打孔机生产效能的提高.ppt
打孔机生产效能的提高,指导教师：梁放驰 组员：唐仁杰 王旭阳 胡京林,空军工程大学,模型假设,将钻头和孔都看作是质点,假设钻头可沿任意方向直线运动,假设打孔时间极短，可以忽略不计,假设两个钻头任何时刻的距离都不能小于合作间距,1.1 时间最短模型,根据问题一的要求，设计单钻头打孔的最优方案。据了解，已知打孔机的生产效能主要取决于以下几个方面：单个过孔的钻孔作业时间，这是由生产工艺决定的。打孔机在加工作业时，钻头的行进时间；针对不同孔型加工作业时，刀具的转换时间。在时间最短模型中，不论采取何种优化方案，用在钻孔上面的时间是相同的，因此对钻头行进时间和刀具转换时间进行分析，可以得出刀头的行进路线决定了钻头行进时间和刀具转换时间。,1.1 时间最短模型,基于以上分析，时间最短模型采用逐步判断的方法，即每打完一个孔，判断是选择加工相同孔型的孔，还是转换刀具加工其他孔型的孔。加工相同孔型的孔，只存在刀头行进时间；加工不同孔型的孔，存在刀头行进时间和换刀时间。以时间最短为原则，逐个孔进行判断，直到完成所有的工作。,1.2 时间成本综合模型,在时间最短模型的基础上，提高印刷电路板的打孔作业效能的同时，分析考虑作业路线的成本，方法就是综合时间和费用两个因素作为打孔路径的判断条件，对时间最短模型进行如下改进。将每一种打孔方案的时间和费用进行去单位化处理得到 和，同时引入权重系数，对去单位后的时间和费用加权求和，得到综合的判断指标 为：,1.3 最短边搜索结果,在之前分析的基础上，采用最短边搜索的方法,在边中搜索最短的一条边，加入最短路径，直到所有的孔都被加入最短路中。最短边的搜索次数定为900次，得到如下图所示的路线图：,1.3 最短边搜索结果,分析搜索最短边得到的结果，可得如下结论：选用a刀从A型孔开始打，红点代表A型孔，黑点代表其它孔。红点集中在路线的前半段，就是说每次搜索后还是选择A孔。直到A孔打完后才换下一种刀。,1.3 最短边搜索结果,每一步都是搜索最短边，考虑到局部最优解的组合并不一定是全局最优解。因此上述方案中仍存在一定的缺陷。,1.4 最优换刀模型,鉴于刀具转换时间远大于刀头行进时间，相同孔型的孔应该是连续加工的。所以将最优设计拆分为两个步骤：确定最优的换刀顺序，满足所有孔加工要求的同时，使刀具转换时间最短。针对每一种刀型，确定最优的打孔路线，使刀头行进时间最短。,1.4 最优换刀模型,1.4 最优换刀模型,通过枚举搜索的方法，计算得到最优的换刀方式为：这种方式既能保证所有的孔都全部打完又能使换刀花费的时间最少。换刀所花总时间为：换刀所用总费用为：,1.5 路线的求解,针对单一孔型的作业，将问题转换为旅行商问题，让钻头经过所有的孔，对总路程进行优化。对于TSP问题的求解，若数据量少，可以采用枚举法进行求解；若数据量很大，则采用枚举法会产生“组合爆炸”，因此选择模拟退火算法进行求解。h刀的走刀路线如右图所示。,1.6 路线局部优化,问题一结果,2.1 双钻头分时工作模型,在问题一的基础上进一步分析，使用双钻头作业的时候，由于换刀时间要比走刀时间大得多，因此首先解决换刀的问题，再解决走刀路径的问题。通过枚举搜索的方法，计算得到最优的换刀方式为：,2.1 双钻头分时工作模型,从表中可以看出，时间最长的为16.175s，还小于换一次刀所需的18s。因此考虑，为了最大程度上减小两个钻头碰撞的概率，最为直接的做法是：让两个钻头分时工作。具体的做法是：一个钻头在进行打孔作业的时候，另一个钻头必须在电路板外进行换刀或是等待。,2.1 双钻头分时工作模型,2.2 分时工作模型的优化,严格的分时工作虽然彻底避免了碰撞的可能性，但是也会使得因为等待而造成总的作业时间的增长，为了最大限度提高工作效能，使两个钻头“默契”配合，需要对分时工作模型进一步优化。甲钻头一直在进行作业，并没有发生等待的情况，因此时间不可能进一步减少。因此只能对最后一步进行优化，让甲钻头的 刀与乙钻头的 刀同时进行打孔。,2.2 分时工作模型的优化,处理碰撞的问题，首先将钻头的位置表示为时间函数。甲钻头经过的孔坐标分别为：则第n段路线的函数方程为：将速度分解之后，最终得到甲钻头的位置函数为：,2.2 分时工作模型的优化,得到甲乙钻头位置函数后，就可以计算出任意时刻两个钻头之间的距离。,第一段红线的起始时间为1.156s，结束时间为1.326s，第二段起始时间为6.094s，结束时间为6.234s，为避免碰撞多用的时间为0.31s。优化后总用时128.305s，和单钻头作业相比节省134.835s，效率提高51.24%。,2.3 双钻头合作间距对生产效能产生的影响,随着合作间距的增加，冲突时间和作业完成时间随之增加。,2.3 双钻头合作间距对生产效能产生的影响,合作间距对生产效能提高的影响趋势,模型评价,模型的优点：分析全面，假设合理，采用先排刀序再打孔的模型，有效解决了孔对刀序的要求。运用模拟退火算法求取函数的近似最优解，在局部用搜索最短路方法进行优化，确保了结果的合理性。在双钻头模型中，可以较精确计算出任意时刻两钻头的距离，对研究碰撞问题以及合作间距的影响带来了方便。模型的缺点：因为模拟退火算法本身的特性，每次运行程序的结果可能会不同，虽然进行优化但与真实结果还会存在一定误差。为了便于优化换刀方式和行刀路线，模型没有考虑打每个孔所用的时间，而这个时间对于印刷电路板的加工也是十分重要的。,谢谢！,
