摘要：作為屏蔽功能單元或機(jī)械保護(hù)單元的金屬絲編織已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)線纜。離散算法在計(jì)算效率和靈活性方面難以滿足編織工藝的動(dòng)態(tài)需求變化，為此提出了具備自適應(yīng)、自診斷、自修正運(yùn)算機(jī)制的自適應(yīng)算法。將自適應(yīng)算法與編織工藝的工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃排程、品質(zhì)管理等業(yè)務(wù)模塊有機(jī)結(jié)合，可提高編織工藝的柔性設(shè)計(jì)能力和數(shù)字化、智能化程度。
[關(guān)鍵詞]電纜;編織工藝;離散算法;自適應(yīng)算法;因子變量;嵌入式工藝;柔性;數(shù)字化
0引言
金屬絲編織作為屏蔽功能單元或機(jī)械保護(hù)單元已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)線纜。線纜工藝的定制化、自動(dòng)化、批量化和智能化已成為發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)目前編織工藝還停留在難以自動(dòng)化、數(shù)字化的離散求解模式，很難在實(shí)際應(yīng)用中科學(xué)、合理地指導(dǎo)生產(chǎn)，本文提出了自適應(yīng)算法以改善編織工藝的計(jì)算效率和適應(yīng)性。
本文以金屬絲編織作為研究對(duì)象，通過(guò)分析因子變量之間的數(shù)量關(guān)系，搭建編織自適應(yīng)算法，將單一離散計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)設(shè)條件下的多次自動(dòng)循環(huán)計(jì)算，將單次輸出轉(zhuǎn)變?yōu)橐蜃幼兞孔孕拚?、自適應(yīng)輸出，將結(jié)果控制前置到變量準(zhǔn)確性、合理性的輸入管控，弱化編織密度人工測(cè)量過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中將自適應(yīng)算法與編織工藝的工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃排程、品質(zhì)管理等業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，可提高編織工藝的柔性設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)編織工藝的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化水平提升。
1編織工藝設(shè)計(jì)原理
編織工藝參數(shù)中編織密度是用來(lái)表征編織層的疏密程度，其已成為線纜驗(yàn)收時(shí)的主要結(jié)構(gòu)尺寸指標(biāo)之一。根據(jù)IEC60092-350[1]、EN50288[2]、GB/T9330[3]、GJB773B[4]等標(biāo)準(zhǔn)以及《編織工藝學(xué)》[5]、《電線電纜手冊(cè)》[6]等文獻(xiàn)給出的多種不同表達(dá)形式的金屬絲編織屏蔽編織密度計(jì)算公式，總結(jié)了金屬絲編織密度P理論計(jì)算公式為：P=(2P1-P21)×100%(1)P1=mndπD1+πD槡()L2(2)式中：P1為單向覆蓋率，P1值的范圍為0～1;m為編織機(jī)同一方向錠數(shù);n為每錠的編織金屬絲根數(shù)(并絲根數(shù));d為編織金屬絲直徑，單位為mm;D為編織層外徑，單位為mm;L為編織節(jié)距，單位為mm。
為了確保生產(chǎn)的半成品或成品線纜金屬絲編織密度符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，必須對(duì)金屬絲編織工藝參數(shù)進(jìn)行合理工藝設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確測(cè)量，式(1)和式(2)為此提供了計(jì)算依據(jù)。在實(shí)際金屬絲編織工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和測(cè)量過(guò)程中，對(duì)與工藝和設(shè)備相關(guān)的、可用于生產(chǎn)指導(dǎo)的編織工藝參數(shù)———編織節(jié)距和編織角進(jìn)行設(shè)定和測(cè)量更為直接和方便。
2離散算法編織工藝設(shè)計(jì)的缺陷
本文所指的離散算法是計(jì)算過(guò)程分步的、斷續(xù)的，因計(jì)算變量值需結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷，需要人工參與計(jì)算、復(fù)核和判斷的計(jì)算方法。目前，門(mén)檻低、易推廣的離散算法是線纜行業(yè)編織工藝參數(shù)通用的計(jì)算方法，但其本身存在較多缺點(diǎn)：a.效率低。離散算法不能實(shí)現(xiàn)批量計(jì)算，雖然采用Excel表格可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，但因變量合理性離不開(kāi)人工復(fù)核，如果面臨產(chǎn)品種類(lèi)多、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)雜等情況，則會(huì)進(jìn)一步降低計(jì)算效率。b.調(diào)整繁瑣。其主要步驟為求解單向覆蓋率P1(P→式(1)→P1)→求解編織角α(P1、n、m、d、D→式(4)→α)→求解編織節(jié)距L(α、d、D→式(3)→L)→匹配編織齒輪配比Z1/Z2(≤L且最接近L值對(duì)應(yīng)的齒輪配比)。
在根據(jù)線纜型號(hào)按照上述步驟整理出各種規(guī)格對(duì)應(yīng)的編織參數(shù)表(包括n、m、L、Z1/Z2等)供制造時(shí)參考執(zhí)行，如果遇到制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)密度偏差、線錠雜糅、設(shè)備調(diào)整等問(wèn)題時(shí)，則需要按照“測(cè)量→計(jì)算→調(diào)整→再測(cè)量→再計(jì)算→再調(diào)整……”過(guò)程反復(fù)驗(yàn)證，適配工藝非常繁瑣。c.定制難。編織工藝參數(shù)的定制受到外觀質(zhì)量、編織絲外徑d、編織密度P、編織角α(航空航天用線纜等特種線纜的特殊要求)等驗(yàn)收指標(biāo)的影響，需經(jīng)反復(fù)演算、求解因子變量。同時(shí)，編織工藝參數(shù)的定制還受到制造模式的影響，尤其柔性制造模式，需要綜合庫(kù)存、效率、產(chǎn)品質(zhì)量等諸多要素后適配工藝參數(shù)(即工藝動(dòng)態(tài)優(yōu)化過(guò)程)。
例如對(duì)于零星訂單，采用離散算法時(shí)可盡量統(tǒng)一并絲根數(shù)n，以減少浪費(fèi)，通過(guò)調(diào)換設(shè)備(調(diào)整m值)確保編織層的外觀質(zhì)量;對(duì)于批量訂單，采用離散算法時(shí)可盡量利用每種型號(hào)設(shè)備的效率優(yōu)勢(shì)(控制α的范圍)，提高產(chǎn)出率，降低人工成本;對(duì)于交貨期非常緊迫的訂單，可能需要調(diào)換設(shè)備并重新定制工藝參數(shù)(如常規(guī)工藝采用16錠編織機(jī)生產(chǎn)，為滿足交貨期需分流到24錠編織機(jī)生產(chǎn))、量化交貨計(jì)劃，此時(shí)采用離散算法來(lái)規(guī)劃此類(lèi)制造方案，則時(shí)效性會(huì)大大降低。
3自適應(yīng)算法編織工藝設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)
雖然對(duì)于傳統(tǒng)線纜的金屬絲編織屏蔽制造，離散算法可基本滿足需求，但現(xiàn)今的線纜制造模式正在經(jīng)歷日新月異的柔性化、數(shù)字化、智能化發(fā)展變革，嵌入式工藝、在線檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化模式已成為線纜制造升級(jí)突破的主要方向，對(duì)此離散算法的不能自動(dòng)、批量、預(yù)設(shè)條件計(jì)算，在工作效率或靈活性等方面的瓶頸突現(xiàn)，已很難應(yīng)對(duì)新時(shí)期數(shù)字制造模式對(duì)編織工藝的需求，而計(jì)算效率高和適應(yīng)性強(qiáng)的自適應(yīng)算法則可大有作為。
3.1自適應(yīng)算法結(jié)構(gòu)
該模型由預(yù)設(shè)條件、運(yùn)算機(jī)制(過(guò)程)、輸入變量、輸出結(jié)果四部分組成，設(shè)計(jì)思路是：讓輸入變量在預(yù)設(shè)條件范圍內(nèi)自判斷、自調(diào)節(jié)、自優(yōu)化，不斷逼近并達(dá)成預(yù)設(shè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)工藝精準(zhǔn)化定制。
3.1.1預(yù)設(shè)條件
預(yù)設(shè)條件包括約束條件、工藝余量、輸出內(nèi)容三方面。約束條件規(guī)定編織角上下限[αmin，αmax]和并絲根數(shù)上下限[nmin，nmax]，分別限定編織角和并絲根數(shù)的調(diào)節(jié)范圍;工藝余量考慮編織密度ΔP和編織外徑ΔD，用于驗(yàn)證和修正工藝誤差;輸出內(nèi)容主要是編織工藝參數(shù)，包括編織角、編織節(jié)距、齒輪配比等，可定制輸出范圍。
3.1.2運(yùn)算機(jī)制
運(yùn)算機(jī)制包括自適應(yīng)、自診斷、自修正三大過(guò)程。自適應(yīng)過(guò)程是編織工藝參數(shù)的計(jì)算部分，基本運(yùn)算順序?yàn)槭?1)→式(4)→式(3)，多次引用式(4)求解編織角α是自適應(yīng)算法的核心，也是“輸入→輸出”的主要運(yùn)算過(guò)程。自診斷過(guò)程引用約束條件作為比對(duì)規(guī)則，診斷模式分為初級(jí)α診斷和次級(jí)n診斷，當(dāng)前者診斷結(jié)果為“true”時(shí)，自適應(yīng)算法會(huì)跳出診斷模式并進(jìn)入后續(xù)節(jié)點(diǎn)———式(3)→輸出結(jié)果;反之，開(kāi)啟“自診斷自修正”循環(huán)優(yōu)化模式，直到α診斷結(jié)果為“true”。自修正過(guò)程包括n修正和m修正，當(dāng)α診斷結(jié)果為“false”時(shí)，n在[nmin，nmax]范圍內(nèi)自修正，修正結(jié)果超出[nmin，nmax]范圍時(shí)開(kāi)啟m修正，直到α診斷結(jié)果為“true”。
3.1.3輸入變量
輸入變量包括P、D、d、n、m共5個(gè)因子變量，其中：P、D、d在運(yùn)算過(guò)程中維持常量狀態(tài)，n、m參與“自診斷自修正”運(yùn)算過(guò)程，通常有初始值、暫態(tài)值和終值三種狀態(tài)。
3.1.4輸出結(jié)果
輸出結(jié)果對(duì)應(yīng)編織工藝參數(shù)，包括并絲根數(shù)、金屬絲外徑、編織角、編織節(jié)距、齒輪配比、設(shè)備型號(hào)等，可根據(jù)需要定制輸出內(nèi)容。
3.2自適應(yīng)算法開(kāi)發(fā)
編織工藝參數(shù)的自適應(yīng)算法可采用VB、VBA、C#等主流編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因計(jì)算規(guī)模不大，算法設(shè)計(jì)非常靈活。以VB或VBA為例，既可采用Sub程序執(zhí)行操作指令，也可作為子程序或function自定義函數(shù)供其他過(guò)程調(diào)用。圖3示出了采用VBA開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)算法計(jì)算編織工藝參數(shù)程序設(shè)置的界面窗口。
3.3自適應(yīng)算法驗(yàn)證結(jié)果
電纜通過(guò)自適應(yīng)算法計(jì)算獲得的部分編織工藝參數(shù)，可見(jiàn)通過(guò)預(yù)設(shè)需求，自適應(yīng)算法智能匹配因子變量，可實(shí)現(xiàn)編織工藝參數(shù)最優(yōu)化輸出。
4自適應(yīng)算法編織工藝設(shè)計(jì)的應(yīng)用
自適應(yīng)算法可實(shí)現(xiàn)編織工藝參數(shù)的定制化、自動(dòng)化、批量化和智能化計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中可以將其與編織工藝的工藝設(shè)計(jì)、計(jì)劃排程、品質(zhì)管理等業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提高編織工藝的柔性設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)編織工藝的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化水平提升。
4.1編織設(shè)備嵌入式工藝開(kāi)發(fā)應(yīng)用
固化的工藝模式很難契合需求動(dòng)態(tài)變化，自適應(yīng)算法可將輸入和輸出部分連接到各系統(tǒng)的I/O(Input/Output)端口，實(shí)現(xiàn)按需定制、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、遠(yuǎn)程編輯、數(shù)字工藝和信息工藝整合。此外，自適應(yīng)算法還可應(yīng)用于編織設(shè)備嵌入式工藝開(kāi)發(fā)中，推動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)不斷成熟和低成本化以及編織設(shè)備由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)型向分電機(jī)驅(qū)動(dòng)型升級(jí)換代。
單電機(jī)編織機(jī)采用機(jī)械傳動(dòng)方式，同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下錠轉(zhuǎn)盤(pán)和牽引輪，通過(guò)齒輪變速實(shí)現(xiàn)節(jié)距調(diào)整，但因變速級(jí)數(shù)有限，編織節(jié)距呈階梯式變化，編織密度也會(huì)出現(xiàn)階躍式狀態(tài)(如相鄰兩組節(jié)距齒輪，對(duì)應(yīng)編織密度可能出現(xiàn)78.9%、82.4%)，而分電機(jī)編織機(jī)的上、下錠轉(zhuǎn)盤(pán)和牽引輪由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)編織節(jié)距在一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使編織密度更接近驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(如驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)編織密度≥80%，則實(shí)際編織密度可接近于80.5%)，從工藝層面提升質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性。
自適應(yīng)算法除和ERP(EnterpriseResourcePlanning)系統(tǒng)、MES(ManufacturingExecutionSystem)系統(tǒng)搭建接口外，還能與設(shè)備控制系統(tǒng)整合。通過(guò)上、下錠轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)轉(zhuǎn)速、牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速與編織節(jié)距之間關(guān)系，自動(dòng)匹配牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)經(jīng)測(cè)速反饋控制滿足精度要求;編織外徑、編織密度在線檢測(cè)反饋到控制端，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)、自動(dòng)、閉環(huán)控制。
4.2編織工藝計(jì)劃排程應(yīng)用
工藝計(jì)劃排程與工藝、物料、庫(kù)存、設(shè)備、人員等方面資源關(guān)聯(lián)密切，是線纜制造最核心、最重要的管理模塊之一。基于本地計(jì)算或云計(jì)算的高級(jí)計(jì)劃排程是實(shí)現(xiàn)智能制造的重要組成部分，而數(shù)字制造是高級(jí)計(jì)劃排程的基礎(chǔ)。計(jì)劃排程需要高效、準(zhǔn)確地解析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝流程，而高級(jí)計(jì)劃排程更依賴(lài)工藝路線優(yōu)化和工藝參數(shù)修正。自適應(yīng)算法具備高效計(jì)算和按需優(yōu)化編織工藝的必備功能和關(guān)鍵要素，能解決線纜編織工序全過(guò)程的數(shù)字化問(wèn)題，為其他類(lèi)似的工序節(jié)點(diǎn)提供解決方案的思路。
4.3編織工藝品質(zhì)管理應(yīng)用
在經(jīng)濟(jì)、成熟的在線檢測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用之前，例行檢測(cè)仍會(huì)是線纜編織工序品控的重要手段。自適應(yīng)算法可優(yōu)化工藝準(zhǔn)確率，簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程，提高編織半成品的質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性。自適應(yīng)算法通過(guò)調(diào)節(jié)工藝余量，驗(yàn)證不同線纜的工藝誤差，成熟后固化工藝。屆時(shí)，編織半成品的例行檢測(cè)簡(jiǎn)化為抽樣檢測(cè)，以編織密度測(cè)量為主的結(jié)果控制模式轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)線纜外徑、并絲根數(shù)等因子變量準(zhǔn)確性的過(guò)程預(yù)防模式，以更少的人力、更高的效率、更低的耗損，收獲同等甚至事半功倍的品控成效。
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作者：黃曉軍，余靜成，張宇航
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