【摘要】：作為一類先進(jìn)自動(dòng)化制造系統(tǒng),自動(dòng)化制造單元(Robotic cells)因其在提高生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)力成本等方面的優(yōu)勢(shì),在機(jī)械和電子制造等行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。在自動(dòng)化制造單元中,工件需要在不同工作站上進(jìn)行一系列工序的加工,工件在工作站之間的搬運(yùn)作業(yè)都是由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人執(zhí)行。因此,機(jī)器人是保證工件順利進(jìn)行加工的一項(xiàng)關(guān)鍵資源,其執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)的順序?qū)ψ詣?dòng)化制造單元的生產(chǎn)活動(dòng)具有重要影響。求解自動(dòng)化制造單元調(diào)度問題旨在通過合理安排機(jī)器人搬運(yùn)作業(yè)順序和工件加工順序來(lái)獲得有效的調(diào)度方案,以在滿足問題各類約束的前提下達(dá)到提高自動(dòng)化制造單元生產(chǎn)效率等優(yōu)化目標(biāo)。本論文重點(diǎn)研究三類典型自動(dòng)化制造單元調(diào)度優(yōu)化問題,包括自動(dòng)化制造單元調(diào)度魯棒優(yōu)化問題、具有可重入并行工作站的復(fù)雜自動(dòng)化制造單元?jiǎng)討B(tài)調(diào)度問題和周期調(diào)度問題。首先研究了一類自動(dòng)化制造單元調(diào)度魯棒優(yōu)化問題。在機(jī)器人行駛可能發(fā)生延遲的情況下,根據(jù)機(jī)器人執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)和空駛作業(yè)過程中的自由時(shí)差定義了周期調(diào)度方案(Cyclic schedules)的魯棒性。以最小化調(diào)度方案的周期時(shí)間(Cycle time)和最大化其魯棒性為優(yōu)化目標(biāo),建立了求解該問題的雙目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃(Mixed integer programming)模型。證明了最優(yōu)調(diào)度方案的周期時(shí)間隨其魯棒性嚴(yán)格遞增的關(guān)系,因此該問題具有無(wú)窮多個(gè)帕累托最優(yōu)解(Pareto optimal solutions)。通過構(gòu)造和分析特定的單目標(biāo)優(yōu)化問題獲得兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的上下界,并據(jù)此進(jìn)一步確定了界定帕累托前沿(Pareto fronier)所在區(qū)域的理想點(diǎn)(Ideal point)和最低點(diǎn)(Nadir point)。最后通過應(yīng)用商品化優(yōu)化軟件包CPLEX求解器對(duì)基準(zhǔn)算例和隨機(jī)生成算例進(jìn)行計(jì)算測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本研究所開發(fā)的模型和方法能夠有效求解此類自動(dòng)化制造單元調(diào)度魯棒優(yōu)化問題。其次研究了一類復(fù)雜自動(dòng)化制造單元?jiǎng)討B(tài)調(diào)度問題,該自動(dòng)化制造單元加工不同類型的工件并且具有可重入并行工作站(Reentrant parallel workstation)。通過構(gòu)造反例證明了文獻(xiàn)中一個(gè)求解類似問題的混合整數(shù)規(guī)劃模型存在建模缺陷,因此可能出現(xiàn)將可行解識(shí)別為不可行解的情況,并進(jìn)一步導(dǎo)致獲得非最優(yōu)解或者無(wú)解。為了解決該問題,本研究通過重新構(gòu)建可重入并行工作站加工能力約束以及將并行工作站和非并行工作站分開進(jìn)行建模,建立了一個(gè)新的混合整數(shù)規(guī)劃模型。與文獻(xiàn)中的已有模型相比,本研究新開發(fā)的模型不僅克服了上述缺陷,而且大大減少了約束條件和決策變量。此外,將文獻(xiàn)中的研究進(jìn)一步擴(kuò)展到具有可重入并行工作站的復(fù)雜情況。通過應(yīng)用商品化優(yōu)化軟件包CPLEX求解器對(duì)基準(zhǔn)算例和隨機(jī)生成算例進(jìn)行計(jì)算測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本研究所開發(fā)的模型在最優(yōu)解質(zhì)量和求解效率兩方面均優(yōu)于文獻(xiàn)中的已有模型。最后研究了一類復(fù)雜自動(dòng)化制造單元周期調(diào)度問題,該自動(dòng)化制造單元加工不同類型的工件并且具有可重入并行工作站。文獻(xiàn)中現(xiàn)有模型的工作站加工能力約束和加工時(shí)間窗口約束建模存在缺陷,因此可能導(dǎo)致獲得非最優(yōu)解或者無(wú)解的情況。為解決該問題,需要研究正確構(gòu)建這兩類約束條件的方法。一方面,在分析單工件類型自動(dòng)化制造單元周期調(diào)度問題的基礎(chǔ)上,分析了工件實(shí)際加工時(shí)間與其占用工位數(shù)之間的關(guān)系,并將其加工時(shí)間窗口約束的建模思路進(jìn)一步推廣到具有多工件類型的情形;另一方面,研究保證調(diào)度方案滿足工作站加工能力約束的充分必要條件,并據(jù)此建立了與之對(duì)應(yīng)的約束條件。在此基礎(chǔ)上,建立了求解此類問題的混合整數(shù)規(guī)劃模型。通過應(yīng)用商品化優(yōu)化軟件包CPLEX求解器對(duì)大量隨機(jī)生成算例進(jìn)行計(jì)算測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本研究所開發(fā)的模型能夠有效求解此類自動(dòng)化制造單元調(diào)度問題。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：F273

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本文編號(hào)：2594609