自动化制造单元调度问题建模与优化研究

发布时间：2020-03-22 06:02

【摘要】：作为一类先进自动化制造系统,自动化制造单元(Robotic cells)因其在提高生产效率和降低劳动力成本等方面的优势,在机械和电子制造等行业的应用日趋广泛。在自动化制造单元中,工件需要在不同工作站上进行一系列工序的加工,工件在工作站之间的搬运作业都是由计算机控制的机器人执行。因此,机器人是保证工件顺利进行加工的一项关键资源,其执行搬运作业的顺序对自动化制造单元的生产活动具有重要影响。求解自动化制造单元调度问题旨在通过合理安排机器人搬运作业顺序和工件加工顺序来获得有效的调度方案,以在满足问题各类约束的前提下达到提高自动化制造单元生产效率等优化目标。本论文重点研究三类典型自动化制造单元调度优化问题,包括自动化制造单元调度鲁棒优化问题、具有可重入并行工作站的复杂自动化制造单元动态调度问题和周期调度问题。首先研究了一类自动化制造单元调度鲁棒优化问题。在机器人行驶可能发生延迟的情况下,根据机器人执行搬运作业和空驶作业过程中的自由时差定义了周期调度方案(Cyclic schedules)的鲁棒性。以最小化调度方案的周期时间(Cycle time)和最大化其鲁棒性为优化目标,建立了求解该问题的双目标混合整数规划(Mixed integer programming)模型。证明了最优调度方案的周期时间随其鲁棒性严格递增的关系,因此该问题具有无穷多个帕累托最优解(Pareto optimal solutions)。通过构造和分析特定的单目标优化问题获得两个目标函数的上下界,并据此进一步确定了界定帕累托前沿(Pareto fronier)所在区域的理想点(Ideal point)和最低点(Nadir point)。最后通过应用商品化优化软件包CPLEX求解器对基准算例和随机生成算例进行计算测试。实验结果表明,本研究所开发的模型和方法能够有效求解此类自动化制造单元调度鲁棒优化问题。其次研究了一类复杂自动化制造单元动态调度问题,该自动化制造单元加工不同类型的工件并且具有可重入并行工作站(Reentrant parallel workstation)。通过构造反例证明了文献中一个求解类似问题的混合整数规划模型存在建模缺陷,因此可能出现将可行解识别为不可行解的情况,并进一步导致获得非最优解或者无解。为了解决该问题,本研究通过重新构建可重入并行工作站加工能力约束以及将并行工作站和非并行工作站分开进行建模,建立了一个新的混合整数规划模型。与文献中的已有模型相比,本研究新开发的模型不仅克服了上述缺陷,而且大大减少了约束条件和决策变量。此外,将文献中的研究进一步扩展到具有可重入并行工作站的复杂情况。通过应用商品化优化软件包CPLEX求解器对基准算例和随机生成算例进行计算测试。实验结果表明,本研究所开发的模型在最优解质量和求解效率两方面均优于文献中的已有模型。最后研究了一类复杂自动化制造单元周期调度问题,该自动化制造单元加工不同类型的工件并且具有可重入并行工作站。文献中现有模型的工作站加工能力约束和加工时间窗口约束建模存在缺陷,因此可能导致获得非最优解或者无解的情况。为解决该问题,需要研究正确构建这两类约束条件的方法。一方面,在分析单工件类型自动化制造单元周期调度问题的基础上,分析了工件实际加工时间与其占用工位数之间的关系,并将其加工时间窗口约束的建模思路进一步推广到具有多工件类型的情形;另一方面,研究保证调度方案满足工作站加工能力约束的充分必要条件,并据此建立了与之对应的约束条件。在此基础上,建立了求解此类问题的混合整数规划模型。通过应用商品化优化软件包CPLEX求解器对大量随机生成算例进行计算测试。实验结果表明,本研究所开发的模型能够有效求解此类自动化制造单元调度问题。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：F273

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