一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種保證機(jī)床加工功能具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能同時(shí)具有制造系統(tǒng)的大批量生產(chǎn)能力和柔性化生產(chǎn)能力的問題。步驟一、獲取工藝相關(guān)信息；步驟二、根據(jù)工藝相關(guān)信息中的工件之間的加工功能、加工時(shí)間、加工批量構(gòu)建相似性工件族；步驟三、將工件在車間內(nèi)的加工按照加工功能進(jìn)行編碼；步驟四、隨機(jī)排列機(jī)床，生成編碼方案，解碼為初始可行解，并將其設(shè)為當(dāng)前最優(yōu)解；步驟五、按照兩段鄰位對(duì)換的策略生成當(dāng)前最優(yōu)解的可行解鄰域；步驟六、計(jì)算鄰域中所有可行解的評(píng)價(jià)值；步驟七、按照禁忌規(guī)則從鄰域中選擇一個(gè)解為當(dāng)前最優(yōu)解；步驟八、判斷當(dāng)前最優(yōu)解是否為全局最優(yōu)解。
【專利說明】一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，特別涉及一種保證機(jī)床加工功能具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對(duì)激烈地全球化市場(chǎng)競(jìng)爭與動(dòng)態(tài)多變的客戶需求，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著如何快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的剛性制造系統(tǒng)能通過大批量生產(chǎn)提高效益，它是專門針對(duì)某一種工件而不是基于變化的生產(chǎn)周期設(shè)計(jì)的，不具有縮放性和變化性；而對(duì)應(yīng)的柔性制造系統(tǒng)雖然能縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，但投資過大，系統(tǒng)功能冗余現(xiàn)象比較嚴(yán)重，資本回收期過長，給企業(yè)造成很大的成本壓力。因此，現(xiàn)代制造企業(yè)亟需一種能把剛性生產(chǎn)系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)的特點(diǎn)充分結(jié)合的全新制造系統(tǒng)，從而使制造企業(yè)能快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，提高競(jìng)爭力。
[0003]針對(duì)大批量生產(chǎn)與柔性制造雙重特點(diǎn)的制造系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種先進(jìn)制造系統(tǒng)，比如綜合了信息全能技術(shù)的敏捷制造系統(tǒng)、基于合弄概念的合弄制造系統(tǒng)、由智能機(jī)器人和人類專家共同構(gòu)成的智能制造系統(tǒng)、基于生物醫(yī)學(xué)和模擬自然界中生命形態(tài)而構(gòu)造的生物制造系統(tǒng)等等。這些先進(jìn)的制造系統(tǒng)在不同原理上實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)性，但是很少有從機(jī)床功能均勻布局的角度來研究制造系統(tǒng)構(gòu)形，從這個(gè)角度考慮的制造系統(tǒng)構(gòu)建原理簡單，易操作，能夠達(dá)到預(yù)期效果。
[0004]目前，已經(jīng)有學(xué)者運(yùn)用不同的方法來研究該問題。在《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》發(fā)表的《面向訂單制造的可重構(gòu)制造系統(tǒng)中虛擬制造單元構(gòu)建技術(shù)》中提出一種多目標(biāo)的非線性0-1整數(shù)規(guī)劃模型來研究多種不同交貨期訂單時(shí)的可重構(gòu)制造單元構(gòu)建問題，先用啟發(fā)式方法對(duì)非瓶頸設(shè)備和工藝處理，然后用分布式平行協(xié)同多目標(biāo)粒子群算法求解最優(yōu)解集，目標(biāo)設(shè)的較多，從最優(yōu)解集里選最優(yōu)解有較大困難。在《South African Journalof Industrial Engineering))上發(fā)表的〈〈A hybrid reconfigurable computer-1ntegratedmanufacturing cell for the production of mass customised parts〉〉提出將計(jì)算機(jī)集成制造單元與可重構(gòu)制造系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來，使構(gòu)建的系統(tǒng)構(gòu)形同時(shí)具有計(jì)算機(jī)集成制造單元的制造能力和可重構(gòu)制造系統(tǒng)的特征，從而達(dá)到可重構(gòu)制造單元要求的效果，但是相應(yīng)的結(jié)合技術(shù)并不成熟，難以實(shí)際應(yīng)用。在《Simulation》上發(fā)表的《Cell formation andscheduling of part families for reconfigurable cellular manufacturing systems usingTabu search》以最小化工件族之間的轉(zhuǎn)換成本和可重構(gòu)機(jī)床的閑置成本為優(yōu)化目標(biāo)，采用混合整數(shù)線性規(guī)劃模型同時(shí)解決工件族和制造系統(tǒng)構(gòu)形的構(gòu)建問題，但是未考慮構(gòu)形構(gòu)建之前車間機(jī)床布局問題。在《International Journal of Production Research))上發(fā)表的((Optimal configuration selection for reconfigurable manufacturing system using NSGAIIand T0PSIS》分兩階段優(yōu)化制造系統(tǒng)構(gòu)形，先采用非支配排序遺傳算法獲得非支配解，然后采用一種多屬性決策方法選擇帕雷托前沿解，這種方法尋找最優(yōu)構(gòu)形更有效，但是沒有考慮多工件加工路線。[0005]以上幾種制造系統(tǒng)構(gòu)型構(gòu)建方法的共性還在于:其都是在現(xiàn)有機(jī)床布局的基礎(chǔ)上考慮構(gòu)建制造系統(tǒng)構(gòu)型的。車間機(jī)床的布局方式對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的組織方式影響很大，如果制造系統(tǒng)構(gòu)型是在機(jī)床加工功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建的，則可以很大程度地提高制造系統(tǒng)的生
產(chǎn)柔性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的問題是提供了一種保證機(jī)床加工功能具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能同時(shí)具有制造系統(tǒng)的大批量生產(chǎn)能力和柔性化生產(chǎn)能力的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一、獲取工藝相關(guān)信息；
[0009]步驟二、根據(jù)工藝相關(guān)信息中的工件之間的加工功能、加工時(shí)間、加工批量構(gòu)建相似性工件族；
[0010]步驟三、根據(jù)步驟二中構(gòu)建的相似性工件族，將工件在車間內(nèi)的加工按照加工功能進(jìn)行編碼；
[0011]步驟四、隨機(jī)排列機(jī)床，生成編碼方案，解碼為初始可行解，得到步驟二中所述相似性工件族在車間中的加工方案，并將其設(shè)為當(dāng)前最優(yōu)解；
[0012]步驟五、按照兩段鄰位對(duì)換的策略生成當(dāng)前最優(yōu)解的可行解鄰域；
[0013]步驟六、計(jì)算鄰域中所有可行解的評(píng)價(jià)值；
[0014]步驟七、按照禁忌規(guī)則從鄰域中選擇一個(gè)解為當(dāng)前最優(yōu)解；
[0015]步驟八、判斷當(dāng)前最優(yōu)解是否為全局最優(yōu)解，如果該解是全局最優(yōu)解，則將其解碼并輸出，不是則轉(zhuǎn)到步驟五。
[0016]其中步驟一中所述的工藝相關(guān)信息，包括工件族中包含的工件數(shù)量及種類、工件使用的加工功能種類、每道工序使用機(jī)床的數(shù)量、每臺(tái)機(jī)床所具有的加工功能、車間內(nèi)機(jī)床布局。
[0017]其中步驟二中所述的構(gòu)建相似性工件族采用以下方法:
[0018]步驟1:根據(jù)式(I)得到任意兩個(gè)工件之間的加工功能相似性系數(shù)，進(jìn)而得出一批工件的加工功能相似性矩陣；
[0019]Ppq = a/ (a+b+c)(I)
[0020]其中，a是工件P和工件q使用相同加工功能的工序數(shù)量，b是只有工件p使用的加工功能的工序數(shù)量，c是只有工件q使用的加工功能的工序數(shù)量；
[0021]步驟2:根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算兩個(gè)工件的加工時(shí)間、加工批量相似性系數(shù)，進(jìn)而得出一批工件的其它評(píng)價(jià)指標(biāo)的相似性矩陣；
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、獲取工藝相關(guān)信息； 步驟二、根據(jù)工藝相關(guān)信息中的工件之間的加工功能、加工時(shí)間、加工批量構(gòu)建相似性工件族； 步驟三、根據(jù)步驟二中構(gòu)建的相似性工件族，將工件在車間內(nèi)的加工按照加工功能進(jìn)行編碼； 步驟四、隨機(jī)排列機(jī)床，生成編碼方案，解碼為初始可行解，得到步驟二中所述相似性工件族在車間中的加工方案，并將其設(shè)為當(dāng)前最優(yōu)解； 步驟五、按照兩段鄰位對(duì)換的策略生成當(dāng)前最優(yōu)解的可行解鄰域； 步驟六、計(jì)算鄰域中所有可行解的評(píng)價(jià)值； 步驟七、按照禁忌規(guī)則從鄰域中選擇一個(gè)解為當(dāng)前最優(yōu)解； 步驟八、判斷當(dāng)前最優(yōu)解是否為全局最優(yōu)解，如果該解是全局最優(yōu)解，則將其解碼并輸出，不是則轉(zhuǎn)到步驟五。
2.如權(quán)利要求1所述的一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，其中步驟一中所述的工藝相 關(guān)信息，包括工件族中包含的工件數(shù)量及種類、工件使用的加工功能種類、每道工序使用機(jī)床的數(shù)量、每臺(tái)機(jī)床所具有的加工功能、車間內(nèi)機(jī)床布局。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，其中步驟二中所述的構(gòu)建相似性工件族采用以下方法: 步驟1:根據(jù)式(I)得到任意兩個(gè)工件之間的加工功能相似性系數(shù)，進(jìn)而得出一批工件的加工功能相似性矩陣； Ppq = a/ (a+b+c)(I) 其中，a是工件P和工件q使用相同加工功能的工序數(shù)量，b是只有工件P使用的加工功能的工序數(shù)量，c是只有工件q使用的加工功能的工序數(shù)量； 步驟2:根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算兩個(gè)工件的加工時(shí)間、加工批量相似性系數(shù)，進(jìn)而得出一批工件的其它評(píng)價(jià)指標(biāo)的相似性矩陣；

4.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，其中步驟四中所述的解碼為初始可行解采用以下方法:首先對(duì)具有相同加工功能的機(jī)床集合進(jìn)行隨機(jī)排列，然后按照禁忌機(jī)床表對(duì)機(jī)床序列按照先后順序進(jìn)行調(diào)整，使每個(gè)機(jī)床序列中的需求機(jī)床沒有在禁忌機(jī)床表中出現(xiàn)，其中禁忌機(jī)床表是把每次對(duì)機(jī)床序列調(diào)整后的可行機(jī)床序列組合在一起而形成的集合，經(jīng)過調(diào)整之后的機(jī)床序列能夠滿足約束條件，為可行解。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種具有最大聯(lián)通性的制造系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化方法，其特征在于，其中步驟五中所述的生成當(dāng)前最優(yōu)解采用以下方法: 步驟1:設(shè)需求機(jī)床數(shù)量為n，則從當(dāng)前機(jī)床集合中選取前n+1個(gè)沒有被禁忌的機(jī)床及移動(dòng)方向和移動(dòng)元素； 步驟2:從選取的移動(dòng)元素中選出最大的元素Emax ； 步驟3:在選取的機(jī)床集合中，若對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向左，且不是第一個(gè)元素，則將Emax及移動(dòng)方向和機(jī)床與左邊的移動(dòng)元素及移動(dòng)方向和機(jī)床對(duì)換；若對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向右，且不是最后一個(gè)元素，則將Emax及移動(dòng)方向和機(jī)床與右邊的移動(dòng)元素及移動(dòng)方向和機(jī)床對(duì)換；轉(zhuǎn)至步驟8 ； 步驟4:若對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向左，且是第一個(gè)元素，或者對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向右，且是最后一個(gè)元素，則被標(biāo)識(shí)為不可移動(dòng)； 步驟5:從選取后的移動(dòng)元素中選出次大的元素Emintff ； 步驟6:若對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向左，且左邊元素沒有被標(biāo)記為不可移動(dòng)，則將Eminm及移動(dòng)方向和機(jī)床與左邊的移動(dòng)元素及移動(dòng)方向和機(jī)床對(duì)換；或者對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向右，且右邊元素沒有被標(biāo)記為不可移動(dòng)，則將EminOT及移動(dòng)方向和機(jī)床與右邊的移動(dòng)元素及移動(dòng)方向和機(jī)床對(duì)換； 步驟7:若對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向左,且左邊元素被標(biāo)記為不可移動(dòng),或者對(duì)應(yīng)的移動(dòng)方向向右，且右邊元素被標(biāo)記為不可移動(dòng)，則也被標(biāo)識(shí)為不可移動(dòng)，轉(zhuǎn)至步驟5 ； 步驟8:將新選取的機(jī)床集合與未選取的機(jī)床集合按照順序重新組合生成新的鄰位對(duì)換表； 步驟9:根 據(jù)需要的鄰域元素?cái)?shù)量N，重復(fù)N次步驟1-8，生成當(dāng)前解的N個(gè)鄰域。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK103996080SQ201410239088
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】王國新, 杜景軍, 閻艷, 王孟超, 鮑衍地 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)