{TQ}}_i^{{\mathrm{LCS}}_b}\}}{\max \{{\mathrm{TQ}}_i^{{\mathrm{LCS}}_a},{\mathrm{TQ}}_i^{{\mathrm{LCS}}_b}\}}---\left(12\right)$

TQS_ab除了考虑功能相似性外，还增加考虑了操作时间(安装、装夹、加工等时间之和)、加工批量这两个在实际生产中对生产计划影响比较大的因素。式(11)中，分子为工序P_a,P_b中的最长公共子序列对应的时间批量乘积和TQLCS_a,TQLCS_b相加，分母除了考虑了最长公共子序列的时间批量乘积和，还增加了空闲机床的时间批量乘积和TQIM_ab，虽然需要绕过的机床必然是闲置机床，但是考虑到旁路机床给加工带来的影响比普通闲置机床的影响更大，所以分母中再增加一项旁路机床的时间批量乘积和TQBPM_ab。TQS_ab的取值范围为：0≤TQS_ab≤1。

四、分层聚类算法

分层聚类算法中最常用的包括最短距离聚类算法(SLC，single linkageclustering，McAuley在1972年首次提出)、平均距离聚类算法(ALC，average linkageclustering，Seifoddini和Wolf在1986年第一次提出)、最长距离聚类算法(CLC，completelinkage clustering，Mosier等人在1989年首次提出)。目前最常用的是平均距离聚类方法，具体如式(13)所示。

${\mathrm{AS}}_{\mathrm{tv}}=\frac{1}{N_t\×N_v}\underset{m\∈t}{\mathrm{\Σ}}\underset{n\∈v}{\mathrm{\Σ}}{S}_{\mathrm{mn}}---\left(13\right)$

其中，N_t,N_v分别表示分组t和分组v的机床数量；S表示相似性矩阵；S_mn表示相似性矩阵中的值。

下面采用一个算例说明具体的计算过程：

输入：

功能序列：A＝{1 4 8 9}B＝{1 4 7 9}C＝{6}

批量序列：Q_a＝{1 1 1 1}Q_b＝{1 1 1 1}Q_c＝{1}

时间序列：T_a＝{1 1 1 1}T_b＝{1 1 1 1}T_c＝{1}

综合序列：TQ_a＝{1 1 1 1}TQ_b＝{1 1 1 1}TQ_c＝{1}

根据本发明的相似性系数算法可以求得S_AB＝0.6，S_AC＝S_BC＝0，也可以在MATLAB上实现相似性系数矩阵的求解。

根据分层聚类算法，由于工艺路线A/B的相似性系数为0.6，是相似性系数矩阵里的最大值，所以将工艺路线A/B合并，即零件A/B划分为同一个零件族，零件C单独构成一个零件族。

Claims (4)

1.一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据订单获得未分组零件的工艺路线和批量信息，即获得功能序列P_a/P_b和加工批量序列Q_a/Q_b；

步骤二、根据企业实际生产条件，分析利用现有机床加工订单中零件需要的时间，即工艺路线上每一台机床的加工时间，获得加工时间序列T_a/T_b；

步骤三、通过加工批量序列和加工时间序列的各个元素相乘，构成一个时间、批量综合序列TQ_a/TQ_b；

步骤四、根据功能序列采用动态规划法求解最长公共子序列LCS，以及对应的综合序列子序列TQ^LCSa/TQ^LCSb；

步骤五、求解最短混合工艺路线SCS，以及对应综合混合序列TQSCS_ab；

步骤六、分析利用SCS加工订单零件时产生的闲置机床和需要绕过的闲置机床情况，进行相关计算；

步骤七、求解修正系数λ，并求解两个工艺路线的相似系数TQS_ab，通过两两相互比较，得出最终的相似矩阵S；

步骤八、采用分层聚类算法构建出最终的零件族。

2.如权利要求1所述的一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法，其特征在于，其中相似系数TQS_ab还增加考虑操作时间，即安装、装夹、加工时间之和，以及加工批量这两个因素。

3.如权利要求1或2所述的一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法，其特征在于，其中TQS_ab的取值范围为：0≤TQS_ab≤1。

4.如权利要求1或2所述的一种考虑综合生产因素的可重构制造系统零件族的构建方法，其特征在于，其中分层聚类算法采用平均距离聚类法。