1 引言

    用戶需求的快速變化和多樣化使市場(chǎng)變得日益動(dòng)態(tài)化和復(fù)雜化，從而要求企業(yè)具有較強(qiáng)的應(yīng)變和快速反應(yīng)能力。然而，目前多品種小批量生產(chǎn)類型的制造企業(yè)，例如同時(shí)承擔(dān)研究、試制和批生產(chǎn)任務(wù)的航空航天科研院所轉(zhuǎn)化的企業(yè)，由于受到資金和人員等方面的制約，普遍存在著同一生產(chǎn)單位(如車間)同時(shí)承擔(dān)不同產(chǎn)品的批生產(chǎn)和試制任務(wù)，從而發(fā)生生產(chǎn)任務(wù)相互干涉的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃經(jīng)常難以按期完成。而且，由于產(chǎn)品品種多批量小，為了能夠適應(yīng)品種多變的要求，設(shè)備通常按照工藝專業(yè)化原則布置。

    這種生產(chǎn)類型雖然能夠比較靈活地適應(yīng)市場(chǎng)變化、較好地滿足產(chǎn)品多樣化的需求，但是，由于產(chǎn)品品種規(guī)格多、工藝離散程度高，零部件通常需要經(jīng)過多個(gè)生產(chǎn)小組才能完成全部加工任務(wù)，周轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，對(duì)加工過程的跟蹤、協(xié)調(diào)和控制比較復(fù)雜，而零部件的順序移動(dòng)方式也使在制品存貨增加，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，對(duì)用戶的要求反應(yīng)速度慢，難以適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)制造企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)快速反應(yīng)能力的要求。適合企業(yè)和行業(yè)情況的制造戰(zhàn)略是制造企業(yè)成功的關(guān)鍵，確定關(guān)鍵成功因素，做好各個(gè)競爭要素之間的權(quán)衡是制訂成功的制造戰(zhàn)略的前提條件。制造戰(zhàn)略的相關(guān)研究表明，時(shí)間要素越來越成為市場(chǎng)競爭的關(guān)鍵要素。

    為了提高多品種小批量制造企業(yè)的敏捷性，有些學(xué)者提出了在基于工藝專業(yè)化原則的設(shè)備布局方式下建立虛擬制造單元的思路和方法。在生產(chǎn)組織過程中，虛擬制造單元無需根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)路徑的要求對(duì)已經(jīng)布置在單元中的設(shè)備進(jìn)行重新布置，而是根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的加工要求以單元中的設(shè)備為“設(shè)備池”構(gòu)成臨時(shí)陛的虛擬制造單元。目前關(guān)于虛擬制造單元的構(gòu)建方法及系統(tǒng)運(yùn)營方面的研究尚不完善，主要存在的問題是對(duì)于產(chǎn)品在虛擬制造單元中的加工過程的跟蹤、協(xié)調(diào)以及控制的復(fù)雜度依然很高，而虛擬單元構(gòu)建速度較慢，缺乏敏捷性，難以實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)制造。為了克服這一問題，本文以多品種小批量制造企業(yè)為研究背景，提出將零件聚類和工藝聚類有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造一種全新整合的聚類方法，對(duì)零件加工流程進(jìn)行模塊化分析，形成制造系統(tǒng)流程模塊庫，以流程模塊為基礎(chǔ)構(gòu)建虛擬制造單元，通過優(yōu)化流程結(jié)構(gòu)和流程的裝配方式，優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、管理體系，使多品種小批量企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的可動(dòng)態(tài)裝配結(jié)構(gòu)，從而使其成為適應(yīng)復(fù)雜多變的市場(chǎng)環(huán)境的敏捷生產(chǎn)系統(tǒng)。這種方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在兩方面：一方面，相對(duì)于只利用零件聚類構(gòu)建虛擬制造單元的方法，本文通過標(biāo)準(zhǔn)模塊調(diào)用方法可以實(shí)現(xiàn)降低虛擬制造單元控制難度的目的，從而提高虛擬制造單元的構(gòu)建速度，最終提高制造系統(tǒng)的敏捷性；另一方面，相對(duì)于只使用工藝聚類構(gòu)建虛擬制造單元的方法，本文提出的方法能夠通過降低物流次數(shù)達(dá)到提高制造系統(tǒng)敏捷性的目的。

2 虛擬制造單元構(gòu)建方法及流程模塊化綜述

    虛擬制造單元是在一個(gè)既定的目標(biāo)下，為了完成某個(gè)特定的任務(wù)而聚集起來的制造資源虛擬集合：它的特點(diǎn)是制造資源的物理位置不變，但其生產(chǎn)組織和管理邏輯則在一定周期內(nèi)隨著加工任務(wù)的變化而改變。它實(shí)現(xiàn)了資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置，并對(duì)變化的任務(wù)做出及時(shí)的響應(yīng)。因此，與傳統(tǒng)的制造單元不同，虛擬制造單元不強(qiáng)調(diào)設(shè)備的物理位置，而是重視依據(jù)制造流程邏輯組織制造資源滿足生產(chǎn)任務(wù)的特點(diǎn)和需要，實(shí)現(xiàn)減少生產(chǎn)提前期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量與快速反應(yīng)制造的目的。

    構(gòu)造虛擬制造單元的目的是將工藝特征相似的工件以及加工制造這些工件的制造資源進(jìn)行聚合，形成不同虛擬制造單元，從而把單件、小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換為批量生產(chǎn)，在保持單件、小批量生產(chǎn)柔性的同時(shí)，獲取批量生產(chǎn)的效益。虛擬單元重構(gòu)主要進(jìn)行相似工件及選定設(shè)備資源分組形成的單元化生產(chǎn)，重構(gòu)的主要原則為：

    ①盡量減少單元間、單元內(nèi)的物流次數(shù)，及其物流距離；②單元數(shù)目不宜過大；③每個(gè)單元內(nèi)的全部制造資源的加工能力應(yīng)盡可能充分的利用。重構(gòu)不僅對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃和分解，而且對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化組合，形成虛擬制造單元，設(shè)備資源的物理位置不變，但其生產(chǎn)組織和管理邏輯在一定周期內(nèi)隨著加工任務(wù)的變化而改變。虛擬制造單元的重構(gòu)是一個(gè)多目標(biāo)、多約束的NP-hard問題。已知需要加工件類型、加工要求和選定的制造資源，其設(shè)計(jì)通常涵蓋以下內(nèi)容：④工件成組；②設(shè)備成單元；③單元間布局；④單元內(nèi)布局：⑤單元的加工任務(wù)調(diào)度；⑥制造資源的生產(chǎn)過程仿真。

    王愛民等利用零件聚類規(guī)劃方法，在企業(yè)制造資源和工藝環(huán)節(jié)映射關(guān)系的支持下，形成了面向產(chǎn)品族的基于制造單元的生產(chǎn)線布局規(guī)劃方法。為企業(yè)的大規(guī)模定制生產(chǎn)模式下生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃提供了可行的思路。但并未考慮到利用該方法構(gòu)造的虛擬制造單元是否能夠滿足市場(chǎng)對(duì)于敏捷性的要求。王志亮等運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，提出了基于粒度適中原則的模糊聚類方法，完成制造資源及待加工工件的聚合，實(shí)現(xiàn)了敏捷制造單元的構(gòu)建，指出設(shè)計(jì)的兩階段重構(gòu)算法可有效地完成敏捷制造單元的重構(gòu)過程，實(shí)現(xiàn)資源面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。這種分析方法能夠?qū)⑾嗨菩缘墓に嚱M合歸納出來，一定程度上提高了虛擬制造單元的構(gòu)建速度，但是沒有考慮流程的連續(xù)性，增加了生產(chǎn)過程中物流次數(shù)。梁福軍等利用相似性理論方法，歸納出流程模塊，但這種方法比較復(fù)雜，且對(duì)于模塊的粒度沒有給出度量和控制的有效方法。Babu等基于不同秩聚類(rank order clustering，ROC)提出可生成多種單元構(gòu)形的單元構(gòu)建算法，但沒有考慮系統(tǒng)的單元共享問題。

    Sarker等開發(fā)出基于工藝路線和調(diào)度的虛擬制造單元構(gòu)建方法，用以在多工件和多機(jī)床調(diào)度系統(tǒng)中尋找最短生產(chǎn)路線。Ratchev提出基于資源元的類能力模式的制造單元生成方法，將工藝需求動(dòng)態(tài)地與制造系統(tǒng)加工能力相匹配；Ko等基于機(jī)器模式的概念給出可實(shí)現(xiàn)機(jī)器共享的虛擬制造單元構(gòu)建算法。Slomp等提出了一種新的虛擬單元制造系統(tǒng)和虛擬單元實(shí)時(shí)構(gòu)建的多目標(biāo)構(gòu)建過程，在保留功能布局的基礎(chǔ)上，利用成組技術(shù)，構(gòu)建機(jī)器、工件、員工的臨時(shí)組合，實(shí)現(xiàn)單元制造的功能；以每周或者每月為周期，根據(jù)產(chǎn)品需求批量和組合的變化，通過工件一機(jī)器成組、員工成組等周期地構(gòu)建虛擬單元，并考慮單元大小、產(chǎn)能平衡、單元間工件物流距離、柔性靈活度等因素，構(gòu)造交互式目標(biāo)規(guī)劃。Schaller通過啟發(fā)式的方法建立了在需求不斷變化情況下的單元組建模型，該模型允許單元的規(guī)模隨著不同時(shí)期的需求量變化。Kioon等提出了一種單元制造系統(tǒng)構(gòu)建的綜合模型，模型中包含生產(chǎn)計(jì)劃和系統(tǒng)重構(gòu)決策，流程路徑選擇，生產(chǎn)順序，機(jī)器共享，機(jī)器產(chǎn)能和批量分割等，并且構(gòu)造一個(gè)非線性整數(shù)規(guī)劃模型，通過線性技巧將其轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性整數(shù)規(guī)劃模型求解。Kesen等考慮不同工藝路線的多個(gè)工件的情況，給出了一種基于啟發(fā)式方法的遺傳算法解決虛擬制造單元中的工件調(diào)度問題，并通過與一類混合整數(shù)規(guī)劃做比較，所得結(jié)果顯示遺傳算法能夠在更短的時(shí)間內(nèi)找到滿意解，具有更好的性能。Rezazadeh等考慮產(chǎn)品組合和需求不同的多周期生產(chǎn)計(jì)劃的制定，給出了一種新的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型解決虛擬單元構(gòu)建問題。其主要目標(biāo)是在滿足每個(gè)生產(chǎn)周期物料處理、轉(zhuǎn)包生產(chǎn)、庫存持有量和內(nèi)部生產(chǎn)成本等最小化的基礎(chǔ)上，確定虛擬單元的最優(yōu)數(shù)量。目前對(duì)制造單元的研究主要集中在單元構(gòu)建及生產(chǎn)計(jì)劃上，而將其應(yīng)用到可重構(gòu)制造系統(tǒng)中的研究尚不多見。

    流程模塊化作為一種實(shí)現(xiàn)高效流程管理的有效手段，被認(rèn)為是改善企業(yè)整體績效、提高企業(yè)競爭力的有效方法。在以時(shí)間為戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢(shì)的企業(yè)中，流程模塊化是提高企業(yè)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)環(huán)境快速變化的一條重要途徑。模塊化流程能夠生成多樣化流程模式應(yīng)對(duì)不確定性的業(yè)務(wù)，使生產(chǎn)過程和組織效率更加高效。Baldwin與Clark將模塊化理論定義為：分割(split)、替代(substitute)、增加(augment)、排除(exclude)、歸納(inversion)和移植(porting)6個(gè)模塊操作符，均以流程活動(dòng)為操作對(duì)象。劉漢進(jìn)等研究了面向?qū)ο蟮牧鞒棠�塊，提出面向?qū)ο蟮牧鞒棠�塊的設(shè)計(jì)方法，并分析流程模塊化對(duì)象的影響因素。在多品種小批量制造系統(tǒng)中，利用流程模塊化進(jìn)行虛擬制造單元構(gòu)建可以使每一個(gè)虛擬制造單元對(duì)應(yīng)于一個(gè)流程模塊，對(duì)于某一種零件的加工，其流程可以分解為幾個(gè)流程模塊，也就是對(duì)應(yīng)于幾個(gè)虛擬制造單元，使多品種小批量制造企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)的可動(dòng)態(tài)裝配結(jié)構(gòu)，從而提高虛擬制造單元的構(gòu)建速度，最終提高制造系統(tǒng)的敏捷性。同時(shí)，相對(duì)于只使用工藝聚類構(gòu)建虛擬制造單元的方法，本文能夠通過降低物流次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)物流成本，提高快速反應(yīng)制造與系統(tǒng)敏捷性的目的。

3 基于聚類分析的流程模塊化研究

    3.1 虛擬制造單元流程模塊規(guī)劃過程

    本文以零件加工制造系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過零件聚類和工藝聚類的相結(jié)合，構(gòu)造一種全新整合的聚類方法，對(duì)多品種小批量制造系統(tǒng)中零件的加工流程進(jìn)行模塊分解和歸納，從而得到制造系統(tǒng)的流程模塊庫，實(shí)現(xiàn)零件加工流程的可重構(gòu)．具體實(shí)施過程如下：

    步驟1 對(duì)所有零件進(jìn)行零件聚類：首先基于零件的加工流程和路徑建立全體零件一工藝關(guān)聯(lián)矩降根據(jù)各種零部件的構(gòu)成數(shù)量，得出反映零部件數(shù)量比重的零件一工藝關(guān)聯(lián)矩陣，最后借助統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab中設(shè)定的Average Linkage選項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行零件聚類，最終得到粒度適中的相似性零件組合，目的是通過標(biāo)準(zhǔn)模塊調(diào)用的思路實(shí)現(xiàn)降低虛擬制造單元的控制難度的目的，從而提高虛擬制造單元的構(gòu)建速度，最終提高制造系統(tǒng)的敏捷性。

    步驟2 在第一步得到的每一個(gè)零件組合中進(jìn)行工藝聚類：首先在第一步得到的每一個(gè)零件組合內(nèi)建立零部件一工藝關(guān)聯(lián)矩陣。借助統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab中設(shè)定的平均值距離等選項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行工藝聚類，得到局部流程模塊，從而降低物流次數(shù)。

    步驟3 以步驟2與步驟3的結(jié)果為基礎(chǔ)，梳理所有零件組內(nèi)的流程模塊，形成全局的流程模塊庫，并定義流程庫的概念，實(shí)現(xiàn)當(dāng)新的零件加工路徑處理時(shí)，系統(tǒng)能夠分析新流程，并由此建立虛擬制造單元。

    步驟4 流程模塊庫以外的加工流程處理：對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行流程模塊化歸類的某種零件，其加工流程包含流程模塊庫以外的加工工序，則該工序?qū)儆谔摂M制造單元以外加工的生產(chǎn)工序，由制造系統(tǒng)單獨(dú)安排加工。當(dāng)所有流程模塊庫以外的加工工序總數(shù)越少時(shí)，則零件的大部分加工流程都已納入到流程模塊中，有利于虛擬制造單元的構(gòu)建。圖1為具體實(shí)施流程圖。

    基于聚類分析技術(shù)對(duì)制造流程進(jìn)行分析，可以建立制造流程的層次化模型，并以此為基礎(chǔ)建立制造流程模塊和動(dòng)態(tài)流程庫。制造流程模塊和動(dòng)態(tài)流程庫為建立動(dòng)態(tài)的虛擬制造單元提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，當(dāng)需要完成新訂單的制造任務(wù)時(shí)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)新訂單的制造流程將其納入動(dòng)態(tài)流程庫，歸并為某一制造流程模塊或產(chǎn)生新的模塊，同時(shí)生成虛擬制造單元。這種方法將提高虛擬制造單元的構(gòu)建速度，提高制造過程的敏捷性。

圖1 虛擬制造單元流程模塊實(shí)施流程圖

    3.2 基于聚類分析的流程模塊化建模

    3.2.1 問題提出

    設(shè)某多品種小批量制造系統(tǒng)有p種加工零件、m種加工工藝，每種加工零件的數(shù)量分別為{N₁，N₂，...，N_p}，m種加工工藝對(duì)應(yīng)的機(jī)群組為{C₁，G₂，...，G_m}，為了確定對(duì)象指標(biāo)，首先需要建立全體零件的零件一工藝關(guān)聯(lián)矩降在矩陣中，行序代表零件序號(hào)，列序代表制造資源工藝序號(hào)，矩陣中任意元素a_ij=1意味著零件i的加工流程中含有j工序，a_ij=0意味著零件i的加工流程中不含有j工序。并且假設(shè)每個(gè)零件的加工流程與加工工藝的編號(hào)順序的邏輯方向是一致的，表1為一個(gè)制造系統(tǒng)的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣。

表1 制造系統(tǒng)零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣

    構(gòu)建虛擬制造單元過程中，流程模塊化方法的目的是找出所有零件加工流程中可以模塊化的相似流程模塊。

    3.2.2 零件聚類分析

    零件聚類的目的是為了找出加工路徑相似的零件組，然后在組內(nèi)進(jìn)行工藝聚類，以避免由于工藝聚類造成工藝過程分割，從而實(shí)現(xiàn)抽離出流程模塊的目的。

    1)基于表一中的零件數(shù)量，可以得出基于零件數(shù)量的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣，如表2所示。

表2 制造系統(tǒng)基于零件數(shù)量的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣

    2)借助統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab中設(shè)定的平均值距離等選項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行零件聚類。改變閾值λ大小，可以得到不同的模糊分類。當(dāng)閾值λ過大時(shí)，聚類分析比較細(xì)，結(jié)果比較分散，能夠獲得更多的相似性零件組合，但是也會(huì)造成在下一階段的工藝聚類中，流程模塊不易挖掘的問題。當(dāng)閾值λ取較小值時(shí)，聚類分析比較粗，獲得的相似性零件組合比較少，這樣在下一階段的工藝聚類中，容易歸納出非流程的模塊，造成流程模塊的割裂。因此，需要根據(jù)制造資源的數(shù)量和制造敏捷陛的要求綜合考慮，確定合理的閾值。本文的算例中，我們?nèi)∠嗨贫?lambda;∈[0，100]。

    3.2.3 工藝聚類分析

    1)設(shè)經(jīng)過零件聚類，得到g個(gè)零件組，對(duì)每個(gè)零件組進(jìn)行工藝聚類分析。以第i個(gè)零件組為例，設(shè)第i個(gè)零件組包含t類零件，每類零件數(shù)量為{T₁，T₂，...，T_i)，表3為第i個(gè)零件組的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣。

表3 第i個(gè)零件組的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣

    依據(jù)表3構(gòu)造第i個(gè)零件組的基于零件數(shù)量的工藝-零件關(guān)聯(lián)矩陣，如表4所示。

表4 第i個(gè)零件組的基于零件數(shù)量的工藝-零件關(guān)聯(lián)矩陣

    2)借助統(tǒng)計(jì)分析軟件Minitab中設(shè)定的平均值距離等選項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)拈撝颠M(jìn)行工藝聚類，得到局部流程模塊。當(dāng)閾值A(chǔ)取較大值時(shí)，模糊分類比較細(xì)，聚類的結(jié)果比較分散，不能將具有相似性的聚類對(duì)象充分地歸類，標(biāo)準(zhǔn)模塊調(diào)用的優(yōu)勢(shì)也難以體現(xiàn)，從而增加了單元間協(xié)調(diào)的難度；反之，當(dāng)閾值入取較小值時(shí)，模糊分類比較粗，不能將具有不同相似程度的聚類對(duì)象充分地分開，導(dǎo)致流程模塊對(duì)應(yīng)的虛擬單元中包含過多的加工工件，增加了單元調(diào)度與管理的復(fù)雜性。

    3.2.4 流程模塊的整合和梳理

    1)整合上一步工藝聚類得到的所有局部流程模塊，將其納入動(dòng)態(tài)流程模塊庫中，合并其中同類的流程模塊。

    2)定義流程模塊庫的更新：當(dāng)一個(gè)新的零件加工路徑到來時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)已有動(dòng)態(tài)流程模塊庫分析該路徑是由哪些流程模塊構(gòu)成，如果需要構(gòu)成新的流程模塊，則將該模塊納入到流程模塊庫中，更新流程模塊庫。

    3)流程模塊庫以外的加工流程處理：對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行流程模塊化歸類的某種零件，若其加工流程包含流程模塊庫以外的加工工序，則該工序?qū)儆谔摂M制造單元以外加工的生產(chǎn)工序，由制造系統(tǒng)單獨(dú)安排加工。其中流程模塊以外的加工流程LP比例為：

    其中，Li為第i種加工零件的流程模塊以外加工流程的工序數(shù)量。

    當(dāng)所有的流程模塊庫以外的加工工序總數(shù)越少時(shí)，表示大部分加工流程都納入到流程模塊中，有利于虛擬制造單元的構(gòu)建。

    3.3 應(yīng)用分析

    3.3.1 算例背景

    某生產(chǎn)制造系統(tǒng)，其零件加工模式為多品種小批量生產(chǎn)制造模式，該系統(tǒng)中需要加工的零件共有8種，共有10個(gè)加工工序，每種零件的加工數(shù)量與加工工序如表5所示，并且加工工序的對(duì)應(yīng)的機(jī)群組為{G₁，G₂，...，G₁₀)。

表5 某多品種小批量制造系統(tǒng)零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣

    3.3.2 零件聚類分析

    由表5構(gòu)造該多品種小批量制造系統(tǒng)的基于零件數(shù)量的零件。工藝關(guān)聯(lián)矩陣，如表6。

表6 基于零件數(shù)量的零件-工藝關(guān)聯(lián)矩陣

    利用Minitab軟件中的聚類分析，并且將零件變量之間的距離設(shè)置為平均距離，得到如圖2所示的聚類結(jié)果，其中橫坐標(biāo)表示零件變量，縱坐標(biāo)表示相似性的大小。取λ=46.39，分為4類，聚類結(jié)果為：{1，3，6}，{2，5，8}，{4}，{7}，即得到4個(gè)零件組。下一步將對(duì)各個(gè)零件組進(jìn)行工藝聚類分析。

圖2 基于相似性的零件聚類分析樹狀圖

    3.3.3 工藝聚類分析

    對(duì)上述每一個(gè)零件組進(jìn)行工藝聚類分析，選擇{1，3，6)零件組為目標(biāo)對(duì)象，進(jìn)行工藝聚類分析。首先建立零件組內(nèi)的基于零件數(shù)量的工藝-零件關(guān)聯(lián)矩陣，如表7所示。

表7 零件組內(nèi)基于零件數(shù)量的工藝-零件關(guān)聯(lián)矩陣

    圖3所示為{1，3，6}零件組經(jīng)過工藝聚類后的結(jié)果分析樹狀圖。

圖3 零件組內(nèi)基于相似性的工藝聚類分析樹狀圖

    由表7和圖3綜合可知：工序3、工序5、工序7、工序10在零件組{1，3，6}中均無加工，這四個(gè)工序不需要構(gòu)成流程模塊；而工序組{1，2，4，6，8}可以構(gòu)造流程模塊，為零件組{1，3，6}的加工服務(wù)。

    3.3.4 方法對(duì)比分析

    將全局工藝聚類方法與零件組內(nèi)的工藝聚類方法進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)所有的零件進(jìn)行工藝聚類，結(jié)果如圖4顯示：工藝組為{1，2，4，8}、{3，6，7}、{5，9，10}，所得結(jié)果非常分散，無法形成流程模塊，如果依據(jù)此結(jié)果構(gòu)造虛擬制造單元，將導(dǎo)致單元間物流次數(shù)增加。

圖4 所有工藝聚類分析基于相似性的樹狀圖

    3.3.5 流程模塊的整合和梳理

    對(duì)于零件組{2，5，8}，工藝聚類結(jié)果為：工藝組{3，6，7}為該零件組內(nèi)的流程模塊．另外兩個(gè)零件組{4}、{7}為單一零件工藝組，其對(duì)應(yīng)的流程模塊分別為{4，5}、{9，10}。因此，該算例的結(jié)果為：該小型多品種小批量制造系統(tǒng)的流程模塊庫為：零件組{1，3，6}對(duì)應(yīng)的流程模塊{1，2，4，6，8}；零件組{2，5，8}對(duì)應(yīng)的流程模塊{3，6：7}；零件組{4)對(duì)應(yīng)的流程模塊{4，5}；零件組{7}對(duì)應(yīng)的流程模塊{9，10}。由此可以在該生產(chǎn)周期之初，建立四個(gè)虛擬制造單元。

    3.3.6 結(jié)果分析

    該多品種小批量制造系統(tǒng)在該生產(chǎn)周期中構(gòu)建虛擬制造單元時(shí)，根據(jù)上節(jié)形成的流程模塊庫，可以得到每一種零件的虛擬制造單元加工方式，如表8所示。

表8 單個(gè)零件的虛擬制造單元加工方式

    從表8可看出，只有零件2，3，4，7的加工流程存在流程模塊庫以外的加工工序，可以算出流程模塊以外的加工流程比例LP為：

    結(jié)果表明，該方法處理的虛擬制造單元以外的加工流程是比較少的，符合可重構(gòu)系統(tǒng)的柔性條件。根據(jù)上一節(jié)的解決方法，得到該多品種小批量生產(chǎn)制造系統(tǒng)的初始動(dòng)態(tài)流程模塊庫以及對(duì)應(yīng)的虛擬制造單元庫，如表9所示。

表9 零件組的虛擬制造單元加工方式

4 結(jié)論

    為了靈活地適應(yīng)市場(chǎng)變化、較好地滿足用戶多樣化的需求，增加企業(yè)的市場(chǎng)競爭力，本文以基于工藝專業(yè)化布局生產(chǎn)方式的多品種小批量制造企業(yè)為研究背景，以流程模塊為基礎(chǔ)研究虛擬制造單元構(gòu)建，為實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)性，將零件聚類與工藝聚類有機(jī)地整合，提出一種全新的零件加工流程模塊化分析方法。該方法可以快速地形成制造系統(tǒng)流程模塊庫，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬制造單元，同時(shí)利用流程模塊化的方法實(shí)現(xiàn)零件加工的可重構(gòu)性。應(yīng)用結(jié)果顯示，該方法可以協(xié)助生產(chǎn)管理者迅速獲取初始動(dòng)態(tài)流程模塊庫，構(gòu)造相應(yīng)的虛擬制造單元庫，有效減少虛擬制造單元以外的加工流程，并通過標(biāo)準(zhǔn)模塊調(diào)用達(dá)到降低虛擬制造單元的控制難度的目的，從而提高虛擬制造單元的構(gòu)建速度與柔性：最終提高制造系統(tǒng)的敏捷性。然而，本文對(duì)于多品種小批量制造系統(tǒng)中的具體加工資源研究不足，并且對(duì)于這種制造方式與產(chǎn)品布局方式以及功能布局方式制造企業(yè)的生產(chǎn)績效對(duì)比研究等還有待進(jìn)一步探討。

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本文標(biāo)題：基于ERP流程模塊化的虛擬制造單元構(gòu)建方法

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