CN112949051A - 一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法 - Google Patents

一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法，是设计与生产任务负载匹配程度较高的包含多个基本驱动单元的驱动系统；根据生产线生产任务，进行工艺设计，将每个工艺分为多个加工任务，根据所有的加工任务的最小功率设计基本驱动单元，根据所有加工任务的最大功率确定基本驱动单元的最小个数，逐个增加基本驱动单元个数并进行分配和调度安排直到能不冲突地完成所有工艺的加工任务。本发明能提高多任务集成成形装备的驱动系统与任务负载的匹配程度，从而提高多任务成形装备的能量效率，减少多任务集成成形装备一个工作周期中的能量损失。

Description

一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法
技术领域
本发明涉及液压成型生产线任务加工领域，具体地说是一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法。
背景技术
多任务集成成型装备具有生产效率高、能完成一个零件多道工序甚至全部工序等优点，广泛应用于制造业中。液压传动系统借其控制性能好、响应快、操控简单和功重比大等方面的优势，广泛应用于液压行业各领域。多任务集成成型装备的一个工作周期中，不同工序不同加工任务之间的能量需求差异较大，然而传统多任务集成成型装备液压传动系统通常采用最大功率需求设计，导致驱动系统输出功率和多个负载需求严重不匹配，从而导致系统传动效率低下，造成巨大的能量损失。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法，以期能提高多任务集成成形装备的驱动系统与任务负载的匹配程度，从而提高多任务成形装备的能量效率，减少多任务集成成形装备一个工作周期中的能量损失。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法，所述多任务集成成形装备由I台机器组成，并共同完成一个生产任务，其特点是，所述设计方法是按如下步骤进行：
步骤1、工艺设计：
根据生产线的一个生产任务设计I个工艺，根据加工材料计算第i个工艺的负载曲线li，i＝1,2,…,I；令第i台机器按照工艺先后顺序加工第i个工艺；
步骤2、多任务集成：
根据每个工艺的负载曲线的负载差异，将每个工艺分为b个加工任务，并将加工任务按照先后顺序依次排序，将第i个工艺的第j个加工任务为
Figure BDA0002941905620000011
i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,b；
步骤3、基本驱动单元的设计：
步骤3.1、根据式(1)计算所有的加工任务中第a个加工任务属于第i个工艺第j个加工任务
Figure BDA0002941905620000012
的功率
Figure BDA0002941905620000013
Figure BDA0002941905620000014
式(1)中，gta、fta分别为所述第a个加工任务的结束时间和开始时间，pa(t)为所述第a个加工任务的需求压力，qa(t)为所述第a个加工任务的需求流量，a≤A，A为总加工任务数；
步骤3.2、根据式(2)计算I个工艺中需求功率最小的任务R所需最小功率Pmin，从而以最小功率Pmin设计完成I个工艺中所有加工任务的基本驱动单元；
Figure BDA0002941905620000021
式(2)中，最小功率Pmin＞0；
步骤3.3、从设定的液压泵集合中，为基本驱动单元选择一个满足所述任务R的需求压力、需求流量的额定功率最小的液压泵作为基本驱动单元的液压泵；
步骤3.4、从设定的电机集合中，选择与所选取的液压泵相匹配的电机组成基本驱动单元，使得所述基本驱动单元在任务R的需求压力下，输出流量大于需求流量；且所选取的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使选取的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行；
步骤4、驱动系统的设计：
步骤4.1、根据式(3)计算I个工艺中所有加工任务的最大功率Pmax：
Figure BDA0002941905620000022
步骤4.2、根据式(4)得到驱动系统至少需要的基本驱动单元的个数Nmin：
Nmin＝[Pmax/P]+1 (4)
式(4)中，P为所选的基本驱动单元的额定功率；
步骤4.3、根据式(5)计算第i个工艺中每个任务至少需要的基本驱动单元的个数
Figure BDA0002941905620000023
Figure BDA0002941905620000024
式(5)中，j代表第i个工艺曲线的加工任务序号；
步骤4.4、定义当前调度次数为r，并初始化r＝0；
步骤4.5、定义增加r个基本驱动单元后第r次调度时驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr，且Nr＝Nmin+r；
步骤4.6、按照第i个工艺中每个任务需求的基本驱动单元的个数，按照式(6)依次分配Nr个基本驱动单元，使得同一个工艺的所有加工任务能连续不冲突地完成；
Figure BDA0002941905620000025
式(6)中，
Figure BDA0002941905620000026
为第i个工艺曲线li中第j个加工任务的结束时间，
Figure BDA0002941905620000027
为第i个工艺曲线li中第j+1个加工任务的开始时间；
步骤4.7、利用式(7)定义调度I个工艺及所在任务的约束条件，所述约束条件用于保证Nr个基本驱动单元能在T时间内不冲突地完成I个工艺的所有加工任务；
Figure BDA0002941905620000031
式(7)中，
Figure BDA0002941905620000032
为第i个工艺曲线li中最后一个加工任务的结束时间；
步骤4.8、若Nr个基本驱动单元能满足所述约束条件，则令驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr；若Nr个基本驱动单元不能满足约束条件，则将r+1赋值给r后，返回步骤4.5进行重新分配并调度，直到驱动系统能满足约束条件为止，从而得到驱动系统的运行方案。
本发明所述的一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法的特点也在于：
按照所得到驱动系统的运行方案，将Nr个基本驱动单元进行编号，则第h个基本驱动单元记为Bh；调换编号不同的基本驱动单元，使得满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元组合个数最小；
从设定的液压泵集合中，将满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元最小组合个数中所有能同时工作的基本驱动单元按照单个大功率液压泵取代多个小功率液压泵的方式进行合并，且满足单个大功率液压泵的额定功率至少等于多个小功率液压泵的额定功率之和；
从设定的电机集合中，选择与所述单个大功率液压泵相匹配的电机，且单个大功率液压泵所选择的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使得所选择的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过设计与任务负载匹配程度较高的包含多个基本驱动单元的驱动系统，降低了生产线加工过程中的能量消耗，提高了生产线的能量效率；
2、本发明通过将生产任务每个工艺曲线划分成多个加工任务，根据所有的工艺曲线的加工任务的最小功率设计统一的一个基本驱动单元，提高了基本驱动单元的与任务负载的匹配程度，进而降低了生产线的能耗；
3、本发明通过逐个增加基本驱动单元的个数，通过分配并调度，并形成了运行调度方案，提高了装备的能量效率与工作效率；
4、本发明通过采用单个大功率液压泵替代相同排量的多个小功率泵，利用大容量电机较小容量电机在相同负载下能量效率高的特性，进一步提高了多任务集成成形装备驱动系统的能量效率。
附图说明
图1为本发明一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法流程图；
图2为本发明加工某一款离合器外壳的多任务集成成形装备驱动系统的调度安排图；
图3为本发明加工某一款离合器外壳的多任务集成成形装备驱动系统优化后的调度安排图。
具体实施方式
本实施例中，多任务集成成形装备由I台机器组成，并共同完成一个生产任务，一个驱动系统提供所有机器完成生产任务所需的能量，驱动系统是由多个相同的基本驱动单元组成；如图1所示，一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法是按如下步骤进行：
步骤1、工艺设计：
根据生产线的一个生产任务设计I个工艺，根据加工材料计算第i个工艺的负载曲线li，i＝1,2,…,I；令第i台机器按照工艺先后顺序加工第i个工艺；
步骤2、多任务集成：
根据每个工艺的负载曲线的负载差异，将每个工艺分为b个加工任务，并将加工任务按照先后顺序依次排序，将第i个工艺的第j个加工任务为
Figure BDA0002941905620000041
i＝1,2,…,I，j＝1,2,…,b；
步骤3、基本驱动单元的设计：
步骤3.1、根据式(1)计算所有的加工任务中第a个加工任务属于第i个工艺第j个加工任务
Figure BDA0002941905620000042
的功率
Figure BDA0002941905620000043
Figure BDA0002941905620000044
式(1)中，gta、fta分别为所述第a个加工任务的结束时间和开始时间，pa(t)为所述第a个加工任务的需求压力，qa(t)为所述第a个加工任务的需求流量，a≤A，A为总加工任务数；
步骤3.2、根据式(2)计算I个工艺中需求功率最小的任务R所需最小功率Pmin，从而以最小功率Pmin设计完成I个工艺中所有加工任务的基本驱动单元；
Figure BDA0002941905620000045
式(2)中，最小功率Pmin＞0；
步骤3.3、从设定的液压泵集合中，为基本驱动单元选择一个满足所述任务R的需求压力、需求流量的额定功率最小的液压泵作为基本驱动单元的液压泵；
步骤3.4、从设定的电机集合中，选择与所选取的液压泵相匹配的电机组成基本驱动单元，使得所述基本驱动单元在任务R的需求压力下，输出流量大于需求流量；且所选取的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使选取的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行；
步骤4、驱动系统的设计：
步骤4.1、根据式(3)计算I个工艺中所有加工任务的最大功率Pmax：
Figure BDA0002941905620000051
步骤4.2、根据式(4)得到驱动系统至少需要的基本驱动单元的个数Nmin：
Nmin＝[Pmax/P]+1 (4)
式(4)中，P为所选的基本驱动单元的额定功率；
步骤4.3、根据式(5)计算第i个工艺中每个任务至少需要的基本驱动单元的个数
Figure BDA0002941905620000052
Figure BDA0002941905620000053
式(5)中，j代表第i个工艺曲线的加工任务序号；
步骤4.4、定义当前调度次数为r，并初始化r＝0；
步骤4.5、定义增加r个基本驱动单元后第r次调度时驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr，且Nr＝Nmin+r；
步骤4.6、按照第i个工艺中每个任务需求的基本驱动单元的个数，按照式(6)依次分配Nr个基本驱动单元，使得同一个工艺的所有加工任务能连续不冲突地完成；
Figure BDA0002941905620000054
式(6)中，
Figure BDA0002941905620000055
为第i个工艺曲线li中第j个加工任务的结束时间，
Figure BDA0002941905620000056
为第i个工艺曲线li中第j+1个加工任务的开始时间；
步骤4.7、利用式(7)定义调度I个工艺及所在任务的约束条件，所述约束条件用于保证Nr个基本驱动单元能在T时间内不冲突地完成I个工艺的所有加工任务；
Figure BDA0002941905620000057
式(7)中，
Figure BDA0002941905620000058
为第i个工艺曲线li中最后一个加工任务的结束时间；
步骤4.8、若Nr个基本驱动单元能满足所述约束条件，则令驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr；若Nr个基本驱动单元不能满足约束条件，则将r+1赋值给r后，返回步骤4.5进行重新分配并调度，直到驱动系统能满足约束条件为止，从而得到驱动系统的运行方案。
对于按照本发明设计方法设计的多任务集成成形装备的驱动系统，按照所得到驱动系统的运行方案，将Nr个基本驱动单元进行编号，则第h个基本驱动单元记为Bh；调换编号不同的基本驱动单元，使得满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元组合个数最小；
从设定的液压泵集合中，将满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元最小组合个数中所有能同时工作的基本驱动单元按照单个大功率液压泵取代多个小功率液压泵的方式进行合并，且满足单个大功率液压泵的额定功率至少等于多个小功率液压泵的额定功率之和；通过采用单个大功率泵替代相同功率的多个小功率泵，并选择与之匹配的电机，进一步提高了能量效率。
从设定的电机集合中，选择与所述单个大功率泵相匹配的电机，且单个大功率液压泵所选择的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使得所选择的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行。
以加工某一款离合器外壳的多任务集成成形装备的驱动系统设计为例，该生产线具有四台液压机，共同完成某一款离合器外壳的生产任务。该多任务集成成形装备的驱动系统按以下步骤设计：
步骤1、工艺设计：
根据生产任务，设计四个工艺，根据加工材料，计算每个工艺负载曲线，按照加工先后顺序依次排序，每台液压机对应完成一个工艺。
步骤2、多任务集成：
根据每个工艺的负载曲线的负载差异，将每个工艺分为五个加工任务，每个工艺的每个加工任务时间长度、需求压力和需求流量如表1所示。其中每个工艺卸荷阶段和待机阶段的需求流量和需求压力均为零。
表1
Figure BDA0002941905620000061
步骤3、基本驱动单元的设计：
利用式(1)计算四个工艺所有加工任务的功率后，根据(2)式得到4个工艺中所有加工任务所需功率不为零的最小的功率Pmin，如表2所示，四个工艺中需求的功率最小的任务R是加工任务14，所需最小功率为Pmin＝0.78kW。
表2
Figure BDA0002941905620000071
从设定的液压泵集合中(某一系列恒功率柱塞泵)，选择派克定量泵GP1-014最高转速为2000rpm，排量为14cc/rev作为基本驱动单元的液压泵。
从设定的电机的集合(汇川伺服电机)中，选择电机1MH3-20C20CD-U131X与派克定量泵GP1-014相匹配组成基本驱动单元，该电机额定功率为2.0kW，额定转速为2000rpm。该基本驱动单元在任务R的需求压力下，输出流量大于需求流量。
步骤4、驱动系统的设计：
利用式(3)计算每个加工任务的功率后得到4个工艺中所有加工阶段最大的功率Pmax，如表2所示，Pmax＝15.07kW。
根据式(4)得到驱动系统的至少需要8个基本驱动单元，则首次调度的驱动系统的基本驱动单元的个数N0＝8。
利用(5)-(7)式根据四个工艺的所有任务需求分配N0＝8个基本驱动单元，并调度四个工艺所有任务，保证8个基本驱动单元能在16s内不冲突地完成四个工艺的所有加工任务；。
N0＝8个基本驱动单元通过调度不能不冲突地完成所有工艺的加工阶段，回到步骤4.5，增加基本驱动单元的个数，重新分配与调度，直到驱动系统的基本驱动系统的个数是N4＝12可以通过分配调度12个基本驱动系统不冲突地完成所有工艺的加工任务。
调度安排如图2所示，额定功率为2kW的电机泵的12个基本驱动单元分别编号①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、
Figure BDA0002941905620000081
合并基本驱动单元组合总是同时工作的基本驱动单元①②，③～⑥和⑦～⑩，计算基本驱动单元组合的功率，从设定的泵集合中，选取额定功率等于总是同时工作的基本驱动单元组合的理论功率之和的单个大功率的泵，用于取代总是同时工作的几个小功率泵。
从设定的电机集合中，选择与所述单个大功率泵相匹配的电机，使得选取的电机在驱动对应加工任务时负载率在区间[0.4,1.0]，以实现高效率运行。合并基本驱动单元优化的结果如图3所示，①②，③～⑥和⑦～⑩基本驱动单元组合合并后分别为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

Claims (2)

1.一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法，所述多任务集成成形装备由I台机器组成，并共同完成一个生产任务，其特征是，所述设计方法是按如下步骤进行：
步骤1、工艺设计：
根据生产线的一个生产任务设计I个工艺，根据加工材料计算第i个工艺的负载曲线li，i＝1,2,…,I；令第i台机器按照工艺先后顺序加工第i个工艺；
步骤2、多任务集成：
根据每个工艺的负载曲线的负载差异，将每个工艺分为b个加工任务，并将加工任务按照先后顺序依次排序，将第i个工艺的第j个加工任务为
Figure FDA0002941905610000011
步骤3、基本驱动单元的设计：
步骤3.1、根据式(1)计算所有的加工任务中第a个加工任务属于第i个工艺第j个加工任务
Figure FDA0002941905610000012
的功率Pi j(a)：
Figure FDA0002941905610000013
式(1)中，gta、fta分别为所述第a个加工任务的结束时间和开始时间，pa(t)为所述第a个加工任务的需求压力，qa(t)为所述第a个加工任务的需求流量，a≤A，A为总加工任务数；
步骤3.2、根据式(2)计算I个工艺中需求功率最小的任务R所需最小功率Pmin，从而以最小功率Pmin设计完成I个工艺中所有加工任务的基本驱动单元；
Figure FDA0002941905610000014
式(2)中，最小功率Pmin＞0；
步骤3.3、从设定的液压泵集合中，为基本驱动单元选择一个满足所述任务R的需求压力、需求流量的额定功率最小的液压泵作为基本驱动单元的液压泵；
步骤3.4、从设定的电机集合中，选择与所选取的液压泵相匹配的电机组成基本驱动单元，使得所述基本驱动单元在任务R的需求压力下，输出流量大于需求流量；且所选取的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使选取的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行；
步骤4、驱动系统的设计：
步骤4.1、根据式(3)计算I个工艺中所有加工任务的最大功率Pmax：
Figure FDA0002941905610000015
步骤4.2、根据式(4)得到驱动系统至少需要的基本驱动单元的个数Nmin：
Nmin＝[Pmax/P]+1 (4)
式(4)中，P为所选的基本驱动单元的额定功率；
步骤4.3、根据式(5)计算第i个工艺中每个任务至少需要的基本驱动单元的个数
Figure FDA0002941905610000022
Figure FDA0002941905610000021
式(5)中，j代表第i个工艺曲线的加工任务序号；
步骤4.4、定义当前调度次数为r，并初始化r＝0；
步骤4.5、定义增加r个基本驱动单元后第r次调度时驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr，且Nr＝Nmin+r；
步骤4.6、按照第i个工艺中每个任务需求的基本驱动单元的个数，按照式(6)依次分配Nr个基本驱动单元，使得同一个工艺的所有加工任务能连续不冲突地完成；
gt(Ti j)＝ft(Ti j+1) (6)
式(6)中，gt(Ti j)为第i个工艺曲线li中第j个加工任务的结束时间，ft(Ti j+1)为第i个工艺曲线li中第j+1个加工任务的开始时间；
步骤4.7、利用式(7)定义调度I个工艺及所在任务的约束条件，所述约束条件用于保证Nr个基本驱动单元能在T时间内不冲突地完成I个工艺的所有加工任务；
gt(Ti b)≤T (7)
式(7)中，gt(Ti b)为第i个工艺曲线li中最后一个加工任务的结束时间；
步骤4.8、若Nr个基本驱动单元能满足所述约束条件，则令驱动系统中基本驱动单元的个数为Nr；若Nr个基本驱动单元不能满足约束条件，则将r+1赋值给r后，返回步骤4.5进行重新分配并调度，直到驱动系统能满足约束条件为止，从而得到驱动系统的运行方案。
2.根据权利要求1所述的一种多任务集成成形装备驱动系统的设计方法，其特征是：
按照所得到驱动系统的运行方案，将Nr个基本驱动单元进行编号，则第h个基本驱动单元记为Bh；调换编号不同的基本驱动单元，使得满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元组合个数最小；
从设定的液压泵集合中，将满足I个工艺的所有加工任务的基本驱动单元最小组合个数中所有能同时工作的基本驱动单元按照单个大功率液压泵取代多个小功率液压泵的方式进行合并，且满足单个大功率液压泵的额定功率至少等于多个小功率液压泵的额定功率之和；
从设定的电机集合中，选择与所述单个大功率液压泵相匹配的电机，且单个大功率液压泵所选择的电机在驱动对应加工任务时的负载率在所设定的区间中，以使得所选择的电机在驱动对应加任务时的能量效率高于设定的效率值，从而实现高效率运行。
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