齿轮加工车间生产调度问题的研究.pdf

1 ．2 课题的研究现状与发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．2 ．1 车间生产调度研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 ．2 ．2 课题研究发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21 ．3 本课题的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 ．4 论文的组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4第2 章调度的一般问题研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52 ．1 生产车间调度问题的描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52 ．2 车间调度问题的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52 ．3 调度问题的一些预备知识及常用分派规则简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62 ．4 流水车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82 ．4 ．1 流水车间调度问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82 ．4 ．2 流水车间调度问题研究方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．92 ．5 作业车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92 ．5 ．1 作业车间调度问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92 ．5 ．2 作业车间调度问题研究方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 02 ．6 开放车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 12 ．6 ．1 开放式车间调度问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 12 ．6 ．2 开放式车间调度问题研究方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 12 ．7 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

1 2第3 章齿轮生产车间调度模型求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 33 ．1 齿轮加工生产调度影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 33 ．1 ．1 齿轮的加工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 33 ．1 ．2 调度优化目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 63 ．1 ．3 齿轮加工车间的生产线类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7I I I目录3 ．2 启发式方法概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯183 ．2 ．1 遗传算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 83 ．2 ．2 粒子群优化算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 93 ．2 ．3 禁忌搜索法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 93 ．2 ．4 模拟退火法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 03 ．3 基于启发式算法的单目标齿轮加工车间调度问题研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 ．3 ．1 齿轮加工车间调度问题描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 13 ．3 ．2 目标为制造期的齿轮生产车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 13 ．3 ．3 目标为加权滞后时间的齿轮生产车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 43 ．3 ．4 目标为最大延迟的齿轮生产车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 93 ．3 用改进的启发式算法求解多目标齿轮加工车间调度问题⋯⋯⋯⋯⋯。

3 23 ．3 ．1 多目标调度问题的描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 23 ．3 ．2 目标为制造期、最大延迟、加权滞后和的多目标调度问题求解3 23 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5第4 章基于F L E X S I M 的齿轮加工调度系统仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 64 ．1F L E x s I M 仿真平台简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 64 ．1 ．1F l e x s i n l 软件的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 64 ．1 ．2F l e X s 硫软件的功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 74 ．2 基于F L E X s I M 的齿轮生产车间仿真模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 84 ．2 ．1 齿轮生产过程调度仿真模型的结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 84 ．2 ．2 齿轮车间生产模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 94 ．2 ．3 模型中各实体的参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 14 ．3 齿轮生产车间仿真模型的运行与仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 64 ．3 ．1 运行系统仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 64 ．3 ．2 系统输出数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 74 ．3 ．3 瓶颈机器加工的调度和优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 84 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。

5 0第5 章生产调度原型系统与应用实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 15 ．1 应用背景分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5lⅣ6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 76 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7致{ 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0攻读学位期间的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3N样化，特别是为了确保生产过程的稳定性及高效率，以提高整体的经济效益，一些落后的、简单的、不能满足生产需求的管理方法正逐步被市场所淘汰生产管理工程师们要解决的问题是如何对生产过程进行调度来满足生产计划不断变化下的生产要求，使生产的柔性发挥到最大限度齿轮类零件是机械加工中的主要零件，从2 0 世纪末到现在，齿轮生产正逐步从大批量连续生产向多品种、小批量生产转型一个制造型企业的竞争能力基本上取决于它是否具备在较短的生产周期内，生产出高质量、低成本、多品种产品的能力。

生产调度就是根据企业生产系统的生产目标和环境状态，在尽可能满足约束条件( 如交货期、工艺要求和路线、资源现状) 的前提下，按照工艺规程和计划，通过下达生产计划及调度指令对生产系统内的可用资源进行实时分配，以实现缩短产品制造期、减少在制品数量、降低库存、提高生产资源的利用率以及提高制造系统生产率等目的制造企业非常迫切需要高效的调度系统来制定企业生产计划与调度方案，来增加产能、降低生产成本、降低能耗，以提高经济效益基于上述对研究背景的描述，本文在和江西某传动系统有限公司合作的基础上，对齿轮生产车间的调度问题进行深入研究，在理论和实际生产上都具有广泛的实用性和重要的意义【l 吲1 ．2 课题的研究现状与发展趋势1 ．2 ．1 车间生产调度研究现状从2 0 世纪中期，人们已经开始对调度问题进行研究1 9 5 4 年，J o h n s o n 【6 】提出了优化吡／F ／C m 戤和们／F ／C m “问题的有效方法，开创了经典调度理论研究第l 章绪论的先河然而直到2 0 世纪5 0 年代末期，研究的主要内容还只是解决了在某些特殊的生产情况和规模较小的、简单的流水车间的调度问题【1 1 1 ，研究范围过于较窄。

直到1 9 7 5 年，中国科学院研究员越民义、韩继业在{ ：中国科学》上发表了论文‘‘n 个零件在m 台机床上的加工顺序问题”，从此拉开了国内调度理论研究的序幕【1 2 1 6 0 年代末到7 0 年代，整数规划、动态规划和分枝定界法等运筹学的经典方法被研究人员用来解决一些具有代表性的调度问题G i 伍e r ，G a v e 仕和G e r e 等人开始尝试用启发式算法对调度问题进行研究并且提出了一些优先分派规则，至此，调度理论的基本框架初步形成p 1 0 1 7 0 年代末，一些研究人员开始对优化算法进行深入研究，研究证实了大多数的调度问题都是N P 完全或者N P 难问题，无法用多项式的时间算法去表示，因此，启发式算法慢慢被学者们关注和研究P a I l w a l k a r 在研究了前人的算法成果的基础上，总结归纳了1 1 3 条调度规则并将其分类，到此，经典调度理论逐渐走向成熟【1 3 _ ”】随着计算机学、理学和工程科学等学科的相互渗透，学者们开始使用跨学科的方法对调度理论进行研究【1 6 J 从8 0 年代末到9 0 年代初是调度优化理论研究最活跃的时期，这段期间涌现出大量不同的调度理论的新技术，如约束满足技术、神经网络技术、模拟退火、禁忌搜索法和遗传算法等【1 7 q 9 】。

到了2 0 世纪末，约束传播、粒子群优化、蚁群算法和D N A 算法等一些新算法出现，使得特殊调度问题或者一般调度问题的求解更加便利和高效【2 咐4 1 虽然调度理论的发展已经日趋成熟，但经典调度理论在调度理论中的地位依旧是不可动摇的然而实际生产中面临的调度问题要比经典调度问题还要更加复杂从上个世纪8 0 年代起，一些研究人员就一直在研究并试图将调度理论应用到实际生产中去，如何用丰富的调度理论来解决实际的生产调度问题已成为当时迫切关心的问题这也促使着越来越多的研究者开始寻求更直接、更有效的方法来解决这个难题1 ．2 ．2 课题研究发展趋势从上世纪5 0 年代起人们就开始了对调度理论的研究，但至今还不能将这些理论很好的应用于实际生产中，一般的调度方法能够响应生产的动态变化，但不能保证得到好的调度：一些最优调度方法理论上能够实现最优调度，但由于需要通过十分复杂的计算才能实现，并且忽略了很多实际因素，也不能很好的2第1 章绪论应用于实际生产中因此，对调度问题的研究应该朝着以下几个方向发展：( 1 ) 动态化实际生产中的资源信息是不断更新和变化的，了解车间状态的动态特性，研究车间生产的变化规律，寻求能确切反映生产状态变化的调度方法。

如在生产过程中遇到扰动和设备故障时，有效的调度方法能结合生产的实际情况及系统的状态对原定的加工顺序和生产资源进行修改，使系统能够持续地、稳定地运行 2 ) 集成化在生产加工车间，车间计划与调度之间往往有着不可分割的联系计划的内容是生产什么，而调度的内容是怎样生产，探索车间计划与调度的集成对调度理论在实际生产中的应用有着很好的促进作用建立一个车间计划调度集成系统，调度系统把生产状态及时地反馈到计划层，计划层根据生产状态原先的生产计划进行修改或拟定新的计划，计划层再把更改后的方案输送到调度系统，调度系统根据变更后的生产计划指导生产 3 ) 高效智能化调度理论的研究虽然已经日趋成熟，但寻找新的调度算法仍是调度理论研究者们研究的热点，寻求更高效的算法，该算法能够快速、高效地找到大型复杂生产环境下的调度问题的最优或次优解，并能对解进行评估总之，随着对调度理论研究的不断完善，调度算法与生产实践的结合必然越来越得到重视，向着动态化、集成化、高效智能化的方向发展【2 5 】1 ．3 本课题的研究内容随着企业间的竞争越来越激烈，如何提高生产效率，增强企业的竞争力成为现在研究的热点，车间生产调度的研究就是其中之一。

在传统的作业车间调度问题中，大多数研究者只考虑了机器设备资源受制约的作业车间调度问题，称为单资源约束的作业车间调度问题【2 6 】而实际的作业车间调度问题中还存在着另一类更为普遍的情况，即每一项加工任务需要多类资源来完成，这一类调度问题被称为多资源约束的作业车间调度问题鲫例如，在生产中的制造设备资源、制造人员资源、模具、夹具资源、检验工具资源、物料资源、刀具资源等，都属于车间调度中的各种资源3第1 章绪论本课题拟在吸收借鉴当今国内外先进的调度方法的基础上，结合齿轮生产特殊加工工艺和车间布局，建立齿轮加工生产调度模型，探索一种适合齿轮生产加工的算法对齿轮生产进行调度，已达到满足齿轮生产加工的要求主要工作内容如下：( 1 ) 根据齿轮加工工艺和齿轮加工车间设备布局，分析齿轮加工生产调度的方式。