制造系統(tǒng)工程第五章

1、制造系統(tǒng)工程 第五章 制造工藝系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化Click to add your textContents制造工藝系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)1制造工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計2制造工藝系統(tǒng)的布局設(shè)計3第一節(jié)制制造造工藝系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計基礎(chǔ)礎(chǔ)仿真模型型制造工藝藝系統(tǒng)作作為企業(yè)業(yè)級制造造系統(tǒng)的的一個子系統(tǒng)，位于企企業(yè)加工工車間的的底層，是作用用于一定定范圍的的被加工工對象，具有一一定柔性性自動化化程度的的各種加加工設(shè)備備和高素素質(zhì)人員員組成的的一個有有機整體體1、制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)的基本本概念制造工藝系統(tǒng)加工設(shè)備子系統(tǒng)數(shù)控機床加工中心刀具、夾具、兩具等。物料運儲子系統(tǒng)物料倉庫裝卸站自動運輸小車。運行控制子系統(tǒng)在計算機的控制

2、與調(diào)度下，實現(xiàn)對制造工藝系統(tǒng)的控制2、制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)的物料料流加工傳送儲存檢驗3、制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)的運行行模式物理結(jié)構(gòu)構(gòu)模式系統(tǒng)所擁擁有的設(shè)設(shè)備、資資源以及及所屬的的物理區(qū)區(qū)域相對對固定的的模式，系統(tǒng)的的柔性受受到一定定的限制制，但是是易于控控制和管管理，運運行成本本也比較較低邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)模式動態(tài)可重重構(gòu)的系系統(tǒng)組成成模式，沒有屬屬于自己己固定的的物理區(qū)區(qū)域，也也沒有固固定屬于于自己的的設(shè)備和和資源，它擁有有的設(shè)備備和資源源是通過過上級管管理控制制系統(tǒng)動動態(tài)指派派確定的的，可以以位于不不同的物物理位置置，這種種邏輯結(jié)結(jié)構(gòu)是根根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)任務(wù)的的要求而而臨時組組成的，一旦該該任務(wù)完完成，這這種邏輯

3、輯結(jié)構(gòu)便便不復存存在。柔柔性好，但是運運行成本本比較高高無論制造造工藝系系統(tǒng)是以以物理結(jié)結(jié)構(gòu)模式式還是以以邏輯結(jié)結(jié)構(gòu)模式式運行，其運行行原理是是一致的的，系統(tǒng)統(tǒng)的運行行過程都都包含有有物料加加工和管管理控制制兩條主主線4、制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計的的基本內(nèi)內(nèi)容制造工藝藝系統(tǒng)的的設(shè)計是是為產(chǎn)品品或零件件的制造造過程制制定一個個工藝流流程計劃劃，構(gòu)造造一個生生產(chǎn)加工工環(huán)境。在該生生產(chǎn)環(huán)境境下，通通過所制制定的工工藝流程程計劃的的實施使使原材料料經(jīng)不同同的工作作位置的的加工轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，最最終成為為產(chǎn)品或或成品由于制造造工藝和和生產(chǎn)組組織的多多樣性，制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)也形式式多樣，但無論論何種類類型，一一個制造

4、造工藝系系統(tǒng)設(shè)計計的基本本內(nèi)容可可歸納為為制造工工藝流程程設(shè)計、工序設(shè)設(shè)計、工工藝設(shè)備備的選用用和布局局等幾方方面的設(shè)設(shè)計任務(wù)務(wù)制造工藝藝流程設(shè)設(shè)計制造工藝藝流程設(shè)設(shè)計是指指由原材材料向產(chǎn)產(chǎn)品進行行轉(zhuǎn)換的的工藝路路線，主主要有串串聯(lián)型、組合型型和分解解型三種種基本形形式abc工序設(shè)計計工序設(shè)計計是指對對制造工工藝流程程的具體體實現(xiàn)，是對工工藝路線線中的每每一步驟驟進行詳詳細設(shè)計計的過程程。工序序設(shè)計的的任務(wù)包包括加工工設(shè)備的的選配、工步的的劃分、切削參參數(shù)的確確定、加加工工時時的計算算、時間間標準的的確定等等內(nèi)容工藝設(shè)備備選配原原則在滿足設(shè)設(shè)備基本本功能和和環(huán)境要要求的條條件下，應遵循循以下原

5、原則：質(zhì)量效率柔性成本其他第二節(jié)制制造造工藝流流程的優(yōu)優(yōu)化設(shè)計計在進行工工藝流程程設(shè)計時時，往往往會有多多種不同同的方案案，工業(yè)業(yè)設(shè)計人人員可以以根據(jù)所所給制造造工藝系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計目標標和約束束條件，采用優(yōu)優(yōu)化設(shè)計計方法，設(shè)計出出一種最最佳的工工藝流程程。常采采用的制制造工藝藝流程優(yōu)優(yōu)化設(shè)計計方法有有以下兩兩種：動態(tài)規(guī)劃劃法決策網(wǎng)絡(luò)絡(luò)法動態(tài)規(guī)劃劃1、動態(tài)規(guī)規(guī)劃的基基本概念念動態(tài)規(guī)劃劃是解決決多階段段決策過過程最優(yōu)優(yōu)化問題題的一種種方法，通常會會涉及到到以下一一些基本本概念：階段（stage）：用k來表示階階段的序序號狀態(tài)（state）：表示示系統(tǒng)某某階段的的出發(fā)位位置、狀狀況或特特征，用用sk

6、表示決策（decision）：當某某階段的的狀態(tài)給給定后，從該狀狀態(tài)演變變到下一一階段某某狀態(tài)的的選擇，用xk=xk(sk)表示第k階段系統(tǒng)統(tǒng)處于sk狀態(tài)時的的決策選選擇策略（policy）：由各各階段的的決策構(gòu)構(gòu)成的一一個決策策序列。Pk,n=xk(sk),xk+1(sk+1), xn(sn)目標函數(shù)數(shù)：衡量量過程優(yōu)優(yōu)劣的準準則，通通常用f來表示2、最優(yōu)性性原理作為整個個過程的的最優(yōu)策策略具有有這樣的的性質(zhì)：無論過過去的狀狀態(tài)和決決策如何何，相對對于前面面決策所所形成的的狀態(tài)而而言，余余下的決決策序列列必然構(gòu)構(gòu)成子策策略3、動態(tài)規(guī)規(guī)劃決策策過程從上圖可可以看到到，零件件從毛坯坯開始共共包括基

7、基準面加加工、成成形加工工、鍵槽槽加工和和表面處處理四個個階段，各階段段的狀態(tài)態(tài)變量為為：S0=s0毛坯準備備S1=s1.1精車，s1.2粗車+平面磨削削S2=s2.1滾齒，s2.2拉齒S3=s3.1刨削，s3.2拉削，s3.3插削S4=s4高頻淬火火由最優(yōu)性性原理確確定的動動態(tài)規(guī)劃劃方法思思路如下下：從最最后一階階段開始始，由后后向前逐逐步遞推推，求出出各點到到終點的的最佳路路線，從從而獲得得最佳的的工藝路路線根據(jù)最優(yōu)優(yōu)性原理理，從階階段i經(jīng)階段j到最后終終點的目目標函數(shù)數(shù)為：本例中，第四階階段為最最終工藝藝階段，則第三階段段有三個個狀態(tài)變變量，各各自僅有有一個工工藝決策策路線，其目標標函數(shù)

8、為為則第三階階段各狀狀態(tài)點的的工藝決決策的策策略為第二階段段有兩個個狀態(tài)變變量，每每個狀態(tài)態(tài)變量均均有三個個工藝決決策路線線，則目目標函數(shù)數(shù)為則第二階階段各狀狀態(tài)點工工藝決策策的策略略為第一階段段有兩個個狀態(tài)變變量，每每個狀態(tài)態(tài)變量均均有兩個個工藝決決策路線線，則目目標函數(shù)數(shù)為則第一階階段各狀狀態(tài)點工工藝決策策的策略略為在初始0階段僅有有一個狀狀態(tài)變量量，有兩兩條工藝藝決策路路線，則則目標函函數(shù)為那么整個個過程的的最優(yōu)策策略為故最終獲獲得的最最優(yōu)工藝藝路線為為：毛坯坯粗車+平磨（4.5h）拉齒（2h）拉鍵槽（0.1h）高頻淬火火（0.3h），共耗耗費6.9h，求解結(jié)結(jié)束決策網(wǎng)絡(luò)絡(luò)決策網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)

9、是是用網(wǎng)絡(luò)絡(luò)分析的的方法編編制大型型工程的的日程計計劃，進進而做到到合理安安排工序序，優(yōu)化化配置人人力、物物力和財財力資源源1、決策網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖決策網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)的的第一步步是繪制制決策網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖，也就是是將工程程項目的的各工序序關(guān)系用用箭頭和和節(jié)點連連接起來來，組成成一幅簡簡單的有有向賦權(quán)權(quán)圖圖5-72、時間參參數(shù)的計計算和關(guān)關(guān)鍵路線線的確定定以圖5-7為例，從從工程起起點1到終點7有多條工工藝路線線，在不不用路線線上各工工序的時時間之和和是不相相等的，其中必必有一條條作業(yè)時間最長長的路線，這條路路線稱為為關(guān)鍵路線線。組成關(guān)關(guān)鍵路線線的各工工序稱為為關(guān)鍵工工序，各各關(guān)鍵工工序作業(yè)業(yè)時間之之和便為為工程

10、的的總工期期如果縮短某關(guān)關(guān)鍵工序序的時間間，就能能縮短工工程的總總工期，而縮短短非關(guān)鍵鍵工序的的用工時時間，卻卻不能使使整個工工程提前前完工，因此可可適當集集中人力力和物力力用在關(guān)關(guān)鍵工序序上，以以達到縮縮短工期期、合理理利用資資源的目目的為此，需需進行決決策網(wǎng)絡(luò)絡(luò)圖中各各有關(guān)時時間參數(shù)數(shù)的計算算，包括括各工序序最早開開始時間間、最早早結(jié)束時時間、最最遲開始始時間、最遲結(jié)結(jié)束時間間等工序最早早開始時時間TES(I,j)，工序(I,j)的最早開開始時間間等于該該工序箭箭尾事項項i的最早時時間TE(i)，而事項項i的最早時時間又是是以節(jié)點點i為箭頭事事項的各各工序的的最早可可能結(jié)束束時間，則圖5-

11、7中，各事事項的最最早時間間計算如如下（只只列出部部分）：工序最早早結(jié)束時時間TEF(i,j)，工序(i,j)的最早結(jié)結(jié)束時間間等于該該工序最最早開始始時間加加上該工工序所需需的作業(yè)業(yè)時間工序最遲遲結(jié)束時時間TLF(i,j)，在不影影響工程程最早結(jié)結(jié)束時間間的前提提下，工工序(i,j)最遲必須須結(jié)束的的時間等等于箭頭頭事項j的最遲時時間TL(j)，決策網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的的各事項項最遲時時間可按按下式自自左向右右逐個推推算工序最遲遲開始時時間TLS(i,j)，在不影影響工程程最早結(jié)結(jié)束時間間前提下下，工序序(i,j)最遲必須須開始的的時間應應等于該該工序最最遲結(jié)束束時間TLF(i,j)減去該工工序所需需

12、的作業(yè)業(yè)時間工序機動動時間，又稱為為松弛時時間，分分為各工工序的總總時差和和單時差差3、網(wǎng)絡(luò)計計劃的優(yōu)優(yōu)化最常用的的網(wǎng)絡(luò)計計劃優(yōu)化化為時間間成本的優(yōu)優(yōu)化，即即綜合考考慮工程程的工期期與成本本兩個工工藝因素素，尋求求以最低低的工程程費用獲獲得最短短的工程程工期的的一種方方法成本趕工工率定義義為：例5-2設(shè)圖5-7中各工序序的工期期、成本本如下表表所示，時間單單位為周周，費用用單位為為萬元；并設(shè)每每單位時時間間接接成本為為1萬元。求求該工程程關(guān)于時時間-成本的優(yōu)優(yōu)化方案案第一步：計算相相關(guān)參數(shù)數(shù)第二步：壓縮關(guān)關(guān)鍵路線線上的工工序時間間在選擇待待壓縮的的工序時時，應注注意一下下幾點：優(yōu)先選擇擇趕工成

13、成本斜率率kij最小的關(guān)關(guān)鍵工序序最多可壓壓縮時間間不超過過正常時時間與應應急時間間之差壓縮的時時間不超超過與該該工序并并行的非非關(guān)鍵工工序的總總時差按照以上上幾點原原則，在在關(guān)鍵工工序A、C、G、I中，應該該選擇A為待壓縮縮工序，壓縮的的時間為為min6-3，7-5=2，即將A從6周壓縮為為4周第一次優(yōu)優(yōu)化相關(guān)關(guān)參數(shù)計計算：經(jīng)過第一一次優(yōu)化化之后，關(guān)鍵路路線變成成了兩條條：P1：P2：第三步：此時，關(guān)鍵路路線上成成本斜率率最小的的是工序序B，但是單單獨壓縮縮B不會縮短短工期，因為P1仍為關(guān)鍵鍵路線，所以需需同時壓壓縮A、B的作業(yè)時時間。A的應急時時間為3周，現(xiàn)在在的作業(yè)業(yè)時間為為4周，故只只

14、能壓縮縮一周，則將工工序A、B的工期同同時壓縮縮一周第二次優(yōu)優(yōu)化相關(guān)關(guān)參數(shù)計計算：經(jīng)過第二二次優(yōu)化化之后，關(guān)鍵路路線沒有有改變，仍為：P1：P2：第四步：此時，關(guān)鍵路路線上工工序A的作業(yè)時時間已經(jīng)經(jīng)不可壓壓縮，應應從G、I中選取成成本斜率率較小的的工序I進行壓縮縮。將工工序I的作業(yè)時時間從4周壓縮為為1周，得到到的優(yōu)化化方案如如下：第三次優(yōu)優(yōu)化相關(guān)關(guān)參數(shù)計計算：經(jīng)過第三三次優(yōu)化化之后，關(guān)鍵路路線沒有有改變，但是工工程總工工期從23周減少為為20周，總成成本沒有有改變。此時，最終方方案的關(guān)關(guān)鍵工序序中，有有的不能能再壓縮縮，有的的壓縮后后其總成成本反而而會增加加（自己己驗證），這說說明所得得到的方方案已經(jīng)經(jīng)是最優(yōu)優(yōu)方案第三節(jié)制制造造工藝系系統(tǒng)的布布局設(shè)計計1、制造工工藝系統(tǒng)統(tǒng)布局的的目標和和原則在進行系系統(tǒng)布局局時，應應滿足以以下要求求：實現(xiàn)和滿滿足生產(chǎn)產(chǎn)工藝過過程的要要求較高的生生產(chǎn)效率率和合理理的設(shè)備備利用率率合適的柔柔性根據(jù)上述述要求，在進行行制造工