印刷电路板打孔的效能.docx
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1、印刷电路板打孔的效能摘 要本文就打孔机生产效能的提高,运用Matlab和穷举法建立数学模型,针对 实际问题,分别考虑两条原则:路径和转换方式最优原则,时间最优原则建立模 型。由于两个问题都为优化问题,我们用TSP模型求解钻头行进路程的最短路 径,以穷举法分析最优刀具转换方式。针对问题一,根据题目提供的印刷线路板过孔中心坐标数据,我们利用 Matlab画出了坐标分布图。分析其点分布,发现dcbahgfec这 种刀具转换方式不仅能保证每个点都打到且转换次数最少,这样就不仅降低了转 换成本,而且也使转换时间缩小到最少的。经过我们的反复计算,最终行进总路 程为1633.72cm,行进时间为1727.2
2、1 s,作业成本为1001.23元。对于双钻头的打孔机,它的作业是独立的,但为避免钻头间的触碰和干扰, 我们采取了分区域的做法,即两个钻头分开作业。根据分析,决定将其分为四个 区域并根据各个区域各种孔型分布特点,求出最短刀具转换方式。经过统计和计 算,最终行进总路程为1407.86cm,行进时间为1534.32s,作业成本为924.516 元。与单钻头比较时间效率提高了 552.01s,缩短了钻头的行进路程,成本降低 了 24.06 元。针对问题二,我们对问题一进行了优化,用牺牲刀具的转动时间来做到减短 钻头所行总路线,将其划分为四个区域,钻头根据区域依次行走,经过计算得出 最终行进总路程为1
3、475.96 cm,行进时间为2086.33s,作业成本为948.58元, 相比原本的方法,此种方法虽时间稍微多一些,但钻头行进路程变短了,也降低 了成本。关键字:Matlab TSP 穷举法一.问题重述打孔机主要用于制造印刷线路板流程中的打孔作业。为提高生产效能,需进 行合理的作业安排,设计加工一块线路板的最优计划,需考虑以下几个方面:(1) 单个过孔的钻孔作业时间,这是由生产工艺决定;(2) 打孔机在加工作业时,钻头的行进时间;(3) 针对不同孔型加工作业时,刀具的转换时间。在给定的某种砖头,上面装有8种刀具a,b.c,h,依次排列呈圆环状,如图1 所示:a 0bVhc令&gdf 0e图1
4、:某种钻头8种刀具的分布情况而且8种刀具的顺序固定,不能调换。加工作业时,一种刀具使用完毕后, 可以转换使用另一种刀具。相邻两刀具的转换时间为18s。作业时,可采用顺 (逆)时针旋转的方式转换刀具。将任一刀具转换至其它刀具处,所需时间是 相应转换时间的累加。为简化问题,假定钻头的行进速度是相同的,为180mm/s, 行进成本为0.06元/mm,刀具转换的时间成本为7元/min。刀具在行进过程中 可以同时进行刀具转换,但相应费用不减。不同刀具加工不同孔型,表一列出了 10种孔型所需加工刀具及加工次序 (标*者表示该孔型对刀具加工次序没有限制)。表1: 10种孔型所需加工刀具及加工次序孔型ABCD
5、EFGHIJ所需刀具aba, cd, e*c, fg, h*d, g, fhe, cf, c同一线路板上的过孔不要求加工完毕一个孔,再加工令一个孔,即对于须用 两种或两种以上刀具加工的过孔,只要保证所需刀具加工次序正确即可。要求:根据提供的数据给出单钻头的最优作业线路(包括刀具转换方案)、行进时间和 作业成本;(2)设计一种双钻头的打孔机,(每个钻头的形状与单钻头相同),两钻头可以同 时作业,且作业是独立的,即可以两个钻头同时进行打孔,也可以一个钻头 打孔,另一个钻头行进或转换刀具。为避免钻头间的触碰和干扰,在过孔加 工的任何时刻必须保持两钻头间距不小于3cm (称为两钻头合作间距)。为使 问
6、题简化,可以将钻头看作质点。(i)针对附件1的数据,给出双钻头作业时的最优作业线路、行进时间和作业 成本,并与传统单钻头打孔机进行比较,其生产效能提高多少?(ii )研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效能产生的影响。二、问题分析问题1的分析问题1所求的是单钻头作业最优生产效能,本题目要求综合刀具转换方案、 行进时间和作业成本给出单钻头作业的最优加工线路。结合附件1给出的数据, 我们初步确定用图论中的最短路径进行求解,而求解最短路径的是退火算法。对 单钻头作业生产效能的影响因素进行分析,可以得到以下因素:1、每个钻头在印刷电路板的前进时间;2、对于每个钻孔,过孔的钻孔作孔时间;3、对于不
7、同孔型加工作业,刀具的转换时间所消耗的时间。因此,我们对 以上三个影响因素进行综合分析,得出两种解决方法:(1)、减少钻头的转换时间;(2)、减少钻头的前进时间,即找到各钻头在钻头前进的最短路径。考虑到钻孔类型和钻头的种类不是一一对应的,因此,我们先确定刀具的最 短转换顺序,然后再对应每一个刀具分别分析钻孔的最短路径。对于刀具的最短转换顺序,在考虑十种刀具所对应的孔型顺序时,我们利用 枚举法进行求解,以得到最优的孔型顺序。在对每一个刀具进行最短路径的分析 时,我们利用最优化问题的普遍求解算法模拟退火算法进行求解,从而对最 有生产效能下最优化路线进行分析和求解。问题2分析问题2将情况分为双钻头情
8、况下的打孔机工作,要求求解最高生产效能以及 工作效率的提高率。在求解最高生产效能问题中,我们沿用了问题1的思路,采 用区域的思想,按照孔型分布情况将线路分为四个区域,再分别对每一个区域确 定刀具的转换方式和打孔顺序,然后综合考虑两组钻头打孔的时间和费用,再进 行调整,以此找出最优路径图。此外,我们还可以考虑“磨刀不误砍柴工”的思想,使得钻头1在线路板上 行进时候钻头2在转换刀具,待钻头2转换刀具结束开始进入线路板进行打孔, 钻头1退出线路板3cm,以此往复。最终我们拿两种求解结果进行比较,以获得 最优的工作效能。三、模型的假设1、对于同一孔型钻孔作业时间都是相同的;2、钻头的行进速度是相同的;
9、3、刀具在行进过程中可以同时进行刀具转换;4、对于须用两种或两种以上刀具加工的过孔,只要保证所需刀具加工次序正 确即可;5、在计算两孔之间距离时,为简化问题,假设打孔机的钻头为一质点;6、为避免钻头间的触碰和干扰,假定保持两钻头间距不小于3cm;四、符号的定义符号表示含义N城市编号X城市x轴坐标Y城市y轴坐标D.iji城市到j城市的距离矩阵S访问所有城市的路径总长度 Tk最优作业线路下刀具行进的总时间 T最优作业线路下刀具从i转换到j所消 耗的时间T总时间W作业成本W (/, j) 1W(k )Q (k)钻头从i钻头转换到j钻头所需的费用 第k个钻头在线路板上前进的总费用 钻头转换所需要的费用
10、T (i, j)从i钻头转换到j钻头所需要的时间s刀具转换的时间成本t1-1区域1中钻头行进所消耗的时间t1-2区域1中钻头转换时消耗的时间五、模型的建立于求解5.1.1刀具的最佳转换方案因为道具可以有顺时针旋转和逆时针旋转,通过穷举法得到全部方案:力案 1:a b c defg hg f e d c方案 2: a h g f e d c b a h g f方案 3: b a h g f e d c b a h g f方案 4: c d e f g h a b c d e f方案 5: c b a h g f e d c b a h g f方案 6:d - e - f - g - h - a
11、- b - c - d - e - f方案 7:d c b a h g f e d c b a h g f方案 8 :d - c - b - a - h - g - f - e - c方案 9:e f g h a b c d e f g f方案 10 : e - d - c - b - a - h - g - f - e - d - c方案 11: f - g - h a b c d e f g h e d c方案 12: f e d c b a h g f e d c方案 13: g h - a - b - c - d - e - f - g - f - e - d - c方案 14: g
12、f e d c b a h g f e d c方案 15: h a b c d e f g h e d c方案 16: h g f e d c b a h g f e d c通过分析各方案的转换次数可以发现,最佳的刀具转换方案,也就是转换次 数最小的方案,是方案8 : d r c T br aT hT g T fT eT dT c。根据方 案8,可以求得每种刀具所能打的孔型的最佳方案。针对方案8,每次转化钻头 所需打的孔型见表1 :表1钻头对应的钻孔孔型序列步骤刀具每 步对应刀具所能打的孔型1dD、G2cE3bB4aA、C5hF、H6gF、G7 fG、J、E8 eI、D9 cC、J、I5.1.
13、2线路对于问题一,我们首先做出钻孔在线路板的分布情况,如图1所示10-10234x10510520+ +ABCDEFGHIJ 型型型型型型型型型型 LLLLLLLLLL 孑孑孑孑孑孑孑孑孑孑 + + +图1线路板钻孔分布图5.2.1最优路径模型通过穷举法,我们得到了刀具转化的最优方案。我们把孔中心看做城市,钻 头看做商人,那么钻头打好一种孔型就如同商人遍访每一个城市,商人行进路程 S即为钻头的作业距离。若问题的解空间M可表示为1,2,耕的所有排列的集合,即M = (c ,c,,c )l(c ,c,,c )为1,2, .,房的排列12 n 12 n其中,每个排列Mi表示遍访n个城市的一个路径,c
14、.=j表示第i次访问城市j。原始数据矩阵为coor (N X Y)nx3N为城市编号, 那么X为城市的x轴坐标,Y为城市的y轴坐标。coor _ x = coor N nx3 zcoor _ y = coor (Nnx3X Y )x(0 1 0)X Y )x(0 0 1)即可得到原始数据矩阵的x坐标,y轴坐标。要算出每个点和其他所有点的距离,需要将coor _ x , coor _ y延拓成n阶方阵,定义一个n阶方阵O :n1nxncoor _ x = coor N Xcoor _ y - coor(N XY )x(0 1 0 )x OY )x(0 0 1)x 0n应为要通过向量化的方法计算距
15、离矩阵,所以要进行转置记为:coor _ xt , coor _ yr于是有i城市到j城市的距离矩阵:D =寸 coor _ x coor _ xt / + coor _ y coor _ xt /那么我们可以得到一个访问所有城市的路径总长度:S= Dji、jD通过模拟退火算法得到函数C的一个最优值。下面我们以孔型G和刀具g为例进行说明,虽然钻孔型G时,要用到d、g、 f三种刀具,在这里我们只选取打孔型G时,使用刀具g这一步骤。在附录中我 们可以得到孔型G的中心坐标数据,将它编号如下表2:表2孔型G的中心坐标XYXY1-301300-1920011-321300-424002-30130023
16、40012-321300434003-301300-4240013-321300-624004-3013004340014-321300643005-301300-6240015-3213008006-3013006430016-321300843007-301300800171530008926008-30130084300181730008926009-321300-192001919300089260010-3213002340020213000892600根据模型我们得到凹这一个距离矩阵表3 D矩阵里的数据表(5心)20100.42605.246120.426005.1789 .205
17、.24615.17890在这里i=20, j=20。由于数据太多,就不在具体写出矩阵D中数据时每个点和其他的所有点的距离即关系矩阵。对角线上,因 ij为是各点到自己本身的距离,所以值为0。然后第一行表示点1到其他各点的距 离,如点1到2点的距离是0.4260X105 mil.第一列表示各点到点1的距离, 如点20到点1的距离是5.2461X105 mil.进而我们得到我们的目标函数,假设S为总的距离。开始按照原始数据的路 径来行进,即顺序1,2,3, ,20。我们将这个顺序集合表示为:D=1,2, ,20 目标函数是这个总的距离达到最小值即:min S= Z Di = (1,2,.,20),
18、j = (1,2,.,20)ij i、jD下面我们通过随机选择两个点或三个点,交换他们的顺序,得到一个新解记 为长度S,比较S和S的大小,将小的程度保留。然后继续进行随机选取点和求 总长度,比较得较小者。经过多次的随机选择,得到最优的即最小的总长度并记 录最优的路径。这样就得到了最短路径通过上面的模型我们得到了在打G孔型时g刀具的最优路径及最短距离。 最优路径:13 T 5 T 3 T 1 T 7 T 2 T 4 T 17 T 18 T 19 T20 T 8 T 16 T 14 T 6 T 12 T 10 T 15 T 9 T 11最短距离:2.3017e+006由图2可以看出,使用退火算法模
19、拟最优路径,很好地求解了钻头打孔的最 短路径,使得个坐标点之间距离最优化,最后结果得到的路径长度比较满意。路径图2:图2 “g”钻头最优打孔路线图通过以上对“f”钻头的分析与求解,我们采用相同的方法对九个序列分别 进行求解,可得各钻头在线路板上最短路径如表4所示。表4各钻头在线路板上路径起终点以及路径长度(mil)钻头起点坐标终点坐标长度d-27400,54100-17400,541006.2075 x106c126200,845600106800,8372004.1457 x106b-88200, 370000-61800,3904002.7888 x 107a-54200,205000-6
20、400,2216003.1590 x107h-311300, -5240069000,-18003.1144 x106g-301300,-62400-311300,743003.2252 x106f-321300,64300-321300,434007.4588 x106e-2900, 54100235855,8321626.5305 x106c-65800,473600-65400,4736001.2341 x107通过上表的起点和终点坐标,可以求出刀具转换过程中路径长度,如表5所示表5单钻头下刀具转换过程中的移动路径长度(mil)起点r终点起点坐标终点坐标移动路径长度d r c-17400
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