工业机柜直角边零件下料问题的研究论文
1引言
在全球资源日益匮乏和市场竞争日益激烈的形势下,如何有效的利用现有资源、节约原材料愈加受到人们的关注和重视。在现阶段的工业生产中,产品在结构上趋于复杂、数量上需求大、质量上需持续保证优良,同时还要提高与同类产品的竞争力、满足不同的客户的需求。因此,冇效的降低生产成本、提高生产效率、缩短产品生产周期已成为提高企业竞争力的关键。设计是制造的第一步,在产品的设计方面产品的成本60%-80%都是由设计阶段决定的,传统的设计一般为串行设计,在出现制造问题时,就需要进行反复多次的重新设计,延长了设计周期也使制造成本无形的增长。生产过程中由于设计的不合理所造成的经济损失是其他环节无法挽回的。在产品的下料方面,多数企业采用的是依靠人工经验的传统下料方式,耗时多且材料利用率低。以上两个方面大大增加了产品的生产成本。如何有效的从产品设计到生产结束的各个环节降低成本是企业急需解决的问题。
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2问题生成器研究
2.1 二维布局问题生成器
本文所提出的问题生成器是基于二维直角边布局问题设计的。本文所指二维直角边零件布局是在一个长宽既定的矩形空间内,尽可能多的布置各类直角边多边形。拼接(jigsaw-puzzle)类型则是二维完全不规则布局问题的一种特例,其具有布局空间利用率为100%的特性,如日常生活中所常见的拼图游戏便是这类问题的一种简化形式。同时,此类问题也有很强的实用性,如破碎物品的重组、文件的复原等。
2.2 二维布局问题生成器的实现
根据Dykhotf (1996)的分类标准其属于2/V/0/M类问题,根据Wascher (2006)改进的分类标准,该问题属于二维不规则待布物单一背包问题。通常情况下,求解不规则布局问题要比具有NP-难性质的规则布局问题要困难很多。但是在工程实际中,不规则布局问题往往有着更广泛的应用。在求解方面,学者们往往釆用的是启发和元启发类型的求解策略。测试数据往往来源于工程实例或者人工基准,工程实例的应用则可直接有助于工程难题的攻克;为了得到更佳的计算试验,人工基准类数据可在求解的规模和复杂性上有选择的获得。目前,针对拼接类基准数据有两个来源:一是Terashima-Marin(2010)的一刀切类前如图2-1,二是Dighe提出的非一刀切类如图2-2。
3基于顶点覆盖的直角边零件下料问题算法........25
3.1问题的描述.........25
3.2直角边零件下料问题0-1整数规划模型...........26
4基于滚动优化策略的直角边零件下料问题算法.........45
4.1滚动优化策略.........45
5基于人机结合的直角边零件DFM应用............ 69
5.1人机结合理论.....69
5基于人机结合的直角边零件DFM应用
5.1人机结合理论
不规则零件的布局问题是典型的NP难组合优化问题。通常情况下,该类问题的求解都是基于数学模型和优化算法通过计算机强大的计算能力和存储来完成的。在反应时间、计算能力和持续工作能力方面,人是很难与计算机相匹敌的。但是在学习能力、创造能力、经验学习、推理归纳、适应性等各个方面,人都有着计算机所无法具备和难以替代的作用。例如在实际的工程中,设计过程是设计者认知对象的过程即对客观世界建模的过程,是经由人实现从具体到抽象,再由抽象到具体的转化。这些都是人在经验学习、感性认知、总结归纳、创新的基础上实现的。而这是计算机所不具备的能力,计算机只有有限的小部分创造能力。但是同时,计算机有着非常强大计算能力和记忆存储能力,对于符合某特定规律的大量重复计算、大规模的数据处理、严密的`逻辑推理等方面都具备非常强的优势。基于人与计算机的各自优点,国内外学者相继从不同角度提出了人与机器相结合智能系统概念。
5.2面向制造设计
DFM (Design for Manufacture)是指产品设计需要满足产品制造的要求,符合良好的可制造性,使得产品以最低的成本、最短的时间、最高的质量制造出来。根据产品制造工艺的不同,面向制造的设计可分成面向注塑加工的设计、面向冲压的设计、面向压祷的设计等;是一种在设计时就考虑产品制造的实践。其目标就是在保证产品性能的前提下,降低生产成本。DFM的重要性在于:在现阶段产品生产日益区域复杂化、批量化、高质量化、低成本的情况下,使用DFM可以实现在最低成本下保证产品的质量。
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6总结与展望
6.1主要工作
本论文是在大量现有研究成果的充分学习和总结分析的基础上,以工业机柜直角边零件下料问题为切入点,从多个角度研究了直角边零件下料算法,主要内容包括:(1)总结和分析二维布局问题的分类、求解方法及其研究现状,总结了现有直角边布局问题的算法,指出了当前存在的困难与不足。(2)提出了拼接型直角边布局问题生成器,对生成器算法的实现及复杂度做了详尽介绍,对生成案例进行了统计。设计了顶点覆盖问题生成器,采用基于最大度的贪楚算法对顶点覆盖问题进行了求解。(3)在直角边零件下料精确算法的基础上,通过改造精确解数学模型和自适应多边形技术建立了直角边零件下料的顶点覆盖模型。通过对顶点覆盖问题诸多算法的比较,采用了最大共享度的顶点筛选原则对模型进行了求解,对求解结果进行了统计分析。结果表明,直角边零件下料的顶点覆盖算法较精确算法的求解规模可在原有基础上提高两倍,可求解至实际板材的二分之一,可为工厂内中型尺寸板材的布局提供参考。
6.2创新点
本文是在总结和分析大量直角边零件布局算法的基础上完成的,相较于其他研究文献,本文的创新点包括以下内容:(1)设计了拼接型直角边布局问题生成器,丰富了该类问题的算例。(2)建立了直角边零件下料问题与图论中顶点覆盖问题的联系,并成功应用最大共享筛选原则设计了求解算法,对求解结果进行了分析。(3)提出了直角边零件下料的滚
动优化算法,通过零件的单排、旋转单排、混排多种算例的测试验证了算法有效性,通过本算法可有效降低材料的利用率,节省成本,对企业生产有一定参考意义。(4)探索了人机结合的直角边零件下料的DFM优化策略,通过实例验证了该策略的正确性和有效性。
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