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        基于遺傳算法的射線箱機(jī)加車間機(jī)器人制造單元布置

        2018-04-02 07:17:32高治理趙鐵軍王若剛張亦平
        裝備制造技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:布局遺傳算法加速度

        高治理,趙鐵軍,王若剛,張亦平

        (1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870;2.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819)

        0 引言

        隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,消費(fèi)者需求也隨之發(fā)生變化,導(dǎo)致大批量生產(chǎn)向多品種小批量轉(zhuǎn)變,除轉(zhuǎn)變企業(yè)管理模式外,還要對(duì)設(shè)施布置優(yōu)化。制造單元是柔性高、快速響應(yīng)的小型制造系統(tǒng),它將復(fù)雜且長的系統(tǒng)拆分成若干個(gè)制造單元[1]。制造單元布置兼具工藝布置的柔性高,設(shè)備通用化適應(yīng)小品種多批量生產(chǎn)和產(chǎn)品布置生產(chǎn)效率高、成本低的特點(diǎn),是大批量生產(chǎn)的效益和多品種小批量的靈活生產(chǎn)方式。隨著自動(dòng)化水平提高,企業(yè)的生產(chǎn)模式隨之向機(jī)械手、加工中心、搬運(yùn)機(jī)器人組成柔性制造單元模式轉(zhuǎn)變,不僅提高了效率且代替人所不能參與的如勞動(dòng)強(qiáng)度高、危險(xiǎn)的生產(chǎn)活動(dòng),它把大批量制造的經(jīng)濟(jì)性和中小批量制造的靈活性有效的結(jié)合起來,得到了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。如,倪玉晉[1]提出發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)器人制造單元,以物流成本為目標(biāo)利用遺傳算法進(jìn)行單行布局,提高企業(yè)產(chǎn)能;楊闊然[2]提出單元內(nèi)及系統(tǒng)進(jìn)行布局,以物流距離、成本多目標(biāo)進(jìn)行布局,提高生產(chǎn)效率;AS Tubaileh[3]提出以機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo),利用模擬退火算法工具箱對(duì)制造單元進(jìn)行布局規(guī)劃,提高了物料輸送效率。MS Sedehi[4]等提出以AGV單向距離最短,構(gòu)建直線單行布局,提高了運(yùn)行時(shí)間,利用啟發(fā)式算法在Matlab中實(shí)現(xiàn)。

        本文利用機(jī)器人對(duì)制造單元輸送物料,提出以速度和訪問頻率為優(yōu)化目標(biāo),時(shí)間、設(shè)備間距、加速度為約束,提高輸送速度這是與以往將成本、距離作目標(biāo)進(jìn)行布置所不同的。將此法應(yīng)用于C機(jī)械制造有限公司。

        1 基于機(jī)器人的制造單元布局

        1.1 制造單元布局思想

        C公司生產(chǎn)的射線箱是醫(yī)療設(shè)備重要部件之一,屬于多批量小品種生產(chǎn)模式。實(shí)行單元制造,射線箱共由8個(gè)零件構(gòu)成,如表1所示,故將各零件封裝組成8個(gè)機(jī)加單元C1~C8,單元內(nèi)放置加工中心P1~P8組合(1臺(tái)或2臺(tái))與上下料機(jī)械手,單元旁放置緩存區(qū),形成兩排成單行布置,由搬運(yùn)機(jī)器人輸送物料到緩存區(qū),由機(jī)械手完成上下料。橫向箭頭僅代表該工序?yàn)?道工序

        表1 射線箱機(jī)加工藝流程

        1.2 機(jī)器人選型

        選用移動(dòng)式搬運(yùn)機(jī)器人AGV,按預(yù)定路徑往返于各個(gè)機(jī)加單元輸送物料,單元內(nèi)采用關(guān)節(jié)機(jī)械手。

        1.3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析

        機(jī)器人在平面沿著生產(chǎn)單元方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述如下:機(jī)器人在某生產(chǎn)單元(C1P1)開始保持靜止?fàn)顟B(tài),速度為零;以初始速度啟動(dòng)加速將物料搬運(yùn)到另一個(gè)單元(CqPq),到達(dá)某一瞬時(shí)保持勻速直線運(yùn)動(dòng),到達(dá)某一單元時(shí),開始不斷減速,進(jìn)行慢行對(duì)位直至停止,循環(huán)重復(fù)上述運(yùn)動(dòng),直到所有物料搬運(yùn)完?;诖?,定義機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù),即起點(diǎn)速度(V0),起點(diǎn)加速度(as),等速直線速度(Vtraverse),終點(diǎn)加速度(ae),終點(diǎn)速度(Ve)和間隔時(shí)間(△t)[5],其中Vtraverse在本文定義為勻速直線速度(uniform straight line),簡(jiǎn)稱 Vusl.

        圖 1 v、a、t分布關(guān)系

        圖1描述了機(jī)器人在某單元到另一單元起點(diǎn)、終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù):

        1.4 建立速度最優(yōu)數(shù)學(xué)模型

        1.4.1確立變量約束條件

        從圖1看出,機(jī)器人在從一個(gè)生產(chǎn)單元到下一個(gè)單元之間所需的速度Vp與時(shí)間tp分為3個(gè)階段的速度間與時(shí)

        間間隔:

        式中,tep,asp是從起點(diǎn)為零的速度加速到勻速直線運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間與加速度,tcp是勻速直線運(yùn)動(dòng)速度Vp所需要的時(shí)間,tep,aep是從勻速直線運(yùn)動(dòng)減速到零的末端速度的時(shí)間與加速度。根據(jù)以上可以描述從一個(gè)生產(chǎn)單元i到下一個(gè)單元j的位置描述如下:

        圖2 單行布局示意圖

        其中,xi,xj為各個(gè)制造單元中心間距的x軸坐標(biāo),Bi,Bj分別為單元 CiPi,CjPj寬度,△ij為各個(gè)制造單元中心間距。同理機(jī)器人在i單元后的下一個(gè)單元,再從 j單元到后面的單元 j-1,j-2,…,j-n為了要在同一行程中多次訪問生產(chǎn)單元,則j-n與的位置間的參數(shù)相同,所以對(duì)j單元到j(luò)-n單元位置描述如下:

        式中,tsp-n,asp-n是從起點(diǎn)為零的速度加速到勻速直線運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間與加速度,tcp-n是勻速直線運(yùn)動(dòng)速度Vp-n所需要的時(shí)間,tep-n,aep-n是從勻速直線運(yùn)動(dòng)減速到零的末端速度的時(shí)間與加速度。

        控制變量為:(asp,asp-n,aep,aep-n,Vp-n,Vp,tsp,tcp,tep,tsp-n,tcp-n,tep-n)

        用未知量X表示上述控制變量為:x=(x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10,x11,x12)

        1.4.2確立目標(biāo)函數(shù)

        考慮機(jī)器人在單行布局中在N個(gè)生產(chǎn)單元間進(jìn)行物料搬運(yùn),為了及時(shí)將物料搬運(yùn)到指定位置,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度至關(guān)重要,它決定物料的流動(dòng)效率,應(yīng)以速度最大為優(yōu)化目標(biāo),來確立制造單元布置,建立模型如下:

        式中,f為優(yōu)化單元h與單元k之間的訪問頻率,fhk與該行程所需的行駛速度的乘積,N為單元數(shù),l為行數(shù)。公式9為速度與加速度約束,公式10防止單元間的重合或干涉。

        2 基于MATLAB遺傳算法工具箱求解

        遺傳算法是以自然選擇和遺傳理論為基礎(chǔ)將生物進(jìn)化工程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體的隨機(jī)信息交換機(jī)制相結(jié)合的高效全局尋優(yōu)搜索算法[6]。MATLAB遺傳算法工具箱由專門設(shè)計(jì)的遺傳算法與直接搜索工具組成,在MATLAB R2008a以上版本中將二者合并到optimizationTOOL工具箱中,用于問題創(chuàng)建、適應(yīng)度運(yùn)算、選擇、交叉和變異等,它可以處理難以定義或不便于進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的問題,在命令行中調(diào)用其GUI界面,支持M代碼自動(dòng)生成[7]。但遺傳算法不具有約束函數(shù)的能力,所以必須將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題,對(duì)于等式和不等式的約束采用外點(diǎn)法懲罰函數(shù)從而轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化[8]。其函數(shù)為:

        式中,hj為等式約束,gi為不等式約束,δ1δ2為懲罰函數(shù),n,m為等式與不等式約束個(gè)數(shù)。

        根據(jù)公式8確立等式與不等式約束,其中時(shí)間、速度、加速度最大值參數(shù)設(shè)定為12 s、3 m/s、1.5 m/s2:

        n取0~10,以便于在此范圍內(nèi)觀察目標(biāo)函數(shù)值得變化情況。單元之間訪問頻率和單元間矩陣如下(第1和2行):

        設(shè)置迭代步數(shù)為100,變異概率為0.05,種群大小為40,交叉概率為0.6,設(shè)置變量為12.并將速度與時(shí)間結(jié)果調(diào)入自定義Plot曲線中,畫出速度與時(shí)間曲線。經(jīng)過7次迭代,結(jié)果趨于穩(wěn)定,求出變量Xi(i=1-12)=5,4,2,3,5,4,3,6,2,4,4,3,最大速度VP=3 m/s,tP=12 s,并畫出速度—時(shí)間關(guān)系曲線圖,從而可對(duì)第一行制造單元布局,如圖4.另一行制造單元布局步驟與第一個(gè)相同,不在贅述。需要注意的是每個(gè)制造單元尺寸考慮到電氣布線、機(jī)械手作業(yè)半徑等因素,長寬尺寸要比制造單元的凈尺寸大2 mm.

        表2 制造單元尺寸

        圖3 排序?yàn)?-4-3-1的4個(gè)制造單元布局

        圖4 制造單元布局圖

        3 結(jié)論

        本文將每個(gè)零件封裝成制造單元,利用機(jī)器人進(jìn)行物料輸送,不同以往解決基于距離之間的布局問題,而是以速度最大化為目標(biāo)建模,所提出的方法對(duì)基于機(jī)器人的多品種小批量單元式車間布置具有實(shí)際意義。

        參考文獻(xiàn):

        [1]倪玉晉.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋柔性精密制造單元總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2016.

        [2]楊闊然.X公司機(jī)加車間單元布局設(shè)計(jì)研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.

        [3]AS Tubaileh.Layout of flexible manufacturing systems based on kinematic constraints of the autono mous material handling system[J].International Journal of Computer Integrated Manu facturing.2014,74(9-12):1521-1537.

        [4]MS Sedehi,RZ Farahani.An integrated approach to deter mine the block layout,AGV flow path and the location of pick-up/delivery points in single-loop systems[J].International Journal of Production.2009,47(10):3041-3061.

        [5]Biagiotti L,Melchiorri C(2008)Trajectory planning for au tomatic machines and robots.Springer,Berlin.

        [6]嚴(yán)寒冰,原思聰,季文祥.基于遺傳算法及MATLAB的V帶傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2008,19(5):23-25.

        [7]雷英杰,張善文,李續(xù)武.MATLAB遺傳算法工具箱及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

        [8]段路茜,孫月海,王樹人.基于MAGA一次包絡(luò)TI蝸桿傳動(dòng)參數(shù)優(yōu)化[J].中國機(jī)械工程,2008,19(5):531-53.

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