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机械毕业设计全套
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JX03-090@变尺寸要求纸张裁剪机设计,机械毕业设计全套
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造纸厂中的卷筒和平板纸切割 1 造纸厂中的卷筒和平板纸切割 摘要： 这篇文章描述了发生在葡萄牙造纸厂，在设计和最优化的切割 卷筒 和 平板纸的生产过程中所出现的一个现实性的工业难题。全球性的工业难题主要是宽度的设定，这些宽度的设定在生产的过程中一定要符合相应的条款，主要的目标就是要能够使一系列已经定好的 卷筒 和 平板纸 与 主要的 卷筒 相分离。宽度结合的这个过程将决定即将被生产加工的主要 卷筒 的质量和重量、切割的样式以使损失达到最小，从而满足生产的需要。 进程中的技术进程对这个拥有两个加工阶段的进程起着决定性的作用。本文还介绍了模型的细节和解决的方法。还 包括一些解说性的计算方面的结果。 2003 Elsevier Ltd. 版权所有 关键词：结合的最优化； 成品纸库存； 自发式 1、引言 在造纸厂设计纸张的生产过程中采用了许多具有实质效果的特殊方式，其中的每个方式又有自己独特的特点，同时这种方式还要求必须有 8 个精确无误的数学公式和解决方法 1-3。然而，把所耗费的损失降到最小却是 由客观性的物理作用而决定的。其余的部分则是由运行整个过程的时间、 数字和切割型号的特性等因素列表而组成的。另外还有一些是常见的强制力、相关客户的说明书、战略决定和生产过程中的一些 技术特性。 这篇文章主要阐述了应葡萄牙造纸厂 CPP 的要求而设计的一套流程，主要用以产品的设计和切割纸张的 卷筒 。这套系统被命名为 COOL（ COOL代表葡萄牙的单词，意思是能使宽度的联合达到最佳化），是复杂系统的一部分，用来支撑生产纸张和操纵托盘的工具。 在这篇论文里所解决的就是制定切割的型号以及生产依照型号和质量而进行分类的纸张来满足预定规格的 卷筒 和 平板纸 。这个系统基本上就是处理在符合定单的前提下设计纸张，切割主要 卷筒 的过程中所出现的问题。切割预计要与主轴相连，并且要考虑把损失降到最小化同时还要满足定 单的数量要求。一个多样化的技术上、操作上出现的强制力包含在设计的进程之中，并引发了一个奇怪的难关。 从这种观点来看，这项难题存在于 成品纸 库存 这个问题之中 4-6。这个问nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 2 题 忽视 在 卷筒 末端将会出现损失而公式化的被采用，这样 1D 进程就被设计出来。在切割过程中的技术特性决定了拥有两个工业阶段的进程的方法论的必要性。另一个 1D 的切割问题可以在已经出版的文学上得到证实。不仅是造纸业，这项进程还可以应用到其他工业，例如钢铁行业 7、 8和塑料行业 9。 我们设想一个原始的解决方法来解决前面所出现的问题，与仅用人工就能 获得解决方法相比，这种方法就正如造纸厂所证实的那样用节省纸张来达到重视改良的效果。这种方法是基于两个独特的呈直线型的计划模型，而这个模型则是由单一的阿拉伯算法计算而得的。 那么，为了满足以往被忽略的全部限制所得到的解决方法就必须类似于后选择步骤。这个解决方法所获得的有效 性是通过工业难题的 整合应用模型 的改革运动而获得的，这种改革运动是用微软 CPLEX 0 的商业最优化来解决的。 这篇论文的整体结构如下：第 2 段介绍了生产的难题和它的工业背景。特殊强调了工业环境的特殊作用 以及 相关的解决办法。第 3 段和第 4 段将描述出现的问题和解决问题相应的方法论。 第 4 段列举了一 个小例子来说明解决问题的进程。 第 5 段现实性的讨论了一些可能出现的结果。 2、工业环境 这一研究案例是在一家葡萄牙造纸厂中进行的，因为是从纸浆开始生产纸产品，所以此案例可视为一个垂直工业流程，产品包含卷筒纸和平板纸。工厂在两类市场中运做：一类是标准纸，另一类是按要求预定纸。 整个生产周期一共六周，并且由于技术因素，纸生产中存在一个或加速或减速的提前预警产品的生产连续性问题。 图 1 制造流程 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 3 图 1 显示了该厂通过生产线的 成品纸从纸浆中生产出再按固定宽度绕在主卷筒机 上 ,然后主卷筒机随 卷线机 将卷筒纸切成小筒纸 ,这些卷筒纸或被直接提供给客户或送入中间仓库。 在 卷线机 和切割机上都有少量的固定宽度的切割碎片留在纸上。这主要由采用的生产流程所决定。 图 2 显示了计划和生产流程的相干方面。重点是主产品和副产品计划和产量的不同。计划是基于客户同属的产品定货。同一纸种和等级的卷筒纸和辅助卷筒纸一起构成了预订产品的规格。这种助卷筒纸只包含卷筒纸和平板纸中的一种。因此两种辅助卷筒纸是有区别的：一种是平板辅助卷筒纸，一种是卷筒辅助卷筒纸。辅助卷筒纸只按照有关的主卷筒纸构成其切割方式的。 介绍 了辅助切割，以便于对于产品生产过程和采取的解决方法有一个更好地了解。 这 与有关的技术过程密切相关。且当应用到切纸机时，就要求对于额外的纸宽进行考虑。在主切割方式的副切割方式的定义由相应的两项解决方案决定。在副卷筒和切割方法的终结中必须进行讨论。这些限制决定了方法的可行性。 订购系统如图 3 所示，可在国内外市场订购（因为此公司也在葡萄牙以外运作）由市场营销部负责。如果认为合适的话， 与 外部订购相同。可源于这些定单产品要求或是切割定单或是 预期定单 。当一位客户的卷筒纸的定单可由现存（存在半成品仓库）的卷筒纸满足 其要求 时 就生成一份切割定单，当客户的 平 板纸定单可由现存（存于标准仓库）的 平 板纸满足时，就生成一份 预期定单 。 图 2 计划和生产流程 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 4 图 3 订购系统 3 问题描述 为了使完成生产定单时的浪费最少，造纸中存在的工作主要是切纸方法的整合过程。它决定了主卷筒纸的重量和质量。生产系统的发展将支持产品定单的切割计划。不会干扰相关定单的完成与每个生产循环的成品纸的生产。这些是市场营销部所做的决定，最终在使用 cool 系统的模拟中得到了支持。 在与主卷筒机有关的切割方法的定义中必须考虑到一些限制条件。这些限制条件可分为以下两方 面： 操作限制 （包括管理和客户要求） *只有每个宽度单位的等重的卷筒纸才可以结合在一起 *只有内外直径相同才可以结合 *客户的内外径规格的要求必须得到满足 *必须考虑到辅助卷筒机的任务，因为切纸机有不同的特点。对于切割方法提出了最小宽度的要求，以便使可用的机器得以利用。 技术限制（主要归因于机器的特点） * 在输入时主卷筒机的最大和最小宽度 ； * 旋切刀的限制数 ； * 切割机最大，最小板纸宽度 ； * 切割机的最大切割卷筒纸直径 ； * 在切割机和 卷线机 中的边料 ； nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 5 在 造 纸工业中还必须考虑一系列的欧洲耗材标准。当 在完成订单的过程中（见表 1） 在这个范围内，客户有义务接受订货数量的不足。当产量大于最大定购数量时，市场部会努力劝说客户接受这些额外数量的产品。由于产品固有的损耗，在计划阶段是决不会考虑负损耗的。 4.解决步骤 所采取的解决方法在生产中已经清楚表明。主要可分 三步。如图 4 所示。第一部包括的内容见表 1。基于主卷筒的固定宽度和订单的固定宽度来选择辅助卷筒和切割方法。之后一系列的切割方法要通过排除不完善的辅助卷筒机方法或切割方法来进行筛选。所有剩下的切割方法都必须排除生产过程中存在的技术操作限制而具有可行性。 第二步，在第一步中被选择和接受的切割方法在解决问题的线性规划模式的应用。发展两个真实问题的可行方法。按照循环步骤 的 线性解决方案， 要满足在前面步骤中被忽略的各种相关变化的限制条件。 在随后部分都会得到详细的阐述。 介绍一个小的真实的工业例子来说明解决步骤，它与主卷筒纸长度不定情况下的生产要求。内直径或外直径没有被确定的含义是在平板纸购货或卷筒纸定购中客户并未指定直径的具体数值。宽 2520mm 纸的等级为 250g/mm,厚度为 345mm。相关的产品要求见表 2。 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 6 自发循环 循环过程来解决 cp 模式和在 前面被忽略的整合属性的 采用。限制例如： (1)客户确定的卷筒纸直径必须得满足 ,这就意味包括卷筒必须总是按要求的直径采取多样性，为了使这个过程的影响最小，定购数量如 表 3。 解决方案按照固定直径卷筒的在建立 zp 模型前要选择卷筒长度最多样的一个。 (2)板纸的结合重量最少 ,相当于纸最小长度 ,以便避免切纸机的无效率使用 (3)与以前的几项相似切割方法限制的重量最小以便 卷线机 避免无效率使用 ,同时使用每种切割方法来切割最小量的纸 . nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 7 循环模式用 Lp 模式的最终解决方案来开始并努力调整这些方式长度来满足以上提到的限制 .新的方法虽可能与 Lp1 保持相似 ,但 必须满足定购数量 ,第一 ,循环过程中尽量排除那些没有最低重量条件的方式 (以上限制 2 和 3).必须提前注明不要排除订单的独特形式 .然后 ,剩下的形式要足足包括使用 ,以补偿被破坏的方法的效果 . 这个过程基本由连续的选择在每个方法中不能被满足的项目数量的切割方式 .然后讨论用第一种切割方法切割的数量 ,最后 ,使没有被满足的项目得以满足 .这个过程不断重复 ,直到在所有一切切割方式中没有满足的项目都得以满足为止 . 即使当使用模式 1 时 ,这个循环过程也能导致标准耗材以上的过量生产 . 表 3 所示的 解决方案中只有与板纸结合的最小重量相公的限制没有被 fp16的长度所满足。因为它由此方法决定的板纸结合的最小重量比限制条件小，为（ 2730： 00mm） .因为在此种方法中只有 PR1002 而且在 FP21（ x14）中也存在。所以 FP16 方法可被排除。 FP21 的数量最终的解决方法见 表 4。 图 5 显示了表 2 中 COOL 系统产出的数据。 图 5 大规模例证的计算结果 5 计算结果 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 8 计算测试的主要目的在于确认所采取的解决步骤的有效性和在发展出的两个线形程序模式（模式 1 和模式 2）中建立一个对比分析。在第一组计算 中所甬道 的数 据是由市场部提供的，它与造纸长中要解决的实际问题一致。有关的定单数从 3 到 16，定单的最大和最小宽度分别为 1392mm 和 238mm,平均宽度为 690mm。尽管这些只有相对较小的例子，但通过这些例子，公司希望使系统的应用者能够容易的对于 COOL 系统在使用的初始阶段的表现给以评价。 计算所用的数据可在 www.apdio/sicuo 中找到。 计算法则由 c 语言完成。计算结果由 450 赫兹的奔腾 3 处理器完成。 为了对用以上的描述的线形模式和自 发循环得到的解决方法的质量进行评价，使用了 IP 模式。这种 IP 模式能使生产的纸的数量最小同时又能严格满足定单的数量。为了考虑上述提到的全部限制，包括几个不同的变化：平板纸结合的最小重量（最小重量平板纸），应用复合整合程序模式 CPLEXV。 6。 0 版软件来解决 IP 模式。 见 图 6。每个发展得到解决方法的表现（基于两个 LP 模式。模式 1，模式 2）都得到了客观的评价 图 6（ A），用 IP 模式得到的结果的速率和用线形步骤得到的 IP 模式在每个测试实验中得到表现： Y 轴的数值为 1。 00 与 IP 模式结果相同。从此章中可知基于过程的线 形结果大部分是与用 IP 模式得到的数据一致的：模式 1 得到的数据的与测试的 %70 相同，而 从 模式二得到的数据中有 50%与之相同。但有一个例外， IP 结果决不超过 22%。 本章中的 图 6（ B）用于证明所采用的线形方法的充分性。在循环过程前后的结果速率都以计算。在循环过程之前在 Y 轴上的数值 1。 00 就与 LP 模式的结果相同。在绝大多数情况下， LP 路径的结果都与最终结果一致，这就意味着在循环过程中考虑的整个属性限制都不会改变线形程序的结果。 这两章都表明了用模式 1（使生产的纸长度最小而且不允许超出耗材标准过量生产）得到的结果都 比模式 2（不产生中间库存）的结果好。而且， 这些说明了有必要改进模式 2 的循环过程。 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 9 表 5 对比了由两个线形程序得到的结果，包括 3 个组成部分：生产出的中间库存的数量，在标准上 超 出生产的产品的数量以及不可再利用的纸的数量（废品）。所有的数量都按照整体数量的百分数来表示不考虑采取的每一个模式的客观作用：模式 2 尽量不产生中间库存而模式 1 尽量不超量生产产品。尽管如此有时这些超出部分是循环过程的必然结果。但与模式 2 比较它的数量就远小于模式2 所产生的库存量。 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 10 因为只有废品是不可再利用的部分所以 图 6 对基于此 过程的两种 LP 模式所得到的价值进行了一个对比。最终结果是在产生的废物最小化方面，用模式 1 得到的价值比用模式 2 得到的价值略微小一些。 按照这一系列的对比实验，模式 1 在所有方面的表现均优于模式 2。但模式2 仍可在 COOL 系统的最终版本中使用。因为每种模式都有可能使得到的解决方案都更或甚至要求不同的工业条件：当允许或建议产生中间库存的模式 1 可被利用。当要求生产足够多的中间库存以满足市场的模式 2 就会被使用。就效率而言，nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 11 LP 方法可以只使用采用 IP方法生产时的时间的 75%尽管对于测试的例子中的 IP方法的平均解决时间为 18 小时，当在实际生产过程中需要时也会使用。进行搜集和测试了更大规模的一系列例子以便评价当面对大规模定货时基于 IP 而发展的方法的效率的表现。 所有这些例子包括 30 个不同面的例子和在以上提到的真实定单中随机抽取的例子。主要的目的是为了对于我们的方法在特殊条件下的效率进行评估。 这些测试采用模式 1。结果速率和 LP+ROUND-UP/IP 见 图 5 正如我们所看到的，我们用我们的方法和用基于 CPLEX 的 IP 方法在客观作用上并无大的异同。采用两种方法，用于解决 10 个例子所使用的时间见 表 6。 正如我们预测的，在整个程序的时间 中选择所使用的时间总是很长。但这一缺点并未经常限制整合程序的使用，例如在例子第 5， 7， 10 中便是如此。在这些例子中操作效率的不同也许更大一些。 COOL 系统已在造纸厂中证明了其有效性并正在广泛使用。在经济和环境上的巨大利益得到认可。根据报道转换消耗已经降低了 3%。这意味每年多余 1000的节约。而且在能源上也得到了巨大的节约。况且，与纸不同，能源不可重复利用。 6 结论 这篇论文介绍了 COOL 系统，此系统是在葡萄牙造纸长中解决特定的切割储存问题时发展出来的。使得在生产和切割主卷筒纸时的边缘废料最少是 发展此解决过程的主要目的。由于技术原因，主卷筒纸分成两个部分，同时满足一系列的技术和操作限制。两项切割的特点对于采取的解决过程是至关重要的。 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 12 由于此问题的结合属性，基于切割方法计算的解决过程得以发明。为了满足大部分的限制条件，这些方法是要进行选择的。并且这些方法在决定每种纸的生产的重量和数量的问题的线性程序计算中被用作选择列。以往被忽略的整合属性的限制通过线形程序解决方案在之后的选择中也被包括进去了。 基于模式的两个线形程序得以发展和得到测试。尽管使用两个模式得到的结果非常令人满意，但是在它们中的对比分析和 在每一个中的对比分析以及用整合程序模式的到的方法的分析表明循环程序仍有必要改进。尽管如此，却应该摒弃发展自发解决问题系统的想法。 自动化切纸机在工业上有很大优势：可以减少产品循环和可以完成即时的定单，还可以提高客服质量。由于巨大的经济和环境利益以及操作优势， COOL 系统已经在造纸厂中得以应用，并得到了积极的反馈。 nts造纸厂中的卷筒和平板纸切割 13 参考文献： 1 Haessler RW. A heuristic programming solution to a nonlinear cutting stock problem. Management Science 1971; 17(12):B793802. 2 Johnson MP, Rennick C, Zak E. Skiving addition to the cutting stock problem in the paper industry. SIAM Review 1997; 39(3):47283. 3 Johnston RE. OR in the paper industry. OMEGA the International Journal of Management Science 1981; 9(1):4350. 4 Dowsland KA, Dowsland WB. Packing problems. European Journal of Operational Research 1992; 56:214. 5 Golden BL. Approaches to the cutting stock problem. AIIE Transactions 1976; 8(2):26574. 6 Hinxman A. The trim loss and assortment problems: a survey. European Journal of Operational Research 1980;5:818. 7 Carvalho JVd, Rodrigues AG. An LP-based approach to a two-stage cutting stock problem. European Journal of Operational Research 1995;84:5809. 8 Ferreira JS, Neves MA, Fonseca e Castro P. A two-phase roll cutting problem. European Journal of Operational Research 1990;44:18596. 9 Haessler RW. 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