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LOGO制造系统工程第五章制造工艺系统的设计与优化ClicktoaddyourtextContents制造工艺系统的设计基础1制造工艺系统的优化设计2制造工艺系统的布局设计3第一节制造工艺系统的设计基础仿真模型制造工艺系统作为企业级制造系统的一个子系统,位于企业加工车间的底层,是作用于一定范围的被加工对象,具有一定柔性自动化程度的各种加工设备和高素质人员组成的一个有机整体1、制造工艺系统的基本概念制造工艺系统加工设备子系统数控机床加工中心刀具、夹具、两具等。。。。。。。物料运储子系统物料仓库装卸站自动运输小车。。。。。。运行控制子系统在计算机的控制与调度下,实现对制造工艺系统的控制2、制造工艺系统的物料流加工传送储存检验3、制造工艺系统的运行模式物理结构模式系统所拥有的设备、资源以及所属的物理区域相对固定的模式,系统的柔性受到一定的限制,但是易于控制和管理,运行成本也比较低逻辑结构模式动态可重构的系统组成模式,没有属于自己固定的物理区域,也没有固定属于自己的设备和资源,它拥有的设备和资源是通过上级管理控制系统动态指派确定的,可以位于不同的物理位置,这种逻辑结构是根据生产任务的要求而临时组成的,一旦该任务完成,这种逻辑结构便不复存在。柔性好,但是运行成本比较高无论制造工艺系统是以物理结构模式还是以逻辑结构模式运行,其运行原理是一致的,系统的运行过程都包含有物料加工和管理控制两条主线4、制造工艺系统设计的基本内容制造工艺系统的设计是为产品或零件的制造过程制定一个工艺流程计划,构造一个生产加工环境。在该生产环境下,通过所制定的工艺流程计划的实施使原材料经不同的工作位置的加工转换,最终成为产品或成品由于制造工艺和生产组织的多样性,制造工艺系统也形式多样,但无论何种类型,一个制造工艺系统设计的基本内容可归纳为制造工艺流程设计、工序设计、工艺设备的选用和布局等几方面的设计任务制造工艺流程设计制造工艺流程设计是指由原材料向产品进行转换的工艺路线,主要有串联型、组合型和分解型三种基本形式abc工序设计工序设计是指对制造工艺流程的具体实现,是对工艺路线中的每一步骤进行详细设计的过程。工序设计的任务包括加工设备的选配、工步的划分、切削参数的确定、加工工时的计算、时间标准的确定等内容工艺设备选配原则在满足设备基本功能和环境要求的条件下,应遵循以下原则:质量效率柔性成本其他第二节制造工艺流程的优化设计在进行工艺流程设计时,往往会有多种不同的方案,工业设计人员可以根据所给制造工艺系统的设计目标和约束条件,采用优化设计方法,设计出一种最佳的工艺流程。常采用的制造工艺流程优化设计方法有以下两种:动态规划法决策网络法动态规划1、动态规划的基本概念动态规划是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法,通常会涉及到以下一些基本概念:阶段(stage):用k来表示阶段的序号状态(state):表示系统某阶段的出发位置、状况或特征,用sk表示决策(decision):当某阶段的状态给定后,从该状态演变到下一阶段某状态的选择,用xk=xk(sk)表示第k阶段系统处于sk状态时的决策选择策略(policy):由各阶段的决策构成的一个决策序列。Pk,n={xk(sk),xk+1(sk+1),…,xn(sn)}目标函数:衡量过程优劣的准则,通常用f来表示2、最优性原理作为整个过程的最优策略具有这样的性质:无论过去的状态和决策如何,相对于前面决策所形成的状态而言,余下的决策序列必然构成子策略3、动态规划决策过程从上图可以看到,零件从毛坯开始共包括基准面加工、成形加工、键槽加工和表面处理四个阶段,各阶段的状态变量为:S0={s0毛坯准备}S1={s1.1精车,s1.2粗车+平面磨削}S2={s2.1滚齿,s2.2拉齿}S3={s3.1刨削,s3.2拉削,s3.3插削}S4={s4高频淬火}由最优性原理确定的动态规划方法思路如下:从最后一阶段开始,由后向前逐步递推,求出各点到终点的最佳路线,从而获得最佳的工艺路线根据最优性原理,从阶段i经阶段j到最后终点的目标函数为:()min[()]ijfiTfj本例中,第四阶段为最终工艺阶段,则4()0fs第三阶段有三个状态变量,各自仅有一个工艺决策路线,其目标函数为3.13.1443.23.2443.33.344()min[()]min[0.20]0.2()min[()]min[0.30]0.3()min[()]min[0.20]0.2fsTfsfsTfsfsTfs则第三阶段各状态点的工艺决策的策略为3,43.13,43.23,43.3()[3.14]()[3.24]()[3.34]PsPsPs第二阶段有两个状态变量,每个状态变量均有三个工艺决策路线,则目标函数为2.12.13.13.12.13.23.22.13.33.32.22.23.13.12.23.23.22.23.33.3()min[(),(),()]min[0.50.2,0.10.3,4.50.2]min[0.7,0.4,4.7]0.4()min[(),(),()]min[0.50.2,0.10.3,0.3fsTfsTfsTfsfsTfsTfsTfs0.2]min[0.7,0.4,0.5]0.4则第二阶段各状态点工艺决策的策略为2,42.12,42.2()[2.13.24]()[2.23.24]PsPs第一阶段有两个状态变量,每个状态变量均有两个工艺决策路线,则目标函数为1.11.12.12.11.12.22.21.21.22.12.11.22.22.2()min[(),()]min[4.50.4,30.4]min[4.9,3.4]3.4()min[(),()]min[40.4,20.4]min[4.4,2.4]2.4fsTfsTfsfsTfsTfs则第一阶段各状态点工艺决策的策略为1,41.11,41.2()[1.12.23.24]()[1.22.23.24]PsPs在初始0阶段仅有一个状态变量,有两条工艺决策路线,则目标函数为001.11.101.21.2()min[(),()]min[43.4,4.52.4]min[7.4,6.9]6.9fsTfsTfs那么整个过程的最优策略为0,4[01.22.23.24]P故最终获得的最优工艺路线为:毛坯——粗车+平磨(4.5h)——拉齿(2h)——拉键槽(0.1h)——高频淬火(0.3h),共耗费6.9h,求解结束决策网络决策网络技术是用网络分析的方法编制大型工程的日程计划,进而做到合理安排工序,优化配置人力、物力和财力资源1、决策网络图决策网络技术的第一步是绘制决策网络图,也就是将工程项目的各工序关系用箭头和节点连接起来,组成一幅简单的有向赋权图图5-72、时间参数的计算和关键路线的确定以图5-7为例,从工程起点1到终点7有多条工艺路线,在不用路线上各工序的时间之和是不相等的,其中必有一条作业时间最长的路线,这条路线称为关键路线。组成关键路线的各工序称为关键工序,各关键工序作业时间之和便为工程的总工期如果缩短某关键工序的时间,就能缩短工程的总工期,而缩短非关键工序的用工时间,却不能使整个工程提前完工,因此可适当集中人力和物力用在关键工序上,以达到缩短工期、合理利用资源的目的为此,需进行决策网络图中各有关时间参数的计算,包括各工序最早开始时间、最早结束时间、最迟开始时间、最迟结束时间等工序最早开始时间TES(I,j),工序(I,j)的最早开始时间等于该工序箭尾事项i的最早时间TE(i),而事项i的最早时间又是以节点i为箭头事项的各工序的最早可能结束时间,则(,)()max{()}ESEEkiTijTiTkt图5-7中,各事项的最早时间计算如下(只列出部分):121324345767(1)0(2)(1)066(3)(1)055(4)max{(2),(3)}max{67,56}13...(7)max{(5),(6)}max{193,224}26EEEEEEEEEEETTTtTTtTTtTtTTtTt工艺路线①②④⑥⑦为关键路线工序最早结束时间TEF(i,j),工序(i,j)的最早结束时间等于该工序最早开始时间加上该工序所需的作业时间(,)(,)EFESijTijTijt工序最迟结束时间TLF(i,j),在不影响工程最早结束时间的前提下,工序(i,j)最迟必须结束的时间等于箭头事项j的最迟时间TL(j),决策网络中的各事项最迟时间可按下式自左向右逐个推算674546()()min{()}(7)(7)26(6)(7)26422(4)min{(5),(6)}min{246,229}13LLLjkLELLLLLTnTjTktTTTTtTTtTt总工期例工序最迟开始时间TLS(i,j),在不影响工程最早结束时间前提下,工序(i,j)最迟必须开始的时间应等于该工序最迟结束时间TLF(i,j)减去该工序所需的作业时间(,)(,)LSLFijTijTijt工序机动时间,又称为松弛时间,分为各工序的总时差和单时差(,)(,)(,)(,)(,):(,)(,)(,)LSESLFEFESEFRijTijTijTijTijrijTjkTij总时差:单时差3、网络计划的优化最常用的网络计划优化为时间—成本的优化,即综合考虑工程的工期与成本两个工艺因素,寻求以最低的工程费用获得最短的工程工期的一种方法成本赶工率定义为:''ijijijijijijcckttk每追赶一个单位时间进度所需要增加的直接工序成本例5-2设图5-7中各工序的工期、成本如下表所示,时间单位为周,费用单位为万元;并设每单位时间间接成本为1万元。求该工程关于时间-成本的优化方案第一步:计算相关参数第二步:压缩关键路线上的工序时间在选择待压缩的工序时,应注意一下几点:优先选择赶工成本斜率kij最小的关键工序最多可压缩时间不超过正常时间与应急时间之差压缩的时间不超过与该工序并行的非关键工序的总时差按照以上几点原则,在关键工序A、C、G、I中,应该选择A为待压缩工序,压缩的时间为min{6-3,7-5}=2,即将A从6周压缩为4周第一次优化相关参数计算:经过第一次优化之后,关键路线变成了两条:P1:①→②→④→⑥→⑦P2:①→③→④→⑥→⑦第三步:此时,关键路线上成本斜率最小的是工序B,但是单独压缩B不会缩短工期,因为P1仍为关键路线,所以需同时压缩A、B的作业时间。A的应急时间为3周,现在的作业时间为4周,故只能压缩一周,则将工序A、B的工期同时压缩一周第二次优化相关参数计算:经过第二次优化之后,关键路线没有改变,仍为:P1:①→②→④→⑥→⑦P2:①→③→④→⑥→⑦第四步:此时,关键路线上工序A的作业时间已经不可压缩,应从G、I中选取成本斜率较小的工序I进行压缩。将工序I的作业时间从4周压缩为1周,得到的优化方案如下:第三次优化相关参数计算:经过第三次优化之后,关键路线没有改变,但是工程总工期从23周减少为20周,总成本没有改变。此时,最终方案的关键工序中,有的不能再压缩,有的压缩后其总成本反而会增加(自己验证),这说明所得到的方案已经是最优方案第三节制造工艺系统的布局设计1、制造工艺系统布局的目标和原则在进行系统布局时,应满足以下要求:实现和满足生产工艺过程的要求较高的生产效率和合理的设备利用率合适的柔性根据上述要求,在进行制造工艺系统布局时,首先应分析影响系统布局的因素,如自动化制造系统的功能和任务;加工对象的特征和工艺路线;设备种类、型号和数量;车间的总体布局;工作场地的有效面积等。在此基础上,还应遵循如下原则:最短运输原则保证加工精度原则安全原则方便作业原则便于系统扩充与集成的原则
本文标题:制造系统工程第五章
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