与车间资源匹配最优的工艺规划选择

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工艺规划确定产品加工方法、加工顺序 、工艺参数以及产品制造所需 的制造资源 、制造时问等，是连接产 品设计 与制造 的桥梁。在实际的产品加工 中，存在多个技术可行的工艺规划方案 。工艺规划方 案的选择对于企业合理利用制造资源，保证产品质量和降低生产成本起着关键的作用。

文献结合零件典型特征，采用遗传算法建立了-个统- 的工艺方案优化模 型，对多个工艺方 案进行评 价。Saygin等 从工艺规划与 FMS(FlexibleManufacture System)集成 的角度建立 了非线性工 艺规划模型，来选择最优 的工艺路线 。文献 提出多代理系统的框架，首先确定可行的丁艺路线，然后通过估算加工资源来生成最终 的工艺路线 。文献 介绍了以模拟退火法为基础的工艺规划方法，以适应实际生产调 度需要。上述研究 中，有 的学者侧重依据零件典型加工特征对工艺方 案进行 优化 ，有 的文献基于生产调度或制造资源对多个工艺方案进行选择 ，但未在工艺路线 的评价 中将加 工特征信 息与制造资源信息有机结合起来。在制造资源的描述与建模等方面，有的文献也进行了-些有益探索 ，但没有对模糊决策机制以及多种约束的融合模型等方面内容进行明确阐述。

本文将零件典型加工特征与车间资源的实时信息结合起来 ，依据零 件的加工 特征对重要的工序 内容安排多个可能的加工方法 ，制订 出多个候选 的工艺路线 ，并根据车间制造资源的实时信息 ，依据贝叶斯网络的信息融合及模糊推断算法对候选工艺方案进行综合评价 ，得到 与车间实时资源匹配最 优的工艺路线。

1 工艺规划生成过程在车间资源约束下的工艺规划生成过程按照并行工程的思想 ，在依据加 工特征拟 定工艺规划时就考虑工艺规划在车间 的执行 问题 ，把工艺规划 与车收稿 日期 ：2012-08-27；修回 日期 ：2012-10-07基金项 目：福州大学科研启 动基金 (0460-022329)作者简介：涂俊翔(1971-)，男，江西上高人，福州大学机械及自动化学院讲师，工学博士，主要研究方向为企业信息化技术，(E～mail)ixtu### yahoo.en· 126· 组合机床与自动化加工技术 第 4期间资源的调度计划看成是并行的，并利用当前车间可用设备 的资源与加工方法 的匹配程度来选择最优工艺路线 ，提高工艺方案的可行性 。

零件工艺规划过程如图 1所示，首先提取零件加工特征信息 ，例如加工面的形状 特征及相关技术要求 ，结合生产类型、毛坯种类及材料等信息进行工艺分析，分析多种可能的加工方法 ，草拟出多个候选工艺计划方案 ；接着从 车间调度计划中提取 相关设备资源的实时信 息，包 括设备 的 占用情况 和可用设备的类型及规格等 ，利用上述 信息对候选 工艺方案中各种加工方法进行评价 ；最 后根据评价结 果生成最终的工艺计划。

图 1 零件工艺规划生成 过程2 工艺规划的评价模型为获取最佳的工艺路线方案，则需根据描述零件加工特征和车间制造资源等各层次类别信息，对多个技术可行的工艺路线进行综合评定，而每个信息类别包含有不 同的影 响因素 ，而各影 响因素及其耦合性方面存在模糊性 ，因此在草拟工艺计划后 ，依据零件加工特征信息和加工设备的实时信息，建立相应关联描述模型并依据贝叶斯 网络模糊推理算法对各种可能的加工方法进行评价。

2.1 零件加工特征与加工设备的关联信息模型工艺规划与车间的实时资源状况密切相关 ，因此，有必要建立零件加工特征和车间资源状况的信息描述模型，分别对零件的加工特征和设备的加工能力进行描述。

零件加工信息模型用于描述零件 的生产类 型、毛坯信息、零件尺寸范围、加工特征、加工技术要求、拟采用的加工方法及 相应 的工时定额 等方 面的信息。其中，生产类型包括单件 小批 、中批、大批 大量三种情况 ；毛坯信息包括毛坯类型(铸件，锻件、冲压件、型材和焊件等)、材料及精度等级等属性信息；零件尺寸范围描述零件 的总体 尺寸；加工特征说明加工面的几何形状特征；加工技术要求描述加工面的尺寸精度、形状和位置精度以及粗糙度等要求；拟采用的加工方法及相应的工时定额指在加工规划中拟采用的加工方法，及采用特定加工方法加工该表面需花费的平均时间。

车间资源状况信息模型分多个层次进行描述，包括机床类型、设备规格 (如可加 工的零件类型 ，零件尺寸范围、精度范围等)、设备状态(包括正常、修理、报废几种情况 )及设备负荷状态(以某段时问内的设备已安排工序的工时与该设备满负荷工作时间的比值表达)等。

图 2描述 了在工艺规划时，零件加工特征 与车间设备信息的层次关联关系。设备类型的选择与零件的生产类 型、毛坯材料和加工面的几何形状特 征有关；设备规格与零件最大尺寸信息、材料类型、加工面的形状特征、加工精度及粗糙度等相关；拟采 用的加工方法与加工设备及其占用情况相关等。

图 2 零件加工特征信息与加 工设备信息的关联2.2 扩展的贝叶斯 网络在零件工艺规划中，同-个零件有多个加工面 ，同-加工面可有不同的加工方法，对加工设备的选择也有多种。由于零件的加工特征属性信息与候选加工方案、车 间加 工设备都 存在特定 关联关 系，因此 ，可基于加工特征属性信息对候延工方案和 车间加工设备信息进行 匹配，进而得到最佳工艺方案 。

对匹配程度进行评价包含有不确定性信息 ，考虑 采用贝叶斯网络方法进行相关的模糊推理。

贝叶斯网络是处理不确定信息的-种重要计算智能方法 ，它具备坚实 的数学基础 ，能方便地进行模糊推理 。贝叶斯网络是- 系列变量联合概率分布的图形表示 ，它包含两个部分。-部分是 由节点 、有向弧所组成 的有向无环图 (Directed Acyclic Graph，DAG)，网络中节点代表 随机变量 ，节点之间的连 接关系表征了变量间的条件独立语义；另-部分是节点和节点之 间的条件概率表 (Conditional ProbabilityTable，CPT)，它量化 了各 变量间 的相 互依赖关 系。

假设贝叶斯 网中任意节 点 的直接双亲节点集 为P 的条件概率为 P( I P )。对于顶点集合 X ( ， ，， )的联合 概率分布 可 由下式 计算 ：P( )II P( J P )。

本文在 Ribeiro-Neto和 Muntz 提出的贝叶斯网络模型基础上进行扩展，将加工特征属性信息作为贝叶斯网络的根节点，并利用这些起中介作用的根节点将候选工艺方案与车间加工设备信息进行实时匹配，它无需构建复杂的推理规则 ，能通过贝叶斯网络的模糊推理功能 ，得 到与车间实时能力相 匹配 的最优工艺方案。构建 的扩展 贝叶斯 网络模 型详见 图3。

上述贝叶斯网络模型分为4层 ：车间、加工设备、加工特征属性和候选工艺方案 ，相应包括 4类节点 ：车间节点 ，设备节点 E (1≤ ≤m)，根节点 A ∈ A -，A -， ，(1≤ ≤t)以及候选工艺方案-～--～---～臀2013年 4月 涂俊翔 ：与车间资源 匹配最优的工艺规划选择 ·127·节点 D (1≤ k≤ n)。根节点 为加工特征属性节点，如上节所述，它们与加工设备有关联关系。同时，由于加工特征属性是制订工艺方 案的主要依据 ，它们与候选工艺方案直接相关联。如果加 工特征属性A 是候选工艺方案 D 的影响因素 ，则 自节点 A 有-条边指 向工艺方案节点 D ；如果有多条边从根节点指向工艺方案节点 D ，则表示节点 D 将由多个加工特征属性共同决定。同理 ，加工特征属性根节点与加工设备节点之间的连接关系表征了加工特征属性与加工设备的关联关系。

U1车间1加工设备层1加工特征l属性层T候选工艺l 方案层图 3 零件加工特征信息与加工设备信息的关联2.3 最优工艺方案的选择算法确定符合车间实时资源 的最佳工艺方案的过程即是计算相对概率 P(D f )值的过程。设 u为所有其 中W 为加工特征属性 A 在 中的权重 ，当A e时，W 1，否则 W 0； 为加工特征属性4 对加工方案 D 的影响因子。

∑W WP(E.1 ) √妻 ×√塞 (4)其中伽 为加工特征属性A 在 u中的权重，当A e时，W 1，否则 W ：0；加 为加工特征属性 4 在加工设备 中的权重。

3 应用实例下面以加 工某箱体零件 (图 5)的 内圆通孔 为例 ，阐述工艺方案选择的贝叶斯 网络评价方法 。已知该箱体零件为大量生产 ，毛坯为铸件，要加工的内孔公称直径为 30ram，孔深为 20mm，加工精度等级为IT7级 ，Ra为 1.25 m，HRC<38，拟定 的三条候选工艺路线的主要工序为：扩孔 .粗铰 .精铰 ；粗镗 .半精镗 .磨孔 ；粗镗 -半精镗 -精镗 。车间的设备情况见表1，为简单起见 ，只列 出了与候选工艺路线相关 的加工设备信息 。

表 1 车 间相关设备 的状况信 息加工孔径范围 内圆最 表面粗糙度 负荷设 备名称 状 态 加 工方法 加 工特 征 大长度 精度 (mn1) Ra( m) 状态 (mm)摇臂钻床 Z3080×20A 正常 钻 削 、扩孔 、铰削 内圆表 面 最大孔径 80 400 精铰 7 ～9 精 铰 0.8-1.6 50%立式钻床 Z5150B 正常 钻削、扩孔、铰削 内圆表面 最大孔径50 250 精铰8～9 精铰1.6-3.2 0%镗铣床 TX6113D 正常 扩孔、铰削、镗削、铣削 内圆表面、平面 最大镗孔直径 350 600 精镗7～9 精镗 0.8-1.6 20%内圆磨床 M215A 正常 磨 削 内圆表 面 3～50 80 6 ～7 0.2-O.8 60%加工特征属性根节点 4 所组成的样本空间 的-个任意子集 ， u。由贝叶斯规则和全概率公式可知 ：P(D I )叩 P(D l)P(WI Ej)P(Ej l M)P(u) (1)其中 叩为规范化常数。P(D I )的值愈大 ，表示 D与车间实时制造能力的匹配程度愈高。反之亦然。

P(D l )值大于规定阈值的 D 被认为是车间实时资源能够支持的工艺方案，P(D l )值最大的工艺方案节点 D 则被认为是匹配车间实时制造资源的最佳方案。

为确定 P(u)的值 ，可假设样本空间 的各任意子集 u等 概率发 生 ，即 P(U) (1/2) 。条件 概率P( J E，)可由下式确定 ：P(W ，)：f if V Ej，Ej∈Wg(Ej)- (2)0 其它其中，函数 g(E )定义为：如果设备 状态正常，则g(E1)1，否则 g(Ej)0。条件概率 P(D l u)、P(Ej I )的计算依据矢量空间模型，如下：(3)为评判工 艺方案的优劣 ，采用 贝叶斯 网络 方法对上述三条工艺路线进行评价。具体如下 ：步骤- ：建立贝叶斯 网络中加工设备层 、加工特征属性层及候选工艺方案层 的随机变量节 点。候选工艺方案层的节点有 ：D1(扩孔 -粗铰 -精铰 )，D2(粗镗-半精镗.磨孔)，D3(粗镗.半精镗-精镗)；加工特征属性层的节点有 ：铸造型毛坯 、生产类型 (大量生产)、加工精度 (7级)、粗糙度等级 (1.25)、通孔 特征、孔深及孔 的直径 、精加工所需平均工时；加工设备层的节点有：Z3080 X 20A(摇臂钻床)、Z5150B(立式钻床)、TX6113D(镗铣床 )、M215A(内圆磨床 )。

步骤二：依据领域专家和工艺人员的经验 ，建立随机变量问的拓扑关 系并 确定权重 因子 ： 和利用公式 2、公式 3和公式 4计算得到节点间的条件概率关系。

步骤三：使用贝叶斯仿真软件MSBN建立相应模型(见图 4)，利用其 自带的推理功能可获得最佳工艺方案，免去繁琐的手工计算过程。通过计算产生的归- 化结果为：e(o.J Workshop)Q 165、P( J Workshop)：0.383、P(D，I Workshop)0.452。根据概率大小为工艺方案排序，得到车间的优先顺序为 ：工艺方案 D3>工艺方案D2>工艺方案 D1，则工艺方案 为最佳方案。