面向FMS生產調度和控制的零件動態工藝模型研究

筆者根據FMS生產調度的特點，在現有零件模型的基礎上提出零件的動態工藝模型。

1零件工藝模型的常用表達方法
通常的CAPP系統只能設計出靜態的或只具有部分柔性的理想化的工藝規程。
1.1固定加工順序的工藝文件方式
通常生產調度中使用的零件工藝文件格式為
零件名；
零件號；
工序1，機床名加工時間；
工序2，機床名加工時間；
……
工序n，機床名 加工時間；
END
該方法的優點是表達方式簡單明了，缺點是限制了加工的自由度及柔性，使得加工只能嚴格按給定的工藝順序進行，從而限制了柔性{TodayHot}加工系統最優指標的實現。該方法對單機加工或JOB—SHOP生產較合適。
1.2多工藝方案與/或圖的表示方法［1，2］
圖1為一個實例零件的與/或圖。用與/或圖 


圖1實例零件的加工順序與/或圖 

可以表示出零件加工順序的部分約束關系。通過對該圖按一定的啟發式搜索算法進行搜索可得到多個可行的加工工藝路線。
該方法在一定程度上增加了CAPP的柔性，并考慮到了靜態生產環境，但是沒有考慮實際的動態生產情況，因而還很難在FMS生產系統中應用。
1.3有向圖表示方法
有向圖可以表示零件的加工工藝順序。圖2為一實例。通過對有向圖的遍歷可得到多個工藝方案。 


圖2實例零件工序結構的有向圖表示 

該方法直觀地表達了零件加工工序及工序之間的約束關系，可用圖論的方法進行描述與變換，但對FMS可替代加工工序無法表達，須對多個加工工藝方案進行復雜的評價才有可能得到可行的加工方案。

2基于FMS的零件動態工藝模型
為了適應FMS生產柔性的特點，零件工藝描述必須既能反映零件的所有加工特征，又能反映出加工工序之間的約束關系，同時還能表示出加工工序的可替代性。所謂可替代加工工序是指某一工序可以由不同的機床加工完成，一旦確定好加工機床，則可完成該工序加工的其它候補工序即取消。
為了增加零件工藝表達的靈活性，減少人為的對工藝加工順{HotTag}序的約束，筆者以現有零件工藝模型為基礎，提出了一種更靈活的表示方法。
零件動態工藝模型仍用有向圖表示(見圖3)，圖中節點表示零件的一個加工工序或一系列的可替代加工工序，該工序與加工機床及對應的加工參數相聯系(如加工時間、刀具號、NC文件名等)；有向弧表示零件工序的加工順序約束關系。任何從頭節點(Head)到尾節點(End)的遍歷路徑都是一個有效的加工工藝路線。 


圖3實例零件的動態工藝模型 

假設該有向圖有n條遍歷路線(工藝方案)，第i道工序有ki種加工方案(即有ki-1個可替代加工工序)，共有m個節點(不計Head和End節點)，則零件可能有的加工方案數為。
常用的CAPP系統產生的工藝方案較大地限制了零件工藝表達的柔性。較好的情況是僅考慮了部分生產調度的靜態因素，而且一定要產生完整的和確定的加工工藝路線(一般要通過對多工藝方案進行評價后得到)，這使得CAPP系統過于復雜。這里提出的零件動態工藝模型卻是僅提供零件的工序、可替代工序及工序加工順序之間的約束關系，至于實際生產中具體選擇什么樣的加工順序、每道工序中選擇哪一個可替代工序則完全由實際生產中的資源狀態、零件本身的加工情況以及用戶的具體要求進行選擇，零件的具體加工工藝路線不需要事先確定，直到零件加工好后才知道，并且相同類型的零件可能有不同的工藝路線，零件的具體加工工藝是在實際加工中根據系統的狀態及加工性能指標動態重組而成。
這樣的零件描述相對傳統的Job-Shop生產而言似乎是不完備的，但卻為現代化的柔性生產提供了更大的調度空間。該方法不僅大大減少了CAPP的工作量及難度，顯著提高了實際生產調度控制中的靈活性，而且不會提高調度控制的難度，從而為FMS生產性能(如系統生產率、總加工時間、機床負荷平衡率等)的提高創造了條件。

3零件動態工藝模型的計算機表示方法及數據結構
3.1零件工藝參數描述
該部分描述了零件的所有工序參數，以文件形式表示，其結構為
零件名；
零件號；
工序1，工序11 工序12 … 工序1k1；
工序2，工序21 工序22 … 工序2k2；
……
工序n，工序n1 工序n2 … 工序nkn；
END
工序i表示第i道工序的信息節點；工序ij表示工序i的所有可完成該工序加工的工序節點序列。上述文件表示零件共有n道加工工序，其中工序1有k1種實現方法，工序2有k2種實現方法，……工序n有kn種實現方法。
工序信息節點及可替代工序節點的數據結構(C++語言表示)為
class ProcedureInfo∥工序信息節點類
｛ public：
ProcedureInfo():∥構造函數
ProcedureInfo(int,float,ProcedureInfo* AlternativeProcedureInfo=NULL)；
～ProcedureInfo();∥析構函數
int Machine_No;∥機床號
float Machining_Time;∥加工時間
ProcedureInfo* Alternative ProcedureInfo;∥替代工序的加工信息
｝；
class Procedure∥工序節點類
｛ public：
Procedure();∥構造函數
Procedure(int);∥構造函數
～Procedure();∥析構函數
int Procedure_No;∥工序號
ProcedureInfo*�砊hisProcedureInfo;∥當前工序
Procedure* NextProcedure;∥下一道工序
｝；
3.2工藝約束關系描述
零件工藝約束關系主要描述各加工工序之間的加工順序。因工序是有向圖中的節點，工序之間的約束關系即為節點之間的關系，可用圖論方法進行描述。
3.2.1用鄰接矩陣方法
以圖3為例來說明。
鄰接矩陣



因實際零件鄰接矩陣多為稀疏矩陣，也可用十字鏈表結構表示。
3.2.2用鄰接表方法
仍以圖3為例說明。其鄰接表(見圖4)為 


圖4實例零件的鄰接表形式 

鄰接表中每個方框表示零件的一道工序(即工序節點)，方框內的數字表示工序號。工序節點按工序號順序排放(第一列)，并用箭頭指向其相鄰的工序節點。相鄰的工序節點中節點號為正表示該節點為后續工序節點，為負表示該節點為前繼工序節點。鄰接表中工序節點的結構與類Procedure相似。

4基于零件動態工藝模型的調度控制方法的實現算法與特點
4.1實現算法
基于零件動態工藝模型的調度控制算法是在零件動態工藝模型的基礎上結合啟發式動態調度算法實現的，其過程為
Step 1：搜索零件鄰接表，把無前繼節點的工序節點加入可調度工序集合中。
Step 2：在可調度工序集合中動態選擇一工序。
Step 3：搜索出該工序節點的后續節點。
a.刪除這些后續工序節點中對應所選擇的加工工序的前繼工序節點；
b.在可調度工序集合中刪除所選擇的工序節點；
c.判斷這些后續工序節點是否有前繼節 點，把無前繼節點的工序節點加入可調度工序集合中。
Step 4：判斷可調度工序集合中的元素個數：
若為零，則該零件加工完成，轉Step 5；
否則轉Step 2。
Step 5：發出該零件加工完成指令。
4.2零件動態工藝模型的特點
(1)易于實現。在CAPP階段只根據零件工藝特征及生產系統資源產生實現這些特征的加工工序節點或可替代工序節點，以及工序之間的約束關系，而不需要直接產生確定的加工工藝方案以及對這些方案的評價；
(2)合理描述了零件的工藝過程，去掉了人為的不合理的加工順序約束，并增加了對FMS中經常存在的可替代加工工序的描述；
(3)充分考慮了FMS生產的特點，易于與生產調度控制系統集成；
(4)能充分發揮FMS生產調度的柔性，并且不會顯著增加調度控制的工作量與難度，為FMS的優化生產調度的實現奠定了基礎。 

參考文獻 

1Deng Chao.An Integrated System of CAPP and JOB-SHOP Scheduling.International Conference on Manufacturing Automation,HongKong,1997.
2Cai L G,Li P G,Duan Z C.An Applied Part Model Based on Form Feature Binary Tree for Integrated CAD/CAPP/CAM System of Rotational Componences.ICIM’95，Wuhan,1995.

趙天奇男，1965年生。華中理工大學(武漢市430074)機械科學與工程學院制造自動化研究所博士研究生、講師。研究方向為柔性制造系統建模、仿真、調度與控制，CAD/CAPP/CAM集成技術，智能制造系統等，發表論文10多篇。
鄧建春童國帆李培根段正澄武漢市430074華中理工大學 

*國家863高技術計劃資助項目(863—511—9608)
收稿日期：1997—05—20修回日期：1997—12—29 

  
The Research on Part Dynamic Process Model Based on the Scheduling and controlling for FMS
Zhao Tianqi(Huazhong University of Science & Technology, Wuhan,P.R. China)
Deng Jianchun, Tong Guofan, Li Peigen, Duan Zhengcheng 


Abstract: In thia paper adynamic process model of part is built based on the sceduling and controlling for FMS. It is composed of the processes(include the alternative processes)description and the constraint relationships among these processes.The model can celstraditional man-made constrains among processes, and can bring the flexibility to be integrated with production and sceduling system, so it provide a good method for optimal production and sceduling for FMS.
Keywords: FMS,sceduling, CAPP, dynamic process model