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《重庆大学》 2016年
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机械加工置换流水线节能性多目标优化调度方法研究

李顺江  
【摘要】:绿色制造是制造业发展战略的新要求。降低能量消耗、提高能量效率是绿色制造的重要研究内容。机械加工制造业是制造业的重要组成部分,其机床设备量大面广,能量消耗总量巨大。置换流水线生产是机械加工制造业中一种具有代表性的生产模式,该模式由多台机床设备按照一定的工艺规程组成,加工工件依次通过流水线上的各台机床设备,并且工件集的加工顺序在每台机床上是相同的。节能性生产调度作为绿色制造的一种过程优化技术,可以有效地从生产管理层面上降低机械加工系统的能量损耗。目前已有不少文献对此进行了研究,然而对机械加工置换流水线生产模式的节能问题研究还相对缺乏。因此,本论文针对机械加工置换流水线节能调度问题展开了研究。首先对机械加工置换流水线的结构和能耗构成进行了分析,揭示了机械加工置换流水线的节能原理,指出生产调度可以有效地从生产管理层面上降低机械加工置换流水线上所有机床的待机总能耗,进而降低整个流水线的总能耗。基于上述分析,本文建立了机械加工置换流水线节能性多目标生产调度体系结构,并对其中的生产作业计划层、调度层、现场信息采集层进行了详细论述;该体系结构为节能调度的整体研究提供了支持。其次,提出了一种机械加工置换流水线节能性多目标调度方法。其中,建立了置换流水线节能性多目标调度模型,该模型的优化目标为同时最小化加工工件的总流程时间和流水线上所有机床的待机总能耗;此外,考虑到置换流水线调度问题是NP-hard问题,因此引入非支配排序遗传算法2型(the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-2,NSGA-2)算法用于求解该问题,并通过实验分析验证了所提方法的有效性。然后,针对新工件到达不确定性事件,提出了一种机械加工置换流水线节能性多目标重调度方法。该方法建立了以同时最小化工件总流程时间、所有机床待机总能耗和不稳定性影响指标(即重调度对正在执行调度造成的不稳定性影响程度)为优化目标的置换流水线节能性多目标重调度模型,并引入NSGA-2算法和预测——反应调度策略用于该模型的求解。实验分析结果验证了所提方法的有效性。针对复杂的混类工件加工模式,提出了一种基于工件加工功率信息特征分析及增量学习拉格朗日支持向量机(Incremental Learning Lagrangian Support Vector Machine,ILLSVM)的在线加工任务进度实时获取方法。该方法通过分析在加工过程中的功率变化特征,设计了一组反映工件加工特征的功率信息特征向量;然后通过训练少量试加工工件的功率信息特征向量样本得到各类工件的初始分类器,在随后的加工过程中利用增量学习方法对分类器进行在线更新,并应用拉格朗日支持向量机对加工过程中的工件进行分类识别和任务进度统计。案例分析结果验证了该方法的有效性。最后,对节能调度应用系统进行了详细设计,包括节能调度应用系统的框架结构、功能结构、运行流程、数据表等;并提出生产现场信息化系统与节能调度功能系统相结合的模式对节能调度进行分阶段实施。在此基础上,结合国家科技重大专项子课题“齿轮加工自动生产线网络化现场管理与智能监控系统”,与课题组其他成员对该流水线生产现场信息化系统进行了开发,将该系统作为应用案例的信息化系统,并设计了该系统与节能调度功能系统的集成方案,为最终实现节能性生产调度的实际应用做准备。
【关键词】:绿色制造 节能调度 机械加工 置换流水线 多目标优化
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH186
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • 英文摘要5-11
  • 1 绪论11-23
  • 1.1 论文选题背景11-14
  • 1.1.1 绿色制造——制造业的可持续发展模式11-13
  • 1.1.2 机械加工制造业能耗巨大13-14
  • 1.2 国内外研究现状14-19
  • 1.2.1 机械加工系统节能研究现状14-15
  • 1.2.2 节能性生产调度研究现状15-18
  • 1.2.3 研究现状总结18-19
  • 1.3 论文研究的目的意义及项目来源19-21
  • 1.3.1 论文研究的目的意义19-20
  • 1.3.2 论文项目来源20-21
  • 1.4 论文研究的主要内容安排21-23
  • 2 机械加工置换流水线节能性多目标优化调度问题分析及调度体系结构研究23-41
  • 2.1 生产调度问题描述23-25
  • 2.2 机械加工置换流水线结构及能量消耗构成25-30
  • 2.2.1 机械加工置换流水线结构及种类25-27
  • 2.2.2 机械加工置换流水线能量消耗构成及节能原理分析27-30
  • 2.3 机械加工置换流水线节能性多目标生产调度体系结构30-33
  • 2.4 多目标优化算法及方法33-39
  • 2.4.1 多目标优化的基本概念33-35
  • 2.4.2 多目标优化算法及方法35-39
  • 2.5 本章小结39-41
  • 3 机械加工置换流水线节能性多目标调度方法41-51
  • 3.1 机械加工置换流水线多目标调度问题描述41
  • 3.2 基于优化机床待机能耗的节能性多目标调度原理41-43
  • 3.3 机械加工置换流水线节能性多目标调度模型43-45
  • 3.4 多目标进化算法45-46
  • 3.5 仿真实验分析46-50
  • 3.5.1 实验一46-49
  • 3.5.2 实验二49-50
  • 3.6 本章小结50-51
  • 4 基于新工件到达的机械加工置换流水线节能性多目标重调度方法51-65
  • 4.1 重调度问题描述51-52
  • 4.2 考虑新工件到达的节能性多目标重调度原理52-53
  • 4.3 基于新工件到达的机械加工置换流水线节能性多目标重调度模型53-56
  • 4.4 模型求解方法及重调度策略56-57
  • 4.5 仿真实验分析57-64
  • 4.5.1 实验一57-62
  • 4.5.2 实验二62-64
  • 4.6 本章小结64-65
  • 5 基于工件加工功率特征的加工任务进度实时获取方法65-81
  • 5.1 引言65-66
  • 5.2 针对混类工件加工的加工任务进度实时自动获取方法66-67
  • 5.3 工件加工过程中的功率特征向量提取67-69
  • 5.4 基于增量学习拉格朗日支持向量机的工件识别方法69-73
  • 5.4.1 基于拉格朗日支持向量机的工件识别70-71
  • 5.4.2 在线增量学习拉格朗日支持向量机71-73
  • 5.5 工件识别过程及加工任务进度获取73-74
  • 5.6 案例分析74-80
  • 5.6.1 功率数据采集74-75
  • 5.6.2 功率信息特征提取及工件识别75-77
  • 5.6.3 实时获取加工任务进度77-79
  • 5.6.4 结果与讨论79-80
  • 5.7 本章小结80-81
  • 6 节能调度应用系统准备81-95
  • 6.1 节能调度应用系统设计81-89
  • 6.1.1 节能调度应用系统的功能结构82-83
  • 6.1.2 节能调度应用系统的运行流程83-84
  • 6.1.3 节能调度应用系统的数据表设计84-89
  • 6.2 节能调度应用系统开发思路——信息化系统+节能调度功能系统89-90
  • 6.3 应用案例的信息化系统开发90-93
  • 6.4 应用案例的信息化系统与节能调度功能系统集成方案93-94
  • 6.5 本章小结94-95
  • 7 结论与展望95-97
  • 7.1 结论95-96
  • 7.2 未来展望96-97
  • 致谢97-99
  • 参考文献99-111
  • 附录111-112
  • A 攻读博士学位期间撰写和发表的论文111
  • B 攻读博士学位期间申请的发明专利111
  • C 攻读博士学位期间参与撰写了正在提交的科技报告111
  • D 攻读博士学位期间从事的主要科研工作111-112
  • E 攻读博士学位期间获得的奖励112

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