换刀顺序对加工中心换刀频率的仿真优化

0 引言
　　随着工业4.0、智能制造在国内的兴起和推广，越来越多的企业在向无人化车间、无人化生产线转变。对于待成形产品的减量式加工，一般会采用加工中心。但现在客户定制化越来越普遍，订单的个性化、任务达到时间的随机性、个性化质量要求的多样性等，对加工中心的制造系统提出了更高的要求，比如加工中心刀库设计要求、系统刀具多样性要求、系统刀具调度策略合理性要求以及刀具使用寿命控制等。在车铣复合加工中心的自动生产线中，刀库更新无法避免，特别是对于加工零件类型多样性、加工工序多样性、刀库刀位有限性以及任务到达顺序不确定的情况下，刀库刀具更换会更加频繁。
目前国内外对可以处理多类产品、多道工序的车铣复合加工中心刀库更新的策略研究不多，对于刀具使用寿命研究也过于理论化，难以适应具体的工程应用。曹乐等分析刀具预防性更换与故障性更换之间的差异，对故障性刀具更换时间的不确定性进行描述，建立刀具更换的时间成本模型，最后以单位产品平均成本最小化为目标，建立一种刀具更换周期决策模型[1]；DENG Y H 和JEANG A 等人基于刀具更换成本和加工过程中刀具更换决策，通过研究分析提出一种最优刀具更换决策方法[2,3]；王新刚等以刀具失效率为判据，建立了如何确定被更换刀具的工序及换刀时间的方法[4]；张敏等提出了刀具磨损的过程能力指数计算方法，将过程能力与成本相结合，提出了用于确定最佳刀具初始状态和维修周期的模型[5]。一些学者从刀具可靠性分析研究刀具更换决策问题，如LIU P H 等针对柔性制造系统建立了刀具更换周期的优化决策模型[6]。
　　以上参考文献主要是对单一刀具使用寿命的研究，刀具达到使用寿命或刀具故障导致的换刀。现以典型的单加工中心制造单元为研究对象，运用Plant Simulation 仿真软件对单加工中心制造单元进行仿真建模，在多任务、多工序且任务随机到达的情况下，采用不同的刀库更新策略研究系统换刀频率，从而提出启发式改进方法。
1 问题描述
　　在包含车铣复合加工中心的自动化生产单元中，生产过程中由于加工中心刀库的刀位有限，刀具更换无法避免。刀具更换时加工中心必须暂停工作，且刀具更换时间不可忽略，所以刀具更换对加工中心的生产效率有一定影响，必须在生产过程中合理安排刀库刀具，使加工过程中刀库的更新次数减少，且每次刀具更新时刀具更换数量少，使完成给定加工任务时刀库刀具变更所耗费时间最少。
　　由于实际应用过于复杂，现将问题抽象描述，预设一些条件或参数以便于研究。在建立仿真模型之前先假设：①任务总量和任务类型已知、每个任务零件数量和加工工序已知、所用刀具种类和数量已知；②同系统各种刀具使用寿命因加工任务不同而不同，存在公用与专用刀具；③所有刀具更换时间。单加工中心自动生产线如图1 所示。
2 仿真模型设计与实现
2.1 仿真流程分析
（1）系统刀具初始化：根据系统刀具及各自数量生成相应刀具。
（2）任务到达与装盘：任务到达之后，申请对应的托盘装载零件，等待加工。
（3）加工中心刀库更新：由预设定的刀具调度策略，根据不同的任务对刀库进行更新。
（4）系统刀具更新：将达到使用寿命的刀具送至装载中心进行刀具更换。
2.2 换刀流程分析及刀具调度策略
　　系统刀具可分为 2 类：专用刀具和公用刀具。专用刀具指定的某一种零件的某一道工序的加工，该刀具的特点是刀具使用寿命容易控制；公用刀具至少能够加工某一种零件或某一道工序，该刀具的使用寿命不容易控制，因为加工不同零件工序时的损耗不一样。
　　刀具调度策略首先获取要加工的任务类型，其次根据系统信息获取要加工的任务所用的刀具，当前一类任务加工完成以及对刀库刀具使用寿命进行更新完毕之后，开始对刀库进行更新，对刀库更新有两部分：①将达到使用寿命的刀具移至刀具装载站进行刀具更换，在系统中补一把全新的刀具，并将其放在刀架对应的位置；②根据要加工的任务配置刀库刀具，这时需要扫描刀库刀具信息，把要用到的刀具留下，如果存在没有的刀具，从刀架找到要用的刀具并通过机械手移至加工中心刀库，若刀库没有空刀位，从刀库移除一把不用的刀具至系统刀架，直至加工任务所用的刀具全部备齐至刀库。刀具调度策略如图2 所示。
换刀顺序对加工中心换刀频率的仿真优化

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4 结束语
　　通过对含有车铣复合加工中心的刀库刀具更换问题进行描述，对其进行仿真建模，在不同任务到达顺序的情况下，通过一系列的仿真策略得出相关的仿真试验数据，经过对试验数据的分析，可以发现哪些刀具类型的更换比较频繁，然后在生产过程中，着重对相关刀具进行优先配置，可以有效减少总的换刀次数，从而减少由于刀具更换带来的时间损耗，提高生产效率。

换刀顺序对加工中心换刀频率的仿真优化

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