CN107438803B - 具有工具库的机床的控制方法、设备、系统及计算机产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有用于工具的工具库的机床，所述机床可以在任何时候保持所述工具中的一者用于机加工工件。一种用于控制所述机床的方法包括如下步骤：检测待被机加工的工件；以及以一种方式将检测到工件分组成装配系，使得与所述装配系相关联的装配足以机加工属于所述装配系的工件。所述装配包括可以同时被装载在所述工具库中的工具，并且所述装配系以一种方式形成，使得尽可能最小化必须被装载以便机加工所检测到工件的工具的数量。

Description

具有工具库的机床的控制方法、设备、系统及计算机产品
技术领域
本发明涉及一种用于控制具有机床的机加工系统的技术。尤其，本发明涉及用于借助机床机加工的工件的装配系（set-up family）的形成。
背景技术
机床被构造成借助于多个不同工具来机加工工件。尤其，机床可以包括机加工扁平工件（例如金属板）的冲压机。为此，机床可以包括具有用于预定数量工具的位置的工具库（tool magazine）。机床可以将这些工具中的一者从工具库中取出，并且借助其对工件执行一个或多个机加工步骤。不同工件通常需要不同工具用于机加工，因此工具库首先必须适当适合于不同工件。
工具在工具库中的装载可能昂贵且耗时，并且可能需要合格人员。另外，存在机床在工具的组装过程期间无法工作并且停止的风险。
R.B.R. DE SOUZA等人的"A tool cluster based strategy for themanagement of cutting tools in flexible manufacturing systems", JOURNAL OFOPERATIONS MANAGEMENT, Bd. 10，第1期，1991年1月1日(1991-01-01)，第73-91页涉及用于机床的工具管理系统。
KATO K等人的"Heuristics based integrated design environment forplanning and scheduling in FMS", Proc. lntl Conf SMC 93；1993年10月17日(1993-10-17)，第737-742页提出一种用于灵活生产系统的流程计划的启发式方法。
发明内容
本发明基于提供一种用于分组工件以便能够以减少的努力和费用操作机床的经改进技术的目的。本发明借助于独立权利要求的目的实现此目的。从属权利要求提供优选形式的实施例。
机床具有用于工具的工具库，机床可以在任何时候从该工具库中保持一工具用于机加工工件。一种用于控制机床的方法包括如下步骤：检测待被机加工的工件；以及以一种方式将所检测到工件分组成装配系，使得指派给该装配系的装配足以机加工该装配系的工件。此处，该装配包括可以同时被装载在工具库中的工具，并且该装配系以一种方式形成，使得待被装载用于机加工所检测到工件的工具的数量尽可能最小化。装配系的工件优选地然后借助于机床进行机加工。
通过所述分组，可以最小化在工具库中准备工具必须耗费的努力和费用。多个不同工件可以由机床机加工，而不必重新装载工具。以此方式，机床可以以减少的停机时间操作。操作机床时增加的盈利能力可能与此相关联。
这些工具中的至少一者可以包括在装载工具之前必须被组装的多个部件，并且装配系可以以一种方式形成，使得尽可能最小化在装载之前必须被组装的工具的数量。
尤其，这些工具中的一者可以是冲压工具、深冲压工具或压花工具，其中的每一者包括至少一个冲头和一个模具作为部件。这些部件可能需要组合在一起（尤其根据工件，例如其材料、其厚度或先前已经执行的工作步骤），以便可靠地确保部件之间的各自必需间隙。该组装可以包括安装这些部件，这可能需要手动活动。另外，该组装可能还需要进一步中间步骤，例如校准、测试或质量保证。此外，这些部件可以保存在库存中，这些部件必须从库存中单独地选择和取出。可以拆卸拆下的工具，并且其部件可以返还到库存。
通过对待被装载的工具的最小化，可以尤其减少用于工具的组装的努力和费用。还可以减少工具在工具库中的重新装载，其可包括移除不再需要的工具。以此方式，机床可以以提高的效率操作。
可以提供部件的库存，并且库存中的一部件可以与库存中的不同其它部件放在一起以形成不同工具。待被装载的工具可能（例如）需要包含在仍然必须被卸载的工具中的部件。通过对待被装载的工具的最小化，可能由此产生的等待时间得以特别有效地最小化。
在优选形式的实施例中，相同类型的多个工件收集在一个订单中。对于装配系的形成，可以知道将在可预见将来待被期望的订单。此时间时段还称为长期计划时段，并且可以（例如）是一个月或一年。然而，可能的是，在开始时尚不准确地知道待被机加工的不同工件的件计数。此外，这些订单可以具有机加工时间点，其（例如）指示机加工何时开始或机加工何时完成。因此，这些订单的机加工通常分布在长期计划时段内。此处，假定分布大体上均匀，并且假定在长期计划时段内不存在机加工中的过度聚集或暂停。
可以确定长期计划时段中的时间间隔，并且可确定所检测到工件中应在所确定间隔内机加工的那些工件。然后，仅装载装配中用于机加工要在所述间隔内机加工的工件所需的那些工具。此后，可以借助于机床仅机加工针对该间隔指定的那些工件。
此方法当在长期计划时段内形成多个间隔时特别有利。这些间隔优选地具有相等长度，或者其开始相互等距。这些间隔可以例如是一周或一天。在间隔开始时，针对当前订单适当地装配工具库，以便不装载不用于当前订单或工件的工具。与仅针对当前订单在任何给定时间的所需工具的装载相比，可以节省用于装配工具库的显著努力和费用。
例如，当长期计划时段短（例如一周一天）时，可以仅形成一个间隔，其涵盖整个长期计划时段。以此方式，所有工件可以在相同间隔内机加工，并且上述优点还可以在无间隔的构思的情况下实现。
优选地，借助于混合整数编程方法形成装配系。以此方式，使得计算机支持的优化方法可用，其可以有利地用于解决上述指派问题。混合整数编程或混合整数程序(MIP)表示通常用于不同类别的问题的已知而强大的优化工具。
将相同类型的多个工件分组以形成一个订单，并且装配系以一种方式形成，使得在所有装配系的所有工件上尽可能最大化表达式M * O，其中M包括必须被装载用于机加工工件的工具的数量，并且O包括针对该工件被一起检测到的订单的数量。
在此形式的实施例的改进中，装配系以一种方式形成，使得尽可能最大化表达式(M - E) * O，其中E是必须专门地装载用于机加工工件并且装配系的任何其它工件不需要的工具的数量。
下文参考数学描述更精确地描述这两种形式的实施例。
未指派给任何装配系的订单可以单独机加工，并且用于该订单的工件的机加工所需的工具被装载在工具库中。该订单可以然后借助于机床进行机加工。
以此方式，可以增加由机床对工件或订单的机加工的计划的灵活性。此外，并不很好地适合于这些装配系中的一者的工件或订单可以仍然借助于机床进行机加工。可以仍然利用装配机器库的努力和费用的节省。此程序当在长期计划时段中使用间隔时特别有利。
一种计算机程序产品包括用于当计算机程序产品在执行设备上运行或存储在计算机可读介质上时执行所述方法的程序代码构件。
一种用于上述机床的控制设备被设计成执行以下步骤：检测待被机加工的工件；以及以一种方式将所检测到工件分组成装配系，使得指派给该装配系的装配足以机加工该装配系的工件。此处，该装配包括可以同时被装载在工具库中的工具，并且该装配系以一种方式形成，使得尽可能最小化待被装载用于机加工所检测到工件的工具的数量。此外，控制设备可以被设计成控制借助于机床对装配系的工件的机加工。
一种机加工系统包括上述机床以及所述控制设备。
附图说明
结合示例性实施例的以下描述，将更清楚和重要地理解本发明的上述性质、特征和优点以及其实现方式，结合附图更详细地解释这些示例性实施例，在附图中：
图1示出具有机床的机加工系统。
具体实施方式
图1示出用于机加工工件105的机加工系统100。机加工系统100包括具有控制设备115的机床110。尤其，该机床可以包括冲压机，例如Trumatic 5000或Trumatic 7000。
机床110包括用于保持预定数量工具125的工具库120，并且被设计成借助于一个或多个工具125对工件105进行机加工，该工具125可以从工具库中自动取出。在一种形式的实施例中，工具库120被划分成线性库和圆形库，其中圆形仓可以在机床110机加工工件105时重新装载。在此情况下，假定集成式工具库120，其可以例如在Trumatic 5000的情况下保存71个工具125和在Trumatic 7000的情况下保存91个工具125。
工具125中的一些可以由两个或更多个部件130组成。在例如冲压、压花或深冲压工艺的情况下，一个部件130可以包括模具，并且另一部件130包括冲头。用于工件105上的预定机加工过程所需的工具125可例如需要工具125具有不同部件130（例如，根据工件105的材料的厚度），以便确保预定的间隙。还可以根据工件105的材料或另一参数需要不同部件130。各个部件130保持在库存135中，库存135可以例如实现为仓库系统。要从部件130安装的工具125的数量通常是待被装载在工具库120中的工具125的子集。
为将工具125装载在工具库120中，通常需要从库存135确定和获得所有所需部件130；部件130必须然后被组装到工具125，为此，通常需要合格有经验的人员。通常，当装载工具125时，必须卸载另一工具，以便在工具库120中产生空间。已经卸载的工具125通常被拆卸成其部件130，并且部件130被返还到库存135。该卸载还可以理解为装载过程的一部分。
工具125的准备复杂且昂贵，并且可能需要大量时间。为了机加工第一类型的一个或多个相同工件105，为此需要的工具125通常被装载在工具库120中，一个或多个工件105被机加工，并且工具125被再次卸载。如果然后机加工第二类型的一个或多个相同工件105，则重复该程序。如果工具125的集合至少部分重叠（即，如果需要至少一个工具125用于两种类型的工件的机加工），则当从机加工第一类型的工件105改变为机加工第二类型的工件105时，该工具可以保持被装载、而非将其首先卸载并然后重新装载。
本发明的构思是以一种方式尽可能形成多组工件105，使得指派给工件105的用于机加工所需的工具125的集合尽可能重叠，以使工具库120仅必须装配一次，以便为此多个不同类型的工件105能借助于机床110进行机加工。
机床110通常不仅用于机加工单个工件105，而且用于机加工订单150，其中将以相同方式（即，在每种情况下使用相同工具125）机加工的相同工件105的件计数指派给每一订单150。对于单个工件105的生产，相关联订单150的件计数可以等于1。订单150的工件105通常一个接一个地机加工，而装配160在中间不改变。为了机加工工件105，可以设置输送单位（未示出），其将未经机加工的工件105一个接一个地传递到机床110中，并且移除经机加工的工件105。以此方式，机床110可以在无监督的情况下工作较长时间时段。
通常，至少大致已知要在长期计划时段内机加工的订单150。该长期计划时段可以（例如）是一年。在该时段开始时，可能已知例如实际上要在长期计划时段内执行的订单150的约90%。此处，可以估计订单150的所假定件计数。此信息可以例如基于对较早机加工时段的分析来确定。
建议将在长期计划时段内存在的订单150的工件105分组成装配系155，其中每一装配系155指派有工具125的装配160。装配160的工具125足以机加工装配系155的所有工件，并且可以同时被装载在工具库120中。此指派优选地借助于控制设备115执行。
对订单150的机加工然后不再参考订单而是参考装配系155进行，因为机床110由控制设备115操作以机加工所有订单150，该订单存在或释放用于采用相同装配160而不改变该装配来执行装配系155的工件105。
例如，长期计划时段可以被划分成若干较短时间段，尤其划分成具有相同长度的间隔。时间段还称为短期计划时段或短期计划范围。长期计划时段可以例如是约1年，并且间隔各自为约1周。
机加工时间点可以指派给每一订单150，其中，在每一间隔中，机加工时间点落在该间隔内的那些订单150应被机加工。订单150的机加工时间点在长期计划时段的开始之前通常未知。然而，可以假定，最迟到预定的短期计划时段的开始，已知要在相应计划时段内机加工的订单150。通常，可以假定，订单150的机加工时间点大体上在长期计划时段内均匀分布。在间隔开始时，优选地，仅装配160中针对其应在当前间隔内机加工装配系155的至少一个工件105或订单150的那些工具125被装载在工具库120中。
通常，将工件105或工件类型（应机加工其所指派件计数）指派给每一订单150。订单的所有工件105具有相同类型，并且机加工也应具有相同类型。需要工具125的预定集合以用于机加工订单150的工件105，并且这些工具必须被装载在机床110的工具库120中。该集合被称为装配160。装配160可以因此以对应方式与工件105、与其工件类型或者与用于机加工工件105的订单150相关。
工具125的装载包括部件130从预定的库存135的选择，以及工具125由所选择部件130的组装。卸载通常包括将工具125拆卸成其部件130；此处不更详细地考虑用于此所需的努力和费用。此外，可以假定，总是完全地实施装配的改变，这意味着，当从一个装配160改变为另一装配时，无工具125保留在工具库120中。
评估模型
下文提出一种评估模型，借助其可以在“工具准备的节省”的质量标准方面评估用于机床110的装配系155。然后提出两个混合整数线性优化问题(MIP)，借助其可以确定装配系155，其在此质量标准方面启发式地提供良好解决方案。
下文描述的方法的目的是最小化用于装载工具库120以便机加工订单（包括待被装载的工具的安装）的努力和费用。装配系155应出于此目的形成，其中的每一者包括尽可能多的工具105。装配系155的工件105可以全部借助相同装配160进行机加工，并且工具库120中用于装配160所需的所有空间可用。如果装配系155包括比用于机加工时存在的工件多的工件105，则当改变该装配时，优选地，仅装载用于存在或被设置用于机加工的订单150的机加工所需的那些工具125。
以下标识符适用于正式考虑：
c：工件
C：工件的集合（工件类型）
T：工具的集合
Figure 862606DEST_PATH_IMAGE001
：必须被安装用于机加工的工具的集合（装配）
T c ：对于c∈C所需的工具的集合
Figure 107643DEST_PATH_IMAGE002
：对于必须被安被装用于机加工的c∈C所需的工具的集合
C t ：需要工具t的工件类型的集合
Cap：工具库的容量
Orderc：在长期计划时段内用于工件c的订单的数量
cl：装配系。
随机评估模型
假定：nk＝在长期计划时段中的天数/在短期计划时段中的天数
Orderc必须不大于nk。（如果不是这种情况，则将Orderc设置为该值）。
p c := 订单在短期计划时段内生产的概率。
优选地，可以假定，订单在短期计划时段内均匀分布，并且再次优选地，最多一个订单将在一个短期计划时段内针对一个工件生产。此外，这些订单优选地彼此独立。这意味着，指定工件必须在短期计划时段内生产的概率是：
Figure 152959DEST_PATH_IMAGE003
如果工件不是彼此单独而是在装配系cl中生产，则通常可以节省工具准备，因为具有不同工件的多个这些订单所需的工具仅必须被安装一次。
长期计划时段可以划分成通常具有相同长度的若干间隔（也称为短期计划时段）。
(I.)针对每一订单的单独工具准备
如果对于来自一组工件cl的每一订单，所需工具单独地被装载并在机加工之后再次被拆卸，则在一间隔内针对该cl的工具准备的数量的期望值是：
EV(单独工具准备）＝
Figure 813748DEST_PATH_IMAGE004
。
(II.)针对一个装配系cl的工具准备
多个装配系的装配通常在一个间隔内被装载。
由来自cl的工件所需并且必须被安装用于机加工的所有工具的集合被标识为。
工具t∈在该间隔内需要用于装配系cl并且必须被安装的概率是：
p（至少一个c∈cl借助t∈Tc产生）
= 1 – p（无c∈cl借助t∈Tc产生）
=
Figure 576670DEST_PATH_IMAGE008
。
在一个间隔内针对装配系cl∈Cl的工具准备的数量的期望值因此被认为是：
EV(针对装配系cl的工具准备)=
Figure 978833DEST_PATH_IMAGE010
。
可以从装配系cl∈Cl的各个期望值的总和找到在该间隔内针对装配系的集合Cl的工具准备的数量的期望值：
EV(针对所有装配系的工具准备)=
Figure 241187DEST_PATH_IMAGE012
。
(III.)通过装配系cl的工具准备的节省
可以从在无装配系（参见II.）的情况下和有装配系（参见III.）的情况下准备支出的期望值的差，找到通过使用装配系cl的工具准备的所期望节省：
Figure 703392DEST_PATH_IMAGE014
。
对于装配系的集合Cl的节省，我们相应获得：
Figure 723301DEST_PATH_IMAGE016
。
(IV.)优化模型
该目的是确定给定数量的装配系，以便尽可能最大化工具准备的节省。对应优化模型由于上文给出的节省功能而是非线性的。作为解决方案的启发式方法，提出一种MIP，其中节省功能的第一项被最大化。
在MIP表述中，应用以下额外标识符。
额外指数：
Cl：要形成的装配系的集合
二进制变量：
Assignc，cl：指示工件c是否已经指派给装配系cl的变量。（在此情况下，其采用值1，否则值0）
Setupt，cl：指示工具t是否必须被装载在装配系cl的装配中的变量。（在此情况下，其采用值1，否则值0）。
(V.)P表达
可以使用混合整数程序(MIP)来解决所给出优化问题。标准工具可用于解决MIP（例如GAMS、Scip或Gurobi），并且这些工具可以在标准商用计算机上运行。此处提出的技术并不限于MIP，然而认识到，可以借助于MIP以减少的努力和费用解决难以表达和难以优化问题。MIP此处具有如下优点：对于找到的每一个解决方案，通常已知其距离最佳解决方案（在目标函数方面）的程度（“差距”）。可以根据此信息进一步继续或中断对经优化解决方案的搜索。
建议向MIP提供以下目标函数：
取
Figure 788209DEST_PATH_IMAGE017
的最大值
使得其满足：
Figure 577173DEST_PATH_IMAGE018
解释：
关于(1)：每一订单可以指派给最多一个装配系；
关于(2)：工具必须在需要此工具的至少一个工件被指派给装配系时被装载；
关于(3)：待被装载的工具不得超过机器的容量。
(VI.)经改进IP表达
对(VI.)的目标函数的论证可以如下重新表达：
仅用于装配系的一个工件的工具在上文给出的最大化目标函数中积极输入，并且被“奖励”，但是其是否也在装配系的上下文中或在工件的单个生产中精确安装一次无关紧要。事实上，对于这些工具而言，通过装配系的形成并不能节省工具准备。MIP可以可以修改如下，以便消除此影响。
另外，引入辅助变量zt，cl，其总和将被最大化，并且其由新限制条件(4)和(5)限制。如果工具t仅用于装配系cl的一个工件，则目标函数值zt，cl为0。否则，其对应于当所有订单单独生产时针对t的工具准备的数量。
取
Figure 717485DEST_PATH_IMAGE020
的最大值
使得其满足：
Figure 586083DEST_PATH_IMAGE021
解释：
关于(1)：每一工件可以被指派给最多一个装配系；
关于(2)：工具必须在需要此工具的至少一个工件被指派给装配系时被装载；
关于(3)：待被装载的工具不得超过机器的容量；
关于(4)：当所有工件单独生产时，目标函数值zt，cl向上受限于针对t的工具准备的数量；
在无限制条件(5)的情况下，最大化函数将意味着“=”适用于此处，并且该模型将等效于首次提及的MIP表达；
关于(5)：M表示大、但不过大的数字。M的可构思值将例如是
Figure 432817DEST_PATH_IMAGE022
。如果工具t仅精确地用于装配系cl的一个工件中，则
Figure 33562DEST_PATH_IMAGE023
，并且Setupt，cl=1，并且因此zt，cl = 0。
(VII.)可能简化
使长期计划范围等同于短期范围（间隔）可能是有帮助的。实际上来说，然后不再必须考虑这些计划范围。在此情况下，C是要生产的工件的集合；pc=1适用，并且根据(II.)和(III.)给出的公式如下简化：
EV(针对所有装配系的工具准备)=
Figure 90380DEST_PATH_IMAGE024
借助所有装配系的节省：
Figure 434774DEST_PATH_IMAGE025
。
借助本发明，可以然后以最小化的工具准备的努力和费用形成用于要生产的工件的装配系。
虽然已经通过优选示例性实施例更紧密地示出并且更详细地描述了本发明，但是本发明不受所公开实例的限制，并且本领域技术人员可以从此获得其它变型而不背离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于控制具有用于工具(125)的工具库(120)的机床(110)的方法，所述机床(110)能在任何时候保持所述工具(125)中的一者用于机加工工件(105)，其中所述方法包括以下步骤：
- 检测待被机加工的工件(105)；
- 将所检测到工件(105)以一种方式分组成装配系(155)，使得指派给所述装配系(155)的装配(160)足以机加工所述装配系(155)的所述工件(105)；
- 其中所述装配(160)包括能同时被装载在所述工具库(120)中的工具(125)；
- 其中所述装配系(155)以一种方式形成，使得待被装载用于机加工所述所检测到工件(105)的工具(125)的数量尽可能最小化，
其特征在于
- 将相同类型的多个工件(105)分组以形成一个订单(150)，并且所述装配系(155)以一种方式形成，使得在所有所述装配系(155)的所有所述工件(105)上尽可能最大化表达式(M–E) * O；
- 其中M是必须被装载用于机加工所述工件(105)的工具(125)的数量；
- E是零或必须被专用地装载用于机加工所述工件(105)的工具(125)的数量；
- 并且O是针对所述工件(105)被一起检测到的订单(150)的数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括借助于所述机床(110)机加工所述装配系(155)的工件(105)的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工具(125)中的至少一者包括在装载所述工具(125)之前必须被组装的多个部件(130)，并且所述装配系(155)以一种方式形成，使得在装载之前必须被组装的工具(125)的数量尽可能最小化。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，提供部件(130)的库存(135)，并且所述库存(135)中的部件(130)可以与所述库存(135)中的不同其它部件(130)放在一起以形成不同工具(125)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中此外：
- 确定时间间隔；
- 确定所述所检测到工件(105)中应在所确定的间隔内机加工的那些工件；
- 仅装载所述装配(160)中用于机加工要在所述间隔内机加工的所述工件(105)所需的那些工具(125)；以及
- 借助于所述机床(110)仅机加工针对所述间隔指定的那些工件(105)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所有所述工件(105)应在相同间隔内机加工。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述装配系(155)借助于混合整数编程方法形成。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，单独地机加工未指派给任何装配系(155)的订单(150)，并且用于所述订单(150)的工件(105)的机加工所需的工具(125)被装载在所述工具库(120)中，并且所述订单(150)借助于所述机床(110)进行机加工。
9.一种计算机程序产品，其具有用于当其在执行设备(115)上运行或存储在计算机可读介质上时执行根据前述权利要求中的一项所述的方法的程序代码构件。
10.一种用于具有用于工具(125)的工具库(120)的机床(110)的控制设备(115)，所述机床(110)能在任何时候保持所述工具(125)中的一者用于机加工工件(105)，其中所述控制设备(115)被设计成执行以下步骤：
- 检测待被机加工的工件(105)；以及
- 将所检测到工件(105)以一种方式分组成装配系(155)，使得指派给所述装配系(155)的装配(160)足以机加工所述装配系(155)的所述工件(105)，
- 其中所述装配(160)包括能同时被装载在所述工具库(120)中的工具(125)，
- 并且其中所述装配系(155)以一种方式形成，使得待被装载用于机加工所述所检测到工件(105)的工具(125)的数量尽可能最小化，
其特征在于
- 将相同类型的多个工件(105)分组以形成一个订单(150)，并且所述装配系(155)以一种方式形成，使得在所有所述装配系(155)的所有所述工件(105)上尽可能最大化表达式(M–E) * O；
- 其中M是必须被装载用于机加工所述工件(105)的工具(125)的数量；
- E是零或必须被专用地装载用于机加工所述工件(105)的工具(125)的数量；
- 并且O是针对所述工件(105)被一起检测到的订单(150)的数量。
11.一种机加工系统，其包括具有用于工具(125)的工具库(120)的机床(110)以及根据权利要求10所述的控制设备(115)，所述机床(110)能在任何时候保持所述工具(125)中的一者用于机加工工件(105)。
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