□ 王明珠 □ 常秀娟
中國(guó)航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司 工程技術(shù)研究院 北京 100120
航空產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工時(shí)是企業(yè)人力和物質(zhì)資源投入的具體體現(xiàn),是生產(chǎn)產(chǎn)品、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)水平的一種反映,也是企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)條件建設(shè)、生產(chǎn)管理、成本核算、計(jì)劃控制等的重要依據(jù),更是企業(yè)進(jìn)行科學(xué)管理、優(yōu)化加工結(jié)構(gòu)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)和重要前提。對(duì)于航空工業(yè)咨詢?cè)O(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō),航空產(chǎn)品的生產(chǎn)制造工時(shí)是對(duì)航空產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)性技術(shù)改造的主要依據(jù)之一,是咨詢?cè)O(shè)計(jì)中確定工廠規(guī)模大小、生產(chǎn)設(shè)備以及人員、面積配置情況的重要依據(jù)。
飛機(jī)產(chǎn)品的機(jī)械加工零件的生產(chǎn)工時(shí)涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、特征、工藝方法、生產(chǎn)設(shè)備、加工參數(shù)等眾多方面因素,在零件實(shí)際生產(chǎn)之前,其工時(shí)只能通過(guò)一些特定方法進(jìn)行估算或預(yù)測(cè)。國(guó)外著名航空企業(yè)如波音、空客已經(jīng)在成本預(yù)測(cè)方面形成了相應(yīng)的技術(shù)體系與應(yīng)用范疇,可以在產(chǎn)品生產(chǎn)前對(duì)零件的加工時(shí)間及成本進(jìn)行預(yù)測(cè)。而我國(guó)當(dāng)前對(duì)零件工時(shí)預(yù)測(cè)的方法主要有以下兩種:(1)較為普遍采用的零件定額工時(shí)制定方法是根據(jù)產(chǎn)品的詳細(xì)生產(chǎn)工藝過(guò)程,逐步計(jì)算其生產(chǎn)工時(shí),所用方法包括查表法、數(shù)學(xué)模型法、典型零件法、混合法等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及,目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)基于上述方法開(kāi)發(fā)出了一些成形軟件系統(tǒng),如昆明理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位開(kāi)發(fā)的機(jī)械加工工時(shí)定額子系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)了工時(shí)定額計(jì)算的快速、科學(xué)、通用[1~6]。但由于飛機(jī)零件復(fù)雜程度的不斷提升和數(shù)控加工技術(shù)的大量采用,該類方法已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適用。(2)隨著數(shù)控加工快速編程技術(shù)的不斷進(jìn)步,UG、CATIA等軟件均提供了根據(jù)零件數(shù)控加工程序及走刀軌跡仿真加工工時(shí)的功能,但是由于其無(wú)法準(zhǔn)確地描述實(shí)際加工,該仿真工時(shí)不能真實(shí)地反映實(shí)際加工情況,使該方法的應(yīng)用受到一定程度的限制[7]。此外,上述兩種方法在使用過(guò)程中,都是以產(chǎn)品的詳細(xì)生產(chǎn)工藝過(guò)程為前提,涉及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、詳細(xì)加工工序、生產(chǎn)設(shè)備、工藝參數(shù),甚至加工型面、刀具、加工余量、走刀路線等眾多方面,不僅需要使用者具有深厚的生產(chǎn)工藝方面知識(shí),還需要有大量的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),且使用復(fù)雜、計(jì)算量大、易出差錯(cuò)。
本文針對(duì)目前零件的機(jī)械加工工時(shí)預(yù)測(cè)方法存在的局限性,以飛機(jī)結(jié)構(gòu)件為典型研究對(duì)象,通過(guò)分析零件結(jié)構(gòu)性能、加工工藝等特點(diǎn),提出了一種基于SLFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的零件數(shù)控加工工時(shí)估算方法。該方法在實(shí)際使用中,只需了解航空產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和工藝特征等指定特征信息,無(wú)需掌握每個(gè)零件的詳細(xì)加工工序和加工參數(shù),即可對(duì)飛機(jī)零件工時(shí)進(jìn)行快速估算。
飛機(jī)零件與一般工業(yè)產(chǎn)品的零件不同,其具有種類繁多、復(fù)雜程度高的普遍特點(diǎn)。往往一架飛機(jī)就有不同種類的機(jī)加工零件幾千項(xiàng)到幾萬(wàn)項(xiàng),隨著飛機(jī)工業(yè)的不斷發(fā)展,飛機(jī)整體性逐漸加強(qiáng),結(jié)構(gòu)件復(fù)雜程度也大大提高。大量飛機(jī)結(jié)構(gòu)件采用數(shù)控加工方法生產(chǎn)。根據(jù)不同機(jī)種的各類數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件的特征、加工工藝以及數(shù)控加工工時(shí)的統(tǒng)計(jì)資料,結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用功能、結(jié)構(gòu)形狀、材料毛坯、尺寸大小和加工方法等都具有不同的特征,但是也具有一定的共性。
根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件功能、特征和加工工藝等方面的共性,依據(jù)成組技術(shù)和相似性原則,結(jié)合飛機(jī)生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際情況,本文將飛機(jī)結(jié)構(gòu)件劃分為框類、梁類、整體壁板類、接頭類等零件類型。
通過(guò)對(duì)航空生產(chǎn)企業(yè)數(shù)控加工車間的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及資料分析,可將影響零件數(shù)控加工工時(shí)的因素分為兩大類:一是零件本身的因素,包括零件復(fù)雜程度、材料、采用毛坯形式、結(jié)構(gòu)形狀(所包含的孔、槽等形狀特征)、尺寸、加工精度、批次產(chǎn)量等;二是加工方面的因素,包括加工方式、加工設(shè)備及其組合方式、生產(chǎn)工序、加工參數(shù)、刀具、換刀次數(shù)、加工余量設(shè)置、工人操作熟練程度、產(chǎn)品報(bào)廢情況等。
詳細(xì)分析上述影響數(shù)控加工工時(shí)的因素,本文從盡快得出數(shù)控加工工時(shí)的角度出發(fā),在兼顧零件不同功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝兩大方面的同時(shí),把影響零件工時(shí)的諸多因素進(jìn)行綜合歸納并加以典型化,可以簡(jiǎn)化為零件種類、零件截面形狀、加工面形狀特征、材料種類、毛坯形式、零件尺寸、加工信息共7類特征參數(shù)。其中,加工面形狀特征表征著零件的復(fù)雜程度,包括加工面的孔、槽、筋、輪廓等多種特征類型;加工信息體現(xiàn)了零件數(shù)控加工所采用的工藝及工藝參數(shù),包括所采用的數(shù)控設(shè)備、加工設(shè)備組合形式、加工工藝參數(shù)等顯著影響加工工時(shí)的多項(xiàng)因素。
從上述分析可見(jiàn),影響數(shù)控加工工時(shí)的特征參數(shù)較多,且各特征參數(shù)對(duì)工時(shí)的影響方式不同,有些可以用線性關(guān)系描述,而更多的則無(wú)法采用線性關(guān)系描述,如零件截面形狀、零件毛坯種類等。另一方面,各特征參數(shù)之間還存在不同程度的耦合效應(yīng),如不同材料的零件對(duì)加工設(shè)備、加工參數(shù)等加工信息有著重大影響??梢?jiàn),各特征參數(shù)對(duì)零件工時(shí)的影響呈現(xiàn)出典型的非線性關(guān)系,采用一般的線性數(shù)學(xué)模型難以對(duì)其準(zhǔn)確求解。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Networks,ANN)是近年來(lái)新興的一種模擬人腦及其活動(dòng)的理論化數(shù)學(xué)模型,由多個(gè)簡(jiǎn)單的處理單元(或稱神經(jīng)元)彼此按照某種方式相互連接形成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),從而建立輸入與輸出之間的映射關(guān)系,適用于求解非線性問(wèn)題。因此,本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工工時(shí)估算模型。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程主要由兩個(gè)階段組成。前一個(gè)階段是學(xué)習(xí)(訓(xùn)練)過(guò)程,此階段執(zhí)行學(xué)習(xí)規(guī)則,通過(guò)獲得穩(wěn)定的權(quán)值矩陣來(lái)準(zhǔn)確反映輸入與輸出之間的映射關(guān)系。后一階段是工作過(guò)程,在各連接權(quán)值已經(jīng)固定的情況下,錄入新的輸入信息,系統(tǒng)可以得出映射的輸出結(jié)果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可分為輸入層和輸出層,每個(gè)因變量對(duì)應(yīng)于輸入層中的一個(gè)輸入節(jié)點(diǎn),目標(biāo)變量則對(duì)應(yīng)于輸出層節(jié)點(diǎn)。有些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在輸入層和輸出層之間還存在隱含層,隱含層對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用者來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的,隱含層的層數(shù)以及每層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)決定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。
根據(jù)前述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程以及數(shù)控加工零件工時(shí)估算系統(tǒng)的輸入輸出需求,工時(shí)估算模型的主要框架與計(jì)算流程如圖1所示。
圖1中以準(zhǔn)確可靠的典型零件的樣本作為學(xué)習(xí)階段流程,將待估算零件的計(jì)算流程作為工作階段流程,零件信息即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入節(jié)點(diǎn)參數(shù)。通過(guò)對(duì)我國(guó)不同機(jī)種數(shù)控加工零件的特征、加工工藝以及數(shù)控加工工時(shí)的分析與研究,把前述分析獲得的影響數(shù)控加工工時(shí)的特征參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸出層參數(shù)為該模型的目標(biāo)變量,即零件加工工時(shí)。
圖1 數(shù)控加工工時(shí)估算模型的系統(tǒng)框架與計(jì)算流程
根據(jù)本文中問(wèn)題的特點(diǎn),數(shù)控加工工時(shí)估算選擇SLFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 (有監(jiān)督線性特征映射網(wǎng)絡(luò),Supervised Linear Feature Mapping Network)。 SLFM 是一個(gè)2層網(wǎng)絡(luò),在輸入層與輸出層之間沒(méi)有隱含層,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,收斂速度快,且計(jì)算結(jié)果精度較高,可靠性強(qiáng)。
SLFM網(wǎng)絡(luò)采用線性分度式輸出結(jié)構(gòu),輸出層節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于連續(xù)量的不同估計(jì)值,在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)階段,每個(gè)學(xué)習(xí)樣本對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的獲勝節(jié)點(diǎn),也即映射到輸出層的一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)上,該獲勝節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算權(quán)值向量和輸入模式的歐幾里得(Euclid)距離最近的點(diǎn)確定,網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)權(quán)值向量通過(guò)采用獎(jiǎng)罰式有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法得到。獎(jiǎng)罰式有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的主要內(nèi)容為:當(dāng)輸入學(xué)習(xí)樣本后,若獲勝節(jié)點(diǎn)與期望節(jié)點(diǎn)相符,則對(duì)獲勝節(jié)點(diǎn)實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì),使其權(quán)值向量向輸入模式靠近;反之,則對(duì)獲勝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行懲罰,使其權(quán)值向量遠(yuǎn)離輸入模式,同時(shí)對(duì)期望節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。在SLFM網(wǎng)絡(luò)工作階段,通過(guò)計(jì)算某一輸入模式的獲勝節(jié)點(diǎn)映射到輸出層的一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)上,從而獲得輸出結(jié)果[8~9]。
SLFM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,當(dāng)將其應(yīng)用于數(shù)控零件加工工時(shí)估算時(shí),假設(shè)輸入層有n個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)于數(shù)控零件的n個(gè)特征參數(shù);輸出層有p個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)于數(shù)控零件工時(shí)的不同估計(jì)值,若輸出層工時(shí)范圍設(shè)定為[t1,t2],t1可以從 0 開(kāi)始,相鄰輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)工時(shí)值之差稱為節(jié)點(diǎn)分度值Δ,則有t2=t1+Δ(p-1);采用某類型典型零件作為學(xué)習(xí)樣本,樣本數(shù)為m,那么網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具體學(xué)習(xí)過(guò)程如下所述。
圖2 SLFM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
(1)從典型零件數(shù)據(jù)庫(kù)中讀入典型零件特征信息和工時(shí)信息作為學(xué)習(xí)樣本對(duì),并將零件特征信息進(jìn)行歸一化處理后作為SLFM網(wǎng)絡(luò)的輸入向量,記為Xm=(x1,x2,…,xn),與之對(duì)應(yīng)的零件工時(shí)作為一維的預(yù)期輸出向量,記為 Tm=t,其中 t∈[t1,t2]。
(2) 初始化權(quán)值矩陣 Wij,i=1,2,...n;j=1,2,...,p;Wij∈(0,1)。
(3)對(duì)于某一典型零件,計(jì)算輸入向量 Xk(k=1,2,…,m)與各輸出節(jié)點(diǎn)權(quán)值向量的歐氏距離djk,并選擇歐氏距離最小的輸出節(jié)點(diǎn)作為獲勝節(jié)點(diǎn)g;同時(shí)計(jì)算預(yù)期輸出值對(duì)應(yīng)的期望節(jié)點(diǎn)d。
(4)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。若獲勝節(jié)點(diǎn)與期望節(jié)點(diǎn)相符,則對(duì)獲勝節(jié)點(diǎn)實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì),使其權(quán)值向量向輸入模式靠近;反之,則對(duì)獲勝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行懲罰,使其權(quán)值向量遠(yuǎn)離輸入模式,同時(shí)對(duì)期望節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。權(quán)值向量的修正公式為:
式中:tm為最大迭代循環(huán)次數(shù)。
(5)輸入下一個(gè)典型零件樣本,返回到步驟(3),直到m個(gè)樣本都學(xué)習(xí)一遍后,網(wǎng)絡(luò)完成一次迭代。
(6)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)誤差。對(duì)于所有典型零件樣本,求零件工時(shí)最大偏差Emax和均方根誤差Erms:
若上述兩種誤差不能滿足給定的精度要求,則返回步驟(2),進(jìn)入下一次迭代循環(huán),直到其中任一誤差滿足給定精度要求或者網(wǎng)絡(luò)循環(huán)達(dá)到最大迭代次數(shù),則學(xué)習(xí)過(guò)程結(jié)束,并記錄下此時(shí)SLFM網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣Wij以及系統(tǒng)誤差Emax和Erms。
SLFM網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過(guò)程的具體流程如圖3所示,該過(guò)程是圖1所示框架流程中“ANN網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練”的具體內(nèi)容。當(dāng)SLFM網(wǎng)絡(luò)完成學(xué)習(xí)后,對(duì)于輸入的某一零件特征信息,系統(tǒng)計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的獲勝節(jié)點(diǎn)g,則該零件對(duì)應(yīng)的零件加工工時(shí)為:
圖3 SLFM網(wǎng)絡(luò)算法流程圖
Tg=t1+Δ(g-1)
一般情況下,t1從0開(kāi)始,此時(shí):
Tg=Δ(g-1)
基于以上研究,本文以某航空企業(yè)提供的飛機(jī)數(shù)控加工結(jié)構(gòu)件為應(yīng)用算例,采用SLFM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)控加工工時(shí)估算模型,并對(duì)數(shù)控加工零件工時(shí)進(jìn)行快速估算,現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹模型實(shí)施效果。
首先對(duì)企業(yè)提供的數(shù)控加工零件進(jìn)行有效性甄別,以準(zhǔn)確性、具有代表性和去除數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)為原則,共獲得典型零件數(shù)據(jù)108條,涵蓋6個(gè)零件類型,具體數(shù)據(jù)分布如表1所示。將上述零件信息導(dǎo)入本系統(tǒng)典型零件數(shù)據(jù)庫(kù)。
表1 典型零件數(shù)據(jù)類型分布
根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的一般規(guī)則,隨機(jī)選取80%的典型零件作為訓(xùn)練樣本對(duì)SLFM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,并保存訓(xùn)練結(jié)果,訓(xùn)練參數(shù)根據(jù)各零件類型的具體情況設(shè)定。選取剩余20%典型零件作為測(cè)試樣本對(duì)本系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可見(jiàn),在隨機(jī)測(cè)試情況下,本系統(tǒng)計(jì)算得到的零件工時(shí)與實(shí)際情況的誤差基本在10%以下,70%以上的零件計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差在5%以下。未來(lái),隨著典型零件數(shù)量及多樣性的不斷增加,系統(tǒng)計(jì)算精度還會(huì)進(jìn)一步提高。
表2 系統(tǒng)仿真檢驗(yàn)結(jié)果
對(duì)數(shù)控加工零件工時(shí)進(jìn)行估算時(shí),各特征參數(shù)對(duì)零件工時(shí)的影響是一種典型的非線性關(guān)系,并且各影響因素之間存在著不同程度的耦合效應(yīng),采用一般的線性模型難以對(duì)其準(zhǔn)確求解。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在解決多參數(shù)非線性和參數(shù)間耦合等問(wèn)題方面具有突出的性能,非常適用于本課題中對(duì)零件工時(shí)的估算。本文詳細(xì)論述了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)控加工零件工時(shí)估算中的應(yīng)用,并采用SLFM網(wǎng)絡(luò)建立工時(shí)估算模型,為解決工時(shí)估算開(kāi)辟了新的途徑。該方法工作量小,對(duì)使用者的工藝水平和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)要求較低,計(jì)算速度快,如能滿足所需要的精度要求,則較適合在咨詢?cè)O(shè)計(jì)項(xiàng)目及企業(yè)管理中使用,并可成為企業(yè)外包生產(chǎn)中談判、制定價(jià)格的依據(jù)。
除數(shù)控加工外,飛機(jī)制造過(guò)程中涉及的復(fù)材加工、鈑金、裝配等其它工種或生產(chǎn)流程,只要能夠合理論證選取影響產(chǎn)品零件工時(shí)的特征因素,都可以根據(jù)本文提出的方法建立工時(shí)估算模型,因而這種方法在工程咨詢和企業(yè)生產(chǎn)管理中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。
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