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換刀順序對加工中心換刀頻率的仿真優化

0 引言
　　隨著工業4.0、智能制造在國內的興起和推廣，越來越多的企業在向無人化車間、無人化生產線轉變。對于待成形產品的減量式加工，一般會采用加工中心。但現在客戶定制化越來越普遍，訂單的個性化、任務達到時間的隨機性、個性化質量要求的多樣性等，對加工中心的制造系統提出了更高的要求，比如加工中心刀庫設計要求、系統刀具多樣性要求、系統刀具調度策略合理性要求以及刀具使用壽命控制等。在車銑復合加工中心的自動生產線中，刀庫更新無法避免，特別是對于加工零件類型多樣性、加工工序多樣性、刀庫刀位有限性以及任務到達順序不確定的情況下，刀庫刀具更換會更加頻繁。
目前國內外對可以處理多類產品、多道工序的車銑復合加工中心刀庫更新的策略研究不多，對于刀具使用壽命研究也過于理論化，難以適應具體的工程應用。曹樂等分析刀具預防性更換與故障性更換之間的差異，對故障性刀具更換時間的不確定性進行描述，建立刀具更換的時間成本模型，最后以單位產品平均成本最小化為目標，建立一種刀具更換周期決策模型[1]；DENG Y H 和JEANG A 等人基于刀具更換成本和加工過程中刀具更換決策，通過研究分析提出一種最優刀具更換決策方法[2,3]；王新剛等以刀具失效率為判據，建立了如何確定被更換刀具的工序及換刀時間的方法[4]；張敏等提出了刀具磨損的過程能力指數計算方法，將過程能力與成本相結合，提出了用于確定最佳刀具初始狀態和維修周期的模型[5]。一些學者從刀具可靠性分析研究刀具更換決策問題，如LIU P H 等針對柔性制造系統建立了刀具更換周期的優化決策模型[6]。
　　以上參考文獻主要是對單一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?，F以典型的單加工中心制造單元為研究對象，運用Plant Simulation 仿真軟件對單加工中心制造單元進行仿真建模，在多任務、多工序且任務隨機到達的情況下，采用不同的刀庫更新策略研究系統換刀頻率，從而提出啟發式改進方法。
1 問題描述
　　在包含車銑復合加工中心的自動化生產單元中，生產過程中由于加工中心刀庫的刀位有限，刀具更換無法避免。刀具更換時加工中心必須暫停工作，且刀具更換時間不可忽略，所以刀具更換對加工中心的生產效率有一定影響，必須在生產過程中合理安排刀庫刀具，使加工過程中刀庫的更新次數減少，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所耗費時間最少。
　　由于實際應用過于復雜，現將問題抽象描述，預設一些條件或參數以便于研究。在建立仿真模型之前先假設：①任務總量和任務類型已知、每個任務零件數量和加工工序已知、所用刀具種類和數量已知；②同系統各種刀具使用壽命因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。
2 仿真模型設計與實現
2.1 仿真流程分析
（1）系統刀具初始化：根據系統刀具及各自數量生成相應刀具。
（2）任務到達與裝盤：任務到達之后，申請對應的托盤裝載零件，等待加工。
（3）加工中心刀庫更新：由預設定的刀具調度策略，根據不同的任務對刀庫進行更新。
（4）系統刀具更新：將達到使用壽命的刀具送至裝載中心進行刀具更換。
2.2 換刀流程分析及刀具調度策略
　　系統刀具可分為 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制；公用刀具至少能夠加工某一種零件或某一道工序，該刀具的使用壽命不容易控制，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取要加工的任務類型，其次根據系統信息獲取要加工的任務所用的刀具，當前一類任務加工完成以及對刀庫刀具使用壽命進行更新完畢之后，開始對刀庫進行更新，對刀庫更新有兩部分：①將達到使用壽命的刀具移至刀具裝載站進行刀具更換，在系統中補一把全新的刀具，并將其放在刀架對應的位置；②根據要加工的任務配置刀庫刀具，這時需要掃描刀庫刀具信息，把要用到的刀具留下，如果存在沒有的刀具，從刀架找到要用的刀具并通過機械手移至加工中心刀庫，若刀庫沒有空刀位，從刀庫移除一把不用的刀具至系統刀架，直至加工任務所用的刀具全部備齊至刀庫。刀具調度策略如圖2 所示。
換刀順序對加工中心換刀頻率的仿真優化

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4 結束語
　　通過對含有車銑復合加工中心的刀庫刀具更換問題進行描述，對其進行仿真建模，在不同任務到達順序的情況下，通過一系列的仿真策略得出相關的仿真試驗數據，經過對試驗數據的分析，可以發現哪些刀具類型的更換比較頻繁，然后在生產過程中，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，從而減少由于刀具更換帶來的時間損耗，提高生產效率。

分類：加工中心

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