系仿课设吴明波053008.docx
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系仿课设吴明波053008
目录
1.任务分析2
1.1相关假设2
1.2装夹区操作过程分析2
1.3小车运动过程分析2
1.4加工中心过程分析3
1.5指标定义3
2.原始加工顺序分析3
2.1原始加工顺序任务工序图5
2.2原始加工顺序分析6
3.系统优化方案6
3.1优化目标6
3.2优化原则7
3.3优化结果与分析7
3.2.1确定最优方案7
3.2.2最优方案工序图8
4.比较与分析10
4.1优化前后数据对比10
4.2优化结果分析11
5.小结11
1.任务分析
根据任务书可知，原系统中共有6个托盘、4台加工中心、1辆小车、20个待加工任务分别标号1~20，每个任务的加工时间已知。
任务的加工顺序不同，可使工件加工的总时间、各种设备利用率与闲置时间不同，本次任务重新为排列工件的加工顺序，得到一个较优化的方案。
小车和加工中心是本任务中主要的两种设备，可首先对其过程进行分析。
1.1相关假设
为使工件的整个加工过程更清楚明了，以便对其进行分析，现进行如下假设：
1.加工开始前2个托盘在工件装夹区。
2.小车运行尽量不停，小车在更换完托盘后，必须把更换的已加工好的工件运回并卸载。
3.小车向加工中心运送工件时，优先向先加工完成的工件所在的加工中心运送。
1.2装夹区操作过程分析
在以上的假设条件下，对装夹区的操作过程进行分析：
装夹区的操作过程一般有:
1）装夹工件
2）等待小车运回空托盘，与装夹好工件的托盘更换
由于最开始装夹区有两个托盘，所以前两个工件装夹时无需过程2），后面的工件装夹必须经历过程2），这个等待无法避免，所以不是此次优化内容。
1.3小车运动过程分析
在以上的假设条件下，对小车的运动过程进行分析：
小车的运动过程分成两种情况：
第一种，当只有2个托盘在装夹区里面时，小车必须经历的过程有：
1）等待安装工件
2）运出工件
3）更换工件
4）运回工件
其中限制过程2）运出工件的条件有两个，一为安装工件完成，其二为小车完成上一个任务所需的所有操作，并到达装夹区。
这种情况只会在开始加工前两个工件是发生，这时不会产生小车等待时间。
第二种，当有1个托盘在装夹区里面时，由于装夹肯定会在小车运回前完成，小车必须经历的过程有：
1）运出工件
2）更换工件
3）运回工件
4）将空托盘与装夹区已装夹好的托盘更换
此时限制2）运出工件的条件为小车完成上一个任务所需的所有操作，并到达装夹区，这个过程在小车不停运作时是不会产生闲置时间的。
限制过程3）更换工件的条件为所有机床都在加工，校车必须等待某一加工中心加工完成才能与其更换。
这个闲置时间可作为此次优化的一个目标。
1.4加工中心过程分析
在以上假设成立的情况下，加工中心产生等待时间的因素只有工件加工时间这一限制，如果加工中心加工的上一个工件没有与小车的运行完美衔接，就会产生加工中心等待小车运来待加工工件，这一情况可以通过合理安排任务加工顺序来优化。
此闲置时间可作为本次优化的一个目标。
任务完成时间也是通过合理安排任务加工顺序实现的，所以任务完成时间将作为本次优化的主要目标。
1.5指标定义
为对原始加工顺序及改进后的加工顺序进行评价与比较，现定义如下指标：
1.小车等待时间：
小车上述2种情况中除每种情况中必须经历过程以外的时间；
2.加工中心等待时间：
加工中心停止工作后到下一次开启前的时间，每一台加工中心开始加工第一个工件的时间，已经固定，无法优化；
3.加工中心闲置时间：
加工中心在等待小车运出及更换工件时的时间，这个时间最长，为此次优化主要目标；
4.任务完成时间：
从第一个工件开始安装到最后一个工件加工完成的时间。
2.原始加工顺序分析
要对加工顺序进行优化，首先要分析原始加工顺序，在此基础上结合对小车、加工中心的分析结果，找出原始方案中存在的不足与问题，找到解决方向与解决方案，以期在各个指标得以优化。
原始加工顺序方案如表1：
表1.原始加工顺序方案
任务
安装
运出
更换
加工完成
上一个工件运回
机床
加工时间
机床等待时间
机床闲置时间
小车闲置时间
1
3
5
6
23
9
1
17
5
0
0
2
6
11
12
17
15
2
5
11
0
0
3
12
17
18
29
21
3
11
17
0
0
4
18
23
24
39
27
4
15
23
0
0
5
24
29
30
45
33
1
15
6
0
6
30
35
36
49
39
2
13
18
0
7
36
41
42
69
45
3
27
12
0
8
42
47
48
66
51
4
18
8
0
9
48
53
54
72
57
1
18
8
0
10
54
59
60
81
63
2
21
10
0
11
60
65
67
79
70
4
12
0
1
12
66
72
73
88
76
3
15
3
0
13
73
78
79
115
82
1
36
6
0
14
79
84
85
102
88
2
17
3
0
15
85
90
91
128
94
3
37
2
0
16
91
96
97
123
100
4
26
17
0
17
97
102
103
132
106
2
29
0
0
18
103
108
116
137
119
1
21
0
7
19
109
121
124
132
127
4
8
0
2
20
122
129
130
145
133
3
15
1
0
总计
56
94
10
其中小车等待时间中，8号工件使小车等待1min，13号工件加工时间过长，导致小车等待了7min，16号工件也导致了小车等待了2min，因此小车总等待时间为10min。
2.1原始加工顺序任务工序图
原始加工顺序中，依据1.1中的三大假设，小车将工件按编号1~20依次运入到加工中心中进行加工，分析其过程，得到原始加工顺序方案如表1，工序图如图1、图2所示。
图1.原始加工顺序加工中心工序图
图2.原始加工顺序装夹区和小车工序图
*注：
图中无色框内数字为设备加工前的等待时间
深色框内数字为工件加工时间
不画框内的数字为相应设备空置等待时间
因为一开始前2个托盘都在工件安装区，所以2号工件可以在前面工件运出时连续安装，不占用小车等待时间
2.2原始加工顺序分析
根据图1、图2分析原始加工顺序中的各项指标得到表2。
表2.原始加工顺序各项关键参数
项目
时间（min）
所有任务完成时间
145
小车闲置时间
10
机床等待时间
56
机床1闲置时间
20
机床2闲置时间
31
机床3闲置时间
18
机床4闲置时间
25
机床总闲置时间
94
从表2中可以看出，该生产系统的加工中心等待时间较长，特别是加工中心2，说明设备的利用率较低，不能充分发挥加工中心的生产能力。
十分有优化的必要。
3.系统优化方案
解决方法可以是对任务顺序进行重新排列，以期降低小车和加工中心的空置等待时间。
3.1优化目标
1.降低小车等待时间：
由题可知，加工中心共有4台，而小车只有1台，根据分析可得小车是加工设备的瓶颈，若瓶颈设备的利用率不高，则其他设备也必然会产生浪费，因此小车的利用率必须提高，即小车的空置等待时间越少越好，降低小车空置等待时间是一项大目标。
2.降低加工中心等待时间：
分析原始加工顺序可知，4台加工中心的空置等待时间特别长，因此在降低小车空置等待时间的基础上，若能有效地减少加工中心的空置等待时间，系统将能得到很大的优化。
3.降低总时间：
开始的时候所有的设备应该尽量早的投入使用，多台加工中心并行加工可降低时间，直到产生过长的等待时间后，可以减少设备数量，节约资源。
3.2优化原则
1.首先选取工件加工时间等于加工中心闲置时间的工件。
2.若无合适的，再在工件加工时间小于加工中心闲置时间的工件中，选择两者差值最小的一个。
3.若两者都不可以，就在工件加工时间大于加工中心空闲时间的工件中，选择两者差值最小的一个。
这样可以保证每次填入的工件加工时间与设备的空闲时差值为0或最小，前两个原则是优先满足了小车过程3）运出的第二个条件，使小车的等待时间为0，这是因为小车是整个过程中的瓶颈，要首先提高小车的利用率，基于优化目标1考虑。
差值最小又可以降低加工中心的额外等待时间，兼顾目标2。
原则3保证了加工中心额外等待时间为0，是基于优化目标2考虑，差值最小又可以降低加小车等待时间，兼顾目标1。
3.3优化结果与分析
根据以上三个目标以及三个原则，运用启发式算法，确定优先排列加工时间长的工件，依次将工件排序完成，在做后得出的结果中选出最优结果。
3.2.1确定最优方案
经过多次启发式算法的排序，最终得到最优排序结果，如表3所示：
表3.优化加工顺序方案
任务
安装
运出
更换
加工完成
上一个工件运回
机床
加工时间
机床等待时间
机床闲置时间
小车等待时间
15
3
5
6
43
9
1
37
5
0
0
1
6
11
12
29
15
2
17
11
0
0
10
12
17
18
39
21
3
21
17
0
0
3
18
23
24
35
27
4
11
23
0
0
14
24
29
30
47
33
2
17
0
0
13
30
35
36
72
39
4
36
0
0
8
36
41
42
60
45
3
18
2
0
9
42
47
48
66
51
2
18
0
0
18
48
53
54
75
57
1
21
10
0
17
54
59
61
90
64
3
29
0
1
4
60
66
67
82
70
2
15
0
0
7
67
72
73
100
76
4
27
0
0
5
73
78
79
94
82
1
15
3
0
16
79
84
85
111
88
2
26
2
0
12
85
90
91
106
94
3
15
0
0
6
91
96
97
110
100
1
13
2
0
20
97
102
103
118
106
4
15
2
0
11
103
108
109
121
112
3
12
2
0
19
109
114
115
123
118
2
8
3
0
2
115
120
121
126
124
4
5
2
0
总计
56
28
1
3.2.2最优方案工序图
依据表3的排序结果做出优化后的工序图，如图3、图4所示：
图3.优化后加工中心工序图
图4.优化后装夹区和小车工序图
4.比较与分析
4.1优化前后数据对比
对比优化前与优化后的各项指标，比较结果见表4和图5所示：
表4.优化前后关键参数比较表
项目
时间（min）
减少时间
减少率
所有任务完成时间
145
126
19
13.10%
小车闲置时间
10
1
9
90.00%
机床等待时间
56
56
0
0.00%
机床1闲置时间
20
15
5
25.00%
机床2闲置时间
31
5
26
83.87%
机床3闲置时间
18
4
14
77.78%
机床4闲置时间
25
4
21
84.00%
机床总闲置时间
94
28
66
70.21%
图5.优化前后关键参数对比表
4.2优化结果分析
通过对比优化前与优化后的各项关键参数可知，优化后工件总加工时间由145min减少到126min，降低13.10%。
而且各设备的等待时间均减少，小车等待时间从10min降低到1min，降低90.00%，加工中心总闲置时间从94降低到28，降低70.21%，设备利用率大幅提高，可以使企业降低生产成本，减少浪费，缩短产品生产周期，提高竞争力。
5.小结
通过本次课程设计，让我系统全面的了解了比较接近现实的生产过程，使我有机会对从工件安装准备运出到工件加工完成运回的整个过程进行深入的思考，我知道了生产调度中的复杂性，诸多不确定因素。
也让我知道了动脑思考问题以及做事提前准备的、提前进行的重要性，而且在此过程中，我自学了许多制图的方法，如Excel、Visio等。
在课程设计过程中，我学到的最重要的就是确定正确的方法，建立合适的模型，使用合适的工具，就一定能解决一个生产系统优化问题。
而今后这种思考方式必将伴随整个学习、工作过程。
参考文献
【1】罗亚波.生产系统建模与仿真.华中科技大学出版社,2014
【2】李政.姜宏锋.物控部指导作业手册.广东经济出版社,2010.3
【3】陈栋.基于约束理论的生产计划与控制建模仿真研究[J].南京理工大学.2006
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