一种可重构制造系统零件族构建方法
【专利摘要】本发明提供一种可重构制造系统零件族构建方法，包括以下步骤：步骤101、根据订单获得未分组零件的工艺路线获得加工功能序列Pi/Pj；步骤102、根据Pi/Pj求解最长公共子序列LCSij；步骤103、以LCSij为中心构建最短混合工艺路线SCSij；步骤104、利用SCSij加工订单零件时产生的闲置机床和绕过动作情况，计算产生的闲置机床总数量NOIMij和绕过动作总数量NOBPMij；步骤105、根据步骤104的分析结果求解两个工艺路线的相似系数Sij；步骤106、采用分层聚类算法构建出最终的零件族AStv，本发明方法提高了重构后的制造单元的机床利用率、生产率、成本效率。
【专利说明】一种可重构制造系统零件族构建方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及制造【技术领域】，尤其涉及一种可重构制造系统零件族构建方法。
【背景技术】
[0002]随着经济发展，制造业产业竞争加剧，客户需求更加刁钻和多样化，导致产品种类的不断增多、市场需求的大幅度波动，加上科学技术的不断革新，产品上市窗口越发缩小，现有的制造系统在缺陷逐渐显露，新型的制造系统研究逐渐成为了热点，追求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(ReconfigurableManufacturingSystem, 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。
[0003]可重构制造系统(RMS)是一个以零件族为中心，通过系统的重构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。如何根据市场的变化，快速、合理地构建可重构制造系统的零件族是本专利解决的问题。
[0004]对于零件族的研究，早期，研究人员采用矩阵表示法进行研究，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；之后，有学者提出相似性系数法来了弥补这些不足。另外，还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。
[0005]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:
[0006](I)只是分析工艺路线的加工功能，而没有考虑到机床的加工顺序。
[0007](2)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。
[0008](3)部分研究采用工艺路线的相异性来构建零件族，即从工艺路线相似性的反方向来间接分析工艺路线之间的关系，存在着不可预知的误差。
[0009](4)现有算法存在缺陷:算法过于冗长，不便理解，效率不高，具有不确定性。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能够提高了重构后的制造单元的机床利用率、生产率、成本效率的可重构制造系统零件族构建方法。
[0011]一种可重构制造系统零件族构建方法，包括以下步骤:
[0012]步骤101、根据订单获得未分组零件的工艺路线，通过两个工艺路线间逐一比较获得加工功能序列P1、Pj ；
[0013]步骤102、根据加工功能序列P1、P」求解最长公共子序列LCSij ；
[0014]步骤103、以最长公共子序列LCSij为中心构建最短混合工艺路线SCSij ；
[0015]步骤104、利用SCSij加工订单零件时产生的闲置机床和绕过动作产生的闲置机床数量，计算产生的闲置机床总数量NOIMij和绕过动作产生的闲置机床总数量NOBPMij ；
[0016]步骤105、根据步骤104的分析结果求解两个工艺路线的相似系数Su ；
v2* NOLCSii
[0017]Si1- 2 * NV/ CS + Ν()?Μ + N()13pM
1J1J1J
[0018]步骤106、通过两两相互比较，得出最终的相似矩阵S，采用分层聚类算法对求出的相似矩阵S进行聚类，从而构建出最终的零件族AStv
[0019]AS =TT-ΓτΣΣ5-。
t x iVv met n^v
[0020]进一步地，如上所述的可重构制造系统零件族构建方法，所述闲置机床总数量NOIMij由公式(I)计算所得，
[0021]NOIMij = NOIMi+NOIMj(I)
[0022]其中，NOMij表示利用最短混合工艺路线加工工件i和工件j时，产生的闲置机床总数AOMi表示利用最短混合工艺路线加工工件i时，产生的闲置机床数量，如式(2)所示；Ν(ΠΜ」表示利用最短混合工艺路线SCSij加工工件j时，产生的闲置机床数量，如式(3)所示；
[0023]NOIMi = NOPj-NOLCSij(2)
[0024]NOIMj = NOP1-NOLCSij(3)
[0025]其中，NOPj表示工艺路线Pj的长度，NOLCSij表示工艺路线Pi, Pj的最长公共子序列长度，NOPi表示工艺路线Pi的长度；
[0026]上述绕过动作产生的闲置机床总数量由公式(4)计算所得
[0027]NOBPMij = NOBPMi+NOBPMj (4)
[0028]其中，NOBPMij表示利用最短混合工艺路线加工工件i和工件j时需要绕过的闲置机床总数AOBPMi表示利用最短混合工艺路线加工工件i时需要绕过的闲置机床数量，如式(5)所示；Ν0ΒΡΜ]表示利用最短混合工艺路线加工工件j时需要绕过的闲置机床数量，如式(6)所示；
[0029]NOBPMi = NOBLi+NO I Li+NOALi (5)
[0030]NOBPMj = NOBLj+NOILj+NOALj (6)
[0031]其中，NOBLpNOILpNOALi分别表示利用SCSij中加工工件i时，在LCSij之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量，NOBLpNOILpNOALj分别表示利用SCSij中加工工件j时，在LCSij之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量。
[0032]进一步地，如上所述的可重构制造系统零件族构建方法，所述相似系数Sij的取值范围是[O, I] ο
[0033]有益效果
[0034](I)针对RMS零件族构建，提出了基于工艺路线相似性的可重构制造系统零件族构建方法，除了考虑加工功能外，还考虑了加工顺序(最长公共子序列、最短混合工艺路线)，从而提高了重构后的制造单元的机床利用率、生产率、成本效率。
[0035](2)以最长公共子序列、最短混合工艺路线为基础，分析机床闲置和绕过动作情况，提高了基于工艺路线的相似性系数的准确性。
[0036](3)采用分层聚类算法对相似性矩阵进行聚类，构建零件族。分层聚类算法的准则是属于同一类的个体间距离尽可能小，即越相似的个体越可能归为同一类，这正好与相似性系数契合。分层聚类算法不需要输入额外的参数，减少了偶然因素的干扰，简单易用，使得聚类的结果更准确。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1为本发明可重构制造系统零件族构建方法流程图；
[0038]图2为实施例1分层聚类图。
【具体实施方式】
[0039]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]基于工艺路线相似性系数的可重构制造系统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，研究人员的注意了主要放在工艺路线功能相似性上，也就是说具有相同的机床就是相似的。近年来，研究人员开始关注工艺路线的工序顺序，也就算说工艺路线间是否存在公共子序列，并以最长公共子序列(Longest Common Subsequence,以下简称:LCS)为核心来研究工艺路线。另外，考虑到利用零件族构建制造单元需要合并工艺路线，即最短混合工艺路线(theShortest Composite Supersequence,以下简称:SCS),会产生闲置机床和绕过动作，从而可以分析闲置机床和绕过动作对工艺路线的相似性产生的影响。
[0041]最长公共子序列
[0042]最长公共子序列LCS其定义是，一个序列S，如果分别是两个或多个已知序列的子序列，且是所有符合此条件序列中最长的，则S称为已知序列的最长公共子序列。
[0043]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Pi= {a d c b}、Pj = {f d e c h b}, {d b}是序列Pi和序列的一个公共子序列，但不是最长公共子序列，最长公共子序列为{deb}。
[0044]最短混合工艺路线
[0045]采用混合工艺路线生产零件族内的零件会产生闲置机床和绕过动作，所谓混合工艺路线是以LCS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，但是对于分析闲置机床和绕过动作没有本质的影响。
[0046]闲置机床和绕过动作的分析
[0047]以最长公共子序列LCSij为中心，通过添加工艺路线Pi, Pj中非公共机床(工艺路线Pi, Pj剔除LCSu后，剩下的机床)来构造最短混合工艺路线(SCSu)。由于工艺路线Pi, Pj中非公共元素互为闲置机床，也就是说加工工件i时，工件j的工艺路线&中的非公共机床必然闲置；同理，加工工件j时，工件i的工艺路线Pi的非公共机床必然闲置。但是，工艺路线Pi, Pj之间的最长公共子序列前后非公共机床的不同添加情况会影响需要绕过的机床数量(需要绕过的机床必然闲置，但是闲置机床不一定需要绕过)，考虑到最短混合工序的构造目的是绕过动作最少，所以在最长公共子序列之前添加非公共机床时，工艺路线Pi, Pj中非公共机床多的添加在最前面，同样地，在最长公共子序列之后添加非公共机床时，工艺路线Pi, P」中非公共机床多的添加在最后面；另外，由于在最长公共子序列中间添加非公共机床时对最终目的没有影响(中间的非公共机床必然会导致绕过动作)，且不同的添加情况对工艺路线相似性系数Su的计算不会造成影响，所以这部分的添加具有任意性。
[0048]利用构造的最短混合工艺路线SCSij加工工件i和工件j时，产生的闲置机床总数量由公式⑴所示
[0049]NOIMij = NOIMi+NOIMj(I)
[0050]其中，NOIMij表示利用最短混合工艺路线SCSij加工工件i和工件j时，产生的闲置机床总数AOMi表示利用最短混合工艺路线SCSij加工工件i时，产生的闲置机床数量，如式(2)所示；Ν0η^_表示利用最短混合工艺路线(SCSu)加工工件j时，产生的闲置机床数量如式(3)所示；
[0051]NOIMi = NOPj-NOLCSij (2)
[0052]NOIMj = NOP1-NOLCSij (3)
[0053]其中，NOPj表示工艺路线Pj的长度(加工工件j所需要的机床数量)，NOLCSij表示工艺路线Pi, Pj的最长公共子序列长度(即包含的机床数量)，NOPi表示工艺路线Pi的长度(即加工工件i所需要的机床数量)。
[0054]利用构造的最短混合工艺路线SCSu进行工件i和工件j的加工时，绕过动作产生的闲置机床总数量由公式(4)所示
[0055]NOBPMij = NOBPMi+NOBPMj(4)
[0056]其中，NOBPMij表示利用最短混合工艺路线SCSu加工工件i和工件j时需要绕过的闲置机床总数AOBPMi表示利用最短混合工艺路线SCSij加工工件i时需要绕过的闲置机床数量，如式(5)所示；Ν0ΒΡΜ]表示利用最短混合工艺路线加工工件j时需要绕过的闲置机床数量，如式(6)所示。
[0057]NOBPMi = NOBLi+NO I Li+NOALi (5)
[0058]NOBPMj = NOBLj+NOILj+NOALj (6)
[0059]其中，NOBLpNOILpNOALi分别表示利用SCSij中加工工件i时，在LCSij之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量，NOBLpNOILpNOALj分别表示利用SCSij中加工工件j时，在LCSij之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量。
[0060]工件i和工件j的工艺路线(Pi, Pj)的相似性系数如式(7)所示
2* NOLCSii
[0061]Sij =-:--(7)
J 2 * NOLCSij + NOIMjj + NOBPMijK J
[0062]由于工艺路线Pi, Pj都包含一个最长公共子序列(LCSij)，所以式中分子是两倍的最长公共子序列长度(NOLCSu),分母本质上是最短混合工艺路线(SCSu)机床数量(即2*Ν0ΙΧ5μ+Ν0Π^)，考虑到部分闲置机床会导致绕过动作，即需要绕过的机床，所以分母中增加了一项绕过的闲置机床数量(NOBPMij)。由于NOLCSij彡O7NOIMij彡O7NOBPMij彡0，且当最长公共子序列等于O时，要将两个工艺路线合并，必然会产生闲置机床(不一定会产生绕过动作)，也就是说，此时NOIMij > O7Sij = O ;另外，当两个工艺路线完全相同时，最长公共子序列即为工艺路线本身，此时NOMij = O7NOBPMij = O7Sij = I。综上，相似系数的取值范围是[0，1]，即O彡Sij ( I。
[0063]分层聚类算法
[0064]采用常用的分层聚类算法——平均距离聚类方法进行零件族的聚类，具体如式
(13)所示。
[0065]AS = Ar Iat ΣΣ?"(7)
Χ 丄N V mQt nev
[0066]其中，Nt, Nv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?表示相似性矩阵中的值。
[0067]实施例:
[0068]采用一个算例说明具体的计算过程。
[0069]输入:
[0070]功能序列:A= {I 4 8 9}B = {I 4 7 9}C = {6}
[0071]计算:
[0072]①由于序列A与序列C、序列B与序列C之间都没有公共元素，所以它们的最长公共子序列长度为0，即NOLCSac = NOLCSbc = 0，根据式(7)可以求得Sac = Sbc = O。
[0073]②序列A与序列B的长度NOPi = NOPj = 4，序列A与序列B的最长公共子序列LCSab = {I 4 9}，即NOLCSac = 3，序列A与序列B的最短混合工艺路线SCSab ={14789}，根据式⑵、(3)可以求出NOMa = NOIMb = 4-3 = 1，从而由式⑴得出利用最短混合工艺路线(SCSab)加工工件A和工件B时，产生的闲置机床总数量NOMab = 1+1 = 2。利用最短混合工艺路线(SCSab)加工工件A和工件B时，由于没有位于LCSab之前和之后的机床，所以在LCSab之前和之后需要绕过的机床数量为0，即NOBLa = NOBLb = NOALa = NOALb =O ;另外，利用SCSab生产工件A时，需要绕过位于LCSab中间的机床{7}，即NOILa = 1，利用SCSab生产工件B时，需要绕过位于LCSab中间的机床{8}，即NOILb = 1，根据式(5)、(6)可以求出NOBPMa = NOBPMb = 0+1+0 = I,从而根据式⑷求出NOBPMab = 1+1 = 2。最后，根据式(7)求出工件A和工件B的相似性系数= _ 2X^ =0-6 ο
2xJ+2+2
[0074]综上，根据本发明的相似性系数算法求出工件A、工件B和工件C之间的相似性系数 Sab = 0.6，Sac = Sbc = O。
[0075]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，用(A，B)表示，同时删除原相似系数矩阵中工艺路线B所对应的行和列，并将工艺路线A的行和列名称替换为(A, B)，这样就构建了一个新的相似性系数矩阵，完成了一个层次的聚类，即零件A和B构成一个零件族，零件C单独构成一个零件族。聚类过程的矩阵操作如图2所示。
[0076]本发明提供的考虑闲置机床和绕过动作的可重构制造系统零件族构建方法的意乂:
[0077](I)可重构制造系统(RMS)可以对市场的突变做出快速的响应:根据市场多样的生产需求，快速构建零件族，通过软硬件设施的快速调整，迅速重新构建出能够满足市场需求的生产功能和生产能力。零件族的构建作为重构的核心步骤之一，也是重构过程的开端，快速、合理地完成可重构制造系统零件族的构建具有重大意义。
[0078](2)可重构制造系统(RMS)零件族的构建是否合理将会影响重构后的制造单元的机床利用率、生产率、成本效率，所以在构建零件族时需要尽可能的考虑影响零件族划分的生产因素，包括加工功能、加工顺序、闲置机床、绕过动作。加工顺序不同会使得物料搬运过程变得复杂，闲置机床会造成产能过剩，绕过动作会增加物料搬运的时间，因此在利用相似性系数法构建可重构制造系统的零件族时，在考虑加工功能的基础上，充分考虑加工顺序、闲置机床、绕过动作等因素对于构建出合理的可重构制造系统零件族具有重大意义。
[0079]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种可重构制造系统零件族构建方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤101、根据订单获得未分组零件的工艺路线，通过两个工艺路线间逐一比较获得加工功能序列P1、Pj ; 步骤102、根据加工功能序列求解最长公共子序列LCSij ； 步骤103、以最长公共子序列LCSij为中心构建最短混合工艺路线SCSij ； 步骤104、利用SCSij加工订单零件时产生的闲置机床和绕过动作产生的闲置机床数量，计算产生的闲置机床总数量NOMij和绕过动作产生的闲置机床总数量NOBPMij ； 步骤105、根据步骤104的分析结果求解两个工艺路线的相似系数Sij ；
2 * NOLCS..S =_'I_
'v 2 * NOLCS..+ NOIM..+ NOBPM..yVy 步骤106、通过两两相互比较，得出最终的相似矩阵S，采用分层聚类算法对求出的相似矩阵S进行聚类，从而构建出最终的零件族AStv AS =^γΣΣ^π 。
2.根据权利要求1所述的可重构制造系统零件族构建方法，其特征在于，所述闲置机床总数量NOIMij由公式(I)计算所得， NOIMij = NOIMi+NOIMj(I) 其中，NOMij表示利用最短混合工艺路线加工工件i和工件j时，产生的闲置机床总数AOMi表示利用最短混合工艺路线加工工件i时，产生的闲置机床数量，如式(2)所示；NOIMj表示利用最短混合工艺路线SCSij加工工件j时，产生的闲置机床数量，如式(3)所示； NOIMi = NOPj-NOLCSij(2) NOIMj = NOP1-NOLCSij(3) 其中，NOPj表示工艺路线P」的长度，NOLCSij表示工艺路线Pi, Pj的最长公共子序列长度，NOPi表示工艺路线Pi的长度； 上述绕过动作产生的闲置机床总数量由公式(4)计算所得 NOBPMij = NOBPMi+NOBPMj(4) 其中，NOBPMu表示利用最短混合工艺路线加工工件i和工件j时需要绕过的闲置机床总数示利用最短混合工艺路线加工工件i时需要绕过的闲置机床数量，如式(5)所示；Ν0ΒΡΜ]表示利用最短混合工艺路线加工工件j时需要绕过的闲置机床数量，如式(6)所示； NOBPMi = NOBLj+NOILi+NOALi(5) NOBPMj = NOBLj+NOILj+NOALj(6) 其中，NOBLi, NOILi, NOALi分别表示利用SCSu中加工工件i时，在LCSu之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量，NOBLj, NOILj, NOALj分别表示利用SCSij中加工工件j时，在LCSij之前、中间、之后需要绕过的闲置机床数量。
3.根据权利要求1所述的可重构制造系统零件族构建方法，其特征在于，所述相似系数Su的取值范围是[0，1]。
【文档编号】G05B19/18GK104317244SQ201410510632
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】王国新, 黄思翰, 阎艳, 杜景军 申请人:北京理工大学