本文摘要：摘要：以家具企業(yè)小徑原木斷料車間為研究對(duì)象，分層構(gòu)建智能斷料系統(tǒng)框架，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理與優(yōu)化分析，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)智能斷料系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)斷料生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管理、科學(xué)決策和自動(dòng)化斷料的過(guò)程控制。并通過(guò)實(shí)例對(duì)斷料問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、模型求解
摘要：以家具企業(yè)小徑原木斷料車間為研究對(duì)象，分層構(gòu)建智能斷料系統(tǒng)框架，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理與優(yōu)化分析，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)智能斷料系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)斷料生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管理、科學(xué)決策和自動(dòng)化斷料的過(guò)程控制。并通過(guò)實(shí)例對(duì)斷料問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、模型求解和結(jié)果分析，結(jié)果表明：原材料利用率達(dá)到了90.3%。小徑原木智能斷料系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：小徑原木,智能斷料,系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025等制造業(yè)大背景下，智能制造相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展,正逐漸成為提升生產(chǎn)管理水平的有效手段[1-3]。智能制造系統(tǒng)作為智能制造的主要管理平臺(tái)可有效地對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品質(zhì)量、車間物流和能源消耗等進(jìn)行集中、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，并通過(guò)智能化的多維關(guān)聯(lián)分析與處理實(shí)現(xiàn)精細(xì)化生產(chǎn)管理，提升企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)力[4-7]。
以家具企業(yè)小徑原木斷料車間為研究對(duì)象，構(gòu)建智能斷料生產(chǎn)系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)斷料生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)例對(duì)斷料關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行細(xì)化，以期為家具行業(yè)的智能制造提供參考。
1智能斷料系統(tǒng)設(shè)計(jì)
智能斷料系統(tǒng)是融合了中央處理器、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)管理于一體的智能處理系統(tǒng)。智能斷料系統(tǒng)的框架主要采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為四層結(jié)構(gòu)，分別為制造設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、制造管理層和云應(yīng)用層，可以解決縱向和橫向的信息集成問(wèn)題。
1)斷料設(shè)備層：該層級(jí)由多個(gè)斷料設(shè)備組成。在資源約束條件下，將斷料設(shè)備分為實(shí)體設(shè)備和虛擬代理設(shè)備。虛擬代理設(shè)備通過(guò)資源虛擬化和服務(wù)封裝技術(shù)控制代理選擇;實(shí)體設(shè)備包括所有具有網(wǎng)絡(luò)能力的設(shè)備，如切割設(shè)備、去毛刺設(shè)備、自動(dòng)化傳送設(shè)備、AGV、機(jī)器人、傳感器單元等。使用斷料設(shè)備通信時(shí)，斷料設(shè)備允許資源訪問(wèn)系統(tǒng)，獲取設(shè)備和物料的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，從而完成操作和反饋控制。智能機(jī)器人、機(jī)器人手臂和AGV作為執(zhí)行器可以增強(qiáng)系統(tǒng)的執(zhí)行功能，并且完善生產(chǎn)控制性能。
2)網(wǎng)絡(luò)層：該層級(jí)使所有分散的斷料設(shè)備互聯(lián)、子系統(tǒng)互聯(lián)以及互相可控制。網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)包括NextgenerationInternet(NGI)和Next-generationNationalSystem(NGNs)，使得大規(guī)模分布式異構(gòu)傳感器緊密地耦合其斷料環(huán)境，并且更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，尤其注重隱私性和安全性。網(wǎng)絡(luò)層中的產(chǎn)品、資源和斷料流程具有不同的生命周期，所有信息都輸入到大數(shù)據(jù)中心。
3)斷料管理層：該層級(jí)從斷料設(shè)備層收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并管理斷料過(guò)程。通過(guò)需求管理系統(tǒng)，確定需求后，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接口使用斷料服務(wù)，如網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、數(shù)字控制設(shè)備接口、信息服務(wù)、遠(yuǎn)程桌面應(yīng)用程序和授權(quán)使用等。斷料管理有很多階段，包括業(yè)務(wù)、設(shè)計(jì)、斷料、再加工、質(zhì)量保證、售后等。斷料管理層解決了橫向整合的動(dòng)態(tài)制造信息，并實(shí)現(xiàn)了精確的生產(chǎn)控制。
4)云應(yīng)用層：該層級(jí)為小徑原木智能斷料系統(tǒng)的關(guān)鍵層級(jí)，是斷料方法、生產(chǎn)排產(chǎn)、生產(chǎn)計(jì)劃等的優(yōu)化決策層，同時(shí)決定斷料效率、小徑原木廢料率、客戶訂單滿足率等多項(xiàng)指標(biāo)。所有斷料設(shè)備都是執(zhí)行斷料管理層的決策，斷料管理層的決策又來(lái)自于云應(yīng)用層的優(yōu)化結(jié)果。此外，該層級(jí)還會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)決策進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新與調(diào)整。
2數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化
由于斷料過(guò)程中的復(fù)雜性和不確定性，因此需要智能斷料生產(chǎn)系統(tǒng)獲得多源信息以支持精確的斷料優(yōu)化決策，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做出最優(yōu)的斷料控制。然后根據(jù)設(shè)備和斷料生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)狀態(tài)將最佳計(jì)劃和任務(wù)分配到設(shè)備和生產(chǎn)線。下面主要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理與優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析介紹。
從傳感器收集的數(shù)據(jù)單元具有數(shù)量龐大、混雜且與時(shí)空緊密相關(guān)，呈現(xiàn)分布式狀態(tài)，因此智能斷料生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理具有復(fù)雜、多維和跨學(xué)科的特點(diǎn)，需要多源信息的融合與處理[6]。
1)斷料設(shè)備：構(gòu)建信息模型的空間結(jié)構(gòu)。感知對(duì)象主要是嵌入在設(shè)備中的傳感器和執(zhí)行器，其中傳感器類型包括溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器和視頻傳感器等。
2)物料搬運(yùn)：構(gòu)建信息模型的時(shí)間維度。信息感知包括與產(chǎn)品斷料管理相關(guān)的位置信息、形狀信息、進(jìn)度信息和質(zhì)量信息，傳感器類型包括紅外傳感器、圖像采樣傳感器、無(wú)線射頻識(shí)別傳感器和條形碼閱讀器。
3)集成云終端：先進(jìn)的智能斷料生產(chǎn)系統(tǒng)的斷料能力是通過(guò)將智能終端設(shè)備連接在一起并為用戶提供充足的斷料和計(jì)算資源來(lái)設(shè)計(jì)的。
智能斷料生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知模式主要包括以下感知模型：
1)設(shè)備斷料感知：收集有關(guān)尺寸、壓力和速度的數(shù)值信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)與設(shè)備狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)的變化來(lái)觀察和記錄重要事件。當(dāng)設(shè)備不能正常工作時(shí)，會(huì)發(fā)出聲音警報(bào)。2)原木位置感知：利用無(wú)線射頻識(shí)別傳感器和條形碼閱讀器收集與原木相關(guān)的位置信息，以協(xié)調(diào)原木斷料。3)原木質(zhì)量感知：使用紅外傳感器和圖像采樣傳感器收集與原木相關(guān)的形狀信息和表面質(zhì)量信息，以確定原木質(zhì)量。4)原木進(jìn)度感知：由斷料過(guò)程驅(qū)動(dòng)，涉及從其他感知單元收集感知數(shù)據(jù)，以調(diào)整事件判斷方法來(lái)跟蹤生產(chǎn)進(jìn)度，如閾值、模式匹配和機(jī)器學(xué)習(xí)。
3智能斷料關(guān)鍵技術(shù)
3.1關(guān)鍵技術(shù)概述
由智能斷料系統(tǒng)設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵是確定斷料方案，解決斷料問(wèn)題。在現(xiàn)有約束條件下，將形狀相同的原木切割成若干個(gè)不同規(guī)格的零件，以滿足市場(chǎng)實(shí)時(shí)需求，并能根據(jù)市場(chǎng)反饋情況，實(shí)時(shí)更新斷料方式，達(dá)到斷料廢料率低，交貨準(zhǔn)時(shí)，損耗小等目標(biāo)。以成都某家具企業(yè)實(shí)木斷料生產(chǎn)車間為例，其斷料作業(yè)流程為：下生產(chǎn)計(jì)劃單、領(lǐng)單、對(duì)原材料進(jìn)行斷料、斷料歸類、進(jìn)入下道工序。原料主要為小徑原木，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
從ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)的訂單需求中導(dǎo)出m種不同長(zhǎng)度規(guī)格的需求，需求量為n1，n2，…，nm。將ERP中的訂單需求直接導(dǎo)入到智能斷料車間，智能斷料車間根據(jù)自我優(yōu)化和自我配置能力的數(shù)據(jù)分析，得出優(yōu)化斷料方案，并且實(shí)施方案。優(yōu)化斷料方案中原材料的廢料率達(dá)到最低是第一要素，以減少小徑原木損耗，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益;減少斷料方式也利于節(jié)省成本和時(shí)間，提高效率，因此也是優(yōu)化斷料方案需要考慮的要素;此外，優(yōu)化斷料方案中還需要考慮交貨期、智能車間生產(chǎn)能力等因素。
總之，在交貨期、生產(chǎn)能力等約束條件下，應(yīng)采用最少的斷料方式獲得最高的原材料利用率。上述屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其優(yōu)化步驟為：1)求解生產(chǎn)期限內(nèi)零件優(yōu)先生產(chǎn)順序，得出初步結(jié)果。2)增加約束條件，求出要求期限的損耗小和斷料方式少的結(jié)果。
3.2企業(yè)原始數(shù)據(jù)
該家具企業(yè)小徑原木長(zhǎng)度為2500mm;ERP系統(tǒng)導(dǎo)入到智能斷料車間的種類有50種不同長(zhǎng)度的零件需求;每個(gè)鋸縫的損耗為3mm，智能斷料生產(chǎn)線最大斷料能力為90根/d;3d完成的需求零件編號(hào)有5,7,9,12,18,20,25,36,48;5d完成的需求零件編號(hào)有4,11,29,32,40,46。
3.3數(shù)學(xué)模型構(gòu)建
3.3.1模型預(yù)處理
根據(jù)上述企業(yè)數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)能力約束條件下，構(gòu)建原材料利用率高，斷料方式少的數(shù)學(xué)模型，需要對(duì)零件相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)3d內(nèi)和5d內(nèi)需要的零件總量和數(shù)量進(jìn)行歸類預(yù)處理。
3.3.2剩余加工零件
優(yōu)先加工的零件已經(jīng)生產(chǎn)完畢，現(xiàn)生產(chǎn)余下的沒(méi)有時(shí)間要求的零件。因篇幅原因，列出部分沒(méi)有時(shí)間要求的零件處理結(jié)果。
4結(jié)果分析
根據(jù)求解結(jié)果可知，完成所有任務(wù)零件的生產(chǎn)，需要采用78種斷料方式，共需要919根原材料，所產(chǎn)生的余料總長(zhǎng)度為83266mm。通過(guò)建立小徑原木斷料數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合lingo程序計(jì)算，得到完成目標(biāo)任務(wù)的理想結(jié)果。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型，提出“利用率(δ)”概念，即理論用料占實(shí)際用料的百分比。
5結(jié)論
分層構(gòu)建家具企業(yè)小徑原木智能斷料系統(tǒng)框架，解決縱向和橫向的信息集成問(wèn)題。通過(guò)數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化分析，解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合與處理。通過(guò)實(shí)例對(duì)斷料問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、模型求解和結(jié)果分析。結(jié)果表明：原材料利用率達(dá)到90.3%。小徑原木智能斷料系統(tǒng)在斷料方案決策、數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化、自動(dòng)化斷料車間的精確控制等方面具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)：
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