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任務順序（xù）刀庫更新策略對加工中心換刀頻率的仿真優化

2019-10-17 來源：廣東省計算（suàn）機集成製造係統重點實驗室作者：李澤龍，焦勇清，魯一凡（fán）

摘要：針對含有單個自動加工中心的自動生產線（xiàn），利用Plant Simulation仿真平（píng）台建立（lì）仿真模型，根據不同的情形設計和實施一（yī）係列試驗，通過調整相關參數和使用不同刀庫更（gèng）新策略，統計換刀相關係統性能指標，最後提出一種在隨（suí）機條件下的多任務多工序加工的刀庫更新（xīn）策（cè）略。

關鍵詞：加（jiā）工中心；仿真建模；刀庫更新；隨機任務

0 引言

隨著工（gōng）業 4.0、智能製造在國內的興起和推廣，越來越多的企業在向無人化車間、無（wú）人化生產線轉變。對於待成形產品的（de）減（jiǎn）量式加工，一般（bān）會采用加工中心（xīn）。但現在客戶定製化越來越普遍，訂（dìng）單的個性化、任務（wù）達到時間的隨機性、個性化質量要求的多樣性等，對加工中心的製造係統提出了更高（gāo）的要求，比如加工中（zhōng）心刀庫設計要求、係統刀具多樣性要求、係統刀具調度策略合理性要求以及刀具使用壽命控製等。在車銑複合加工中心（xīn）的自動生產線（xiàn）中，刀庫更新無法避免，特別是對於加工（gōng）零件類型多樣性、加工工序多樣性（xìng）、刀（dāo）庫刀位有限（xiàn）性以及任務（wù）到達順序不（bú）確定的（de）情況下，刀庫刀具（jù）更換會更加頻繁。

目前國內外對可以處理（lǐ）多類產品、多道工序的車銑複（fù）合加工中心刀庫更（gèng）新的策略（luè）研究不多（duō），對於刀具使用壽命研究也過於理論化，難以適應具體的工（gōng）程應用。曹樂（lè）等分析（xī）刀具預防性更換與故障性更換之間（jiān）的（de）差（chà）異，對故障性刀具更（gèng）換時間的不（bú）確定性進行（háng）描述，建立刀具更換的時間成本模型，最後以（yǐ）單位產品平均成本最小化為目標，建立（lì）一（yī）種刀具更換周期決策模（mó）型（xíng）；DENG Y H和JEANG A等人基於刀具更換成本（běn）和加工過程中刀具（jù）更（gèng）換決（jué）策，通過研究分析提出一種最（zuì）優刀具更換決策方法[2,3]；王新剛等以刀具（jù）失效率為（wéi）判據，建立了如何確定被更換刀具的工序及換刀時間的方法；張敏等提出了刀具磨損的（de）過程能（néng）力指數計（jì）算方法（fǎ），將過程能力與成本相結（jié）合，提出了用於確定最（zuì）佳刀具初始狀態和維修周期（qī）的模型。一些學者從（cóng）刀具可靠性分析研究（jiū）刀具更換決策問題，如LIU P H等針（zhēn）對柔性製造係統（tǒng）建立了刀具更換周期的優化決策模型。

以上參考文獻主要是對單（dān）一（yī）刀具使用壽命的研究，刀具達到使用壽命或刀具故障導致的換刀（dāo）。現以典型的單加工中心製（zhì）造單元為研究對象，運用Plant Simulation 仿真（zhēn）軟件對單加工中心製造單元（yuán）進行仿真建模，在多任務、多工序且任務隨機（jī）到達的情（qíng）況下，采用不同（tóng）的刀庫更新策略研究（jiū）係（xì）統換刀頻率，從而提出啟發式改進方法。1 問題描述在包含車銑複合加工中心的自動化生產單元中，生產（chǎn）過程中由於加工中心刀庫的刀位有限，刀具更換無法避免。刀具更換時加工中（zhōng）心必須暫停工作，且刀具更換時間不可忽略，所（suǒ）以刀具更換對加工中心（xīn）的生產效率有一定影響（xiǎng），必須在生產過程中合理安排（pái）刀庫（kù）刀具，使加工過程中刀（dāo）庫（kù）的更新次數減（jiǎn）少（shǎo），且每次刀具更新時刀具更換數量少，使完成給定加工任務時刀庫刀具變更（gèng）所耗費時間最少。由於實際應用過於複雜，現將（jiāng）問題（tí）抽象描述，預設一些條件或參數以（yǐ）便於研究。在建立仿真模型之前先假（jiǎ）設（shè）：

①任（rèn）務（wù）總量和任務類型已知、每個（gè）任務零（líng）件數量（liàng）和（hé）加工工（gōng）序已知、所用刀具種類和數量已知；

②同係統各種（zhǒng）刀具使用壽命因（yīn）加工任務不同而不同，存在公用與專用刀具；

③所有刀具更換時間。單加工中心自動生產線如圖1所示。

圖1 單加工中心自動生產線

2 、仿真模型設計與實現

2.1 仿真流程分析

（1）係統刀具初始化：根據係統刀（dāo）具及各（gè）自（zì）數量生（shēng）成相應刀具（jù）。

（2）任務到達與裝盤：任（rèn）務（wù）到達（dá）之（zhī）後，申請對應的托盤裝載零件，等待加工。

（3）加工中心刀庫（kù）更新（xīn）：由預設定的刀（dāo）具調度策略，根據不同的任務對刀庫進行（háng）更（gèng）新。

（4）係統刀具更新：將達到使用壽命的刀具送至裝載中（zhōng）心進行刀具更換。

2.2 換刀流（liú）程分析及刀具（jù）調度（dù）策略

係統刀具（jù）可分為（wéi） 2 類：專用刀具和公用刀具。專用刀具指定的某一種零件的某一道工序的加工，該刀具的特點是刀具使用壽命容易控製；公用刀具至少能夠加工某一種零（líng）件或某一道工序，該刀具的使用（yòng）壽命不容易控（kòng）製，因為加工不同零件工序時的損耗不一樣。

刀具調度策略首先獲（huò）取要加工的任（rèn）務類型，其次根據係統信息獲取要加工的任務所用的刀具（jù），當前一類任務加工完（wán）成以及對刀庫刀（dāo）具使用壽命進行更新完畢之後，開始對刀庫進行更新（xīn），對刀庫更（gèng）新有兩部分：

①將達到使用壽命（mìng）的刀具（jù）移至刀具裝載站進行刀（dāo）具更換，在（zài）係統中補一把全新的刀具，並將其放在刀架對應的位置；

②根據要加工的任務配置刀（dāo）庫刀具，這時需要掃描刀庫刀具信息，把要用到的刀具留（liú）下，如果存在（zài）沒有的刀具，從刀架找到要用的刀具（jù）並（bìng）通過機械手移至（zhì）加工中心（xīn）刀庫，若

刀庫沒有空刀位，從刀庫移除（chú）一（yī）把不用的刀具至係統刀架，直至加工任務所（suǒ）用的刀具全（quán）部備齊至刀庫（kù）。刀具調度策略如圖2所（suǒ）示。

圖2 刀具調度策略

2.3 仿真模型實現

由於研究內容隻涉及刀具更換，不模擬機械（xiè）手取放刀動作，在建模時除去機械手，模型中隻是用相關對象及其組（zǔ）合模擬刀具更換對係統進行補刀（dāo），

仿真模型主要包括以下7個模塊。

（1）係統參數（shù）信息（xī）模塊：包括刀具基礎數（shù）據表，如刀具類型、綜合使用壽命等（děng）信息；係統刀具對應的刀架位置信息；公用刀具與專用刀具信（xìn）息；加工任務種類及其數量（liàng）信息等；不同任務的刀具配置信息等。

（2）訂單、刀（dāo）具、零件生成模塊：訂單生成按照任務表順序到達，該到達是（shì）按任務比例隨機到達（dá）；刀具生成按照（zhào）係（xì）統刀具配置信息（xī）順序生成至係統刀架；零件生成（chéng）包（bāo）括兩部分：

①零件（jiàn）按訂單到達順序生（shēng）成；

②生成零件對應的零件托盤，並且將零件裝載至對應的零件托盤，裝載數量由係統參數確定。

（3）加工中心及刀架模塊（kuài）：該模塊包含1台加工中心、1 個刀架和 2 個（gè）緩（huǎn）存（cún）台（上料托盤零件緩（huǎn）存台和（hé）下料零件緩（huǎn）存台），負責零件的加工，加工時間由不同零件、不同工序預設的加工時間確定。

（4）刀具調度方（fāng）法模塊：該模塊主要負責加工（gōng）過程中刀具的調度問題，包括換任務（wù）後刀庫的更（gèng）新、加工同種任務時達到使用壽命的刀具的更換和係統中達（dá）到使用壽命的刀具更（gèng）新等。

（5）加（jiā）工中心刀庫及（jí）刀架控（kòng）製模塊：該模塊負責零（líng）件（jiàn）托盤上、下緩存台，根據不同（tóng）零件（jiàn）及其工序（xù）設置其技工時間（jiān）和零件上、下機床控製等。

（6）刀具（jù）更換模塊：主要模擬裝載站（zhàn）的刀具更換，包括舊刀具的回收、新（xīn）刀（dāo）的生成和刀具信息傳遞，如刀（dāo）具、刀架位置和綜合（hé）使用壽命等信息。

（7）刀具（jù）統計模塊：該模塊負責加工過程中刀具使（shǐ）用情（qíng）況（kuàng）的統計，包括不（bú）同刀具的使用數量、刀具的更換總（zǒng）次（cì）數（shù）和不同刀具的更換次數及其更換頻率。單加工中心仿真模型如圖3所示。

圖3 單加工中心仿真模型

3 、仿（fǎng）真試驗與結果分析

應用Plant Simulation 離散係統仿真（zhēn）軟件對上述單加工中心的自動（dòng）生產線進行仿真，分析在不同刀庫更新策略及任（rèn）務隨機到達的（de）情況下，通過對刀具使用信息的統計，找出影響換（huàn）刀頻率的原因，並提出降低換刀頻率的方法。

3.1 仿真係統基本（běn）參數

仿真中零件的加工是按工序加工（gōng）時間進行（háng），但對刀具使用壽命的損耗折算是按已加工零件（jiàn）數目進行統計（jì），零件及其工序加工時間如表1所示，仿真試驗設計如表2所示（shì）

表1 零件及其工序加工時間

表2 仿真試驗設（shè）計

仿真試（shì）驗結果及其分析對（duì）換刀（dāo）的統計是由於新的任務到來，這時加（jiā）工中心刀庫中（zhōng）的刀具沒有對應（yīng）的刀具導致換刀，並不是因為達到（dào）使用壽命導致的換刀，因達到使用壽命導致的換刀不予（yǔ）記錄和統計。任務順序給定時，不同更換策略下更換頻率的最高10類刀具如表3所示。

表3 任務順序給（gěi）定時更（gèng）換頻率最高的10類刀

從表3可以看出，在給定加（jiā）工（gōng）任務順序時，不同刀庫更新策略下的不同試驗中，有（yǒu）的刀具更換頻率在不同策（cè）略中都（dōu）比較高（gāo），如 T67、T70、T11、T21 和T22 等刀（dāo）具，所以在進行刀庫更新時，這些刀（dāo）具盡量保留在刀庫中，可以減少總的刀具更換次數。對於給定任務順序下的不同刀庫更新策略，不同刀具的更換頻率（lǜ）如圖4所示。

圖（tú）4 任務順序給（gěi）定時的刀（dāo）具更換頻（pín）率

圖5 任務順序隨（suí）機時的刀具更換頻率

從圖 4 可以（yǐ）看出，刀具編號（hào）在 30～40 的大部分刀（dāo）具更換頻率比較低，刀具編號在52～60的刀具更換頻率（lǜ）比較接近。對於任務順序隨機（jī）時的不（bú）同刀庫更新（xīn）策略，不同（tóng）刀具（jù）的更換（huàn）頻率如圖5所示，從圖5 可以（yǐ）看出，刀具編號在 50～64 的刀具更換頻率比較（jiào）低，也（yě）有比較多的刀具（jù）更換（huàn）頻率為0。

任務順序隨機時，不同更換（huàn）策略下更（gèng）換頻率最高的10類（lèi）刀具如表4所示，從表4可以看出，在加工任（rèn）務順序（xù）是隨機（jī）給定時，不同（tóng）刀庫更新策略下的不同試驗中，有的刀具更換頻（pín）率在不同（tóng）策略中都比較高，如（rú） T66、T70、T11、T36 和 T68 等刀具，所以在進行刀庫更新時，這些刀具盡量保留在刀庫中。

表4 任務順序隨機時更換（huàn）頻率最高的10類刀

綜合上述的試（shì）驗結果可知，在不同任務順序的情況下，更換頻率較高（gāo）的（de）刀具並不完全一樣（yàng），所以要根據實際的加工情況合理安排刀庫（kù）中（zhōng）的刀具，使刀庫更新時總的（de）刀具更換（huàn）次數減少。

4 、結束語

通過對含有車銑複合加工中心的刀庫刀具（jù）更換問題進行描述，對其進行仿真建模，在不同任務到達順（shùn）序的情況下，通過（guò）一係列的仿真策略得出相關的仿（fǎng）真試驗數據，經過對試驗數據的分析（xī），可以發現哪些刀具類型的更換（huàn）比較頻繁，然後在生（shēng）產過程中，著重對相關刀具進行優先配置，可以有效減少總的換刀次數，從而減少由於刀具更換帶來的時間損耗，提高生產效率。

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