柔性制造系統(tǒng)（FMS）刀具建模、調(diào)度仿真分析

萬廣福

柔性制造系統(tǒng)（FMS）刀具建模、調(diào)度仿真分析

萬廣福

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

將每把刀具的模塊細分為三部分，分別為刃具模塊、中間模塊、刀柄模塊，并由此針對性開展了模型建設(shè)。在基于調(diào)度刀具模塊的仿真分析中，圍繞一批具有購刀資金限制訂單展開，最終可確定，相較于刀具級刀具配置，模塊級刀具配置的表現(xiàn)更為優(yōu)秀。

柔性制造系統(tǒng)；刀具模塊；刀具建模；刀具移動系統(tǒng)

刀具屬于柔性制造車間生產(chǎn)各類問題的重要源頭，缺少刀具導(dǎo)致的無法滿足生產(chǎn)調(diào)度、尋找或補充刀具耗費大量時間的情況較為常見。為縮小瓶頸資源的范圍，避免刀具引發(fā)的各類問題出現(xiàn)，降低到刀具模塊級的刀具配置具有較高必要性，由此可見本文研究具備的現(xiàn)實意義。

1 柔性制造系統(tǒng)刀具建模

1.1 刀具模塊的劃分原則

針對性劃分刀具的刃具模塊、刀柄模塊、中間模塊，刃具模塊為含有刀頭的刀具模塊，刀柄模塊為含有主柄的刀 具模塊，中間模塊指的是聯(lián)接刃具模塊和刀柄模塊的模塊。同時，將不可分的刀具，如整體式鏜刀、精鏜刀看成一個 整體[1]。

1.2 刀具模塊的描述

基于刀柄模塊，采用、、、共4個屬性進行描述，分別代表成本、接口屬性、柄長、主柄類型；基于刃具模塊，采用、、、、、共6個屬性進行描述，分別代表特有屬性、成本、直徑、長度、接口屬性、刀具類型；基于中間模塊，采用、、、共4個屬性進行描述，分別代表成本、長度、刃接口、柄接口。通過對凹凸接口對刀具模塊中的接口屬性進行分類編排，屬于典型的有限離散數(shù)值集合，存在相同的可裝配的接口數(shù)值。其他刃具沒有而某刃具所有的屬性被稱為特有屬性，如絲攻的刃長、對倒角刀的小徑等[2]。

1.3 需求刀具的裝配方程

設(shè)需求刀具的類型、公長最小值、特有屬性集合值、主軸類型、懸長最小值、公徑分別為、、、、、，設(shè)現(xiàn)有刀柄模塊、中間模塊、刃具模塊的集合分別為、、，刀柄模塊（第∈個）、中間模塊（第∈個）、刃具模塊（第∈個）的選擇變量分別為i、j、k，且i、j、k∈{0，1}。

刀柄模塊（第個）的接口、長度、主軸類型分別表示為（）、（）、（），中間模塊（第個）的長度、刃具接口、刀柄接口分別表示為（）、（）、（），刃具模塊（第個）的特有屬性集合、公徑、長度、接口、刀具類型分別表示為（）、（）、（）、（）、（），因此需求的刀具屬于下述方程組的解集，方程組1為：

∑i=0

∑i（）=

∑i=1

∑k（）=

∑k（）=

∑k=1

∑i（）=∑k（）

∑i（）=∑i（）+∑k（）≥

∑i（）+∑k（）≥

|∑k（）－|≤

方程組2為：

∑i=1

∑i（）=∑i（）

∑i（）=∑k（）

1.4 問題描述

圍繞刀具移動類柔性制造系統(tǒng)展開，該系統(tǒng)用于箱體類加工中心，分析需要解決的問題可以發(fā)現(xiàn)，存在一批要加工任務(wù)的訂單和購買刀具給定的資金界限，且訂單交貨期不同，為實現(xiàn)任務(wù)的總拖期最短，需對該任務(wù)所需的中間模塊、刃具模塊、刀柄模塊進行優(yōu)化配置?？紤]到購刀資金是有限制的，且三種模塊的組合存在卡接口、類型、螺紋等可裝配的要求，且一種規(guī)格的需求刀具僅能夠通過一個刀具模塊在同一加工時間段內(nèi)進行裝配，因此需保證工件的調(diào)度和模塊的調(diào)度相配合。

基于上述分析，研究假定機器不會出現(xiàn)故障，同時不考慮刃具的磨損量，且每把刀具只占用一個刀位，同一規(guī)格的刀具每個機器最多可以分配一把，機器工件加工需要局部刀具庫裝入所需刀具后開始，需按工藝集結(jié)方式確定同一機器上加工的工件，存在事先已知且確定的每一個操作執(zhí)行時間，忽略刀具的裝配時間。

1.5 增加刀具模塊的算法

算法由兩部分重復(fù)進行：基于指定的工件加工次序，依次配置所有刀具模塊中最低成本刀具，基于該刀具配置應(yīng)用仿真方法求出每個工件的拖期，增加關(guān)鍵模塊的數(shù)量。關(guān)鍵模塊指的是擁有最大模塊總等待時間與成本比值的模塊。設(shè)、i、i、i、i、i分別為允許的最大刀具購買資金、等待i中的模塊的時間、最后等到的工件刀具模塊集合、工件的拖期、工件的交工時間、工件的完成時間，圖1直觀展示了i、i含義。

圖1 ti、Ai含義

基于圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，1、2、3刀具模塊需參與加工工件5，工件2會使用1、2刀具模塊，工件7使用刀具模塊3。在三種工件調(diào)度下，存在相同的5，均等于{1，2}，但同時存在完全不同的2。

基于上述內(nèi)容，本文引入了一種啟發(fā)式的增加刀具模塊算法，算法中的、、分別代表刀具模塊類型集合、刀具模塊、刀具模塊購買成本，由此可得到算法1：

Step2）執(zhí)行仿真，求得與，即所有工件在當(dāng)前模塊配置下的拖期。

Repeat

′≤0，Stop

j=j+1

全部枚舉完Untili*中的模塊

Goto Step2

所有工件均能夠被加工的最小刀具模塊集合為初始模塊集合，可得到算法2為：

Step0）為現(xiàn)有刀具模塊集合，為可購買刀具模塊集合。

Step2）重復(fù)上一步驟，完成所有配置。

2 柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度仿真

采用相同的模塊（模塊級）和刀具（刀具級）借用策略、相同的工件調(diào)度策略、相同的算法、相同的環(huán)境，以此對模塊級資源配置和刀具級資源配置分別進行仿真?；诖嬖?種不同類型主軸的4臺機器進行仿真，每臺機器負責(zé)5個工件的加工，需要10把刀具負責(zé)每個工件加工，每1把刀具含有的配件最多為1個，存在4種類型的刀具模塊間接口，存在的刀具類型共有9種。隨機產(chǎn)生刀具模塊的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計時使刃具模塊的價格小于刀柄模塊價格，以此做到更接近實際，同時保證中間模塊的價格小于刃具模塊價格。在工件調(diào)度方面，交貨期最早的工件在同一機器上擁有最高的優(yōu)先權(quán)。在刀具（模塊）調(diào)度方面，無返回。為與傳統(tǒng)方法進行對比，首先將存在成本最小的需求刀具的所有需求記為集合，通過拆刀的方式，即可基于集合進一步得到刃具模塊集合、中間模塊集合、刀柄模塊集合。基于刃具模塊集合、中間模塊集合、刀柄模塊集合，可得到資源，由此即可保證模塊級配置和刀具級配置的刀具均處于相同的允許模塊范圍內(nèi)。分析仿真獲得的容許購刀資金變化與所有工件的拖期變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在“拖期-資金”曲線中，采用模塊級配置的刀具在資金相同時擁有較短的刀具加工任務(wù)拖期，同時采用模塊級配置刀具的啟動資金也明顯少于采用刀具級配置的刀具，由此可直觀了解本文研究具備的較高借鑒價值。

3 結(jié)論

研究從模塊級柔性制造系統(tǒng)刀具配置問題入手，提供了實用性較高的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，同時還圍繞刀具級配置刀具和模塊級配置刀具在同一刀具模塊資源范圍內(nèi)進行了對比，模塊級配置刀具的優(yōu)勢得以直觀展示。在較大的刀具規(guī)模下，模塊級配置刀具可結(jié)合黑板配刀法，由此取得更好的效果。

［1］葉開.基于MTO的刀具壽命預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度的智能管理系統(tǒng)及應(yīng)用研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

［2］李超，唐鴻雁，萬齊訪，等.智能柔性生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)的研究［J］.內(nèi)燃機與配件，2018（7）：39-41.

TH165

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.13.006

2095－6835（2020）13－0016－02

〔編輯：王霞〕