基于虛擬制造的生產輔助工具動態調度方法研究

陳德敏

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基于虛擬制造的生產輔助工具動態調度方法研究

陳德敏

（中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 400039）

以離散生產現場輔助工具動態調度方法為研究對象，在對生產輔助工具狀態建模的基礎上，提出了通過零部件加工過程的實時仿真來確定工具在生產現場的閑置時間，來制定輔助工具生產現場動態調度計劃的方法，使生產輔助工具在生產現場更加高效地為生產服務。并研究了生產現場輔助工具動態調度沖突解決方法，使制定的調度計劃更加具有可操作性。在此研究基礎之上，開發了數據結構和業務邏輯可配置的生產輔助工具動態管理系統，并在某離散制造企業進行了成功應用。

生產輔助工具；動態調度；虛擬制造；管理系統

隨著市場競爭的日益加劇，制造企業越來越重視生產模式的轉變，精益生產越來越受到人們的重視[1-3]。生產現場輔助工具管理是車間管理的重要組成部分，其在很大程度上決定了離散制造企業產品制造的能力和服務水平。

近年來，傳統的機械加工生產現場輔助工具按需領取的管理模式逐步被準時配送制管理模式替代[4-6]，其中一個重要的原因是生產輔助工具準時配送是企業實現精益化生產的重要體現，解決了傳統管理模式下工序準備時間較長的弊端[7-9]。但是從實踐的效果來看，輔助工具配送到生產現場后使用效率低、工序對輔助工具的無效占用時間較長問題較為突出。

生產現場輔助工具動態調度作為生產輔助工具準時配送制的有效補充，是提高生產現場輔助工具利用效率和解決工序對輔助工具無效占用的有效措施。實現生產輔助工具在現場動態調度的關鍵在于準確地確定工具在生產現場的閑置時間，并制定合理可行的動態調度計劃。

1 狀態信息確定

1.1 建模

生產輔助工具狀態建模是計算機輔助工具管理的基礎。生產輔助工具最主要的狀態可描述為在庫、在線加工、生產現場閑置。為方便工具在生產現場的動態管理，用集合S[]來表示生產輔助工具的狀態信息模型：

式中：為狀態信息編碼；為輔助工具的名稱；為工廠日歷天；為工具位置信息，＝0表示工具在庫，＝1表示工具在生產現場；1為開始某項任務時間；2為完成某項任務時間；Δ為工具在生產現場的閑置時間；為完成加工任務后，工具回收或調度，＝0表示工具將在完成加工任務后被回收，＝1表示工具將在完成加工任務后在生產現場動態調度。

一道工序或者一個配送計劃對應的一組生產輔助工具用矩陣表示為：

式中：S為第個工具的狀態集合。

1.2 狀態確定

制定生產輔助工具在現場動態調度計劃的核心在于準確確定工具在某時刻的狀態信息。有兩種方法可以確定。

（1）人工制定生產輔助工具的狀態信息

車間管理人員每天根據生產計劃和工藝信息開具派工單，工單中包含了加工零部件的名稱、物料、設備及輔助工具、數量、開工時間及完工時間等信息。人工遍歷這些工單，就可以統計某個輔助工具在工廠日歷的一個時段當中的加工任務、在線加工時間、生產現場閑置時間、在庫時間等信息，從而制定輔助工具的狀態信息。這種方式由于人工勞動強度大，不適宜于大范圍推廣。

（2）通過虛擬制造確定刀具的狀態

虛擬制造能應用計算機仿真技術，對零件的加工方法、工序順序、工裝和工藝參數的選用以及加工工藝性、裝配工藝性等均可建模仿真[10]，從而能夠優化制造過程，提高加工效率。

數控加工仿真功能集成了NC程序管理系統，能夠根據NC程序文件的換刀指令找到切削刀具ID，提取刀具的類型信息[11]，包括刀具名稱、幾何參數等。并能快速統計工具在某項加工任務中的加工時間，確定工具在生產現場閑置時間，預測刀具的剩余壽命，以此建立工具狀態信息。該方法自動化程度高，可單獨運行，為工具動態管理系統提供數據支撐，也可以集成在工具動態管理系統中。

2 動態調度計劃的制定

實現生產現場輔助工具動態調度的關鍵在于制定合理可行的調度計劃，生產現場輔助工具動態調度計劃制定流程如圖1所示。

（1）根據虛擬制造提供的數控加工仿真確定工具在工廠日歷的某個時段內在庫時間、在線加工時間、閑置時間等信息，并以天為單位進行工具信息建模。在該模型中，可根據工具ID以及時間查詢工具在某一時刻的狀態、剩余壽命等信息。

（2）遍歷某道工序所需要的工具，在某工序開始時刻狀態顯示該工具在庫，則將該工具添加到配送計劃中；如果狀態顯示在現場閑置中，則該工具可能處在上道工序完成后的閑置時間之內，此時可縮短上道工序的閑置時間，以滿足本道工序對該工具的需求；如果縮短閑置時間仍不能解決調度時間沖突，則根據確定的優先原則解決時間沖突問題。

圖1 動態調度計劃流程圖

（3）對價格較高、資源占用量大的工具，庫存有限，極易出現不同工序對同一工具的需求時間沖突。如果調度時間沖突，則首先考慮急件優先原則，急件往往對企業經濟效益以及聲譽影響較大；如果兩個產品的完成時間相同，則由人工根據資源消耗速度及經驗等選擇工具的調度順序。

（4）一般而言，生產現場輔助工具動態調度計劃的時間單位要與配送計劃保持一致，并對配送計劃中可以在現場進行動態調度的輔助工具加以說明，標明工具在前一個加工任務所對應的設備以及最遲完工時間等信息。

離散生產過程由于急件插入及其他工序生產延誤等原因出現生產計劃發生變更時，為提升復雜生產系統的運作效率，則動態調度計劃流程將根據修正后的工序開工時間重新調整，但之前的調度計劃將被保留。

3 系統實現

基于以上研究，為離散生產車間開發了一套生產輔助工具動態管理系統，其中包括刀具、工裝及檢具的管理，系統流程如圖2所示。

圖2 工具動態管理系統流程圖

車間管理人員根據主生產計劃和工藝信息，生成以工序為單位的工具需求計劃以及生產現場的輔助工具需求計劃，合并需求計劃生成以天為單位的配送計劃以及生產現場的動態調度計劃，并根據生產現場輔助工具的動態調度計劃對配送計劃進行優化，減少不必要的配送，并在配送計劃中對在現場調度的工具標示調度時間、上道工序相對應的設備信息等內容。

離散制造企業自身的數據結構和業務邏輯差異較大，業務流程隨企業的發展而變化，為增加生產輔助工具動態管理系統的柔性和可配置性，在業務功能層和數據庫之間增加了中間平臺層。系統結構如圖3所示。

中間平臺層的引入使對客戶差異化需求的快速響應成為可能。XML文檔用來存放中間平臺層對數據結構和業務邏輯的配置信息，提高了程序的可配置、可拓展性；XML數據以純文本格式進行存儲，提供了一種獨立于軟件和硬件的數據存儲方式，可通過各種不兼容的應用程序來讀取數據，使開發的生產輔助工具管理系統更加方便地與各種異構系統實現數據交互。

圖3 工具管理系統結構圖

該系統在某離散制造企業進行了應用，系統通過數控加工仿真來計算工具的閑置時間，形成以天為單位的生產現場工具動態調度計劃，并以此對工序關聯的輔助工具進行優化，生產輔助工具管理人員可查詢與工序關聯的工具配送和調度信息。系統基礎數據界面如圖4所示。

圖4 生產輔助工具動態管理系統

通過系統的應用，該離散制造車間徹底解決了傳統按需領取的工具管理模式效率低、庫存量大的弊端，同時由于工具在生產現場動態調度及時，極大地解決了工具在生產現場無效占用的問題，提高了工具使用效率，降低了單件加工準備時間。

4 結語

建立生產輔助工具狀態信息模型，通過虛擬制造的數控仿真功能確定輔助工具在生產現場的閑置時間，從而制定生產現場工具動態調度計劃。以動態調度計劃調整優化配送計劃，減少了不必要的配送，提高了生產輔助工具在生產現場的利用效率，進一步縮短了加工準備時間。同時研究了離散車間生產輔助工具動態管理實現方式，開發了數據結構和業務邏輯可重構的生產輔助工具動態管理系統，并在離散制造車間進行了應用。實踐表明，該系統很好地解決了工序對輔助工具無效占用時間長的問題，提高了工具的利用效率。

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Research on Dynamic Scheduling Method of Production Aids Based on Virtual Manufacturing

CHEN Demin

(Chongqing Research Institute, China Coal Technology & Engineering Group Corp, Chongqing 400039, China )

The dynamic scheduling method of auxiliary tool on discrete production site was taken as the research object. By the real-time simulation process the way of determining idle time of parts processing tools in the field of production was put forward, and the method of dynamic scheduling tool production plan was established, the distribution plan was adjusted through dynamic scheduling, by which the times and numbers of distribution was reduced. And the research on the dynamic dispatching conflict of the production site auxiliary tool is studied, which makes the dispatching plan more feasible. On the basis of this research, the overall design and information modeling of the production site auxiliary tool dynamic dispatching system was carried out, and the corresponding production assistant tool management system was developed.

production assistant tools；dynamic scheduling；virtual manufacturing；management system

TH166

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.002

1006－0316 (2018) 02－0006－04

2017－06－29

國家科技重大專項（2016ZX05045-004）

陳德敏（1983－），男，甘肅平涼人，碩士，助理研究員，主要研究方向為計算機集成制造及礦用安全設備。