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0 引 言
　　隨著工業(yè)4.0、智能制造在國(guó)內(nèi)的興起和推廣， 越來越多的企業(yè)在向無人化車間、無人化生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變。對(duì)于待成形產(chǎn)品的減量式加工，一般會(huì)采用加工中心。但現(xiàn)在客戶定制化越來越普遍，訂單的個(gè)性化、任務(wù)達(dá)到時(shí)間的隨機(jī)性、個(gè)性化質(zhì)量要求的多樣性等，對(duì)加工中心的制造系統(tǒng)提出了更高的要求，比如加工中心刀庫設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)刀具多樣性要求、系統(tǒng)刀具調(diào)度策略合理性要求以及刀具使用壽命控制等。在車銑復(fù)合加工中心的自動(dòng)生產(chǎn)線中，刀庫更新無法避免，特別是對(duì)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(wù)到達(dá)順序不確定的情況下，刀庫刀具更換會(huì)更加頻繁。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)可以處理多類產(chǎn)品、多道工序的車銑復(fù)合加工中心刀庫更新的策略研究不多，對(duì)于刀具使用壽命研究也過于理論化，難以適應(yīng)具體的工程應(yīng)用。曹樂等分析刀具預(yù)防性更換與故障性更換之間的差異，對(duì)故障性刀具更換時(shí)間的不確定性進(jìn)行描述，建立刀具更換的時(shí)間成本模型，后以單位產(chǎn)品平均成本小化為目標(biāo)，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刀具更換決策方法[2,3]；王新剛等以刀具失效率為判據(jù)，建立了如何確定被更換刀具的工序及換刀時(shí)間的方法[4]；張敏等提出了刀具磨損的過程能力指數(shù)計(jì)算方法，將過程能力與成本相結(jié)合，提出了用于確定刀具初始狀態(tài)和維修周期的模型[5]。一些學(xué)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(duì)柔性制造系統(tǒng)建立了刀具更換周期的優(yōu)化決策模型[6]。
　　以上參考文獻(xiàn)主要是對(duì)單一刀具使用壽命的研究，刀具達(dá)到使用壽命或刀具故障導(dǎo)致的換刀。現(xiàn)以典型的單加工中心制造單元為研究對(duì)象，運(yùn)用Plant Simulation 仿真軟件對(duì)單加工中心制造單元進(jìn)行仿真建模，在多任務(wù)、多工序且任務(wù)隨機(jī)到達(dá)的情況下，采用不同的刀庫更新策略研究系統(tǒng)換刀頻率，從而提出啟發(fā)式改進(jìn)方法。
1 問題描述
　　在包含車銑復(fù)合加工中心的自動(dòng)化生產(chǎn)單元中，生產(chǎn)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(shí)加工中心必須暫停工作，且刀具更換時(shí)間不可忽略，所以刀具更換對(duì)加工中心的生產(chǎn)效率有一定影響，必須在生產(chǎn)過程中合理安排刀庫刀具，使加工過程中刀庫的更新次數(shù)減少，且每次刀具更新時(shí)刀具更換數(shù)量少，使完成給定加工任務(wù)時(shí)刀庫刀具變更所耗費(fèi)時(shí)間少。
　　由于實(shí)際應(yīng)用過于復(fù)雜，現(xiàn)將問題抽象描述， 預(yù)設(shè)一些條件或參數(shù)以便于研究。在建立仿真模型之前先假設(shè)：①任務(wù)總量和任務(wù)類型已知、每個(gè)任務(wù)零件數(shù)量和加工工序已知、所用刀具種類和數(shù)量已知；②同系統(tǒng)各種刀具使用壽命因加工任務(wù)不同而不同，存在公用與刀具；③所有刀具更換時(shí)間。單加工中心自動(dòng)生產(chǎn)線如圖1 所示。
2 仿真模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 仿真流程分析
（1）系統(tǒng)刀具初始化：根據(jù)系統(tǒng)刀具及各自數(shù)量生成相應(yīng)刀具。
（2）任務(wù)到達(dá)與裝盤：任務(wù)到達(dá)之后，申請(qǐng)對(duì)應(yīng)的托盤裝載零件，等待加工。
（3）加工中心刀庫更新：由預(yù)設(shè)定的刀具調(diào)度策略，根據(jù)不同的任務(wù)對(duì)刀庫進(jìn)行更新。
（4）系統(tǒng)刀具更新：將達(dá)到使用壽命的刀具送至裝載中心進(jìn)行刀具更換。
2.2 換刀流程分析及刀具調(diào)度策略
　　系統(tǒng)刀具可分為 2 類：刀具和公用刀具。刀具的某一種零件的某一道工序的加工， 該刀具的特點(diǎn)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?yàn)榧庸げ煌慵ば驎r(shí)的損耗不一樣。
　　刀具調(diào)度策略首先獲取要加工的任務(wù)類型，其次根據(jù)系統(tǒng)信息獲取要加工的任務(wù)所用的刀具，當(dāng)前一類任務(wù)加工完成以及對(duì)刀庫刀具使用壽命進(jìn)行更新完畢之后，開始對(duì)刀庫進(jìn)行更新，對(duì)刀庫更新有兩部分：①將達(dá)到使用壽命的刀具移至刀具裝載站進(jìn)行刀具更換，在系統(tǒng)中補(bǔ)一把全新的刀具， 并將其放在刀架對(duì)應(yīng)的位置；②根據(jù)要加工的任務(wù)配置刀庫刀具，這時(shí)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(jī)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(tǒng)刀架，直至加工任務(wù)所用的刀具全部備齊至刀庫。刀具調(diào)度策略如圖2 所示。
換刀順序?qū)庸ぶ行膿Q刀頻率的仿真優(yōu)化