智能机加工车间天车调度及其仿真.pdf

第44卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 3-95 90(2 0 2 3)0 3-0 0 47-0 5大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023智能机加工车间天车调度及其仿真郑晓军，刘智强，童小英（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116 0 2 8)摘要：面向智能机加工车间生产过程，对天车调度问题进行研究。通过深入分析机加工车间生产情况，以天车最小安全距离、天车执行任务的位置等作为约束条件，建立了以最小化工位等待时间和最小化工位加工时间为优化目标的天车与AGV协同调度模型，并结合PlantSimulation仿真软件，在考虑天车调度规则和冲突解决方案的情况下对模型进行求解。以某机加工车间生产线为例进行仿真试验，与传统的天车分区作业方式对比分析，验证了协同调度模型的可行性和有效性。关键词：智能制造；天车调度；仿真优化；调度规则文献标识码：A近年来我国在工业领域发展策略中提出了“智能制造”1的重要概念，而生产车间是现代化智能制造的重要参与者。车间内物料搬运设备的智能化是智能工厂的发展要素，天车是标准化生产车间中最常用的大型工件搬运设备，对整个生产制造行业的物流运输有着重要的影响。传统依靠人工控制天车搬运工件的方式既费时又费力，严重影响了车间的工作效率。相关研究表明,在大型生产车间的运行过程中整个生产周期90%95%的时间2 工件都是处于搬运或等待搬运的状态,因此天车调度问题的研究具有极其重要的意义。目前，国内外学者对生产车间天车调度问题展开了深人的研究。赵宁等3 以最小化调运周期为目标建立了一种同轨多天车仿真调度模型；李维刚等4 利用栅格法和改进的A”算法有效地解决了人工操作天车效率低的问题；臧雪松等5 以天车所吊运任务的总运输时间最短为主要目标函数,建立了多目标天车调度模型；李稷等6 针对炼钢车间多天车的动态调度问题，提出了一种滚动调度策略下的仿真调度方案;Zhao等7 对钢厂的仓库车间进行了天车调度问题分析;Li等8 采用一种仿真方法进行建模，并应用启发式算法对模型问题进行求解。D0I:10.13291/ki.djdxac.2023.03.008天车1工位0图1机加工车间天车调度工作跨布局图上述车间天车调度研究主要考虑车间内同轨多车多任务的天车避让问题9，尚未考虑天车与其他物料搬运设备的协同调度10 。因此,本文在结合制造企业实际生产运输情况和现阶段国内外学者对车间内同轨多车多任务的天车避让问题研究成果,提出了一种天车与 AGV 协同调度的方案,并以整个加工任务时间为指标评价调度的性能。1问题描述本文以图1所示某机加工车间为研究对象，深人探讨天车与AGV协同调度方式对完成整个加工任务时间的影响。龙门加工中心区数控钻床区AGV卸货点?AGV取货点工位工位半成品区半成品区+半成品区缓存区工位数控铣床区工位缓存区缓存区工件工位AGV搬运通道工位天车2口AGVX收稿日期:2 0 2 2-0 3-16基金项目：辽宁省交通科技研究计划资助项目（2 0 2 149）；辽宁省自然科学基金资助项目（2 0 2 1-KF-15-02）第一作者：郑晓军（198 2 一）,男，副教授。E-mail:通信作者：刘智强（1996），男，硕士研究生。E-mail:48本文研究的天车与AGV协同调度问题中,生产车间运行逻辑见图2。工件在各生产车间完成所需加工任务，生产车间之间工件搬运任务较多，合理地分配AGV搬运任务可以有效地提高工作效率。而对于机加工车间而言，传统天车调度方式完成工件搬运任务会产生工件频繁处于等待搬运的状态，降低了生产车间天车利用率，因此天车调度方式的设定和AGV搬运任务的调度是提高企业物流效率、降低时间成本的关键。N其他车间是否需要机加工车间加工工件确定工件位置和所需加工类型AGV将工件搬运至机加工车间所需加工区域支N机加工车间AGV卸货点是否空闲Y等待卸货点空闲呼叫天车将工件吊运至缓存区立依据各加工区加工工位实际情况进行吊运等待天车与AGV空闲呼叫天车将加工完成的工件吊运至半成品区支天车和AGV是否有其他搬运任务天车将半成品区工件吊运至AGV取货点的AGV上立AGV将工件搬运出机加工车间加工任务完成图2 生产车间运行逻辑图同时，为了有效描述天车调度问题，进行如下说明：天车集合为Ca,=1,2,c；天车的运行速度为V;d 为沿作业跨方向，相邻两台天车的安全距离;k为吊运任务集合K中的某项任务；T为工件在缓存区存放时间；工位间距为ds，天车抓取、释放工件时间为t。和t,;bskvgs和ws分别表示加工区域x中工位s的第k项吊运任务的加工开始时刻、加工时间、加工设备等待时间；t为同任务状态下天车避让优先级数值；Po为天车完成大连交通大学学报上一次吊运任务所在位置;Pi为天车要运行到的目标工位;Pc，和Pc.k分别表示天车C。在t时刻的位置和天车C。执行任务k在t时刻的位置;Lepan 为工作跨的可运行长度。在机加工车间,有三组缓存区，三组半成品区,天车运行速度u=0.75m/s；优先级数值lim（t）一0;两台天车编号从左至右分别为C,和C2；最小安全距离d=3m。1.1目标函数本文以最小化工位加工时间和最小化工位等待时间为优化目标，得到机加工车间天车调度数开始学模型如下：minf=Wi T,+,T,式中：f为优化目标函数；和z分别为工位加工时间和工位等待时间的优化目标权重值,且l+W2=1。T,=max(Zg=1式中：T，为总工位加工时间。通过累加所有工位的加工时间,得到工位在整个生产周期中累计加工时间的最大值。T,=max(ZWxsk式中：T，为总工位等待时间。通过累加所有工位的空闲等待时间,得到工位在整个生产周期中,累计等待时间的最大值。1.2约束条件结合上述目标函数，为避免同轨多天车冲突，对天车调度目标函数做如下约束：限制相邻两天车C。与Ca-1之间的最小安全距离为：IC.-Ca-1 I d天车执行任务时的位置为：Pe,+t,0PPca,u=O,Vc E Ca,t e TPLPPc.,-ut,u0Zh.=1,Vk。=KcECa加工过程中每个工位加工各工件所用时间为：(7)式中.=1,2,.;s=1,2.;h=1,2,.。当工位s的吊运任务k完工时，天车执行完该工位上的吊运任务k后，数组中对应的元素被替换为trs(h+1)某工位只有在完成上一次的加工任务，且新第44卷(1)Kgxsk)K(2)(3)(4)(5)(6)第3期任务到位后，才能开始加工：bask b s(k-1)+tas(k-1)+w sk工位提前呼叫天车时，天车在工位完工时间内行走的距离与上一台天车停靠位置之差，从而判断天车在呼叫期内，是否可以提前到达指定的工位：ru min(set)-ds Piolds=u min(set)-IlPi,-Pi,ll l u min(set)-Ilpi,-Pi I工位完工时刻,天车所在位置为：min(s ds,lds),lds 0p=Piols0天车起吊工件后，工件的起始加工时刻为：ll/p,+pl/u+t,+t,+t,bxsl:=Lp,-/u+T+t,式中：t，天车响应时间。2调度模型求解天车调度就是将天车任务合理地分配给天车，最终使天车可以高效地完成所有吊运任务 。在吊运任务发生时需要依据天车的调度策略来进行天车的选择以及天车间的相互避让，以此来进行冲突的消解,使天车的任务可以快速准确地完成12 。2.1天车调度规则传统生产加工车间选择固定天车搬运区域的方式进行作业，这种传统分区作业方式容易产生天车利用率低、生产加工时间长等缺点。本文以机加工车间的两台天车为例，采用加工区域协同调度的方式进行规则设计。当某台天车空闲而另一台天车任务繁忙时，空闲天车将加人繁忙的加工区域共同作业，以避免传统天车分区作业方式所产生的弊端。两种作业方式下天车调度特点的对比见表1。表1两种工作方式天车调度特点对比作业方式优点天车任务顺序确定、效率低、完成传统分区作业作业区域明确完成总任务时间短、协同调度作业效率高、天车的总体利用率高郑晓军，等：智能机加工车间天车调度及其仿真(8)(9)(10)(11)缺点总任务时间长天车无明确的作业区域和顺序492.1.1天车避让优先级规则天车在车间运行时共分为6 种状态：空车等待、空车运行、负载等待、负载运行、工件起吊、工件卸载。针对天车在执行任务时的状态不同，本文制定了天车冲突避让优先等级表，见表2。其中优先级数值大的天车优先级别高，反之优先级数值小的在遇到优先级数值大的天车时，应该进行合理避让，以此来解决生产运行过程中天车轨迹冲突的问题。表2 天车冲突避让优先等级表天车状态任务状态A空车等待B空车运行C负载等待D负载运行E工件起吊F工件卸载由于两台天车在吊运时要起吊的缓存区位置不同，工件需加工的工位不同,就会存在两台天车的任务优先级相同,但所要吊运的工位位置正好相对的情况，这时简单的靠天车冲突避让优先等级表的数值来选择天车避让，显然是无法解决问题的。2.1.2天车同任务状态避让规则天车在冲突避让选择时存在相同任务状态的情况，即两台天车都处于空车运行、负载运行。因此，要解决同任务状态下的天车冲突问题，依据天车所需执行任务的时间进行判断，所运行时间长的天车主动避让运行时间短的天车，运行时间短的天车优先级数值增加t，以此作为天车同任务状态避让的依据。若存在同任务状态所需执行任务时间相同的情况，则随机选取一台天车增加其优先级数值t，以此来保证整个吊运任务的顺利完成。2.2冲突解决方案面对机加工车间的天车协同调度问题时，不仅要有调度策略，还应该有冲突问题解决方案。冲突和调度运行逻辑相结合才能更好地解决问题，天车调度策略流程见图3。依据天车所需运行的运行轨迹中是否有其他天车、天车的优先等级数值大小进行判断，以此来驱动天车起吊任务的执行，避免冲突问题的发生，从而完成整个天车的动态调度任务。优先级01234550天车保持当前状态不变，等待其他天车任务状态改变完成工件从缓存区到工位的起吊任务图3天车调度策略流程图3实例仿真及分析在天车与AGV的协同调度问题中,依据机加工车间的实际情况，车间共有三组缓存区、三组半成品区、三组工件加工区、两台天车，天车初始位置、缓存区位置、工位位置分布图见图1。车间运作流程为：AGV从外部生产车间将8 种需加工的工件搬运至缓存区，天车根据工件所在的缓存区和工件所需加工区域的工位具体情况进行吊运。由于龙门加工中心区有两个相同的工位，当缓存区工件增加时需要对天车进行调度来分配工件的工位。数控钻床区中工件需从右到左依次加工，由于各工位的加工时间不同，工位的空闲情况不一致,因此也需要对天车进行调度。数控铣床区中有两种工位，天车搬运过程中需要识别工件的具体吊运位置。3.1仿真模型的构建本文采用Plant Simulation软件的Simtalk语言设定机加工车间中天车与AGV的作业方式，结合前文的目标函数和约束条件，以天车调度规则和冲突解决方案为基础进行仿真模型的构建，以实现天车与AGV的协同调度优化。3.2结果分析依据机加工车间某时段的实际情况，本次仿真的实例中共需加工5 5 个工件，其AGV搬运工大连交通大学学报件的顺序及区域见表3。开始确定工件缓存区、工位位置立确定工位所在缓存区的方向天车运行轨迹中是否有其他天车Y运行轨迹中的天车优先级是否大于当前天车N天车运行进入下一任务状态文下一任务状态是否为工位的起吊任务Y第44卷表3机加工车间某时段生产作业表工件名称工件数量/个工件12N工件2工件3工件4工件5工件6执行所分配任务工件7工件8使用传统的天车分区作业和天车与AGV协同N调度作业方式分别求解天车运行时间对比见图4。6050403020F1000图4两种天车运行方案完成任务时间从图4中可以看出，传统的作业方式完成整个生产订单需要3h12min58s,协同调度作业方式则需要3h6min26s,在加工5 5 个工件中节约时间大于6 min，生产效率提高了3.39%。由于各加工区域的工件数量不同和天车作业方式不同，造成两种作业方式中天车的运行轨迹也不同。图5、图6 分别表示两种作业方式中某时间段天车的运行轨迹图。两条轨迹中与横坐标平行部分为天车处于相应工位起吊状态或天车空1816U/富X14121086图5 传统分区作业天车轨迹运行图工件加工区域龙门加工中心区2数控钻床区7数控铣床区7数控铣床区2龙门加工中心区25数控钻床区5数控铣床区5数控铣床区传统分区作业方式协同调度作业方式总任务数5080110140170200时间/min天车2 运行轨迹天车1运行轨迹2040时间/min6080100(7):1826-1836.【4 李维刚,王肖,赵云涛，等基于栅格法的钢厂无人天车第3期18h161412108640图6 协同调度作业天车轨迹运行图闲等待状态，斜线部分为天车运行状态。图6 中天车1在完成数控铣床区中的所有任务后又加入到数控钻床区与天车2 一同作业，这种调度方式是提升天车利用率的重要原因。仿真模型因目标函数和约束条件使天车与AGV协同调度方案具有平衡生产调度稳定性的作用，平衡了天车工作量，有效地提升了天车1的使用效率。4结论本文针对机加工车间天车调度问题，在考虑天车作业方式、最小安全距离、冲突避让优先等级的情况下，建立了以传统分区和协同调度为作业方式的天车PlantSimulation仿真模型。仿真结果表明天车与ACV的协同调度作业方式对整个生产订单的完成在时间上有比较明显的改善，且生产订单数量越多,改善的效果越明显，证明了合理的天车调度方案可以有效地帮助生产制造企业降低时间成本，提高车间搬运效率和天车利用率，进而为生产制造企业带来更好的经济效益。Research on Crane Scheduling and Its Simulation Optimization in Intelligent Machine Shop(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)Abstract:Facing the production process of intelligent machine shop,the crane scheduling problem is studied.Through in-depth analysis of the production process of machine shop and taking the minimum safety distanceof crane and the fixed position of the task as constraints,a collaborative scheduling model of crane and AGV isestablished,which minimizes the waiting time of workstations and the minimum processing time.Combinedwith the Plant Simulation software,the model is solved under the consideration of crown block scheduling rulesand conflict resolution.Taking the production line of a machining workshop as an example,the simulation ex-periment is compared with the traditional crown block zoning operation mode to verify the feasibility and effec-tiveness of the collaborative scheduling model.Keywords:intelligent manufacturing;crane scheduling;simulation optimization;scheduling rules郑晓军，等：智能机加工车间天车调度及其仿真(18):199-201.2 侯鲁玉，S公司齿轮箱生产车间天车调度优化研究D天津：河北工业大学，2 0 18.一天车2 运行轨迹3赵宁，穆云，徐传标，等基于RESTART方法的同轨天车1运行轨迹12040时间/minZHENG Xiaojun,LIU Zhiqiang,TONG Xiaoying51参考文献：1张永财.基于智能制造的舰船动力系统关键配件生产车间管理运行模式J.舰船科学技术，2 0 2 0,42多天车仿真调度J.系统工程理论与实践，2 0 16,366080调度系统J.系统仿真学报,2 0 2 0,32（4)：6 8 7-6 99.5臧雪松,徐安军,李稷,等炼钢-连铸区段天车调度的多目标建模与求解J.中国冶金，2 0 2 0,30(2)：6 8-7 3.6李稷，徐安军炼钢车间多天车动态调度仿真方案J.东北大学学报（自然科学版），2 0 2 0,41（12）：1699-1707.7ZHAO G D,LIU J Y,DONG Y.Scheduling the operationsof a double-load crane in slab yards J.InternationalJournal of Production Research,2020,58(9):2647-2657.8LI J,XU A J,ZANG X S.Simulation-based solution fora dynamic multi-crane-scheduling problem in a steel-making shop J,International Journal of Production Re-search,2019,58(22):6970-6984.9庞新富,刘炜,李海波,等炼钢一连铸生产过程运输设备天车调度方法J.信息与控制，2 0 19,48(6):745-753.10李晋青，静态/动态订单下考虑时间窗的跨工序协同调度研究D杭州：浙江工业大学，2 0 19.11李稷，炼钢-连铸区段天车调度系统研究D.北京：北京科技大学，2 0 2 0.12雷兆明,王鹏程,廖文喆，等钢铁企业同轨多天车调度方法研究J.计算机仿真，2 0 19,36（6）：46 5-470.