基于行程單元的計算機輔助工藝行程設計與管理

□ 楊志剛 □ 蔡 權 □ 孫 麗

大連交通大學 機械工程學院 遼寧大連 116028

工藝行程（Routings）又稱工藝路線，是描述物料加工、零部件裝配的操作順序以及位置的技術文件。工藝行程宏觀地描述產品或物料的制造過程，是進行生產作業計劃和管理的重要依據。工藝行程不詳細說明加工技術條件和操作要求，主要說明加工裝配過程中的工序順序和經過的工作中心等計劃信息。因此，工藝行程是一種計劃管理文件而不是加工工藝文件，貫穿產品從準備生產到完成生產的整個生命周期［1］。科學的工藝行程管理，對企業在實際生產過程中保證產品質量、保障企業生產資源的合理利用、提高生產管理水平和勞動生產率、促進企業實現效益最大化發揮著重要的作用。

在制造企業中，一般由工藝部門根據產品設計BOM（Engineering BOM,EBOM）［2］進行工藝行程設計，并分發到生產計劃部門和產品制造涉及的工作中心。設計過程包括設計、校對、審批，當生產資源發生變化、產品設計發生變更時，需要對工藝行程進行變更。因此，應用計算機輔助工藝行程的設計與管理包括兩個方面的內容：其一，技術層面的輔助設計；其二，管理層面的設計過程管理、變更管理、文件分發與歸檔等文件管理。

同任何活動的管理一樣，工藝行程的設計與管理需要劃分出工作單元，以便于合理地分配資源，更好地管理和控制。工藝行程設計與管理工作單元可以有三種劃分方式：①將完整產品作為工作單元；②將產品的每個零件作為工作單元；③將部件或具有裝配關系的一組零件（即零件集）作為工作單元。顯然，針對包含成千上萬個零部件的大型復雜產品，第一、二種方式的劃分要么過粗，要么過細，不僅制約工作效率，延長生產準備周期，而且不利于并行工程（Concurrent Engineering,CE）的開展，與企業實際的工作方式也不相符。事實上，第一、二種方式是第三種方式的特例，按第三種方式定義工作單元不僅具有普適性，而且可以根據實際需求靈活地組織工藝行程設計與管理活動。鑒于此，本文提出行程單元概念，以此為基礎，提出基于行程單元的計算機輔助工藝行程設計與管理方法。

1 行程單元定義與信息模型

定義 1：行程單元 （Routing Unit）。

行程單元定義為一個三元組 （U，C，A）。U為單元的屬性集，包括單元標識、名稱、版本、定義者、創建日期、更新日期等，其中，版本屬性用于支持單元的變更管理。C為產品設計子BOM，是具有裝配關系的零部件集合，對圖1示例的產品BOM，可定義m部件的零件集合為三元組的C元，C表示 為 C=｛m，a，b，c，c1，c2，d，d1，d2｝。 A 為活動集，描述該單元所涉及的設計與管理活動承擔者、活動狀態與反饋信息，A=｛m，s，i｝，其中，m 為活動承擔者，s為活動狀態集｛未送校、送校、退校、送審、退審、送批、退批｝，i表示反饋信息，描述活動處于退回狀態時退回的反饋意見。

行程單元定義描述了行程設計或管理活動單元的活動內容、活動對象、活動范圍、活動資源配置和活動狀態。

定義 2：行程單 （Routing Order）。

行程單是針對某行程單元設計的工藝行程文件，包含行程單元中每個零部件的工藝行程及文件簽署信息。行程單與行程單元對應，是行程單元行程設計與管理活動流程的信息載體，它描述了行程設計或管理活動的輸出。

根據前述的定義，行程單元與行程單的E-R（實體-關系）［3］模型如圖2中的虛線框內所示。

▲圖1 產品BOM結構示例

2 基于行程單元的工藝行程設計與管理流程

如圖3所示，基于行程單元的工藝行程設計與管理流程，以行程單元為工作單元進行工藝行程的設計與管理。首先根據設計BOM選擇某個部件或零件集定義行程單元，指派給設計師進行行程設計，之后進行校對、審核、審批。活動由行程單元定義、設計、校對、審核和審批角色執行，每個角色可由不同數量的人員承擔。流程中退回過程采用逐級回退方式，即審批退回到審核，審核退回到校對，校對退回到設計。

3 基于行程單元的行程設計任務分派方法

前述流程中，涉及到行程設計、校對、審核、審批活動，活動任務由具有特定角色的某個人員執行。由于同一角色往往有多個人員，在應用計算機輔助行程設計與管理活動中，需要用一種分配方法分配給特定角色的操作用戶執行。針對某一活動，可以采用指派或搶選法［4］。一般行程設計需要工藝人員專門的設計知識、能力與經驗。行程的校對是按照校對標準對工藝師設計的工藝行程在格式、文字、標準、符號慣例以及內容完整性等方面進行查對，主要是查對是否有遺漏、是否符合標準和規范。審核、審批往往由資深的工藝師或部門領導負責。根據指派與搶選法的特點，行程設計任務的分派適合采用指派法，校對、審核、審批則采用搶選法比較適宜。因此，綜合應用指派、搶選方法進行設計任務分派，適宜于大多數企業的組織結構和人員配置。方法思想是：行程單元定義者定義完成行程單元后，在設計師角色人員名單中選擇指派設計任務。設計師完成設計后的校對、審核、審批活動，不指派特定人員，由相應角色的人員搶選任務，完成活動任務。

方法的實現基于圖2中的“活動”信息實體，指派法的實現比較簡單，只要在設計師角色人員列表中選擇某個設計師，置設計者ID（編號）即可。搶選法以“活動”表作為任務池［4］，由校對、審核、審批人員從任務池中搶選任務進行相應的操作。為避免搶選沖突，采用文獻［4］中提出的搶選規則進行約束。對于退校、退審、退批形成的二次活動任務，采取誰做誰承擔的方式，即原始是誰執行的任務，退回到由誰再次完成。

▲圖2 行程單元與行程單信息模型

▲圖3 基于行程單元的工藝行程設計與管理流程

4 基于行程單元的計算機輔助工藝行程設計與管理系統實現

某大型機車生產制造企業主要制造大型內燃機車和貨運電力機車，工藝部負責工藝行程的設計與管理，過去設計完成的工藝行程為紙質文件，設計完成后下發到各單位執行，當設計發生變更或生產作業計劃有變更需求時，工藝部組織對原工藝行程進行變更，以變更通知單發放到使用單位執行變更。針對該企業工藝行程設計、管理與使用中的諸多問題［5］,采用了面向企業內部網（Intranet）的網上設計、管理、發放工藝行程的解決方案，方案以行程單元為活動管理單元，設計實現了一個Web計算機輔助工藝行程設計與管理系統。系統采用B/S結構，TOMCAT為中間件，使用Oracle數據庫存儲與管理數據，以J2EE技術進行開發。系統功能結構如圖4所示。

4.1 用戶、角色與組織管理

網上工藝行程設計與管理模式涉及兩類用戶，一類是工藝行程設計、管理用戶；一類是使用工藝行程的生產管理與制造部門用戶。設計管理類用戶負責設計、校對、審核、審批、發布工藝行程；工藝行程使用用戶通過網絡查詢下載發布的工藝行程。系統設計將各類用戶分類為不同的角色，對每個角色賦予相應的權限。系統設置組織管理模塊，實現按層次結構維護企業的組織架構，通過用戶所屬的組織，管理工藝行程的發放。設置角色管理模塊，對角色及操作權限進行維護管理，設置用戶管理模塊維護管理登錄用戶，對登錄用戶通過所屬角色、所屬組織鑒權賦予功能使用權限和數據訪問權限。

4.2 BOM維護管理

▲圖4 計算機輔助工藝行程設計與管理系統功能結構

如圖3所示，行程單元定義的基礎是產品的設計BOM。根據前述行程單元的定義，行程單元的定義操作過程即是針對整個產品設計BOM，選擇確定某個子BOM作為行程單元，以約定特定的一次行程設計或管理活動的對象。因此，需要對產品設計BOM進行處理，映射成便于操作的對象。映射處理過程將CAD系統的裝配圖零件信息表構建成XML文件，并基于XML文件獲得產品 BOM信息［6］。 為采用樹形結構描述BOM項之間的裝配關系，設置是否葉節點屬性（見圖2，是葉節點，值為1，否則為0）用以描述BOM項是否為BOM樹的葉節點，設置父件BOM_ID屬性（見圖2，值為父節點的BOM_ID）用以描述BOM項所屬的父節點。根據這兩個字段，采用目錄樹構建方法［7］生成 BOM結構樹,如圖 5所示。基于BOM結構樹，瀏覽選擇BOM項，實現對BOM項數據的查詢、修改、刪除等維護操作。

4.3 行程單元定義的實現

產品結構樹圖形化描述了產品的構成和裝配關系。結構樹中有兩類BOM項，一類是含有子節點的部件，可含有多級子節點（子部件）和葉節點（零件）；一類是葉節點（零件），葉節點依存于部件節點。因此，行程單元定義可采用選擇部件節點的方式進行實現，實現步驟如下。

步驟1：選擇產品，列示所有部件節點（葉節點屬性值為0的BOM項）。

步驟2：在列表中選擇某部件，列示該部件的所有子部件及零件。

步驟3：勾選其中的BOM項作為零件集。步驟4：初始化行程單元頭及明細信息。

▲圖5 BOM結構樹

▲圖6 工藝行程設計頁面

步驟5：顯示設計師角色列表，分派設計任務。

步驟6：初始化“活動”表（見圖2）信息。

4.4 工藝行程設計與變更實現技術

應用單位的需求，零件的工藝行程采用代號字符串描述法。工藝行程中的工作中心和加工工序用代號表示，代號之間用“-”連接，形成一個表示零件加工工序和對應工作中心的字符串。例如，某零件需經過下料（代號：X）、熱處理（代號：R）、機械加工（代號:J），工作中心經過下料車間（代號：下）、熱處理車間（代號：熱）、機械加工車間（代號：機）。代號字符串為“下X-熱R-機 J”。

行程設計采用基于實例的生成方法。設實例庫，其實體模型如圖2所示，示例某企業的產品BOM中，零部件編碼作為零部件唯一標識，將其作為主鍵進行零件工藝行程實例的檢索和記錄。基于實例的行程單元工藝行程生成步驟與方法如下。

（1）根據登錄人員的ID,檢索“活動”表，列示所有行程單元。

（2）選擇行程單元，檢索列示行程單元所有零件信息。

（3）針對每一零件，以零部件編碼檢索實例庫，如實例存在，列示檢索的工藝行程，如實例不存在，工藝行程置為空。

（4）編輯修改單元每個零件的工藝行程，形成行程單。

（5）提交行程單進行校對、審核、審批。

（6）審批通過，針對行程單元的每個零件，更新工藝行程實例。

工藝行程設計界面如圖6所示。

工藝行程的變更有兩類，一類是單元零件集不變，即產品設計EBOM不變，單純變更工藝行程。這種情況往往由生產過程中工序順序調整或工作中心變更需求導致。另一類變更是單元零件集變更，即產品設計變更，有3種：①裁減去掉一個或多個零部件；②新增一個或多個零部件；③一個或多個零部件屬性（如材料、規格、數量等）變化。變更通過引入行程單元版本及行程單版本實現。

單純變更工藝行程的實現步驟與方法如下。

（1）選擇待變更的行程單元對應的行程單。

（2）初始化“活動”表，行程單版本加1，初始化行程單信息，設計任務分配給上個版本的設計人員。

（3）設計人員登錄系統，設計新版行程單，由于設計采用基于實例的方法，可檢索出上個版本的行程單進行編輯修改，形成新的設計。

行程單元零件集變更的實現步驟與方法如下。

（1）根據EBOM變更，更新系統中的BOM結構樹。

（2）選擇待變更的行程單元，更新單元零件集，置單元版本加1，初始化“活動”表（對應行程單版本缺省為0）、行程單頭、行程單明細和工藝行程設計師。

（3）設計人員登錄系統設計新版行程單元的行程單。

5 結束語

本文針對制造企業的工藝行程設計與管理，提出了基于行程單元組織設計與管理活動的思想，給出了行程單元與行程單的概念與模型，以此為基礎，提出了基于行程單元的計算機輔助工藝行程設計與管理流程，給出了設計任務的指派與搶選綜合分派方法。結合某企業的需求，開發實現了一個基于行程單元的計算機輔助工藝行程設計與管理系統，介紹了實現方法和技術。所開發的系統，基于企業內部網絡，實現了數字化的網上工藝行程設計與管理，取得了良好的應用效果，實際應用驗證了本文提出的理論和實現方法的可用性和可實施性。

［1］ 王秀倫.現代工藝管理技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］ 黃學文,范玉順.BOM多視圖和視圖之間映射模型的研究［J］.機械工程學報,2005,41（4）:97-102.

［3］ Jeffrey L Whitten,Lonnie D Bentley.Systems Analysis and Design Method［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［4］ 楊志剛，李兵華，鄧貴仕.基于Web的工藝設計任務分派與管理研究［J］.機械制造，2004，42（12）：59-61.

［5］ 郭凱江.基于BOM的工藝行程管理系統研究與應用［D］.大連：大連交通大學，2012.

［6］ 田祿俊，王仲奇，張慧娜，等.基于XML的BOM多視圖映射方法研究［J］.科學技術與工程，2006，6（7）：829-832.

［7］ 張玉芳,胡向前,熊忠陽.在JSP中使用遞歸算法生成目錄樹［J］.計算機工程與設計，2005（1）:44-46.