機械類專業(yè)外文文獻翻譯（中文）---應(yīng)用成組技術(shù)的工時估計

1、<p><b>　　中文6055字</b></p><p>　　出處: Transactions of FAMENA, 2012, 36(3): 55-68</p><p>　　應(yīng)用成組技術(shù)的工時估計</p><p>　　Opetuk T, ?osi? P</p><p><b>　　摘要</b

2、></p><p>　　工業(yè)、交通運輸業(yè)、通信業(yè)等技術(shù)的發(fā)展也就是全球化進程的展開導(dǎo)致了比以往更為激烈的競爭。中小型企業(yè)在這個過程中深受影響，必須在短期內(nèi)決定是否接受已經(jīng)接收到的報價。因此，制定出工藝流程以計算出生產(chǎn)所需要的工時是不現(xiàn)實的。本文作者的想法是創(chuàng)建一個基于成組技術(shù)的零件分類系統(tǒng)，用來將零件劃分為零件組。這樣，我們就可以將原有零件的生產(chǎn)工藝過程規(guī)劃應(yīng)用在與其相似的新零件上。下一步，可以用一個程序來

3、實現(xiàn)工時估計，該零件的生產(chǎn)成本就可以被計算出來。</p><p>　　關(guān)鍵字：成組技術(shù)；工時估計；計算機輔助制造；代碼分類</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　金屬切削過程的工藝過程規(guī)劃是制造業(yè)中知識密集程度最高的一項活動。在這項活動中，產(chǎn)品信息被映射到各種可獲得的現(xiàn)有制造資源信息上，以確定從原材料到最終產(chǎn)品的生產(chǎn)計劃

4、。所以這是一個需要很多時間與巨大努力的復(fù)雜過程。</p><p>　　現(xiàn)階段，很多客戶將產(chǎn)品的二維圖紙或者三維模型發(fā)送給企業(yè)，期望獲得制造成本與交貨時間。因為時間緊迫，制造商并不能完成詳細的工藝過程規(guī)劃，也就不能給出確切的生產(chǎn)成本和制造時間。大多數(shù)情況下，制造商根據(jù)經(jīng)驗和圖紙來給出一個估計的報價和生產(chǎn)時間。作者旨在創(chuàng)建一個基于成組技術(shù)的零件分類系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以將多種零件按其相似性分類成組。這樣，我們就可以將原有

5、零件的生產(chǎn)工藝過程規(guī)劃應(yīng)用在與其相似的新零件上。作者同時開發(fā)了一個應(yīng)用于軸類零件的工時估計程序，本文將為大家闡述。該程序僅使用外圓車削的例子。這個程序面向中小型企業(yè)，因為中小型企業(yè)的產(chǎn)值在克羅地亞的國家總產(chǎn)值中占據(jù)著很大的份額。單件小批量生產(chǎn)的基本特征是：</p><p><b>　　客戶需求多樣</b></p><p><b>　　交貨時間短</b&

6、gt;</p><p>　　要盡可能接近大批量生產(chǎn)的成本</p><p>　　現(xiàn)如今，人們的環(huán)保意識越來越強烈，越來越多的人思考并踐行著“綠色生活”。所有的綠色元素都可以被分成綠色供應(yīng)鏈管理，綠色供應(yīng)鏈管理的定義是將環(huán)保理念貫徹于供應(yīng)鏈管理的各個環(huán)節(jié)，包括：產(chǎn)品設(shè)計、原材料選擇與采購、工藝規(guī)程編制、產(chǎn)品交付以及產(chǎn)品報廢處理。如果我們使用本文中提到的程序來代替計算機輔助制造，我們就可以節(jié)約能

7、源消耗并且在我們的制造流程中加入了一些綠色元素。</p><p>　　舉例來說，Antolic將回歸模型應(yīng)用于單件產(chǎn)品的工時估計，而這個模型的問題是，它并沒有考慮對單件產(chǎn)品加工時間影響很大的加工參數(shù)，而一些作者已經(jīng)將刀具軌跡優(yōu)化來降低單個零件加工時間。本文作者試著用數(shù)學(xué)方法來建構(gòu)模型，以方便地估計出制造時間。另外也有一些關(guān)于網(wǎng)頁程序發(fā)展的研究，這些程序用來更快更簡單地選擇主要工序和一系列操作流程，因為這些準(zhǔn)則對于

8、工藝改進和降低生產(chǎn)成本有重大意義。</p><p>　　當(dāng)前的工藝路線制定普遍基于以計算機輔助工藝規(guī)劃為主要形式的信息技術(shù)。許多學(xué)者對如何把更多的智能技術(shù)應(yīng)用于工藝規(guī)劃進行了研究。計算機輔助工藝規(guī)劃有兩種主要的形式：派生法和生成法。派生法基于相似零件可以采用相似的工藝規(guī)程這一準(zhǔn)則。因此，這一過程需要操作員對零件進行分類，輸入零件信息，從數(shù)據(jù)庫（包含原有的工藝規(guī)劃）中檢索一個相似的工藝規(guī)程，編輯這一工藝規(guī)程以適應(yīng)新

9、零件。在一些派生系統(tǒng)中，零件根據(jù)加工方式的相似性和成組技術(shù)被分為若干零件組。</p><p>　　生成法計算機輔助工藝過程規(guī)劃是利用決策邏輯，公式，制造準(zhǔn)則，基于數(shù)據(jù)的幾何學(xué)來確定將原材料制成成品所需要的工藝過程的一種方法。它基于輸入的特征和屬性為每一個零件創(chuàng)造新的工藝規(guī)程。設(shè)計和實施一個生成法計算機輔助工藝過程規(guī)劃系統(tǒng)比基于派生法原理的系統(tǒng)更加困難，但優(yōu)點是不需要操作者進行規(guī)劃。這種方法可被認(rèn)為是基于以下層次結(jié)

10、構(gòu)：</p><p>　　準(zhǔn)備工作規(guī)劃：準(zhǔn)備工作的確定和排序以及加工工具的選擇</p><p>　　作業(yè)排序：作業(yè)的確定和排序以及工具的選擇</p><p>　　作業(yè)計劃：加工參數(shù)和刀具軌跡（切削速度、進給量等）的確定</p><p>　　最近，工藝流程規(guī)劃的優(yōu)化有了一些新的方法。Gecevska將遺傳算法作為智能工藝規(guī)劃的方法。遺傳算法是基

11、于自然選擇和自然遺傳的進化搜索算法。遺傳算法的搜索進程中有三個基本的執(zhí)行機制：復(fù)制、交迭、變化。通過這些執(zhí)行機制，遺傳算法就可以探索制造更好的字符串，以后的版本中就可能有更好的副本。另一種方法是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個生物神經(jīng)系統(tǒng)并可以通過實例學(xué)習(xí)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過所提供實例的內(nèi)在規(guī)律進行學(xué)習(xí)，而不是通過一組用戶定義好的規(guī)則。</p><p>　　Dae-Hyuk and Suk-Hwan開發(fā)了一個用于

12、復(fù)合加工加工工藝規(guī)劃的優(yōu)化解決算法。這個算法基于分支定界方法，靈感來自于工程實例。這個方法使用中性工藝過程圖，這是零件制造的一系列有效流程。中性工藝過程圖包括金屬去除率、機械加工方式、走刀方式、切削條件、切削刀具等一系列流程信息。</p><p><b>　　零件分組器</b></p><p>　　由于制造系統(tǒng)中有海量的不同種零件，對于零件分類系統(tǒng)的需求引發(fā)了成組技術(shù)

13、和自動特征識別技術(shù)的發(fā)展。成組技術(shù)的主要任務(wù)是將相似零件歸類為一組。有三種自動特征識別的方法：幾何特征提取、形狀識別和模式識別。</p><p>　　成組技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法。第一種是根據(jù)制造計劃將零件分組，以保證工廠中的機器可以根據(jù)一組特定產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程來布局。這種方法采用目測法、生產(chǎn)流程分析以及聚類分析。第二種方法根據(jù)零件的幾何形狀和技術(shù)特征來分組。</p><p>　　本文主要涉及

14、幾何特征提取以及形態(tài)特征識別的簡化方法，所有零件都將獲得一個特定的編碼以進入不同的分組。作者的觀點是建立一個儲存現(xiàn)有工藝的數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)幾何形狀和技術(shù)特征將零件分類。這種分類只針對對稱或者不對稱的回轉(zhuǎn)類零件。以下幾個表格展示了回轉(zhuǎn)類零件編碼方法：</p><p>　　通過使用這個分類系統(tǒng)，每個零件都能獲得一個編碼，這個編碼可以幫助我們找到相似零件。之后，我們就能將原有零件的工藝應(yīng)用于新零件。通過這種方法，我們可以

15、建立起自己的工藝數(shù)據(jù)庫，這樣就能為新零件找到相似工藝。</p><p><b>　　工時估計中的應(yīng)用</b></p><p>　　本文作者提出兩個用Excel制作的程序。第一個，基本數(shù)據(jù)運算程序，用于計算一些定義制造工藝的通用數(shù)據(jù)。第二個程序用于計算軸類零件的生產(chǎn)時間。在第二個程序中，本文作者將軸類零件分解為幾種基本形狀，因為直接估計零件制造時間比較困難，由于外輪廓的

16、粗精加工所需要的回轉(zhuǎn)次數(shù)不同，所以進行了區(qū)分。為了估計完整的生產(chǎn)時間，每個基本形狀的生產(chǎn)時間估計是必要的。將這些時間加起來就是每個零件的完整加工時間。程序中所用的公式均為經(jīng)典工藝過程規(guī)劃中所用的公式，下文將會闡述。程序的準(zhǔn)確性通過CamWorks這一軟件來驗證。估計的時間將與CamWorks軟件計算出來的時間相比較。下圖為為程序中使用零件的基本形狀：</p><p>　　3.1基本數(shù)據(jù)計算程序</p>

17、<p>　　基本數(shù)據(jù)計算程序是基于Excel開發(fā)，擁有五個工作表，每個工作表計算一組基本數(shù)據(jù)。該程序運用相關(guān)公式計算以下數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　主軸轉(zhuǎn)速：</b></p><p>　　其中，為切削速度，單位是m/min ,D為切削初始直徑，單位是mm.</p><p><b>　　表面粗糙度：</b&g

18、t;</p><p>　　是進給量，單位是mm/r,是刀尖的圓弧半徑，單位是mm</p><p><b>　　所需的機器功率</b></p><p>　　為需要的切削功率，單位為kW，為切削效率，其中：</p><p>　　為切削深度，單位是mm；為特定的切削力，單位是；是刀具主偏角，單位是°。</p&g

19、t;<p>　　金屬去除率-V[/min]</p><p>　　之所以編制這個程序，是因為這些數(shù)據(jù)對于定義加工參數(shù)是必要的。人工計算這些數(shù)據(jù)需要大量時間，這個程序的作用是減少相應(yīng)時間。實際上，如果用戶對于定義加工參數(shù)非常有經(jīng)驗，就完全可以忽略這個程序，因為兩個程序間是相互獨立的。在這項研究中，這個程序也通過使用Excel程序和Camworks來計算加工時間。</p><p>

20、　　3.2軸類零件加工時間計算程序</p><p>　　該程序基于Excel開發(fā)，用來計算單件軸類零件的制造時間。該程序由十個工作表組成，即對于表面的典型車削加工：機床數(shù)據(jù)、表面加工、中心孔加工、型面加工-直、型面加工-傾斜、槽加工、半圓加工、車螺紋、輔助時間、單件制造時間。</p><p>　　工作表中的順序?qū)?yīng)實際加工流程中的順序。每個零件的加工時間包括以下時間：機加工時間、寬放時間、

21、輔助時間。我們采用標(biāo)準(zhǔn)計算公式來計算機加工工時。</p><p><b>　　主軸轉(zhuǎn)速：</b></p><p>　　走刀時間：；（僅用于粗糙的槽加工）</p><p>　　其中：l是加工長度，單位為mm。</p><p><b>　　回轉(zhuǎn)圈數(shù)：</b></p><p>　　

22、其中：D為加工最終直徑，單位是mm</p><p><b>　　走刀次數(shù)：</b></p><p>　　其中：S為重疊量，單位為mm（僅用于粗糙的槽加工）</p><p><b>　　快速進給時間：</b></p><p>　　其中：是快速進給量，單位是mm；是快速進給速度，單位是m/min<

23、/p><p>　　準(zhǔn)備時間為夾緊零件所需要的時間以及更刀具所需要的時間</p><p>　　下圖說明了這個程序是如何運行的</p><p>　　用戶需要在程序中輸入切削用量、加工尺寸和加工參數(shù)。根據(jù)加工類型，用戶需要輸入如下數(shù)據(jù)：D[mm]-零件初始直徑、D[mm]-零件最終直徑、l[mm]-加工長度、R[mm]-加工半徑、[mm]-中心孔直徑、[mm]-法向齒距、[m

24、/min]-切削速度、[mm/r]-進給量、[mm]-切削深度、i-頭數(shù)（僅用于螺紋加工）。</p><p>　　當(dāng)你輸入這些信息后，程序自動將其輸入所有工作表。如果輸入的主軸轉(zhuǎn)速超過最大值，程序會將其自動轉(zhuǎn)化為最大值然后輸入工作表。用戶輸入加工尺寸和加工數(shù)據(jù)后，程序會使用以上提到的公式自動計算制造時間，然后加入記錄制造時間的工作表。</p><p>　　該程序模型有以下限制：只能應(yīng)用于回

25、轉(zhuǎn)類零件即外圓車削，型面加工，更確切的來說是半圓加工作為對稱型面加工的一部分在模型的適用范圍內(nèi)。這意味著型面加工的范圍隨著半徑的增加而增加。這種限制被用來簡化模型，其對加工時間計算的影響可以忽略不計。因為這只是軸類零件很小的一部分，誤差大約在0.1%之內(nèi)。對于傾斜型面加工，這種限制并未被引入，因為這種軸可能有圓錐部分，這種簡化會對單個零件的工時計算造成很大的影響，這種約束在下圖中展示。</p><p>　　另一個

26、限制是x軸加工并未在這個程序中被納入考慮。這是因為基本形狀的序列在外輪廓的粗精加工中應(yīng)該被明確。這項工作應(yīng)該在本程序中被完成。這只會在誤差不大的情況下將程序復(fù)雜化。該程序只能應(yīng)用于沿Z軸的加工；例外是僅考慮沿X軸加工不考慮沿Z軸加工的表面加工。這項限制會對粗精加工有影響，切削速度越小影響越大，因為這增加了工藝時間和每個零件的加工時間。依據(jù)軸的設(shè)計與特征不同，一些限制就會有更小的影響，因為沿X軸加工的長度小得多，一些零件甚至無需沿X軸加工

27、。就單件加工時間來說，這項假設(shè)并不會產(chǎn)生主要影響，下圖中將會展示這一結(jié)果分析。</p><p><b>　　例子</b></p><p>　　為了展示該程序是如何運行的，作者將對軸3制造時間如何估計出來的做一個展示。為了更加直觀地描述這個過程，作者將會展示一些相關(guān)的工作表。用戶給出的數(shù)據(jù)用直線標(biāo)注，程序計算出來的數(shù)據(jù)用虛線標(biāo)注。圖5展示了軸3的幾何特征。</p&

28、gt;<p>　　在圖5中我們可以看到，軸3可以被分解為13個基本形狀，采取以下的加工步驟：表面加工（2次精加工，2次粗加工）、中心孔加工（2次）、直型面加工（4次粗加工，5次粗加工）、傾斜型面加工（4次粗加工，4次精加工）、槽加工（1次精加工）、半徑加工（2次）、車螺紋（2次）。</p><p>　　首先，按照以往經(jīng)驗，用戶可以使用該程序計算出基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果用戶已經(jīng)獲得了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便可以按經(jīng)驗立即

29、使用程序進行加工時間估計。但如果用戶沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，第一個邏輯步驟將核對機器需要的功率。這一步驟只會應(yīng)用于粗加工步驟，因為粗加工使用最大切削力。圖6展示了一個使用輸入的數(shù)據(jù)計算機器所需功率的工作表</p><p>　　如果用戶機器的額定功率比需要的功率大，我們就可以使用這臺機器的參數(shù)來估計加工時間。</p><p>　　之后，用戶使用這個程序計算加工時間，并輸入圖7所示的機器數(shù)據(jù)</p

30、><p>　　下一個步驟是將數(shù)據(jù)輸入其它工作表。當(dāng)然，用戶需要將數(shù)據(jù)輸入用來計算工件中基本形狀的工作表。圖8展示了用戶輸入的數(shù)據(jù)以及由程序計算出來的軸3粗精表面加工的數(shù)據(jù)</p><p>　　圖9展示了用戶輸入的數(shù)據(jù)以及由程序計算出來的軸3粗精型面加工的數(shù)據(jù)</p><p>　　所有基本形狀都被輸入進程序之后，用戶還需要輸入裝夾次數(shù)以及刀具更換次數(shù)，這樣程序就可以計算輔

31、助時間。圖10展示了計算輔助時間的工作表中輸入的數(shù)據(jù)</p><p>　　圖11展示了程序中最后一個工作表，即輸出工作表。在這個工作表中，用戶根據(jù)加工類型獲得單件加工時間。</p><p><b>　　結(jié)果</b></p><p>　　作者計算了20個軸類零件的加工時間，圖12和13展示了本程序和CAMWorks計算出單個零件加工時間的平均差異

32、</p><p>　　如圖13所示，最大的差異是在槽的粗加工以及半圓加工。對于槽的粗加工，差異率是9.83%，半圓加工差異率是8.05%。盡管差異率看起來很高，但這兩道工序持續(xù)時間均很短，槽的粗加工與半圓加工平均時間差異為1.11秒及1.55秒。這項差異產(chǎn)生的原因是這兩道工序很難用數(shù)學(xué)公式來描述。因為刀具路徑很難描述。但這些差異都不會對單個零件的制造時間總體差異產(chǎn)生顯著影響。</p><p&g

33、t;　　對于型面粗加工，差異是2.87秒，型面精加工差異是3.85秒。這些差異的產(chǎn)生是因為上述的模型局限。包括對于沿X軸加工的忽略。因為這些工序時間都比較長，所以平均差異率都不是很大。對于型面粗加工，差異率是2.55%，對于型面精加工，差異率是3.47%。端面加工、中心孔加工以及車螺紋是很容易用數(shù)學(xué)表達的工序，所以在這種情況下單件加工時間實際上是可以忽略的。</p><p>　　加工階段平均差異時間是3.33秒，

34、或者1.51%，這是一個非常小的偏差。如果我們把不如意事輔助時間考慮進去，差異率是0.69%，可以認(rèn)為，這個程序在軸的加工時間估計方面表現(xiàn)是非常優(yōu)秀的。</p><p><b>　　6.總結(jié)</b></p><p>　　該軟件為我們提供了高質(zhì)量的加工時間估計，因此，在教學(xué)過程中，同學(xué)們可以使用軟件對他們的工件做出加工時間估計。因為這款軟件并非完全自動，所以用戶要與之互

35、動。此外，該程序可用于單件小批量的工業(yè)生產(chǎn)，用來估計軸類零件的單件生產(chǎn)時間。本文以及這個程序是對工時估計領(lǐng)域的一個初步研究，更深層次的研究是將該軟件自動化與一般化。這款程序是不能被完全自動化的，能被自動化的部分是基礎(chǔ)形狀識別，也就是加工操作。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，一個基于二維和三維模型，可以自動識別這些形狀的系統(tǒng)將會被開發(fā)。不能自動化的部分是將加工以及機器數(shù)據(jù)輸入到程序中這一過程。因為這些數(shù)據(jù)取決于機器類型、零件材料、刀具等等。</p

36、><p>　　應(yīng)用程序的改進可能會包括之前的特殊限制。這意味著型面加工沿X軸的部分應(yīng)該加入到改進項目中。對于之前提到的直型面加工中的半徑加工具有的限制所進行的模型簡化，應(yīng)該被分為獨立的工作表，一個針對半徑加工，一個針對直型面加工。但這會將程序的工作復(fù)雜化，而且并不會對單件加工時間估計的精度產(chǎn)生重大提高。</p><p>　　就提到的模型統(tǒng)一化而言，也就是將磨削、銑削、鉆孔等加工過程加入程序，可

37、以通過加入針對這些工序的工作表來完成。通過使用這個程序，用戶在估計單件加工時間時可以節(jié)約可觀的時間。</p><p>　　20件軸類零件通過該程序與CAMworks所估計的加工時間平均差異為0.69%。從這里我們可以看到，該程序給出了更好的結(jié)果，因為這個程序?qū)⒓庸?shù)納入了考慮范圍，而Antolic的回歸模型并沒有考慮這些參數(shù)，而且該模型針對所有加工類型（磨削、銑削、鉆孔）。</p><p&g