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《重庆大学》 2016年
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变速箱齿轮自动生产线的刀具更换决策方法研究

徐卫刚  
【摘要】:刀具磨损是齿轮加工中普遍存在的客观现象,磨损引发的刀具性能退化是影响齿轮质量的主要因素。但是,频繁的刀具更换不仅会增加刀具成本,还会造成大量生产中断,影响制齿机床的生产效率。在变速箱齿轮自动生产线中,频繁的刀具更换还可能造成整条生产线运行中断。因此,需要对变速箱齿轮自动生产线刀具更换进行合理控制。本文结合国家科技重大专项“轿车变速箱齿轮加工自动生产线”课题,以变速箱齿轮自动生产线为研究对象,将工件加工质量、切削能耗以及刀具失效作为影响刀具更换决策的主要因素,对生产线机床刀具更换决策问题进行研究,旨在提出能够降低生产成本、提高生产效率和生产过程能量效率的刀具更换决策方法。首先,分析专项所研制变速箱齿轮自动生产线的生产特点及工艺流程;分析生产线机床刀具磨损对齿轮生产过程质量失效概率、单位工件切削能耗以及生产过程连续性的影响;提出变速箱齿轮自动生产线刀具更换决策问题,并建立变速箱齿轮加工自动生产线刀具更换决策研究框架,分析刀具更换决策研究的决策目标、影响因素、建模技术等。其次,以单位工件长程平均成本为优化目标对变速箱齿轮自动生产线机床周期性刀具更换决策问题进行研究。分析影响刀具更换决策的成本因素,基于Logistic方程建立齿轮生产过程的质量失效概率模型,进而对刀具磨损引起的齿轮加工过程质量损失进行估计;以刀具更换周期为决策变量,以单位工件长程平均成本最小为目标,基于更新报酬定理建立周期性刀具更换决策模型,研究模型的求解方法并对最优解的特性进行分析。再次,以生产率和能量效率为优化目标对变速箱齿轮自动生产线机床周期性刀具更换决策问题进行研究。用离散时间、离散状态的马尔可夫链描述刀具磨损过程,进而分别建立长程平均生产率模型和长程平均能量效率模型;在此基础上以刀具更换周期为决策变量,以生产率和能量效率为优化目标建立双目标优化的周期性刀具更换决策模型;利用马尔可夫链的长游程性验证模型的准确性,分析长程平均生产率和长程平均能量效率随刀具更换周期的变化特性。然后,基于部分可观察马尔可夫决策过程(Partially Observable Markov Decision Process,POMDP)理论对变速箱齿轮自动生产线机床动态刀具更换决策问题进行研究。依据POMDP基本框架以及刀具磨损对质量失效概率和切削能耗的影响规律,建立刀具更换决策的观察与刀具磨损过程马尔可夫链状态之间的关联;确定刀具更换决策行动集合,分析观察、行动与能量效率之间的联系,建立关于决策阶段能量效率的即时报酬函数;以有限阶段期望总报酬最大为目标建立动态刀具更换决策模型,分析最优刀具更换策略的特性及模型参数变化对其产生的影响。最后,结合重庆蓝黛动力传动机械股份有限公司变速箱齿轮自动生产线机床刀具更换问题,对所提出的周期性刀具更换决策方法的应用情况进行分析,结果表明所提方法能够实现生产性能的改善。
【关键词】:变速箱齿轮 自动生产线 刀具更换 决策模型
【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】:TG61
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • 英文摘要5-10
  • 1 绪论10-26
  • 1.1 论文选题背景10-13
  • 1.1.1 刀具更换决策对批量生产的重要意义10-11
  • 1.1.2 刀具更换决策与节能生产11-13
  • 1.2 国内外研究现状分析13-22
  • 1.2.1 刀具更换方法研究现状13-18
  • 1.2.2 机床节能技术研究现状18-20
  • 1.2.3 研究现状总结20-22
  • 1.3 论文研究目的意义及课题来源22-23
  • 1.3.1 论文研究目的及意义22-23
  • 1.3.2 论文课题来源23
  • 1.4 论文组织结构23-26
  • 2 变速箱齿轮自动生产线刀具更换决策研究框架构建26-42
  • 2.1 变速箱齿轮自动生产线概述26-28
  • 2.2 刀具磨损对变速箱齿轮自动生产线生产性能的影响28-35
  • 2.2.1 刀具磨损对质量失效概率的影响29-32
  • 2.2.2 刀具磨损对切削能耗的影响32-35
  • 2.2.3 刀具磨损对生产过程连续性的影响35
  • 2.3 变速箱齿轮自动生产线刀具更换决策问题的提出35-36
  • 2.4 变速箱齿轮自动生产线刀具更换决策研究框架36-41
  • 2.4.1 刀具更换决策研究框架描述37-38
  • 2.4.2 刀具更换决策建模技术38-41
  • 2.5 本章小结41-42
  • 3 面向成本优化的变速箱齿轮自动生产线周期性刀具更换决策研究42-54
  • 3.1 引言42
  • 3.2 刀具更换决策成本因素42-46
  • 3.2.1 相关成本分析42-43
  • 3.2.2 质量失效概率模型43-45
  • 3.2.3 质量损失成本模型45-46
  • 3.3 优化成本的周期性刀具更换决策模型46-49
  • 3.3.1 刀具寿命模型46-47
  • 3.3.2 刀具更换周期决策模型47-48
  • 3.3.3 模型最优解证明及求解方法48-49
  • 3.4 模型特性分析49-52
  • 3.4.1 单位工件长程平均成本的变化特性49-50
  • 3.4.2 成本参数对刀具更换决策的影响50-52
  • 3.5 本章小结52-54
  • 4 面向生产率和能量效率优化的变速箱齿轮自动生产线周期性刀具更换决策研究54-68
  • 4.1 引言54
  • 4.2 刀具磨损过程的马尔可夫链模型54-56
  • 4.3 长程平均生产率模型56-59
  • 4.3.1 更换周期内的期望产出57-58
  • 4.3.2 平均生产率模型58-59
  • 4.4 长程平均能量效率模型59-62
  • 4.4.1 基于刀具状态的加工过程能量效率59-60
  • 4.4.2 更换周期内的期望切削能耗60-62
  • 4.4.3 平均能量效率模型62
  • 4.5 双目标优化的刀具更换周期决策模型62-66
  • 4.5.1 模型验证62-64
  • 4.5.2 模型特性分析64-66
  • 4.6 本章小结66-68
  • 5 基于POMDP的变速箱齿轮自动生产线动态刀具更换决策研究68-82
  • 5.1 引言68
  • 5.2 POMDP模型基础知识68-73
  • 5.2.1 MDP模型68-70
  • 5.2.2 POMDP模型70-73
  • 5.3 刀具更换POMDP模型73-77
  • 5.3.1 刀具磨损过程的马尔可夫链模型73
  • 5.3.2 观察集合与观察矩阵73-74
  • 5.3.3 动态刀具更换决策模型74-77
  • 5.4 最优刀具更换策略分析77-81
  • 5.4.1 最优策略特性分析78-79
  • 5.4.2 最优策略灵敏度分析79-81
  • 5.5 本章小结81-82
  • 6 应用案例82-92
  • 6.1 变速箱齿轮自动生产线用户企业介绍82-83
  • 6.2 周期性刀具更换决策方法应用情况分析83-91
  • 6.2.1 决策方法在输出轴二档齿轮生产线滚齿工序的应用情况84-88
  • 6.2.2 决策方法在输出轴二档齿轮生产线车削工序应用情况88-91
  • 6.3 本章小结91-92
  • 7 结论与展望92-94
  • 7.1 研究结论92
  • 7.2 研究展望92-94
  • 致谢94-96
  • 参考文献96-106
  • 附录106
  • A 攻读博士学位期间发表的论文106
  • B 攻读博士学位期间参加的主要科研项目106
  • C 攻读博士学位期间所获奖励106

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