任務順序刀庫更新策略對加工中心換刀頻率的仿真優化
2019-10-17 來源：廣東省計算機集成制造系統重點實驗室 作者：李澤龍，焦勇清，魯一凡
摘要：針對含有單個自動加工中心的自動生產線，利用Plant Simulation仿真平臺建立仿真模型，根據不同的情形設計和實施一系列試驗，通過調整相關參數和使用不同刀庫更新策略，統計換刀相關系統性能指標，最后提出一種在隨機條件下的多任務多工序加工的刀庫更新策略。
關鍵詞：加工中心；仿真建模；刀庫更新；隨機任務
0 引 言
隨著工業 4.0、智能制造在國內的興起和推廣，越來越多的企業在向無人化車間、無人化生產線轉變。對于待成形產品的減量式加工，一般會采用加工中心。但現在客戶定制化越來越普遍，訂單的個性化、任務達到時間的隨機性、個性化質量要求的多樣性等，對加工中心的制造系統提出了更高的要求，比如加工中心刀庫設計要求、系統刀具多樣性要求、系統刀具調度策略合理性要求以及刀具使用壽命控制等。在車銑復合加工中心的自動生產線中，刀庫更新無法避免，特別是對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到達順序不確定的情況下，刀庫刀具更換會更加頻繁。
目前國內外對可以處理多類產品、多道工序的車銑復合加工中心刀庫更新的策略研究不多，對于刀具使用壽命研究也過于理論化，難以適應具體的工程應用。曹樂等分析刀具預防性更換與故障性更換之間的差異，對故障性刀具更換時間的不確定性進行描述，建立刀具更換的時間成本模型，最后以單位產品平均成本最小化為目標，建立一種刀具更換周期決策模型；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最優刀具更換決策方法[2,3]；王新剛等以刀具失效率為判據，建立了如何確定被更換刀具的工序及換刀時間的方法；張敏等提出了刀具磨損的過程能力指數計算方法，將過程能力與成本相結合，提出了用于確定最佳刀具初始狀態和維修周期的模型。一些學者從刀具可靠性分析研究刀具更換決策問題，如LIU P H等針對柔性制造系統建立了刀具更換周期的優化決策模型。
以上參考文獻主要是對單一刀具使用壽命的研究，刀具達到使用壽命或刀具故障導致的換刀。現以典型的單加工中心制造單元為研究對象，運用Plant Simulation 仿真軟件對單加工中心制造單元進行仿真建模，在多任務、多工序且任務隨機到達的情況下，采用不同的刀庫更新策略研究系統換刀頻率，從而提出啟發式改進方法。1 問題描述在包含車銑復合加工中心的自動化生產單元中，生產過程中由于加工中心刀庫的刀位有限，刀具更換無法避免。刀具更換時加工中心必須暫停工作，且刀具更換時間不可忽略，所以刀具更換對加工中心的生產效率有一定影響，必須在生產過程中合理安排刀庫刀具，使加工過程中刀庫的更新次數減少，且每次刀具更新時刀具更換數量少，使完成給定加工任務時刀庫刀具變更所耗費時間最少。由于實際應用過于復雜，現將問題抽象描述，預設一些條件或參數以便于研究。在建立仿真模型之前先假設：
①任務總量和任務類型已知、每個任務零件數量和加工工序已知、所用刀具種類和數量已知；
②同系統各種刀具使用壽命因加工任務不同而不同，存在公用與專用刀具；
③所有刀具更換時間。單加工中心自動生產線如圖1所示。
圖1 單加工中心自動生產線
2 、仿真模型設計與實現
2.1 仿真流程分析
（1）系統刀具初始化：根據系統刀具及各自數量生成相應刀具。
（2）任務到達與裝盤：任務到達之后，申請對應的托盤裝載零件，等待加工。
（3）加工中心刀庫更新：由預設定的刀具調度策略，根據不同的任務對刀庫進行更新。
（4）系統刀具更新：將達到使用壽命的刀具送至裝載中心進行刀具更換。
2.2 換刀流程分析及刀具調度策略
系統刀具可分為 2 類：專用刀具和公用刀具。專用刀具指定的某一種零件的某一道工序的加工，該刀具的特點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，因為加工不同零件工序時的損耗不一樣。
刀具調度策略首先獲取要加工的任務類型，其次根據系統信息獲取要加工的任務所用的刀具，當前一類任務加工完成以及對刀庫刀具使用壽命進行更新完畢之后，開始對刀庫進行更新，對刀庫更新有兩部分：
①將達到使用壽命的刀具移至刀具裝載站進行刀具更換，在系統中補一把全新的刀具，并將其放在刀架對應的位置；
②根據要加工的任務配置刀庫刀具，這時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刀架，直至加工任務所用的刀具全部備齊至刀庫。刀具調度策略如圖2所示。
圖2 刀具調度策略
2.3 仿真模型實現
由于研究內容只涉及刀具更換，不模擬機械手取放刀動作，在建模時除去機械手，模型中只是用相關對象及其組合模擬刀具更換對系統進行補刀，
仿真模型主要包括以下7個模塊。
（1）系統參數信息模塊：包括刀具基礎數據表，如刀具類型、綜合使用壽命等信息；系統刀具對應的刀架位置信息；公用刀具與專用刀具信息；加工任務種類及其數量信息等；不同任務的刀具配置信息等。
（2）訂單、刀具、零件生成模塊：訂單生成按照任務表順序到達，該到達是按任務比例隨機到達；刀具生成按照系統刀具配置信息順序生成至系統刀架；零件生成包括兩部分：
①零件按訂單到達順序生成；
②生成零件對應的零件托盤，并且將零件裝載至對應的零件托盤，裝載數量由系統參數確定。
（3）加工中心及刀架模塊：該模塊包含1臺加工中心、1 個刀架和 2 個緩存臺（上料托盤零件緩存臺和下料零件緩存臺），負責零件的加工，加工時間由不同零件、不同工序預設的加工時間確定。
（4）刀具調度方法模塊：該模塊主要負責加工過程中刀具的調度問題，包括換任務后刀庫的更新、加工同種任務時達到使用壽命的刀具的更換和系統中達到使用壽命的刀具更新等。
（5）加工中心刀庫及刀架控制模塊：該模塊負責零件托盤上、下緩存臺，根據不同零件及其工序設置其技工時間和零件上、下機床控制等。
（6）刀具更換模塊：主要模擬裝載站的刀具更換，包括舊刀具的回收、新刀的生成和刀具信息傳遞，如刀具、刀架位置和綜合使用壽命等信息。
（7）刀具統計模塊：該模塊負責加工過程中刀具使用情況的統計，包括不同刀具的使用數量、刀具的更換總次數和不同刀具的更換次數及其更換頻率。單加工中心仿真模型如圖3所示。
圖3 單加工中心仿真模型
3 、仿真試驗與結果分析
應用Plant Simulation 離散系統仿真軟件對上述單加工中心的自動生產線進行仿真，分析在不同刀庫更新策略及任務隨機到達的情況下，通過對刀具使用信息的統計，找出影響換刀頻率的原因，并提出降低換刀頻率的方法。
3.1 仿真系統基本參數
仿真中零件的加工是按工序加工時間進行，但對刀具使用壽命的損耗折算是按已加工零件數目進行統計，零件及其工序加工時間如表1所示，仿真試驗設計如表2所示
表1 零件及其工序加工時間
表2 仿真試驗設計
仿真試驗結果及其分析對換刀的統計是由于新的任務到來，這時加工中心刀庫中的刀具沒有對應的刀具導致換刀，并不是因為達到使用壽命導致的換刀，因達到使用壽命導致的換刀不予記錄和統計。任務順序給定時，不同更換策略下更換頻率的最高10類刀具如表3所示。
表3 任務順序給定時更換頻率最高的10類刀
從表3可以看出，在給定加工任務順序時，不同刀庫更新策略下的不同試驗中，有的刀具更換頻率在不同策略中都比較高，如 T67、T70、T11、T21 和T22 等刀具，所以在進行刀庫更新時，這些刀具盡量保留在刀庫中，可以減少總的刀具更換次數。對于給定任務順序下的不同刀庫更新策略，不同刀具的更換頻率如圖4所示。
圖4 任務順序給定時的刀具更換頻率
圖5 任務順序隨機時的刀具更換頻率
從圖 4 可以看出，刀具編號在 30～40 的大部分刀具更換頻率比較低，刀具編號在52～60的刀具更換頻率比較接近。對于任務順序隨機時的不同刀庫更新策略，不同刀具的更換頻率如圖5所示，從圖5 可以看出，刀具編號在 50～64 的刀具更換頻率比較低，也有比較多的刀具更換頻率為0。
任務順序隨機時，不同更換策略下更換頻率最高的10類刀具如表4所示，從表4可以看出，在加工任務順序是隨機給定時，不同刀庫更新策略下的不同試驗中，有的刀具更換頻率在不同策略中都比較高，如 T66、T70、T11、T36 和 T68 等刀具，所以在進行刀庫更新時，這些刀具盡量保留在刀庫中。
表4 任務順序隨機時更換頻率最高的10類刀
綜合上述的試驗結果可知，在不同任務順序的情況下，更換頻率較高的刀具并不完全一樣，所以要根據實際的加工情況合理安排刀庫中的刀具，使刀庫更新時總的刀具更換次數減少。
4 、結束語
通過對含有車銑復合加工中心的刀庫刀具更換問題進行描述，對其進行仿真建模，在不同任務到達順序的情況下，通過一系列的仿真策略得出相關的仿真試驗數據，經過對試驗數據的分析，可以發現哪些刀具類型的更換比較頻繁，然后在生產過程中，著重對相關刀具進行優先配置，可以有效減少總的換刀次數，從而減少由于刀具更換帶來的時間損耗，提高生產效率。
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