混流焊裝系統複雜度計算算法及複雜度源識別診斷方法與流程
2023-06-11 02:22:06
本發明屬於機械製造領域，主要針對由車身產品個性化引發的車身混流焊裝系統，設計出一種複雜度計算算法用於測度工位級複雜度和系統級複雜度，並提出的複雜度源靈敏度指標，以確定複雜度貢獻較大的關鍵工位和關鍵設備所在(即關鍵複雜度源所在)。
背景技術：
在個性化條件下，產品種類極大豐富，在具有產品族、產品平臺和模塊化特點的車身產品內，其模塊的數目也隨之增長，導致組合數目劇增。這也帶來焊接設備、工裝夾具的複雜化、工序的變化等諸多問題，導致生產效率降低、產品質量惡化。車身的混流焊裝線上，產品種類引起的複雜度對系統的影響尤為巨大。雖然針對混流裝配線上的複雜度定義和應用作了一定研究，但是，仍然局限於從產品種類相關的角度出發，並未從焊裝線全局角度進行考慮，也未引入車身產品的個性化因素，更未對車身產品混流焊裝系統內可能影響系統性能的複雜度源進行識別、診斷。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種從焊裝系統全局出發，引入車身產品個性化因素，用於測度焊裝系統工位級和系統級複雜度的計算算法，同時提出的複雜度源靈敏度指標，以確定複雜度貢獻較大的關鍵工位和關鍵設備所在。本發明可作為車身焊裝線及工藝規劃的決策輔助工具，可改善當下的規劃，還將有效節省成本和時間，改進生產率，增強廠商競爭力。
本發明解決技術問題的技術方案如下：
本發明在混流混聯焊裝線條件下，針對個性化車身產品，提出工位級綜合複雜度，其中包含產品組件變型複雜度、焊裝設備複雜度、物料搬運設備複雜度、緩存區設備複雜度。然後對不同結構的混流混聯進行等效簡化，形成分析所用的等效串聯工位組成的焊裝系統，應用狀態空間理論表示包含個性化組件信息的系統級複雜度流模型。
建立各種靈敏度指數，表示複雜度源對最終評價的影響或者貢獻大小，並且提出工藝計劃內識別和診斷複雜度源的流程，獲取複雜度源所在的關鍵工位和關鍵設備，以便於快速進行工藝規劃修訂。
本發明設計的複雜度計算算法，可計算工位級綜合複雜度，其中包含產品組件變型(由模塊、零件變型得到)複雜度、焊裝設備複雜度、物料搬運設備複雜度、緩存區設備複雜度。並對不同結構的混流混聯焊裝線進行等效簡化，形成分析所用的等效串聯工位組成的焊裝系統，應用狀態空間理論表示包含個性化組件信息的系統級複雜度流模型，以探求車身焊裝系統的複雜度源所在。
本發明還提出複雜度源靈敏度指標，以確定複雜度貢獻較大的關鍵工位和關鍵設備所在(即關鍵複雜度源所在)。
本發明可作為車身焊裝線及工藝規劃的決策輔助工具，可改善當下的規劃，還將有效節省成本和時間，改進生產率，增強廠商競爭力。
附圖說明
圖1混流焊裝系統等效轉換示意圖
圖2關鍵複雜度源識別、診斷流程(註：)
具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本發明的技術方案進行更詳細的說明。所舉實例只用於解釋本發明,並非用於限定本發明的範圍。
一、工位級裝配體複雜度建模
(1)工位設備複雜度
靜態結構複雜度由三部分因素組成：信息量大小，信息多樣化指標和信息內容含量。在焊裝線工位上，三類設備中各自的具體特定設備可用複雜度指數表示複雜度的信息內容含量，對信息量大小和多樣化的理解，是通過信息內容含量的把握進行的。
針對具體某一工位的焊裝設備複雜度、物料搬運設備複雜度、緩存區設備複雜度，表示為：
ce＝(ne/ne+ie)[log2(ne+1)],e＝m,mhs,b
式中，m,mhs,b分別代表焊裝設備、物料搬運設備、緩存區設備。ne/ne表示信息多樣化指標，其中ne為該工位某類獨特設備數目，ne為該工位某類設備總體數目；log2(ne+1)則表示信息量大小，ie為該工位某類設備整體的平均複雜度指數，表徵信息內容含量。具體編碼見附圖說明表1、表2、表3。
表1焊裝及輔助設備編碼
表2物料搬運設備編碼
表3緩存區設備編碼
(2)產品組件選擇複雜度
對於個性化車身產品族，令表示焊裝線上工位k所裝配的模塊集合，對於模塊r，具有vr個不同的產品變型，由這些模塊組合裝配所成的組件數目為則其對每一車身產品變型的需求比例構成需求向量為
如果這些模塊集合在串聯工位k進行焊裝，工位操作人員或規劃人員面臨選擇的組件變型數目為此時，對組件變型vl的需求比例，存在：
如果這些模塊集合在並聯工位上進行焊裝，則作為工位之一k的操作人員或規劃人員面臨選擇的組件變型數目仍為但是，對組件變型vl的需求比例由於並聯分流，此時，對組件變型vl的需求比例，存在：
其中，θkl表示將組件變型vl分配至並聯工位之一k的比例。令表示在nk個並聯工位情形下，分配至工位k的所有組件變型生產比例。
本發明中，用信息熵度量輸出結果的不確定性。
對於串聯焊裝工位k，則
式中，信息熵h1上標1表示該工位為串聯焊裝工位。
在nk並聯焊裝工位上進行焊裝，則
式中，信息熵h2上標2表示該工位為並聯焊裝工位。
二、系統級複雜度傳遞建模
(1)焊裝線混聯結構等效操作
為便於進一步進行複雜度的分析，因此，需要對焊裝線的信息流混聯結構進行等效約簡，去除其中所含的並聯結構，得出完全的串聯結構。如圖1所示，等效簡化可表示為：
首先對混聯結構中的並聯部分內各支路上的串聯工位進行串聯等效操作，即操作，形成單一等效工位。針對上述步驟完成的並聯結構，進行並聯等效操作，即操作，形成單一等效工位。直到串聯結構為車身產品焊裝主線，則等效操作結束。
(2)系統級複雜度流模型
設在經等效操作之後的串聯工位i(i＝1,2...m)上，進行焊裝的模塊集合為這些模塊組合裝配之後得到的組件變型(介於模塊與最終產品之間)數目為組件變型則其需求向量，即需求比例可表示為令p為最終的個性化車身產品族。
式中，l＝1,2,...,ni。表徵組件變型vil是否作為個性化組件成為車身產品族p的一部分，是否會影響接下來工位i+1上設備的選擇。
根據對焊裝線上設備的分類，在某工位對焊裝設備(含夾具)、物料搬運設備、緩存區設備進行選擇用於接下來的焊裝操作，這種選擇行為依次編號為1(m)，2(mhs)，3(b)。為表示工位i上組件變型對工位i+1上設備選擇的影響，定義組件變型與設備選擇的關係矩陣：
式中，
當存在個性化模塊時，個性化模塊裝配而成的組件將有可能導致後繼下遊工位內的設備產生相當程度的變更，因此，需要研究個性化組件對於下遊工位的影響。
由工位i上組件的需求向量以及可以得到：
表示工位i上的個性化組件變型需求向量，由此概率，應用信息熵定義也可獲得在工位i上由於個性化組件產生的複雜度為：
其中運算符表示該複雜度，上標1表示此工位定義為串聯工位。該w算子表示引入個性化因素，將由工位上組件向量所得到的信息熵值計算得到個性化組件產生的複雜度。
工位i上加入個性化組件時，工位i+1上設備處於備選狀態f的概率為此時，由這些概率計算所得的信息熵為：
表示上一工位個性化組件進行裝配對下一工位的設備選擇所造成的不確定性，即所傳遞的裝備選擇複雜度。也可定義
其中e∈{1,2,3}且1＝m，2＝mhs，3＝b。此處，也可視作算子，也可視為轉換函數形式，它考慮到工位i上個性化組件產生的複雜度，對下一工位i+1的設備選擇信息熵進行計算，得到個性化組件引發的設備選擇複雜度。表示轉換函數的複合關係，稱為串聯工位i上組件變型複雜度。
根據狀態空間理論，建立複雜度流模型：
因為所以，有：
式中，i＝1,2,...,n，為經等效之後的n個串聯焊裝工位，為基本組件的複雜度，
式中，存在：
其中，ψi,h＝ai-1ai-2…ah是狀態轉移矩陣，yi表示對工位i的組件所具產品關鍵特徵，通過檢驗、測量進行的專家評估，在焊裝線末端，則進行最終個性化車身產品族的專家評估。i＝m時，也可視作規劃者根據上述工藝和裝配系統規劃對最終個性化產品質量不確定性的預測，即所獲產品質量的專家評估。
式中，γm＝[[dmψm,1][dmψm,2]…[dmψm,m]]，γ0＝dmψm,0，
式中，
三、車身焊裝系統工藝及系統規劃中複雜度源靈敏度分析
在系統級複雜度流模型內，靈敏度分析用於評估每一複雜度源對於個性化車身產品族質量(專家評估)的影響，可用作決策支持工具，以指導工藝及系統規劃的修訂和完善。靈敏度分析的過程分為以下步驟：
step1：比較設備靈敏度指數(即設備選擇不確定性對車身產品族質量影響程度)和組件變型靈敏度指數(即組件變型不確定性對於車身產品族質量影響程度)，確定工藝規劃內的主複雜度源；
step2：如果主複雜度源是來自設備，則比較設備對於每一產品質量關鍵特徵的靈敏度指數與設備對於車身產品靈敏度指數(即step1中的設備靈敏度指數)，確定關鍵的產品關鍵特徵；如果主複雜度源來自組件變型，則比較組件變型對於每一產品質量關鍵特徵的靈敏度指數與組件變型對於車身產品靈敏度指數，確定關鍵的產品關鍵特徵；
step3：確定產品關鍵特徵基礎上，確定複雜度源所在的關鍵工位，確認關鍵複雜度源，針對其進行修訂，以改善工藝及系統規劃，增強其魯棒性。
假設焊裝線具有m個工位，每一工位上，存在產品變型複雜度、焊裝設備複雜度、搬運設備複雜度、緩存區設備複雜度，焊裝線最終產品是個性化車身產品族，具有i個產品關鍵特徵，則一些列靈敏度指數可計算如下：
(1)工位k上焊裝設備靈敏度指數
表示工位k上焊裝設備複雜度對於單一產品關鍵特徵和產品族的影響，表示如下，首先，對於車身產品關鍵特徵：
式中，γi,j為矩陣γm的第i行第j列元素，和δyi分別為k工位上焊裝設備複雜度源的容許偏差和產品關鍵特徵yi的容許偏差。該式表示焊裝設備j對關鍵產品特徵yi的影響程度。對於產品族：
式中，表示焊裝設備j複雜度對產品族關鍵特徵的平均影響。則該工位焊裝設備複雜度對產品關鍵特徵yi的影響為：
式中，表示工位k上的焊裝設備編號數目。對產品族關鍵產品特徵的平均影響為：
(2)同理，工位k上物料搬運設備靈敏度指數、緩存區設備靈敏度指數可表示為：
(3)工位k上組件變型產生的複雜度對於最終產品的影響，也可以應用上述方法獲得一系列靈敏度指數：
(4)工藝靈敏度指數
這組靈敏度指數表示焊裝線上的設備和組件變型產生的複雜度對單一關鍵產品特徵和車身產品族的影響。
同理，可以得到以及
根據上述靈敏度指數的定義，建立關鍵複雜度源識別、診斷的流程如圖2所示。