柔性制造系统刀具流动态调度研究

发布时间：2020-08-07 01:27

【摘要】：刀具流调度是柔性制造系统(FMS)调度的重要组成部分,FMS的生产效率和系统柔性在很大程度上取决于刀具流的合理规划。当前刀具流的调度理论与算法还十分有限,实际运行中的刀具流自动化水平也较低,这种现状已经在较大程度上影响了FMS生产能力的进一步发挥,因此,为了提高系统的总体加工性能和充分发挥FMS本身的柔性,进行更深入的刀具流调度研究具有重要的理论价值和实际意义。本文以FMS中刀具流调度为研究对象,分析了刀具流动态调度研究的必要性,回顾了刀具流调度理论的研究现状,研究了FMS生产中工序备刀与工步备刀两种情况下的刀具流调度问题,并对刀具流调度过程中的死锁检测和死锁避免等关键技术问题进行了深入分析。首先,结合面向对象技术和Petri网理论分别为FMS生产中的工序备刀情况和工步备刀情况建立了调度仿真模型。该模型不仅包括了工件流,同时还重点考虑了刀具流进程,并将机床故障与刀具失效作为一个组成部分包括进来,从而准确方便地描述了考虑刀具流的FMS运行各个环节,为后续的刀具流启发式调度研究奠定了基础。其次,在以往工序备刀前提下的刀具流无死锁调度工作基础上,进一步将刀具寿命考虑进来,从而丰富和完善了现有刀具流相关调度理论与技术。采用图论方法建立了扩展的刀具申请分配图,并将其和刀具流死锁联系起来,从图论角度深刻揭示了刀具流死锁本质。在扩展的刀具申请分配图基础上,建立了刀具流死锁判定定理和非死锁图的性质定理。提出了两层死锁避免策略,分别用于机床选工序和刀具分派两模块的死锁控制,实例分析表明了该策略的合理性和可行性。在刀具分派决策中充分考虑了刀具流对工件流效率的影响,提出了目标机床当前加工完成时间最早规则。实验结果表明该规则能够有效地减少机床的刀具等待时间,提高了系统的生产效率。将两层死锁避免策略与调度规则相结合,最终建立了工序备刀下的刀具流无死锁启发式调度算法,并给出了刀具失效的处理策略,仿真结果表明了该算法的有效性。在完成了工序备刀下的刀具流研究之后,基于图论方法深入研究了工步备刀前提下刀具流的无死锁调度问题。建立了刀具流状态演变模型,给出了刀具流死锁状态及无死锁不安全状态的定义。构建了刀具资源分派图并提出了机床死锁的概念,将机床死锁与刀具流的无死锁不安全状态有机联系起来,设计了一种刀具流无死锁不安全状态检测算法,并在此基础上进一步给出了刀具流的死锁避免方法。实例表明该方法能够简单有效地避免死锁的产生。在刀具分派决策研究中提出了虚拟机床队列思想,并将其与死锁避免方法相结合,最终构建了工步备刀下的刀具流无死锁启发式调度算法,并对调度过程中的刀具失效给出了相应的处理策略,解决了工步备刀下的刀具流死锁避免和刀具实时分派问题。在完成了工步备刀下的刀具流无死锁启发式调度研究之后,进一步从全局优化角度分析了刀具流调度问题。以系统完工时间最少为优化目标,建立了工件流和刀具流综合调度数学模型。提出了一种双重遗传算法对优化模型进行求解：外层遗传算法用于求解可行工序加工序列；内层遗传算法用于最优可行刀具分派方案的搜索。实例分析表明了双重遗传算法的有效性和可行性。为使调度系统能够有效处理机床故障和刀具破损等突发事件的再调度问题,进一步给出了一类基于双重遗传算法的准静态优化再调度方法。最后,建立了各类算法的仿真调度程序,对各算法下系统的性能指标进行了比较和综合评价,仿真分析结果表明所建立的工序备刀下的启发式调度算法和工步备刀下的启发式调度算法及优化调度算法是可行而有效的。这些调度理论与算法的提出为FMS的设计和运行提供了依据,为实际生产中FMS性能的充分发挥奠定了基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH165
【图文】：

物理模型,刀具,机床,刀库

用于储存机床加工零件的各种刀具，机床不急需使用的刀具，加工某工序所需的特殊刀具及各种刀具的备用刀具等。图1.1所示的刀具流物理模型概括了各类刀具流系统的总体结构。在此模型中，FMS由M个柔性制造单元 (Flexiblemanufaetruingeell，FMe)构成，每个FMC由N台机床组成。该模型的刀具流包括以下内容:预调好的刀具由刀具进出站进入系统，然后由刀具输送装置按刀具分派表将刀具送至每个机床的局部机床刀库。局部机床刀库用来装载目前加工所需的刀具，它的配置是根据目前机床的加工零件、加工负荷实现的。机床按被加工工件的要求，可以直接通过刀具输送装置从刀具进出站、中央刀具库或其它机床的局部机床刀库调取所需要的刀具。在实际加工过程中，机床可一边加工，一边往自己的刀具库调用要求的刀具。中央刀具库是系统级刀具库

框架图,论文,框架,流调度

本文在现有的国内外研究基础上，综合应用面向对象技术、Petri网方法、图论方法及智能优化算法等，深入研究FMS刀具流调度的一系列关键问题，总体研究框架如图1.4所示。首先，针对现有FMS建模研究的不足，建立更为全面的FMS调度仿真模型，为后续的刀具流调度研究提供指导。其次，针对现有刀具流调度研究的不足，将刀具寿命考虑进来，对工序备刀情况下的启发式调度作进一步研究，然后重点对工步备刀情况下的启发式调度与最优化调度进行深入分析。最后

Petri网模型,对象子网,刀具,机械手

第2章工件流和刀具流的Petri网模型(4)刀具机械手对象子网刀具机械手对象子网如图2.7所示。川:机械手闲态;心:机械手被申请;式:机械手预定态;心:刀具开始运送;川:机械手忙态;心:刀具运送到达;扒了罗:刀具机械手接收刀具发出的请求机械手消息;口材室:刀具机械手类向机床类发出刀具运送到达消息。对于刀具机械手对象，当机械手处于态且接收了刀具发出的请求机械手消息时，机械手转为预定态，当机械手开始运送刀具时，由预定态转为忙态。当刀具运送到达时，刀具机械手对象可以发送一个“刀具运送到达”消息给机床对象同时转为闲态。IM穿口人心图2.7刀具机械手对象子网 Fig.2.7SubnetofearriermaniPulatorsasobject(5)刀具对象子网刀具对象子网的petri网模型如图2.8所示。月:刀具闲态;以:刀具被申请;对:刀具预定态;心:开始运送;成:刀具忙态;心:刀具被释放;心:刀具失效;对:刀具故障态;心:刀具被运走;对:刀具维修态;口人了::刀具类向机械手类发送的请求刀具机械手消息;劲了穿通:刀具类接收机床类发出的释放刀具消息;从心“:刀具类接收机床类发出的请求刀具消息。刀具对象涵盖了系统中所有可调动的刀具资源，刀具对象初始状态为闲态，当接受到机床对象发出的请求刀具消息时，刀具转为预定态，同时向刀具机械手对象发送一个请求运送消息，当刀具被运送到机床刀库并开始加工时，刀具由预定态转为忙态，当加工过程中刀具发生磨损或破损时，变迁“刀具失效”被激发，刀具由忙态转为故障态

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