【摘要】：刀具流調(diào)度是柔性制造系統(tǒng)(FMS)調(diào)度的重要組成部分,FMS的生產(chǎn)效率和系統(tǒng)柔性在很大程度上取決于刀具流的合理規(guī)劃。當(dāng)前刀具流的調(diào)度理論與算法還十分有限,實(shí)際運(yùn)行中的刀具流自動化水平也較低,這種現(xiàn)狀已經(jīng)在較大程度上影響了FMS生產(chǎn)能力的進(jìn)一步發(fā)揮,因此,為了提高系統(tǒng)的總體加工性能和充分發(fā)揮FMS本身的柔性,進(jìn)行更深入的刀具流調(diào)度研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。 本文以FMS中刀具流調(diào)度為研究對象,分析了刀具流動態(tài)調(diào)度研究的必要性,回顧了刀具流調(diào)度理論的研究現(xiàn)狀,研究了FMS生產(chǎn)中工序備刀與工步備刀兩種情況下的刀具流調(diào)度問題,并對刀具流調(diào)度過程中的死鎖檢測和死鎖避免等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了深入分析。 首先,結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)和Petri網(wǎng)理論分別為FMS生產(chǎn)中的工序備刀情況和工步備刀情況建立了調(diào)度仿真模型。該模型不僅包括了工件流,同時(shí)還重點(diǎn)考慮了刀具流進(jìn)程,并將機(jī)床故障與刀具失效作為一個(gè)組成部分包括進(jìn)來,從而準(zhǔn)確方便地描述了考慮刀具流的FMS運(yùn)行各個(gè)環(huán)節(jié),為后續(xù)的刀具流啟發(fā)式調(diào)度研究奠定了基礎(chǔ)。 其次,在以往工序備刀前提下的刀具流無死鎖調(diào)度工作基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將刀具壽命考慮進(jìn)來,從而豐富和完善了現(xiàn)有刀具流相關(guān)調(diào)度理論與技術(shù)。采用圖論方法建立了擴(kuò)展的刀具申請分配圖,并將其和刀具流死鎖聯(lián)系起來,從圖論角度深刻揭示了刀具流死鎖本質(zhì)。在擴(kuò)展的刀具申請分配圖基礎(chǔ)上,建立了刀具流死鎖判定定理和非死鎖圖的性質(zhì)定理。提出了兩層死鎖避免策略,分別用于機(jī)床選工序和刀具分派兩模塊的死鎖控制,實(shí)例分析表明了該策略的合理性和可行性。 在刀具分派決策中充分考慮了刀具流對工件流效率的影響,提出了目標(biāo)機(jī)床當(dāng)前加工完成時(shí)間最早規(guī)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該規(guī)則能夠有效地減少機(jī)床的刀具等待時(shí)間,提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。將兩層死鎖避免策略與調(diào)度規(guī)則相結(jié)合,最終建立了工序備刀下的刀具流無死鎖啟發(fā)式調(diào)度算法,并給出了刀具失效的處理策略,仿真結(jié)果表明了該算法的有效性。 在完成了工序備刀下的刀具流研究之后,基于圖論方法深入研究了工步備刀前提下刀具流的無死鎖調(diào)度問題。建立了刀具流狀態(tài)演變模型,給出了刀具流死鎖狀態(tài)及無死鎖不安全狀態(tài)的定義。構(gòu)建了刀具資源分派圖并提出了機(jī)床死鎖的概念,將機(jī)床死鎖與刀具流的無死鎖不安全狀態(tài)有機(jī)聯(lián)系起來,設(shè)計(jì)了一種刀具流無死鎖不安全狀態(tài)檢測算法,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步給出了刀具流的死鎖避免方法。實(shí)例表明該方法能夠簡單有效地避免死鎖的產(chǎn)生。 在刀具分派決策研究中提出了虛擬機(jī)床隊(duì)列思想,并將其與死鎖避免方法相結(jié)合,最終構(gòu)建了工步備刀下的刀具流無死鎖啟發(fā)式調(diào)度算法,并對調(diào)度過程中的刀具失效給出了相應(yīng)的處理策略,解決了工步備刀下的刀具流死鎖避免和刀具實(shí)時(shí)分派問題。 在完成了工步備刀下的刀具流無死鎖啟發(fā)式調(diào)度研究之后,進(jìn)一步從全局優(yōu)化角度分析了刀具流調(diào)度問題。以系統(tǒng)完工時(shí)間最少為優(yōu)化目標(biāo),建立了工件流和刀具流綜合調(diào)度數(shù)學(xué)模型。提出了一種雙重遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解：外層遺傳算法用于求解可行工序加工序列；內(nèi)層遺傳算法用于最優(yōu)可行刀具分派方案的搜索。實(shí)例分析表明了雙重遺傳算法的有效性和可行性。為使調(diào)度系統(tǒng)能夠有效處理機(jī)床故障和刀具破損等突發(fā)事件的再調(diào)度問題,進(jìn)一步給出了一類基于雙重遺傳算法的準(zhǔn)靜態(tài)優(yōu)化再調(diào)度方法。 最后,建立了各類算法的仿真調(diào)度程序,對各算法下系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了比較和綜合評價(jià),仿真分析結(jié)果表明所建立的工序備刀下的啟發(fā)式調(diào)度算法和工步備刀下的啟發(fā)式調(diào)度算法及優(yōu)化調(diào)度算法是可行而有效的。這些調(diào)度理論與算法的提出為FMS的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了依據(jù),為實(shí)際生產(chǎn)中FMS性能的充分發(fā)揮奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TH165
【圖文】：

用于儲存機(jī)床加工零件的各種刀具，機(jī)床不急需使用的刀具，加工某工序所需的特殊刀具及各種刀具的備用刀具等。圖1.1所示的刀具流物理模型概括了各類刀具流系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在此模型中，F(xiàn)MS由M個(gè)柔性制造單元 (Flexiblemanufaetruingeell，F(xiàn)Me)構(gòu)成，每個(gè)FMC由N臺機(jī)床組成。該模型的刀具流包括以下內(nèi)容:預(yù)調(diào)好的刀具由刀具進(jìn)出站進(jìn)入系統(tǒng)，然后由刀具輸送裝置按刀具分派表將刀具送至每個(gè)機(jī)床的局部機(jī)床刀庫。局部機(jī)床刀庫用來裝載目前加工所需的刀具，它的配置是根據(jù)目前機(jī)床的加工零件、加工負(fù)荷實(shí)現(xiàn)的。機(jī)床按被加工工件的要求，可以直接通過刀具輸送裝置從刀具進(jìn)出站、中央刀具庫或其它機(jī)床的局部機(jī)床刀庫調(diào)取所需要的刀具。在實(shí)際加工過程中，機(jī)床可一邊加工，一邊往自己的刀具庫調(diào)用要求的刀具。中央刀具庫是系統(tǒng)級刀具庫

本文在現(xiàn)有的國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、Petri網(wǎng)方法、圖論方法及智能優(yōu)化算法等，深入研究FMS刀具流調(diào)度的一系列關(guān)鍵問題，總體研究框架如圖1.4所示。首先，針對現(xiàn)有FMS建模研究的不足，建立更為全面的FMS調(diào)度仿真模型，為后續(xù)的刀具流調(diào)度研究提供指導(dǎo)。其次，針對現(xiàn)有刀具流調(diào)度研究的不足，將刀具壽命考慮進(jìn)來，對工序備刀情況下的啟發(fā)式調(diào)度作進(jìn)一步研究，然后重點(diǎn)對工步備刀情況下的啟發(fā)式調(diào)度與最優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行深入分析。最后

第2章工件流和刀具流的Petri網(wǎng)模型(4)刀具機(jī)械手對象子網(wǎng)刀具機(jī)械手對象子網(wǎng)如圖2.7所示。川:機(jī)械手閑態(tài);心:機(jī)械手被申請;式:機(jī)械手預(yù)定態(tài);心:刀具開始運(yùn)送;川:機(jī)械手忙態(tài);心:刀具運(yùn)送到達(dá);扒了羅:刀具機(jī)械手接收刀具發(fā)出的請求機(jī)械手消息;口材室:刀具機(jī)械手類向機(jī)床類發(fā)出刀具運(yùn)送到達(dá)消息。對于刀具機(jī)械手對象，當(dāng)機(jī)械手處于態(tài)且接收了刀具發(fā)出的請求機(jī)械手消息時(shí)，機(jī)械手轉(zhuǎn)為預(yù)定態(tài)，當(dāng)機(jī)械手開始運(yùn)送刀具時(shí)，由預(yù)定態(tài)轉(zhuǎn)為忙態(tài)。當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)送到達(dá)時(shí)，刀具機(jī)械手對象可以發(fā)送一個(gè)“刀具運(yùn)送到達(dá)”消息給機(jī)床對象同時(shí)轉(zhuǎn)為閑態(tài)。IM穿口人心圖2.7刀具機(jī)械手對象子網(wǎng) Fig.2.7SubnetofearriermaniPulatorsasobject(5)刀具對象子網(wǎng)刀具對象子網(wǎng)的petri網(wǎng)模型如圖2.8所示。月:刀具閑態(tài);以:刀具被申請;對:刀具預(yù)定態(tài);心:開始運(yùn)送;成:刀具忙態(tài);心:刀具被釋放;心:刀具失效;對:刀具故障態(tài);心:刀具被運(yùn)走;對:刀具維修態(tài);口人了::刀具類向機(jī)械手類發(fā)送的請求刀具機(jī)械手消息;勁了穿通:刀具類接收機(jī)床類發(fā)出的釋放刀具消息;從心“:刀具類接收機(jī)床類發(fā)出的請求刀具消息。刀具對象涵蓋了系統(tǒng)中所有可調(diào)動的刀具資源，刀具對象初始狀態(tài)為閑態(tài)，當(dāng)接受到機(jī)床對象發(fā)出的請求刀具消息時(shí)，刀具轉(zhuǎn)為預(yù)定態(tài)，同時(shí)向刀具機(jī)械手對象發(fā)送一個(gè)請求運(yùn)送消息，當(dāng)?shù)毒弑贿\(yùn)送到機(jī)床刀庫并開始加工時(shí)，刀具由預(yù)定態(tài)轉(zhuǎn)為忙態(tài)，當(dāng)加工過程中刀具發(fā)生磨損或破損時(shí)，變遷“刀具失效”被激發(fā)，刀具由忙態(tài)轉(zhuǎn)為故障態(tài)

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