（机械电子工程专业论文）面向模具制造的机器人单元调度系统研究.pdf

摘要 摘要 模具是现代工业产品成形的重要工艺装备之一，为国民经济的许多产品提供了重 要的装备基础，其不仅专业化和生产集约化程度高，而且技术含量也极高。在全球激 烈的市场竞争中，模具的精度、质量、寿命以及交货期的要求越来越高。但是，同国 外同行业先进水平相比，我国模具生产水平还存在较大差距，加工精度不高、专业化 程度低、工艺装备水平低、设备利用率低、交货期难以保证等问题仍比较突出。为此， 提出了在模具制造中引进机器人制造单元( 以下简称：模具机器人制造单元) 这一制 造系统新形式，为模具企业运用先进制造手段提升产品质量与交货表现，进而提高企 业核心竞争力提供现实基础。 机器人制造单元在模具生产中的运用是一种全新的尝试，合理分配和调度制造单 元内各资源，充分发挥制造单元的生产效率是核心研究内容。本文就模具机器人制造 单元调度系统的运行机制、建模及求解算法等进行了深入的研究。 首先，为了确保所建机器人制造单元系统的生产效率发挥到最优，结合模具企业 实际情况，对模具机器人制造单元调度系统进行了运行机制研究，分析了系统的关键 技术问题并提出了相应的解决思路，为调度系统的构建打下基础。 其次，分析了模具机器人制造单元任务调度的内容和特点，针对模具机器人制造 单元作业任务难以合理分配的问题，以最小化工件组的最大完工时间为目标，建立了 任务调度的数学模型，并提出了模型求解的总体策略。 再次，为了提高模型求解的速度和效率，综合分析了现行调度算法的优缺点，并 结合模具机器人制造单元任务调度的实际情况，设计了一种遗传禁忌混合优化算法。 实例分析说明了所提方法的可靠性和有效性。 最后，实现了模具机器人制造单元调度仿真原型系统。该系统具备对作业计划自 动排序的处理功能以及能够有效提高设备生产效率和资源利用率的特点。 关键词：模具；机器人制造单元；调度系统；建模；算法 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o u l di so n eo fi m p o r t a n tt e c h n i c a le q u i p m e r i tf o rm o l d i n gt h em o d e r ni n d u s t r i a l p r o d u c t ，a n dp r o v i d e si m p o r t a n te q u i p m e n tf o u n d a t i o nf o rm a n yt h ep r o d u c t so fn a t i o n a l e c o n o m y i tn o to n l yi sh i g hd e g r e eo fs p e c i a l i z a t i o na n dp r o d u c t i o ni n t e n s i v e ，b u ta l s ov e r y h i g ht e c h n i c a lc o n t e n t i ng l o b a lt h ef i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n , i tt e n d st ob eh i g l l l yr e q u i r e d i na c c u r a c y ，q u a l i t y ，l i f ea n dd e l i v e r y h o w e v e r ，t h el e v e lo fm o u l dp r o d u c t i o ni nc h i n ai s l o wc o m p a r e dw i t hf o r e i g na d v a n c e dl e v e l s o m ep r o b l e m sa r es t i l ls e r i o u s ，s u c ha sl o wt h e p r e c i s i o ni np r o c e s s ，l o wd e g r e eo fs p e c i a l i z a t i o n , l o wc r a f te q u i p p e dl e v e l , l o wr a t ei n e q u i p m e n tu t i l i z a t i o n , h a r d t oe n s u r e d e l w e r y t h e r e f o r e ，r o b o t i c c e l lf o rm o u l d m a n u f a c t u r i n gi si n t r o d u c e db yt h em o u me u t e 印r i s e ，a b b r e v i a t i n ga sm o u mr o b o t i cc e l l ， t h a ti san e wf o r mo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，i no r d e rt oe n h a n c ep r o d u c tq u a l i t ya n d d e l i v e r yp e r f o r m a n c ea n di m p r o v ec o r ec o m p e t i t i v ep o w e ro fm o u l de u t e 印r i s ew i t ht h e b a s i si nr e a l i t yb yt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gm e a n s u s i n gr o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n gi nt h em o l dp r o d u c t i o np r o c e s s i n gi sa k i n d o fb r a n d n e wt r i a l p r o p e r l ys c h e d u l i n ga n dd i s p a t c h i n gr e s o u r c ei nr o b o t i cc e l li si m p o r t a n t f o ri m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h er o b o t i cc e l ls y s t e m t h i sp a p e rg a v eai n - d e p t h r e s e a r c ha b o u tm e c h a n i s m , m o d e l i n ga n ds c h e d u l i n ga k o r i t l u _ i l f i r s t ，i no r d e rt oo p t i m i z ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fe s t a b l i s h e dr o b o t i cc e l lf o rm o u l d m a n u f a c t u r i n g ，c o m b i n e dm o u l de m e 印r i s et h er e a ls i t u a t i o n ，t h i sp a p e rg a v eai n - d e p t h r e s e a r c ha n da n a l y s i st om e c h a n i s m t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r ep u tf o r w a r da b o u tt h e p r o b l e m se x i s t i n gi nt h es y s t e m , w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rc o n s t r u c t i o no ft h es c h e d u l i n g s y s t e m s e c o n d l y ，i ti sd i f f i c u l tt os c h e d u l ep r o p e r l yt a s ks c h e d u l i n gs t r a t e g yo fr o b o t i cc e l lf o r m o u l dm a n u f a c t u r i n g c o n c e r n i n ga n a l y z e dc o n t e n ta n df e a t u r e so ft a s ks c h e d u l i n go f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ht h eo p t i m i z i n gt a r g e t st o m i n i m a lm a k e s p a na n di t st h eo v e r a l ls t r a t e g ya r ep r o p o s e d ，c o n s i d e r i n gt h ep a r t i c u l a r i t yo f t a s ks c h e d u l i n gp r o b l e mo f r o b o t i cc e l lf o rm o u m m a n u f a c t u r i n g a b s t r a ( 了r a g a i n ，ak i n do fg e n e t i ct a b uh y b r i do p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e d ，i no r d e rt o i m p r o v et h es p e e da n de f f i c i e n c yo fs o l v i n gp r o b l e m sa f t e ra n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fc u r r e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dc o n s i d e r e da c t u a ls i t u a t i o no fs c h e d u l i n g s y s t e mo fr o b o t i c c e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g ，a n de v e n t u a n yi t i sa c h i e v e d b y p r o g r a m m i n gm e t h o d t h ee x a m p l ea n a l y s i ss h o w st h er e l i a b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h e p r o p o s e dm e t h o d f i n a l l y , s y s t e mp r o t o t y p e o f s c h e d u l i n g s i m u l a t i o no fr o b o t i cc e l lf o rm o u l d m a n u f a c t u r i n gi sa c h i e v e db yt h es o f t w a r em e t h o da n dp r o g r a m m i n gt 0 0 1 t h i ss y s t e mh a st o b ea u t o m a t i cs o r t i n gp r o c e s s i n gp r o d u c t i o np l a na n d c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ef u n c t i o no f e q u i p m e n tp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr e s o u r c e su t i l i z a t i o n k e yw o r d s ：m o u l d ；r o b o t i cc e l l ；s c h e d u l i n gs y s t e m ；m o d e l i n g ；a l g o r i t h m l c o n t e n t s c o n t en t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( e n g l i s h ) v i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e i 1 i ic u r r e n tp r o d u c t i o ns t a t u si nm o u l de m e r p r i s e 1 1 1 2c u r r e n tm o u l de n t e r p r i s ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e m s 2 1 1 3r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n 3 1 2d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs i t u a t i o n 5 1 2 1m o l dp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e mr e s e a r c hs t r a t e g y 5 1 2 2r o b o t i cc e l lc o n s t r u c t i n gf o r m 6 1 2 3r o b o t i cc e l ls c h e d u l i n gm e t h o d 7 1 3g e n e r a li n t r o d u c t i o nf o rt h i sp a p e r 1 0 1 3 1 t o p i cs o u r c e 1 0 1 3 2r e s e a r c hg o a l ”1 0 1 3 3r e s e a r c hc o n t e n t 1 0 1 3 4 c h a p t e ra r r a n g e ”1 1 1 4 s u m m a r y 1 1 c h a p t e r2s c h e d u l i n gs y s t e mm e c h a n i s m o fr o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 1 2 2 1p r e f a c e 1 2 2 2 s c h e d u l i n gs y s t e m c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t 12 2 3s c h e d u l i n gs y s t e mo p e r a t i o nm e c h a n i s mp r o c e s s i n g 13 2 4s c h e d u l i n gs y s t e mo v e r a l lw o r k f l o wd e s i g n 17 v n 广东工业大学硕士学位论文 2 5 s c h e d u l i n gs y s t e mk e yt e c h n i c a la n a l y s i s 1 8 2 5 1 d y n a m i cs c h e d u l i n gs t r a t e g y 1 9 2 5 2s t a t i cs c h e d u l i n gg o a la n do p t i m i z a t i o nm e t h o d 2 1 2 5 3t h er o b o tt a s ks c h e d u l i n g 2 1 2 6 s u m m a r y 2 3 c h a p t e r3s c h e d u l i n gm o d e l i n go fr o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 2 4 3 1p r e f a c e 2 4 3 2 s c h e d u l i n gm o d e le l e m e n t s 2 4 3 3t a s ks c h e d u l i n gp r o b l e ma n a l y s i so f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 2 5 3 3 1p r o b l e md e s c r i p t i o n 2 5 3 3 2c o n s t r a i n tc o n d i t i o na n do p t i m i z a t i o nt a r g e t 2 7 3 4t a s ks c h e d u l i n gm o d e lo f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 2 8 3 4 1 d i s j u n c t i v eg r a p h m e t h o di n t r o d u c t i o n 2 8 3 4 2 d i s j u n c t i v eg r a p h o f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 2 9 3 5 s o l v i n gr e q u i r e m e n t sa n a l y s i so f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 3 0 3 6s u m m a r y 3 2 c h a p t e r4 t a s ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mo fr o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 3 3 4 1p r e f a c e 3 3 4 2o v e r a l ls o l u t i o ns t r a t e g yo f r o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 3 3 4 3 g e n e t i ct a b uh y b r i da l g o r i t h md e s i g n 3 4 4 3 1g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt a b us e a r c ha l g o r i t h mc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 3 4 4 3 2 g e n e r a ld e s i g nt h o u g h to f g e n e t ma l g o r i t h ma n dt a b us e a r c ha l g o r i t h m 3 4 4 3 3 t h et a b uh y b r i da l g o r i t h mg e n e t mp a r a m e t e rs e l e c t i o n 3 6 4 4 a l g o r i t h ma n da n a l y s i so f t h er e s u l t s 4 0 4 4 1 s c h e d u l i n ge x a m p l e s 4 0 4 4 2r e s u l ta n a l y s i s 4 4 4 5 s u m m a r y 4 6 c h a p t e r5s y s t e ms o f td e v e l o p m e n ta n di n t r o d u c t i o n 一4 7 v m c o n t e n t s 5 1 s y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t 4 7 5 1 1 s y s t e ms t r u c t u r e 4 7 5 1 2d a t a b a s ed e s i g n 4 7 5 2i n t r o d u c e dt h em a i nf u n c t i o nm o d u l e so f s y s t e m 4 9 5 2 1b a s i cd a t am a i n t e n a n e e 5 0 5 2 2 o p e r a t i o nm a n a g e m e n t 5 1 5 2 3 s c h e d u l i n g 5 2 5 2 4 s y s t e mm a i n t e n a n c e 5 3 5 3 s u m m a r y 5 3 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 4 r e f e r e n c e s 5 6 p u b l i s h e dp a p e md u r i n gg r a d u a t e 6 1 o r i g i n a l i t ys t a t e m e n to fd e g r e e t h e s i s 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t 6 3 i x 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 模具企业生产发展现状 第一章绪论 模具是现代工业产品成形的重要工艺装备之一，为国民经济的许多产品提供了重 要的装备基础。模具生产水平的高低，已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的重 要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力【i 】。振兴和发展 我国的模具工业，提高模具制造企业的技术和管理水平，增强我国模具制造业的竞争 力是摆在我们面前的重要课题。近几年来，我国模具经济效益大幅提高，新产品开发 跨上新的台阶，出口创汇节节攀升，发展势头良好。尽管我国模具制造业取得了突飞 猛进的发展，但是我们必须清晰地看到，与发达国家相比，目前我国模具制造业整体 发展水平仍然较低，存在着一定的差距，主要表现在 2 11 3 1 ： ( 1 )自主创新能力不足，产品结构不够合理，专业化程度低； ( 2 ) 工艺装备水平低，加工精度达不到国际要求； ( 3 ) 标准化程度低，设备配套性不好，利用率低，高端产品市场占有率低； ( 4 ) 企业管理比较薄弱，技术人才严重不足，特别缺乏高层次的尖端人。 此外，国内一些大型模具企业拥有的装备数量与质量并不落后于国外，但是一流 的装备并没有发挥出一流的效益，关键的一点在于生产装备的组织与管理跟不上，迫 切需要先进的制造技术和管理手段来提高模具企业的生产发展。 随着经济全球化和产品结构升级加速，用户的需求日趋多样化，产品质量和交货 期要求日益严格，模具企业之间的竞争不断加剧，不断面对新的挑战。面对良好的市 场前景和行业存在的主要问题，我国的模具生产企业必须在提高核心竞争力和创新上 下功夫，以此来提高模具行业的整体水平。 广东工业大学硕士学位论文 1 1 2 模具企业生产调度存在的问题 模具生产加工作为典型的用户驱动性( c u s t o m e rd r i v e n ) 产业，与一般生产相比， 模具生产加工是典型的订单式、单件小批量、离散型等制造形式。模具生产的特点决 定了模具生产调度问题具有多机性、动态性、随机性、多目标决策性等特点 4 1 。 模具按订单组织生产，生产过程中的不确定因素繁多、模具的品种和工艺路线多 样，生产管理复杂，难以缩短生产周期和保证模具交货期。模具企业从接到订单开始， 就要从整个企业生产车间的全局出发，安排生产任务，分配资源，以最大限度地满足 成本、交货期嘲 6 1 。不但要协调好多个项目的工序任务在各个资源上的加工顺序和时间， 而且要监控企业车间生产的实际情况，根据生产中出现的意外情况和外界扰动对原先 做好的任务安排进行实时的再调整，生产中要具有持续更新、动态变化能力嗍。然而， 现行的模具企业大多数都达不到满足符合实际生产的管理能力，目前许多模具企业生 产调度方式一般存在以下三大缺陷1 4 0 1 ： ( 1 ) 难以实时反馈生产现场状态。模具制造过程中存在很大变数，缺乏实时控制生 产现场加工的能力，很难产生及时的、准确的、符合当时生产状况的生产作业规划， 各级生产之间的信息经常出现中断。 ( 2 ) 面对动态生产过程机制，管理控制力度不够。面对复杂多变的市场环境和生产 条件，上层计划层与底层控制层经常出现“断层 现象，缺乏有力的沟通。 ( 3 ) 对有限资源的调度计算机智能化不高。由于模具企业发展不平衡，在现有生产 组织结构的局限性下，单靠个人的经验来组织生产的情况大有存在。随着企业的规模 逐步扩大，同时在制的模具数量增多，关键设备的数量不断增加，信息数量和决策的 复杂程度大幅增加，凭人为控制是不能达到的。 面对以上问题促使模具生产调度系统，能够对生产现场扰动，如设备故障、订单 变更、交货期变化等作出实时响应，动态、智能地应对生产实际中的各种问题0 0 - 1 3 1 。因 此，要使现代模具制造企业能够快速地响应客户需求的变化，能够在激烈的市场竞争 中立于不败，必须通过先进的制造技术和生产管理手段高效率地组织及调度企业有限 资源，来辅助企业管理人员进行模具生产管理，提升企业的生产效率，增强企业的市 场竞争力。 2 第一章绪论 1 1 3 模具机器人制造单元的产生与应用 模具企业的生产特点表明，其调度方式受制于多种随机因素，如：紧急插单、机 器故障、工件返修、产品结构不稳定、客户要求多样性、可选资源的不确定性等，而 这些随机因素往往是多种结合在一起出现，导致模具制造系统的调度研究滞后于其他 生产制造方式。近几年来，一些模具企业购买了大量的高档数控设备，工业机器人也 频繁地运用于实际生产中，使得企业的制造能力有了较大的提高。但是，由于这些引 进的先进制造技术和装备都是被作为孤立的单元技术在使用，使得一流的装备并没有 发挥出一流的效益。在面对模具的总体结构和组成部件非常相似、只是每一种规格有 数百种变化这一特点模具产品，仍普遍存在效率低、成本高、质量不稳定、难以保证 模具交货期的问题。模具制造周期过长的深层原因，主要是企业对生产规划和调度缺 乏科学性，即设备配套性不好和生产安排不合理。设备的配套性不好，导致不同种类 的设备利用率差异较大，部分关键设备未得到充分使用，造成设备资源浪费。解决这 个问题的主要方法之一就是要构建具有高效率、高自动化程度的模具机器人制造单元。 在机器人制造单元中应用机器人来完成工件的搬运过程，并结合通用的加工设备就形 成了所谓的机器人制造单元( r o b o t i cc e l l ) 【1 6 】，如图1 。1 所示，它一般由4 6 台自动 化加工、检测设备、一个搬运机器人以及相关控制系统组成，具有优化计划调度管理 功能，能自动管理零件的生产过程，实现无人化或少人化加工。 图1 1 模具机器人制造单元空间布局图 f i g 1 一ls p a c el a y o u td i a g r a mo fr o b o t i cc e l lf o rm o u l dm a n u f a c t u r i n g 豁斛 广东工业大学硕士学位论文 模具机器人制造单元系统对于提高模具工业对多品种、中小批量制造任务的适应 性，有着巨大的作用，具体表现为【】： ( 1 ) 设备利用率高，占地面积小，产品质量高而稳定，提高产品质量； ( 2 ) 减少工序中的在制品量，缩短生产技术准备周期； ( 3 ) 在改变生产要求时，有快速应变能力，突发事件多，且工件加工时间等参数不 确定，应对生产调度中的随机性问题； ( 4 ) 维持生产的能力较强，模具每个零件包含多道工序，且每道工序由不同种类的 机器加工的形式，能够满足多机问题型的模具生产调度； ( 5 ) 扩展能力强，维护方便，具有极强的运行灵活性，减少直接劳动工人数： ( 6 ) 减少直接工时费用，能够在保证模具质量和交货期的基础上，最大限度地降低 生产成本，提高企业收益。 模具生产方式是多品种小批量，由于工件类型多种、加工路径多样化造成了生产 调度的复杂性。另外来自订单、设备、质量等随机因素的干扰更加剧了生产调度的难 度，并使得调度必须具备很强的动态性和实时性，为适应社会发展及市场需求，机器 人制造单元被认为是适应市场瞬息万变，产品生命周期愈来愈短，多品种小批量生产 的一种行之有效的生产模式。模具机器人制造单元生产调度能够满足多机、多任务、 有复杂约束、不同任务具有不同工艺路线、任务不断不定时输入输出j o b - s h o p 类型的 随机调度。能够根据任务的变化方便而快速地进行重新配置，因而更加适应模具生产 的多品种、小批量生产方式，有利于提高模具企业的生产效率，为企业赢得更大的竞 争力。 本课题以模具行业为应用背景，通过将先进制造技术和管理技术与模具制造相融 合，充分发挥企业已有先进制造装备的运行效率，提高模具的精度、质量、寿命以及 交货期表现，为企业产品升级和制造技术水平提升提供技术保障。因此，对于模具机 器人单元调度问题的研究，建立具有快速反应、柔性化、智能化特征的模具机器人制 造单元调度系统，力图提升模具企业产品质量与交货期表现，进而提高企业核心竞争 力，参与国际高端客户市场竞争的要求具有重要意义。 4 第一章绪论 1 2 国内外研究概况 1 2 1 模具生产调度系统调度策略 现实中的生产调度问题一般复杂多变，对于模具企业更是如此。模具生产过程中 不确定因素多，调度问题复杂，需要运用合理的调度策略对实际问题予以更好的求解。 常用的研究策略有： ( 1 ) 并行和分布策略 由于实际调度问题一般具有高度复杂性，随着调度问题的规模增大而越来越难以 求解，对调度问题从并行和分布角度考虑，满足了结构不同和高度复杂性的实际调度 问题的需要 ( 2 ) 多目标权衡调度策略 常用方法有数学规划中的约束法、评价函数法、分层序列法。宋宏，薛劲松等( 2 0 0 1 ) 结合模具生产实际，重点研究了随机冲突的处理方法与过程，给出其生产计划、调度 系统的组成与实现，通过实例说明这种方法的有效性1 4 1 。 ( 3 ) 实时或动态重调度策略 由于实际生产调度问题复杂多变，静态调度不能完全满足实际生产调度需要，需 要不断进行动态重调度来应对生产过程中的突发状况。熊禾根( 2 0 0 5 ) 模具企业的动态车 间作业计划作为研究主题，对其中的关键技术进行了系统的理论研究，并以此为基础， 开发了与车间现场实时监控相结合的模具企业动态车间作业计划系统 7 1 。 ( 4 ) 生产计划与调度集成策略 能够全局优化，符合先进制造新模式。贺成志( 2 0 0 7 ) 模具企业基于m e s 的生产管 理系统及其车间调度问题的研究，建立了模具m e s 生产管理系统的决策支持系统，给 出了系统的总体框架及功能模型【7 】。 ( 5 ) 分解和成组策略 降低问题复杂程度，优化系统性能指标。许晓栋( 2 0 0 7 ) 针对模具制造企业实际情况 提出了一种能够解决模具制造企业生产管理中多变性和不确定性问题的计算机辅助生 产计划管理系统解决方案f l s 】。 ( 6 ) 人机交互策略 广东工业大学硕士学位论文 减少系统的搜索空间，在有限的资源和时间内，启发调度者的经验背景知识。余 心宏，谭德谦( 2 0 0 9 ) 介绍了合弄建模的方法和原则，并结合模具车间生产的特点建立了 基于合弄的模具车间管理系统的框架结构，研究系统框架的模块组成和合弄的内部结 构，以及各合弄之间的交互机$ j 1 9 1 。 从以上文献中可以看出，尽管模具企业生产调度系统的研究取得了巨大的成果， 但是，模具企业的生产调度问题复杂多变，不确定性因素多，随机性大，动态性强， 还尚未形成系统性、规范性的研究理论。介于模具生产调度系统研究的巨大价值，模 具企业积极探索新的生产管理模式和科学方法。模具生产调度系统的研究逐步趋向于 实用化、集成化、高效智能化和柔性化的研究方向发展，计算机辅助手段，先进制造 形式和理念也频繁地运用于模具生产调度管理中，信息化制造得以广泛研究和推广。 这些对提高模具生产效率，保证模具交货期，规范企业管理流程，提升模具企业竞争 力起到了巨大的推动作用，给学者们研究模具生产调度问题起到了很好的指导作用。 1 - 2 2 机器人制造单元构建形式 在不同的机器人制造单元，只能满足特定的生产加工需求嗍。因此，对机器人制 造单元调度设计选择，要符合实际生产调度的要求，根据现实生产调度的特点组建出 合理的制造单元。关于机器人制造单元调度设计有不同的组建形式，按常用的构建形 式有以下几种分类【z 卜2 6 1 ： 1 机器环境 ( 1 ) 按每阶段的机器数量 单机：每一个加工阶段只有一台机器在工作； 多机：每个阶段至少有一台机器在工作。 根据工件的工艺路线是否相同又可以将多机问题分为两种： 作业调度问题( j o b - s h o p 问题) ：不同工件，其工艺路线不同； 流水作业调度问题( f l o w - s h o p 问题) ：所有工件具有相同的工艺路线。 ( 2 ) 机器人的数目 单机器人问题：机器人制造系统中只有一台机器人工作； 多机机器人问题：由多台机器人组成的调度问题。 ( 3 ) 机器人装夹工件类型 6 第一章绪论 单夹具：机器人每次只加持一个工件； 双夹具：机器人每次加持两个工件。 2 生产加工特点 ( 1 ) 选择标准：自由选择、无等待、间歇等待； ( 2 ) 旅行时间量度：附件、恒定、欧几里德； ( 3 ) 零件类型数量：单工件、多工件。 3 按目标函数 目标函数性质不同，调度问题就不同，如同是单机调度，目标是使加工时间最短 和目标是使拖期完工工件数最少，是两个不同的调度问题。还可以根据目标函数的个 数不同分为单目标调度问题和多目标调度问题 2 7 1 。 由于模具企业的生产有加工急插单、机器故障、工件返修、产品结构不稳定、客 户要求多样性、可选资源的不确定性等因素。模具机器人制造单元生产调度能够满足 多机、多任务、有复杂约束、不同零件具有不同工艺路线、任务不断不定时输入输出 j o b - s h o p 类型的随机调度。而且模具是属于单件加工，工艺程度一般不是很复杂，单 元内机器数量也不是很多，一般不超过六台，所以模具机器人制造单元的构建形式应 该是满足j o b - s h o p 类型、同时要能够满足多目标的单机器人调度形式。 1 2 3 机器人制造单元调度方法 机器人制造单元调度问题同以往的经典调度问题相比较，不仅要考虑单元工件和 机器人层面上的调度分配，而且要结合机器约束和工件工序约束，对负责物料搬运工 作的机器人作合理的任务分配，属于强n p 难题 2 a - 3 0 。关于机器人制造单元调度算法的 研究，国内外许多学者主要集中在精确算法和启发式近优算法两大方面【3 l q 7 】。这些调度 方法大致可以划分为如图1 2 所示的不同类别【，。l 。 7 广东工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 精确算法 图1 2 机器人制造单元各类调度算法划分 f i g 1 - 2r o b o t i cc e l ls c h e d u l i n ga l g o r i t h mc l a s s 该类算法尽管能保证获得最优解，但其计算时间随着问题规模的增加以指数速度 增加，故一般只能对小规模问题比较有效，对大规模问题计算量和存储量难以承受， 这类方法主要有分支定界法、混合整数规划等。分支定界算法一般从先建立所研究问 题的数学模型，然后对所建模型进行有效分析，研究和设计最优解的一些定义和属性， 再根据定义属性和问题实际模型，构造有效的分支定界算法来求解问题。c h c 等人【3 明提 出一种明确的分支定界算法，用基于图论的方法求解模型中线性规划问题，极大地提 高了算法效率。c h e 等【蚰】用分支定界算法较好地解决了无等待混流制造单元调度问题。 混合整数规划一般先分析所要研究的调度问题特点，建立问题的混合整数规划模型， 再应用现成的商业优化软件求解。p h i l l i p s t 4 - j 等为有限等待制造单元调度问题提出了最 早的混合整数规划模型，且奠定了这一研究领域的基础，为以后的研究起了很好的参 考作用。a d ac h e ，m i c h e l l ec h a b r o l t 2 1 1 等运用多项式算法较好地解决了两个机器人单 元无等待机器人制造单元的问题。 ( 2 ) 启发式近优算法 1 一般启发式算法 8 第一章绪论 该类方法能够快速建立问题的解，但通常情况下解的质量相对较差，但对于实际 生产系统中复杂的大规模的调度问题来说，具有很大的优越性。g u l