一种考虑刀具寿命的刀具配置方法

技术领域

本发明属于刀具配置技术领域，具体的为一种考虑刀具寿命的刀具配置方法。

背景技术

自市场需求向买方市场转化以来，高度的产品差异化和大规模定制已成为制造业亟需面临的重要挑战，多品种、小批量的生产模式逐步取代原有的大批次生产模式。当前制造业的趋势是广泛使用柔性制造系统，它能够高速制造各种高质量的产品，且在生产计划中，尝试尽可能高效地组织生产。当产品种类变得如此之多以至于处理一系列工作所需的刀具数量超过柔性制造机器的刀库容量时，就必须更换刀具。一般来说，要在柔性制造机器上生产不同的零件，所有零件所需的刀具数量大于刀库容量。在这种情况下，此类刀具配置问题的研究成为了提升生产效率的关键一环。

从目前所调查研究的文献和专利来看，当前研究的刀具配置问题，已经将刀具尺寸、机床准备时间、刀具容量、刀具寿命等约束条件构造呈模型约束。机床的停机次数、换刀次数、最小完成工期等也成本刀具配置研究目标。有部分学者将刀具配置问题和作业排序、机器指派等问题也加以考虑。目前较为成熟的运算方法有KTNS算法、遗传算法、动态规划算法等等。但是总结当前技术仍存在以下问题：

①大部分研究省略了由于刀具寿命耗尽而导致的刀具切换；②少部分研究集中在单一的刀具类型的刀具配置问题上；③没有考虑换下的刀具再次使用。在这些研究的处理方式上，要么刀具使用率过低，要么是使用新刀的数量过多，这样往往使得刀具配置结果脱离实际。

考虑刀具寿命的刀具配置问题是一个NP-Hard问题，随着刀具类型数、任务数和机床刀库容量的增加，都会给问题求解带来很多的难度。刀具配置问题是金属制造加工中心里面的重要研究课题，以降低新刀成本、减少换刀时间和停机时间为主要目标，在高精密加工、准时制造、自动化车间等等场景中显得极为重要，解决该问题具有很大应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对当前刀具配置存在的问题，提出一种考虑刀具寿命的刀具配置方法，能够应对考虑刀具寿命、具有多种刀具类型和换下的刀具再使用的刀具配置问题，更符合实际生产的需求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种考虑刀具寿命的刀具配置方法，包括以下步骤：

步骤1、根据历史数据，整理出刀具配置所需的基本信息，将停机时间和换刀时间折算成成本；

步骤2、随机生成任务顺序和任务加工工时，初始化刀库状态为空；

步骤3、确定求解问题的约束，并构建求解模型；

步骤4、采用贪心策略进行刀具配置，从第0个任务开始，判断任务所需刀具类型并添加进刀库中，直至刀库刀位均被装满；

步骤5、启动加工，至刀库中刀具无法满足下个加工任务时，停机，进行换刀决策；

步骤6、依据单个任务平均加工成本的决策指标，确定本次停机换刀所覆盖的待加工任务序列长度，求解换刀的具体信息并进行换刀决策；

步骤7、再次启动加工，至刀库中刀具无法满足下个任务加工时，进行步骤6，直至任务序列中任务加工完毕；

步骤8、计算停机、使用新刀和换刀的总成本，输出刀具配置结果。

所述步骤1中刀具配置所需的基本信息包括刀具类型、刀具初始使用寿命、刀库容量、停机时间、新刀成本、换刀时间。

所述步骤3中求解问题的约束至少包括：

(1)刀位刀具装载数量约束，一个刀位最多只能装载一把刀具；

(2)加工任务前后刀具寿命约束，停机换刀前，加工后刀具寿命不能大于加工前的刀具寿命；

(3)加工任务的刀具寿命约束，加工任务刀具的剩余寿命要大于等于任务所需寿命；

(4)任务需求刀具数量约束，一个任务只需要一把刀具进行加工。

所述步骤6的具体方法为：

(1)获取刀库中的刀具信息、暂存区刀架上已使用过的刀具信息，采用贪心策略，求解此次换刀可加工的最大任务数，确定搜索范围；

(2)遍历搜索范围内任务的加工需求，以本次换刀的最优单个任务平均成本最优为决策目标，求解换刀的具体信息；

(3)根据步骤(2)的求解结果作为换刀依据，停机，进行换刀决策。

所述步骤(2)求解换刀的具体信息的方法为：

①在本次换刀过程中，求解刀库中刀具的移除优先级，需要装载进刀库中刀具的优先级；

②根据移除优先级，装载优先级求解换刀信息，计算在本次搜索中的换刀成本；

③对比搜索范围中单个任务平均加工成本，取最优的决策目标作为此次换刀依据。

所述步骤①中求解刀库中刀具的移除优先级的具体方法为：获取刀库中达到报废状态的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，并将移除优先级设定为1；获取刀库中未报废的但后续任务不需用到的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，并将移除优先级设定为2；获取刀库中未报废的后续任务需用到的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，计算此类刀具的移除信息。

所述步骤①中求解本次换刀过程中需要装载进刀库中刀具的优先级的具体方法为：根据刀架的刀具信息，确认本次换刀可插入的已使用过刀具信息，并将此类刀具列入插入列表；确认剩下任务所需使用的新刀具，并将此类刀具列入插入列表。

所述计算刀库中未报废的后续任务需用到的刀具的移除优先级的具体方法为：优先级＝3+下一个用到此刀具序号/任务数。

本发明的有益效果是：本发明提供一种考虑刀具寿命的刀具配置方法，具有以下优点：

1、本发明方法依据单个任务平均加工成本进行换刀决策，该方法主要考量的是在换刀决策时，插入新刀具或是插入已使用过的刀具加工任务对成本的影响，更贴合实际的生产制造；

2、本发明中的优化目标，综合考虑了使用新刀的成本、停机时间成本和换刀时间成本，这样一方面减少加工过程中使用新刀的数量、提高刀具的使用率，另一方面提高的换刀时间、提高生产效率，能够应付较为实际的生产制造过程中的刀具配置。

附图说明

图1为本发明刀具配置方法的主要流程示意图；

图2为本发明刀具配置方法的初始决策过程示意图；

图3为本发明刀具配置方法的停机换刀流程示意图；

图4为本发明刀具配置方法(ACSTP)与现有的KTNS算法在固定的成本参数比值下刀具报废参数变化时平均总成本变化图；

图5为在固定的刀具报废参数下成本参数比值变化时平均总成本变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

本发明主要应用在考虑刀具寿命的刀具配置问题，此类问题可以具体描述为：在企业生产制造系统的某个生产单元中，其生产任务已知且固定，每个任务的加工要求已知且确定；生产单元的数控机床刀库的刀具槽位固定；刀具的使用寿命已知且确定；每个任务只用一把刀具，任务加工过程中不可中断；在任务加工之前，如果所需的刀具不在刀库中，或是刀库中的刀具寿命不满足任务加工要求，则必须停机更换刀具；停机的成本包括：停机准备时间、使用新刀数量、更换刀具数量；最终确定每次停机时，需要装载进刀库的刀具和需要从刀库中移除的刀具，那个任务使用哪一把刀具进行加工，以实现最优的更换成本。

刀具配置问题是一个复杂组合优化问题，其中，制约着问题求解的主要因素为：任务序列的长度、刀具类型、刀库刀位数量，对于考虑刀具寿命的刀具配置问题，目前常见的是研究单一刀具类型的、不考虑将换下去的刀具重新再使用、单一的优化目标等；考虑刀具寿命的刀具配置问题具备动态规划问题的重要特征，后续决策过程，取决于当前刀库状态、待加工任务序列的组合等，目前，还没有可以直接应用于该问题的解决方法，所以本发明提出一种考虑刀具寿命、单位任务平均换刀成本的求解方法，下面对次方法作进一步详细说明。

实施例

本发明具体流程和流程中出现的相关变量符号如下所示：

其中，

1，x

2，y

3，u

4，v

本发明提供一种考虑刀具寿命的刀具配置方法，具体实施步骤结合说明书附图1-3进行说明：

步骤1，根据企业历史数据，整理出与刀具配置相关的变量信息，刀库刀位位集合为Q，刀具类型集合为K，刀具初始使用寿命集合H，停机成本C

步骤2，随机生成加工任务顺序T和任务加工工时TT，初始化刀库状X(r)＝O，O为零矩阵，表示初始刀库状态为空；

步骤3，确定求解问题约束，至少包括：

刀位刀具装载数量约束，一个刀位最多只能装载一把刀具：

加工任务前后刀具寿命约束，停机换刀前，加工后刀具寿命不能大于加工前的刀具寿命：

加工任务的刀具寿命约束，加工任务刀具的剩余寿命要大于等于任务所需寿命：

任务需求刀具数量约束，一个任务只需要一把刀具进行加工：

步骤4，初始决策，采用贪心策略进行刀具配置，令r′＝0；

步骤4.1，判断刀库的刀具是否能够满足第r′个任务加工，如果可以，则令r′＝r′+1，重复步骤4.1；如果不可以，判断刀库是否有空刀位，如果有，则装载一把T(r′)类型刀具，否则，跳至步骤5；

步骤5，启动加工，判断刀库中是否有满足第r个任务加工的刀具，如果有，则选取该把刀具加工第r个任务，令r＝r+1，重复步骤5；否则，停机，进行换刀决策；

步骤6，依据单个任务平均加工成本最优(ACSTP)的决策指标，确定本次停机换刀所覆盖的待加工任务序列长度；

步骤6.1，获取刀库中的刀具信息X(r)、暂存区刀架上已使用过的刀具信息。令r′＝r’X′(r)＝O，采用贪心策略，求解此次换刀可加工的最大任务数，确定搜索范围；

步骤6.1.1，判断X′(r)的刀具是否能够第r′个任务加工，如果可以，则令r′＝r′+1，重复步骤6.1；如果不可以，判断刀库是否有空刀位，如果有，则装载一把T(r′)类型刀具，否则，确定搜索范围为[r，r′]，跳至步骤6.2；

步骤6.2，遍历搜索范围内任务的加工需求，以本次换刀的最优单个任务平均加工成本最优为决策目标，求解换刀的具体信息；

步骤6.2.1，求解刀库刀具的移除优先级，获取刀库中达到报废状态的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，并将移除优先级为1；获取刀库中未报废的但后续任务不需用到的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，并将移除优先级为2；获取刀库中未报废的后续任务需用到的刀具信息，将此类刀具列入移除列表，计算此类刀具的移除信息；

步骤6.2.2，求解本次换刀需要插入的刀具信息，根据刀架的刀具信息，确认本次换刀可插入的己使用过刀具信息，并将此类刀具列入插入列表；确认剩下任务所需使用的新刀具，并将此类刀具列入插入列表；

在本阶段换刀决策中，插入的刀具是根据任务需求计算出的，也就意味着插入列表中的刀具是必须要装载进刀库中，才能满足任务需求，所以插入列表不需要定义优先级；而计算移除刀具的优先级，是因为刀库总刀具的数量会大于或等于插入刀具的数量，所以定义移除优先级是：确定在换刀过程中按优先级移除刀库中的刀具，以满足插入刀具能全部装载进刀库。

步骤6.2.3，根据移除列表，插入列表求解换刀信息，计算在本次搜索中的换刀成本；

步骤6.2.4，对比搜索范围中单个任务平均加工成本，取最优的决策目标作为此次换刀依据；

步骤6.3，根据步骤6.2求解的结果作为换刀依据，停机，进行换刀决策；

步骤7，再次启动加工，至刀库中刀具无法满足下个任务加工时，进行步骤5，直至任务序列中任务加工完毕；

步骤8，计算停机、使用新刀和换刀的总成本，输出刀具配置结果。

仿真实验：

仿真参数设置：

实验结果：

我们在图4给出了两种算法在固定的成本参数比值下刀具报废参数变化时平均总成本变化图，从图4可以看出在刀具报废参数为0.45时，本发明ACSTP算法明显优于KTNS算法。我们在图5给出了两种算法在固定的刀具报废参数下成本参数比值变化时平均总成本变化图，从图5可以看出在成本参数比值为0.2时，ACSTP算法也明显优于KTNS算法，并且，随着刀具报废系数的增加，KTNS算法下的平均总成本增长大于ACSTP算法。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。