CN110597210A - 考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，包括以下步骤：首先提出提出面向能耗的设备预维护和柔性作业车间节能调度优化方法的流程框架，其次分析了柔性作业车间能耗特性，然后以总能耗和完工时间为多目标建立优化模型，并提出一种机床预维护调度策略。
Description
技术领域
本发明涉及机械切削加工领域，具体涉及考虑设备预维护的柔性作业车间调度优化方法
背景技术
制造业是能量消耗的主要行业之一，能耗约占全球总量的33％。机械加工作为典型的制造系统，其能量源众多，能耗结构复杂，承担着制造过程的主要能耗。因此，从机械加工车间层面对整个生产系统的工艺路线、机床和刀具等资源的合理分配以及考虑机床故障的车间节能优化调度，是一个亟需解决的基础问题。
此外，实际柔性作业车间加工过程中时常会出现由于机床设备故障而导致加工中断的情况。机床故障后再维修，会严重影响工件完工时间、加工能耗以及机床负载均衡等调度性，给企业造成重大损失。而在调度过程中提前考虑机床设备的预维护，能使车间调度研究更加符合实际生产，有效降低机床故障的影响，提高加工效率和降低能耗。
发明内容
本发明提供一种考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，以降低柔性作业车间能耗和最大完工时间。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法。它包括以下步骤：
步骤1：提出面向能耗的设备预维护和柔性作业车间节能调度优化方法的流程框架；
步骤2：分析柔性作业车间机床加工能耗和车间辅助系统能耗特性，建立能耗模型；
步骤3：以总能耗和车间完工时间最小为优化目标建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型；
步骤4：提出机床预维护调度策略，并基于模拟退火算法求解。
优选地，步骤1中所述一种面向能耗的设备预维护和柔性作业车间节能调度优化方法的流程框架的过程为：
本发明中考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化问题可描述为：以车间调度方案和机床预维修计划在能耗、完工时间和机床负载上达到协调最优为目标，为各工件选择适合的工艺路线，为各工序选择相应的加工机床和刀具。此外，为每台机床设备安排预维修计划，确定每台机床的预维修的开始/完成时刻，如图1所示。
本发明的假设条件描述如下：
(1)同一时刻同一台机床只能加工一个工件的一道工序；同一时刻同一道工序只能在一台机床上加工；
(2)工件的可选工艺路线和可选机床没有优先关系；
(3)机床故障发生情况服从威布尔分布，且随着时间的增加，机床役龄递减，故障率递增，预防性维修的频率增加，维护周期变短。
(4)工序一旦开始加工，在未完工前不能中断，机床的预维护在某道工序完工后进行；
(5)所有机床设备在完成全部作业加工前一直维持开机状态。
优选地，步骤2中分析柔性作业车间能耗特性的过程为：
柔性作业车间调度生产系统的总能耗可计算如下：
Etotal＝Ec+Ecd+Etc+Ets+Ei+Et+Ea
(1)各工序切削加工能耗Ec
式中Pst、Pauc、Pu、Pc和Pa分别为待机功率、加工关联类辅助系统功率、空载功率、切削加工功率和附加载荷损耗功率。xijrmo为0-1变量，xijrmo＝1表示在第j条工艺路线下，工序oijr选择机床Mm和刀具To进行加工。
(2)工件装夹拆卸能耗Ecd
工件装夹拆卸能耗Ecd是指在加工之前将工件装夹到机床上以及完工后将工件从夹具上拆卸下来所消耗的能耗，如下公式所示：
其中，tcd ijrmo表示工件装夹和拆卸时间的总和。tc ijrmo和tp ijrmo分别为工序oijr在机床Mm上开始加工前的装夹时间和加工完成后的拆卸时间，可以通过单位装夹和拆卸时间乘以工件加工数量进行计算。
(3)换刀能耗Etc
工序加工过程换刀包括工序换刀和磨钝换刀，如下公式所示：
其中，ym r为0-1变量，若机床Mm加工工序oijr前不需要换刀，则ym r＝0，否则ym r＝1。Ttc ijrmo为工序换刀时间，ttw ijrmo为磨钝换刀时间。
(4)对刀能耗Ets
工序加工前需要通过调整刀具位置确定刀具刀位点在工件坐标系的位置，以确保工序加工具有良好的精度。对刀时机床处于空载状态，对刀能耗Ets计算公式为：
其中，tts ijrmo表示工序oijr在机床Mm上加工前需要的对刀时间。
(5)机床空闲能耗Ei
机床在两个工序的加工间隙处于空闲等待状态，此时机床处于待机功率，产生空闲等待能耗Ei，如下公式示。
其中，U表示机床Mm上安排的工序总数，机床Mm上第u个工序和第u+1个工序加工之间的空闲时间为第u+1个工序的完工时刻与第u个工序的开工时间的差值。
(6)工件搬运能耗Et
当同一工件的相邻加工工序需要在不同的机床上进行加工时，需要通过搬运设备将工件运输到相对应的机床上，因此产生工件搬运能耗，如公式下所示。
其中Pt表示搬运设备的搬运工件的功率，tt ijr为工序oijr的搬运时间，αijr为0-1变量，αijr＝1表示在第j条工艺路线下，工件i的加工从工序oijr-1到工序oijr-1需要进行物流运输。
(7)辅助系统能耗Ea
辅助系统的电能消耗可表示为辅助设备能耗在工件加工时间内的分摊。
其中ω表示单位时间内辅助设备能耗。
优选地，步骤3中以总能耗和车间完工时间最小为优化目标建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型的过程为：
(1)优化变量
1)各工件选择的工艺路线、工序选择的机床、工序在机床上的加工顺序以及各工序的加工刀具xijrmo；2)各机床的预维护周期和预维护次数Pmr。
(2)目标函数
1)能耗目标函数
柔性作业车间的总能耗由7部分组成：工件装夹拆卸能耗，换刀能耗，对刀能耗，机床空闲能耗，工件搬运能耗，车间助系统能耗。
2)完工时间目标函数
完工时间为所有机床加工最后一个工序完工时刻的最大值。
(3)约束条件
1)生产约束
①每道工序只能在一台机床上加工，具体计算如下公式：
②同一时刻一台机床只能加工一个工件的一道工序，具体计算见下公式：
STm r为机床Mm加工第r道工序的开工时刻，CTm r为机床Mm加工第r道工序的完工时刻，STm pm为机床Mm的预维护开始时刻，CTm pm为机床Mm的预维护结束时刻。
2)维护约束
①同一时刻同一台机床上工序加工和预维护任务不能同时进行，具体计算见下公式：
②任意时刻t，机床设备Mm的可靠度Rm不能低于可靠度阈值R0，具体计算如下公式：
Rm＞R0
基于上述分析，建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型，具体如下：
min F(xijrmo，Pmr)＝(min Etotal，TC)
优选地，步骤4中机床预维护调度策略为：
考虑机床预维护的调度主要涉及生产任务计划和预维护周期，算法整体流程如图2所示，所提出的调度算法包括两个主要部分：机床预维护策略和调度方案生成机制。
(1)机床预维护策略
机床加工过程实时计算机床Mm在完成第r道工序后的可靠性Rmn(t)，当机床Mm实际可靠度小于可靠度阈值时Rmn(t)≤Rm0，则在机床上下一道工序加工之前进行该机床的预防性维护，Pmr＝1。具体预维护策略如图3所示。
(2)车间调度机制
当机床Mm实际可靠度大于可靠度阈值，即Rmn(t)≤Rm0，该机床上的加工任务暂停，并且根据此时所有工件的加工状态将加工任务分成三个子集(A1、A2和A3)。A1表示尚未开始加工的工件；A2代表至少有一个工序正在加工的工件；A3表示已经完工的工件。
1)尚未开始加工的工件(J∈A1)重新选择工艺路线，所有工序重新安排机床和刀具；
2)已开始加工的工件(J∈A2)尚未开始加工的工序重新安排机床和刀具；
3)已完工的工件(J∈A2)将不再进行调度安排。
三种加工任务集的具体调度策略如图4所示。
优选地，步骤4中的模拟退火算法可替换为其他进化算法。
附图说明
图1考虑设备预维护的柔性作业车间节能优化调度流程框架
图2算法整体流程
图3机床预维护策略
图4车间调度机制
图5调度方案1甘特图
图6调度方案2甘特图
图7调度方案3甘特图
图8各方案能耗和时间构成
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
本案例以某柔性作业车间的8台机床和5种待加工工件为研究对象开展应用验证，实验条件主要包括机床条件、刀具条件和工件信息等，具体如下表所示。
表1机床类型及其参数
表2机床类型及其参数
表3工件加工工序、可选机床和刀具信息
表4机床维修参数
为了分析机床预维护对柔性作业车间调度能耗的影响和评价所提出调度方法的节能优化性能，设计了3个案例开展优化求解，具体如下：
方案1(右移调度策略)：在初始调度方案的基础上，根据机床可靠性阈值得到预维护计划，若机床在维护计划内空闲则安排维护；若机床在维护计划内则正在加工，则先进行维护计划，机床上正在加工的工序右移。
方案2(周期性维护策略)：机床加工过程中，无论是否故障都进行固定周期维护，将维修计划占用时间段标记为不可用状态，只在机床可用时间段上安排生产加工。
方案3：所提出考虑机床预维护的车间调度策略。
三种调度方案的甘特图如图5-7所示，具体优化结果如表5和图8所示。
表5案例对比分析
对比分析优化结果可知，所提出调度策略得到的调度方案相较于右移调度策略和周期性维护策略节能优化效果更好。
(1)在能量和时间构成方面，如图8所示，加工能耗EC所占比重最大，对总能耗的影响至关重要，其次是辅助能耗Es、机床空闲能耗Ei和工件装夹拆卸能耗Ecd，换刀能耗Etc和对刀能耗Ets对总能耗的影响最小。在时间构成方面也能找到相似规律。
(2)方案3与方案1相比，总能耗Etotal降低了5.7％，最大完工时间TC缩短了8.6％。由图5可知，右移调度策略不改变初始调度方案工件的工艺路线安排和每道工序的机床选择，机床M1、M2和M4进行预维护时，其维护时段对应安排的加工工序O113、O513和O313开工时间延迟，进而导致后续安排工序O114、O115、O214、O314、O514、O515和O516加工推迟，增加了M1、M3、M5、M6和M7的空闲等待时间和机床空闲能耗。而调度方案3在机床进行维护过程中给未完工工件重新选择合理的工艺路线和空闲机床，降低了机床空闲时间、切削能耗、空闲能耗和加工任务的最大完工时间，从而提高了机床利用率和生产效率。
(3)方案3与方案2相比，有效的降低了机床预维修次数。调度方案3能充分利用机床的空闲时间安排加工任务，总能耗Etotal降低了4.8％，最大完工时间TC缩短了4.2％。而周期性维护策略预先确定了机床维护计划，限制了机床安排加工任务的空闲可用时间段。如图6所示，O415在机床M7不可用时选择M5进行加工，增加了切削加工能耗，同时由于M5的预维护计划，O416的选择M6加工，延长了整个调度方案的完工时间。因此，考虑机床预维护的车间调度策略能有效降低车间总能耗Etotal和完工时间TC。
Claims (4)
1.考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立面向能耗的设备预维护和柔性作业车间节能调度优化方法的流程框架；
步骤2：分析柔性作业车间机床加工能耗和车间辅助系统能耗特性，建立能耗模型；
步骤3：以总能耗和车间完工时间最小为优化目标建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型；
步骤4：提出机床预维护调度策略，并基于模拟退火算法求解。
2.根据权利要求1所述的考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，其特征在于：步骤1中所述一种面向能耗的设备预维护和柔性作业车间节能调度优化方法的流程框架的过程为：
考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化问题可描述为：以车间调度方案和机床预维修计划在能耗、完工时间和机床负载上达到协调最优为目标，为各工件选择适合的工艺路线，为各工序选择相应的加工机床和刀具；此外，为每台机床设备安排预维修计划，确定每台机床的预维修的开始/完成时刻；
考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化的假设条件描述如下：
(1)同一时刻同一台机床只能加工一个工件的一道工序；同一时刻同一道工序只能在一台机床上加工；
(2)工件的可选工艺路线和可选机床没有优先关系；
(3)机床故障发生情况服从威布尔分布，且随着时间的增加，机床役龄递减，故障率递增，预防性维修的频率增加，维护周期变短；
(4)工序一旦开始加工，在未完工前不能中断，机床的预维护在某道工序完工后进行；
(5)所有机床设备在完成全部作业加工前一直维持开机状态。
3.根据权利要求1所述的考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，其特征在于：步骤3中以总能耗和车间完工时间最小为优化目标建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型的过程为：
(1)优化变量
1)各工件选择的工艺路线、工序选择的机床、工序在机床上的加工顺序以及各工序的加工刀具xijrmo；2)各机床的预维护周期和预维护次数Pmr；
(2)目标函数
1)能耗目标函数
柔性作业车间的总能耗由7部分组成：工件装夹拆卸能耗，换刀能耗，对刀能耗，机床空闲能耗，工件搬运能耗，车间助系统能耗；
2)完工时间目标函数
完工时间为所有机床加工最后一个工序完工时刻的最大值；
(3)约束条件
1)生产约束
①每道工序只能在一台机床上加工，具体计算如下公式：
②同一时刻一台机床只能加工一个工件的一道工序，具体计算见下公式：
STm r为机床Mm加工第r道工序的开工时刻，CTm r为机床Mm加工第r道工序的完工时刻，STm pm为机床Mm的预维护开始时刻，CTm pm为机床Mm的预维护结束时刻；
2)维护约束
①同一时刻同一台机床上工序加工和预维护任务不能同时进行，具体计算见下公式：
②任意时刻t，机床设备Mm的可靠度Rm不能低于可靠度阈值R0，具体计算如下公式：
Rm＞Ro
基于上述分析，建立考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能多目标优化模型，具体如下：
min F(xijrmo，Pmr)＝(min Etotal，TC)
4.根据权利要求1所述的考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法，其特征在于：步骤4所述得机床预维护调度策略的过程为：
考虑机床预维护的调度主要涉及生产任务计划和预维护周期两个问题，所提出的调度算法包括两个主要部分：机床预维护策略和车间调度机制；
(1)机床预维护策略
机床加工过程实时计算机床Mm在完成第r道工序后的可靠性Rmn(t)，当机床Mm实际可靠度小于可靠度阈值时Rmn(t)≤Rm0，则在机床上下一道工序加工之前进行该机床的预防性维护，Pmr＝1；
(2)车间调度机制
当机床Mm实际可靠度大于可靠度阈值，即Rmn(t)≤Rm0，该机床上的加工任务暂停，并且根据此时所有工件的加工状态将加工任务分成三个子集(A1、A2和A3)；A1表示尚未开始加工的工件；A2代表至少有一个工序正在加工的工件；A3表示已经完工的工件；
①尚未开始加工的工件(J∈A1)重新选择工艺路线，所有工序重新安排机床和刀具；
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③已完工的工件(J∈A2)将不再进行调度安排。
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