外文翻译-通过改进刀具的调度策略来提高FMS的效率

附录一 外文资料翻译 通过改进刀具的调度策略来提高 效率 摘要： 在柔性制造系统的实际操作中，尤其是在 中央刀库的刀具存储量以及加工中心的机床刀库的刀具储量有限的情况下，换刀是一项重要的工作。在刀具传输中有效地调度策略或规则将提高加工中心的利用率，同样 整体效率也会提高。在此文中，我们介绍了我们的研究工作，正是通过改进刀具交换过程中的刀具调度策略来提高 效率的。在 初始操作中，一般采用两种简单的调度规则（叫做 合来实现道具的交换。而通过对 作的 实际评估，发现这种刀具调度方法的效率非常低，而且加工中心的利用率在 70%以下。一种新的调度策略的结合（叫做 过对 仿真分析得到测试，结果显示，加工中心的利用率提高扫 75%以上。这种新的调度策略同样也提高了 关键词：柔性制造系统，分度，分度原则，刀具装载，仿真。 1. 介绍 柔性制造系统是一种计算机控制的制造系统，包括几台独立的机床或工作站，物料处理系统（ 刀具系统以及控制系统，它通过连续的反复换刀可同时加工多种工件。很好的实施 设备，可以减少主加工时间，提高生 产质量，提高生产效率以及减少生产成本，因此能够使用户在多变的全球市场中保持竞争力并赖以生存。但是一个 一种某些子系统组成的复杂系统，例如， 加工系统。任何一个子系统将影响整个柔性制造系统性能的影响。另外 ,在静态结构，即 统的 局和途径设计的条件下，它的运行效率是由动态调度和控制策略决定的。因此 ,确保 统的所有子系统良好运行和提供良好的分度策略和控制系统是非常重要的。有两种类型的刀具系统。一种适用于限制容量的机床刀库，另一种适用于大数量刀具的中央刀库。在加工小零 件的 统中，由于机器通常是小型的或则中型的，因此刀库容量是限制或则很小的。所以必须采用换刀装置。因此换刀装置的分度必须仔细研究。在 ，大量的研究活动集中在分度问题上。然而在加工系统中用于分度问题上的研究却非常少。然而，实际情况表明在 如果拥有高效率的分度装置但是加工系统的效率低，则整体性能就会大大降低。基于这种情况，解决由加工系统引起的瓶颈问题将会成为增加整个 统效率的。一个关键问题。这就是这篇文章情况研究内容。所涉及的柔性制造系统是一种实现棱镜零件制造的系统。在最初的 ，一个简单的换刀分度原则叫做 零件加载 /卸载时所有的刀具变换）和 中央刀库中随机选择的刀具 )被应用。在实际的评价柔性制造系统的性能时，它的效率发现是非常低的 (约 50%)，利用的加工中心低于 70%。仿真和分析结果表明 ,不好的加工系统分度系统是产生这种瓶颈的原因。研究解决的瓶颈问题并且经过测试执行的是一种新的分度方式 ,采用一种新的组合称为 选择刀具变换 ) 和 加权位置号 )。在接下来的章节 , 讲介绍这个新的分度方式的仿真、分析和应用于实际 2. 分析了原有的分 度策略存在的问题 在 统配置和初始分度策略的作用 1 件载 /卸站 ) 7刀具装 /卸 ) 2工中心 1) 8央刀库 1) 3工中心 2) 9央刀库 ) 4洗机构 ) 10央刀库 3) 5动导引小车 ) 11央刀库 4) 6 (1 - 12) 12 图 1 统结构的图解和布局 1:零件在装卸站的装卸。 :将需要加工的零件队列起来 ; :选择一个缓冲区。 先无损检测 , 4:加工机床选用待加工零件。 5:在刀具装卸站选择刀具 6:在中央刀库选择刀具加持 机构 先无损检测 ; 图 2 在 制系统中主要的决定要点和调度规则 中。柔性制造系统由 2个加工中心 (成，此加工中心具有相同的类型，拥有 16 把刀具的机床刀库 ,清洗机构 (自动化引导小车 (一个零件装卸站 ,12个缓冲器 ,一个负责刀具变换的双爪机器人 ,可进行 18 把工具装卸的刀具装卸站和一个中央刀库包括 4 个子中央刀库(总库容为 144把刀具。 柔性制造系统产生在 1991 年 ,其产品主要式棱镜零件。 统的控制系统结构和网络已经在文中索引文献 4中介绍。 中显示。在图 2中的关于调度规则的所有的缩写解释如下 : 先到先服务 最早的日期是优先考虑。 松弛和最小的松弛优先 延迟是区别当前时间和截止日期。 最短加工时间的零件优先考虑。 机器的最短的队列长度是已经选 定的。 机器的 最小的利用率是已经选定的 机器的最近的距离是已经选定的 在中央刀库中随机选择了一个空的刀具加持装置 当零件卸载时所有刀具变换 , 2 2 最初的刀具调度策略的不足 统的预期的整体效率是 60%以上 ,加工中心的利用效率预计达 75%以上。事实上 ,统计数据显示，整体效率低于 50%和加工中心利用效率低于 70%。我们可以观察到机器人通常是很忙的 , 当机器人装卸另一个加工中心时，加工中心经常等刀具加载。这将增加 了 加工中心的空闲时间 ,从而降低整个系统的利用率和效率。此外 ,用 当加工中心的机器人卸载两种刀具时 , 因为刀具夹持装置时随机选的，往往需要从一个子中央刀库到另一个子中央刀库。这将增加了机器人的刀具装换时间。另一个可能的问题是加工中心的刀具变换调度策略。在 略下，当加工中心接受另一个不同类型的零件时机床刀库上的所有刀具必须卸载。如果有许多种类并且这些类型是通过一定比例混合时 ,交流类型变换将导致频繁的刀具加载 /卸载。在加工中心变换刀具期间 ,如果该机器人为另一种加工中心忙，加工中心还需要懒懒 的等待一个过多的时间。显然 ,这将降低加工中心利用效率和整体性能。在最初的对在调度中存在问题分析后，决定进行分析和验证试验一些新的调度策略。 3 对刀具的调度策略的模拟实验 仿真平台 用于仿真实验仿真平台是一种柔性制造系统模拟器称为 它已经由机械工程部 、香港城市大学、南京科技大学自 1993 开发和共同调整的。 主要特点是： 灵活的模型 ,采用面向对象的框架 模型数据从编程中分离出来。这个灵活 ,模型框架 ,确保了模拟器可以用于许多正在调查之中 离出来 的操纵数据 ,即调度规则和处理方案 ,提供了测试不同调度方法的可能性。处理并没有改变柔性制造系统仿真模型的计划 ,并提供一个不需要修改模拟器的可扩展性的调度算法。 完全交互式建模环境。所有对于建模的操作、调度规则的选 择和处理输入方案充分互动。 建模和调度时数据高度一致性。 拥有 真正的 真控制和调度。 智能评价模拟计算的结果。 为初始调度策略的模拟 分析潜在的问题和验证预测的瓶颈 ,模拟运行已经做到了的初期调度策略。得 到的统计数据结果显示在表 1。柔性制造系统的配置和布局表现在图 1 中。它的决定要点和调度规则显示在图 2中。 表 1 最初的调度策略作用的仿真结果 从表 1 可以看出 , 利用率低于预期例如 70%,即加工中心明显的欠利用。一个可能的原因是 零件 或工具加载问题。进一步的分析指出 ,真正的原因是机器人的刀具装载问题 ,因为自动导引小车的使用率低于理想值 ,但是机器人的使用率超过 90%,理想的最大的利用率。因此加工中心由于刀具加载而过度使用机器人而受损 ,机器人是造成低的整体效益的瓶颈。机器人的过度劳动可能是机器人速度放慢或坏的刀具调度问题引起的 表 2 所示的是从图 2 模拟结果在最初的调度策略的加工中心的一群典型的时间分配。表 2中 ,处理时间是为加工工件的真正的时间，辅助时间是一部分下载时间和刀具的加载时间之和。正如我们所知道的 ,在自动导引小车具有足够的运输 能力 (这一点可由低 用率证实显示于表格 1)的条件下 ,用于零件装载的时间相对于刀具装载的时间是很短的。通过分析表 2 中的数据看出刀具装卸时间比例相对于加工中心实际加工时间太大了。这表明 ,缩短了刀具装卸时间能增加实际加工时间 ,因此提高了 序 号 整体 效率 (%) 生产力 (片 /分 ) 效 率 (%) 加工中心 1 加工中心 2 清洗机构 自动导引小车 机器人 1 47 5 65 12 11 95 2 50 2 69 18 22 94 生产力。另一方面讲 ,既然柔性制造系统已实现 , 以一个高速度机器人取代现有的将会增加额外的费用。这是不予以考虑。所以可能的消除瓶颈 ,提高整体的效率的途径是改进系统调度策略。 表 2 仿真最初的调度策略的典型的加工中心时间分配 (总共 24小时 ) 加工中心名字 利 用 率 (%) 处理时间 (辅助时间 闲置时间 加工中心 1 62 工中心 2 69 新刀具的调度策略 为了提高最初的调度策略 ,新的刀具调度策略被建议和测试。一个是通过加工中心刀具夹持装置选择来降低机器人装换时间。另一个是通过加工中心在零件装卸时的刀转换来减少的刀具装卸时间。 3 31 选择刀具转换策略 选择刀具转换是为机器的机床刀库的一种刀具加载策略。这个策略的模型可以解释如下 ： 让 一套加工零件 i 刀具。让 一套加工零件 j 刀具。 机床刀库中加工零件 i 的一部分刀具 (而 一套当零件 i 卸载时的刀具卸载 ,设零件 种已完成加工 ,并且没有从加工中心中卸载。零件 j 准备进入加工中心 1 加载。然后 ,应用 略 ,未装载的刀具就在 。但是如果应用 略，未装载的刀具就会是： Ti t (1) 其中 t 是从加工中心 1 中 的一部分未装载刀具。 在加工零件 j 的加工中心的机床刀库的一部分刀具，此时零件 后 Tj n (2) 从公式 (1)和 (2), 我们可以看到 ,的成员越小 ,成员将会更大的，零件由 i 到 j 转换时的装卸时间就会减少。在公式 (1)和 (2)中已经达到寿命极限的未装载刀具是不考虑的。如果考虑这个因素 ,就是： u (3) 其中 后： t f ( t ) (4) 其中 的未装载的刀具，但是它们的寿命已经到达极限。 f(t)是刀具 t 的累计使用时间， 预期的刀具总寿命。因此为加工零件 j 所加载的刀具可以描述如下： ( u (5) 假设 ， 比方说没有转换的刀具，在 ： (6) 和 (7) 如果零件 i 和 j 是同一零件，需要同样的刀具，那么公式 6 成立。在这种情况下 ,减少装卸刀具所用的时间将是最大的。如果零件 i和 要不同的刀具，那么公式 7成立。在这种情况 下 ,减少的时间相对于 。在实际的 一个刀具加载情况是在两个极端之间。所以 略是用来减少刀具加载 /卸载时间。从公式中我们可以看出 新的策略是“机床刀具转换”和“机床刀具储存”的结合。 权位置号策略 加权位置号策略用于选择中央刀库的刀具夹持装置。 果我们只考虑夹持装置的序列，例如 是不可取的。为克服 还为了使每个刀具夹 持装置平衡使用 ,每个刀具加持装置有一个加权位置号 (让 中的一员。则： H= hi, . . . . h, (n = 144) (8) 具加持装置 PN( /, ( (9) 数。（在加工中从统计数据获得每个刀具夹持装置 )； S是 1、 2 . 144)。公式 (9)表示 ,拥有最小的 夹持装置 被选择。通过引入 每个刀具夹持装置的平衡施用将得到保证。同时 ,由于瓷砖约束的最小 S, 由机器人夹持的两种刀具将被列入刀具夹持装置相互毗邻 ,从而避免了机器人的额外位移。 3 4 新的调度策略的 模拟 l 零件及工具的需求 总模拟时间为 24 小时。表 3显示一组加工计划典型的原始模拟数据。在表三中，以 A 为例 ,它的混合比例为 3,截止日期是 48 小时和加工路径是最近的加工中心 (其加工时间是 13分，刀具需求计划是 1号 ,对与清洗机构 ,洗涤时间是 4分钟。他的结构和布局和如图 1 所示的是一样的。这个模拟的决定要点和调度规则基本上是和图 2一样的，区别是在 8点 ,在 6点 替。 表 3一批零件的原始仿真数据 为在表3中零件A、B、 C、 D 要求的一组典型的刀具需求计划见表 4。在表 4 中刀具类名作为标识符来区分不同的刀具 (不同类型及大小 )。如果两个刀在不同的刀具计划中具有一样的名字 ,它们被视为同样的刀具或则复制刀具并且可以相互替代。从表 4中 ,我们可以看出任何刀具计划或多或少具有刀具属于同一类型。在为 据包括刀具类型名 ,刀具的大小和在加工中利用的时间。简单来说 ,这个刀具 的大小和利用时间在表 4中是省略的。 零件类型 混合形式 极限时间 加工路线和时间 刀具计划号 A 3 48 加工中心 13清洗机构 4 1 B 6 48 加工中心 11清洗机 构 4 2 C 3 48 加工中心 10清洗机构 4 3 D 3 48 加工中心 8清洗机构 4 4 表 4 刀具计划 仿真结 果和分析 表 1中的数据与表 5的比较 ,我们可以看到 ,柔性制造系统的整体效率得到了提高，从原来的 50%到 68%，并且加工中心清洗机构、自动导引小车和机器人的利用率在某种程度上也已经被增加。更有意义的是 ,加工中心的利用率已经增加到达 75%以上。很显然，新的刀具调度策略将会增加 统的性能。新的调度策略已经从初始策略中得到提高。 表 5 新的调度策略的 计划号 1 2 3 4 命令号 刀 具 类 型 号 1 1 1 2 2 1 3 2 2 4 2 2 5 1 3 6 1 1 7 1 3 8 1 9 2 10 1 11 2 12 1 序 号 整体 效率 生产力 （片每分） 利用率 加工中心1 加工中心 2 清洗机构 自动导引小车 机器人 1 68 6 79 48 34 73 2 70 7 81 53 38 66 表 6 新的调度策略的典型的时间分配 (总共 24小时 我们可以进一步分析为什么新刀具调度策略 以提高性能。比较数据表 2 和表 6 中的数据，我们可以看出 , 增多的直接原因是空闲时间的下降。我们观察加工时间，辅助时间，空闲时间的分配比例。拿 在表 2中，时间的比例大约是 1:2:1,而这在表 6 约 2:l:1。由此我们可以推断 , 空闲时间下降的最主要的原因的是时间比例变化的 ,例如，处理时间加长 ,辅助时间就会减少。正如我们所知道的 ,如果输能力足够 (这可以从表 5 中利用率偏低得到 ),装卸是不需要等待的。因此 ,辅助时间主要 是花在刀具装卸时间，减少辅助时间意味着减少的刀具装卸时间。当加工中心刀具装卸时间降低时，加工时间将会增加和等待另一加工中心的时间将会相应地减少。意思就是 : 加工中心的空闲时间的将会下降。这个联合作用是增加 统加工中心和整体性能的利用率。这个有效的机理和新刀具的调度策略的过程如图 3说明。 序号 加工中心名称 利用率 加工时间 辅助时间 空闲时间 1 加工中心 1 76 工中心 2 79 加工中心 3 77 工中心 4 81 图 3 应用新刀具调度策略的 4 在真实的 应用 关键技术 引用 难题 1：在机床和程序中的刀具位置号 2：在机床上的刀具 (A) 为在机床上的未装载的零件 (B) 装载后仍然在机床上的刀具 (C) 在数控程序中所需要的在队列中的为在机床上的零件 1 1 1 1 2 1 1 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 (A) (B) (C) 图 4 引用 在前一节 管 易模拟，但是应用它到真正的控制系统是不容易的。这是因为在仿真时 ,只对刀具的类型和大小而没有对刀具位置安排做考虑。在实际操作 中 ,刀具本身 ,它的用途和应用顺序和当前的位置是根据数据数控加工程序准确测定的。如果所有的刀具在刀具变换是都卸载，加工下部分的其他的工具便可加载安排在这个序列中。这只是 度策略所考虑的事情。然而 ,在 在加工中心刀库中刀具的位置序列依然存在，而接下来的为加工下部分的程序所需要的刀具通常有不同的要求 (见图 4)。当原来的数控加工程序执行时，这将导致严重的问题。有两种方法来解决这个问题。一是为余下的刀具重新安排。另一个修改数控程序 ,并