关键词： 柔性作业车间调度   多目标优化   能耗   调整时间   成本  

摘要： 随着先进制造技术、信息技术以及网络技术的迅猛发展以及在国家创新管理、提质增效的引导下,传统的制造模式正朝着智能制造方向发展。由于柔性作业车间调度可以对车间资源进行合理配置,达到提高设备利用率、降低能耗和成本的目的,因此成为企业关注的热点。柔性作业车间调度问题(Flexible Job shop scheduling problem,FJSP)作为传统作业车间调度问题(Job shop scheduling problem,JSP)的延伸,增加了工件对机器选择,因此很大程度上提升了调度的灵活性和计算的复杂度,符合现代制造的生产模式。本文以能耗问题为研究核心,在复杂的车间环境中进行深入分析和研究,建立相应的数学模型并采用相关算法对考虑能耗的多目标问题进行求解,达到节能生产的目的。具体工作如下:首先,针对考虑能耗的柔性作业车间调度问题,建立了以能耗和最大完工时间为优化目标的数学模型,并提出适用于求解该模型的NSGA-Ⅱ-SA算法。算法以节能生产为出发点,在算法的解码操作中引入空闲时间优先的方法,并根据节能要求设计两条优先规则,实现不降低加工效率的情况下节约能源,接着对Pareto前沿中的个体执行模拟退火方法进而提升个体的质量,最后通过实验仿真,证明本章提出的NSGA-Ⅱ-SA算法的有效性。其次,针对考虑机器调整的柔性作业车间调度能耗问题,建立了以最大完工时间、总调整时间和总能耗为优化目标的节能优化模型,并设计求解该模型的多目标混合算法(MOGATS)。算法设计多种初始化规则来保证初始种群的多样性,并在变异算子中执行模拟退火操作来提升算法的局部搜索能力,然后在Pareto前沿中找到各个目标的最优个体作为初始解进行禁忌搜索,从而提高解的质量,最后通过与其他算法进行实验仿真,证明MOGATS能够有效求解考虑机器调整的柔性作业车间调度能耗问题。最后,针对考虑机器和工人双约束的柔性作业车间调度能耗问题,建立了考虑加工时间、调整时间、工人成本和能耗成本等要素以最大完工时间、总调整时间和总成本为优化目标的数学模型,并提出多种群协同进化算法(Multi-population coevolutionary algorithm,MPCEA)对该模型进行求解。算法中多个种群的精英个体利用相互作用提高种群质量,并在选择算子中使用聚类排序方法代替了经典的拥挤排序方法来提高算法的搜索能力,最后,利用实际案例进行仿真实验,证明MPCEA能够有效求解考虑机器和工人双约束的柔性作业车间调度能耗问题。

关键词： 智能制造   柔性作业车间调度   混合蚁群算法   算法参数优化  

摘要： 柔性车间作业调度问题是近年研究较多的一个制造优化问题,可以通过各种优化算法对该问题进行求解。但目前的算法初始参数一般靠经验设定,对算法的性能具有何种效果不得而知。一个较优的参数能够在一定程度上推动算法更好地运行。因此,本文以蚁群算法为例,混合萤火虫算法对蚁群算法的初始参数进行寻优操作,引入萤火虫算法得到更优更适合于柔性作业车间调度问题的初始蚁群参数,从而更好地运行蚁群算法对该问题进行求解。在设计的实例仿真中运行,结果表明混合蚁群算法在求解柔性车间调度作业问题中具有一定的优势。本文的主要工作如下:首先,提出一种混合蚁群算法,通过将蚁群算法与萤火虫算法混合的方式来优化蚁群算法的性能。其次,通过测试经典的柔性车间作业调度案例以探究参数对算法求解问题性能的影响,随后通过测试经典的柔性车间作业调度案例和Brandimarte案例研究柔性车间作业调度问题不同工件集下最优参数的规律。两次实验得出蚁群算法初始参数与柔性车间作业调度问题之间的关联。最后,通过仿真实例与其他算法进行对比,展示了该混合蚁群算法的性能。结果显示,混合蚁群算法相比其他算法以及传统蚁群算法收敛速度更快且所得解更优。本文的创新点有以下几个方面:(1)引入萤火虫算法来对蚁群算法的初始参数进行寻优,得到合理的蚁群算法初始参数使求解柔性车间作业调度问题的性能更好;(2)提出适应值计算公式,将蚁群算法中的迭代次数和最优时间,与萤火虫算法的亮度相结合;(3)运用时间推进法,建立工序集合列表计算总完工时间,从而确定哪些工序已完成以及判断机器的忙碌或空闲状态。

关键词： 柔性作业车间调度问题   遗传算法   差分选择机制   关键邻域搜索  

摘要： 现如今,工业制造进入新时代,现代工业生产环境逐渐向着多品种、小批次、高精度的方向转变。传统的生产模式需要变革来应对复杂化的市场需求和个性化的客户需求。在生产过程中,企业需要合理分配人力、机器、原料、能源和时间等有限资源来压缩生产成本、扩大企业利润。制造业的发展一方面保障了现代工业社会的物质基础,另一方面却带来了现代生态文明的严重问题。二氧化碳排放所造成的温室效应与我们每一个人都息息相关。因此,为了达到智能制造与绿色制造的目的,本文针对单目标和低碳多目标柔性作业车间调度问题提出优化算法进行求解。 首先,本文为了提升生产效率,提出了一个差分选择遗传算法(DSGA)来求解以最大完工时间为单目标的柔性作业车间调度问题。其中,差分选择机制可以保证种群个体的进化质量。重组更新策略用来生成新的个体。基于关键路径的关键邻域搜索可以提升算法的寻优能力。 其次,本文为了提升生产效率、压缩资源成本、降低二氧化碳排放量,提出了一个改进的差分选择遗传算法(IDSGA)来求解以最大完工时间、机器负载、二氧化碳排放量为三目标的柔性作业车间调度问题。其中,多目标差分选择机制可以同时优化三个目标。关键邻域搜索策略可以用来搜寻非支配解。精英保留策略可以提升算法的多样性。 最后,在公共数据集上进行大量实验。实验结果表明,本文所提出的算法能高效节能地求解柔性作业车间调度问题。

关键词： 雨课堂   混合式教学模式   中职学校   计算机三维机械设计基础  

摘要： 针对中职机械类专业学生的学情和《计算机三维机械设计基础》课程的实际情况,如何高效利用雨课堂平台构建混合式教学模式辅助教学,对学生形成职业能力体系与知识学习至关重要。传统的教学方法缺少了课前预习、课后复习巩固等教学环节,学生对草图、常规建模、曲面建模等板块的绘图命令不能灵活使用,难以实现学生对理论知识与实践操作的同频共振。研究学校目前还没有合理利用现有资源有效开展混合式教学。因此将雨课堂运用于中职《计算机三维机械设计基础》课程中创新教学方法,不仅可以激发学生学习的主动性,还可为中职实操应用类课程的教学改革提供新思路。本文以中职《计算机三维机械设计基础》课程为研究对象,围绕雨课堂有效融入本课程教学的共性问题进行了定性与定量调查。统计分析表明,研究学校现采用的教学方法未达成课程教学目标;学生知识学习与知识运用迁移能力较弱;课堂教学活动设计未体现学生主体地位;未实现学生对知识行动意义的理解等问题是本课程教学中存在的主要问题。基于存在的主要问题,在研究混合式教学、“从做中学”、探究社区等相关理论基础上,提出了基于雨课堂的混合式教学模式;利用雨课堂有机开展了学生课前、课中、课后三环节的教学活动;设计了学习理论知识、个人实操案例、小组项目探究一体的教学方案;创设了与生产实际紧密对接的学习情境;选取了人数相近的同年级同专业的中职学生并设立实验班与对照班。采用信息化技术,实施了基于本课程“教学做”一体化设计方案实验研究。研究结果表明,基于雨课堂的混合式教学应用于中职《计算机三维机械设计基础》课程是合理有效的,不仅得到学生的青睐,而且转变了学习态度,学生自身的学习能力、学习质量、学习满意度以及综合职业能力均得到提升。

关键词： 湿化鼻氧管   包装上料系统   机械设计   三维建模   模态分析  

摘要： 我国湿化鼻氧管生产企业传统的包装上料方式是采用人工，生产效率、产品质量和企业效益都越来越不适应经济社会的发展需要。随着经济的飞速发展，我国湿化鼻氧管生产企业对自动化包装上料系统的需求十分迫切。为满足湿化鼻氧管企业的现实需求，迫切需要对湿化鼻氧管自动包装上料系统的机械设计和性能分析进行研究。　　根据湿化鼻氧管的组成和特点，分析了湿化鼻氧管包装工艺过程，包括：湿化瓶测漏工艺、湿化瓶上料工艺、鼻氧管上料工艺、标签放置工艺、湿化鼻氧管包装工艺等。在湿化鼻氧管包装上料的工艺动作分析和工艺顺序安排基础上，设计了包装上料系统总体方案，其中，湿化瓶测漏采用挤压式测漏方法实现，湿化瓶上料采用带式输送机实现，鼻氧管上料采用机械手配合圆周布置的移动料仓方式实现。采用计算机辅助设计和三维建模方法，通过零件三维建模和组装装配体，完成了湿化瓶测漏机构、湿化瓶上料机构、鼻氧管上料机构和机械手吸放机构等的机械设计。　　利用Workbench软件对测漏机构进行了强度、刚度分析，结果表明各个零部件的强度、刚度均能满足生产要求。运用 Adams 仿真软件对测漏机构、湿化瓶上料机构、鼻氧管上料机构进行运动仿真，结果显示仿真过程机构运动平稳，位移、速度、加速度曲线符合预期，满足设计要求。使用 Matlab 机器人工具箱对机械手进行建模，分析了机械手的运动空间，并据此合理布置鼻氧管上料机构间相对位置。利用Workbench软件对机械手和滚珠丝杠进行了振动特性分析，结果表明系统稳定。　　开发了湿化瓶测漏和上料机构实物样机，并在车间现场进行了安装调试和试运行。测试了样机性能，产品包装合格率保持在99%以上，劳动力需求和工人劳动强度得到极大降低。试运行结果验证了设计的可行性。

关键词： 机械设计   机械制造   数字化   智能化  

摘要： 随着科技的不断进步与发展,数字化与智能化技术在机械设计制造领域的应用逐渐凸显出其重要性。本文概述了机械设计制造数字化与智能化的理论基础,然后深入探讨了数字化工具与技术,智能化技术、系统与装备在机械设计制造中的具体应用。在此基础上,分析了数字化与智能化对机械设计制造流程、产品质量和生产效率带来的变革性影响,旨在为相关领域的研究与实践提供有益的参考。

关键词： 高压无气式喷嘴   机械设计   多目标优化   数值模拟   雾化特性  

摘要： 高压无气式喷嘴作为喷涂行业的重要组成部分，广泛用于各行各业中。其中，喷涂机的核心部件——喷嘴，直接影响着喷涂的效率和品质。本文针对高压无气式喷嘴的雾化特性及结构优化，在分析高压无气式喷嘴数雾化机理的基础上，建立并验证了喷嘴雾化数值仿真模型，通过试验与数值模拟相结合的方法，分析总结喷嘴内部结构对雾化效果的影响规律，进一步的通过遗传算法进行多目标参数的结构优化设计。具体来说，本文的主要研究内容包括：　　（1）根据现有喷嘴结构结合雾化机理的研究建立了基于Euler-Lagrange连续相与离散相耦合算法的数值模拟模型。研究喷嘴雾化机理以及用于评价雾化质量的雾化指标，分析气液两相流在喷雾流场中的基本控制方程，湍流模型和离散相模型等。　　（2）设计并搭建一个以高速摄影仪为核心的喷雾系统试验平台，研究喷嘴雾化的液膜破碎过程以及不同压力下的喷嘴的雾化锥角和雾化特性。总结出高压无气式喷嘴“兔耳”式雾化破碎规律。同时，验证了数值模拟研究方法的准确性。　　（3）针对高压无气式喷嘴雾化特性问题，分析不同结构（收缩角、直管直径、直管长度、切口深度、切口角度）对喷嘴的雾化特性影响规律。在ANSYSFLUENT中基于建立的数值模拟模型，完成高压无气式喷嘴的液滴破碎，雾化形成及气液两相流的非定常数值模拟。研究表明：对于收缩角而言，随着收缩角的增加，喷嘴出口速度随之增大，其增大速率随之减小，压力梯度也逐渐增大，但雾化锥角无明显变化;对于切口角度而言，切口角度越大，出口速度越慢，喷射流量越大;对于喷嘴直径而言，随着直径的增加，喷嘴雾化锥角相应扩大，但变化不大，速度相应减小，变化速率随着直径增加而减小，流量与直径呈正比关系;对于切口深度而言，随着切口深度的增加，喷嘴出口面积变大，速度下降，雾化锥角随之增加;对于直管长度而言，随着直管长度的减小，喷嘴出口速度增加，但当直管长度过于短时，会对喷嘴雾化产生负面影响。　　（4）考虑多结构对高压无气式喷嘴雾化场的多维度影响，采用了多目标参数优化分析方法，选取了SMD（SauterMeanDiameter,索特平均直径）、Q（流量）、V（出口速度）三个目标参数，采用最优拉丁超立方采样方法，共选取21组基于五个不同结构的原始数据，对其进行建模，数值模拟以获得对应的目标参数数值，并根据数据，基于Kriging模型建立了高压无气式喷嘴内部结构与目标参数关系的代理模型，分析高压无气式喷嘴内部结构多维度的影响规律。通过NSGA-Ⅱ多目标优化算法，得到了高压无气喷嘴结构的Pareto前沿并对比分析了喷嘴雾化优化效果。

摘要： 随着社会经济的发展和信息技术的进步，计算机辅助设计（CAD）技术的广泛应用为传统的汽车机械设计行业注入了新的发展活力，有效提升了设计效率。作为现代机械设计中制造技术的重要组成部分，CAD技术凭借其较高的实用性和技术性，深刻影响了机械制造和工程设计等领域中传统的设计方式和生产模式，为企业带来了良好的经济效益。

关键词： 柔性作业车间调度   粒子群算法   烟花爆炸机制   狼群更新机制   生产调度系统  

摘要： 制造业的发展反映了国家的生产力水平,对于先进制造企业和现代制造技术来说,生产调度优化问题处于核心地位,能够提高企业的生产效率和可靠性。柔性作业车间调度问题是生产调度问题中的一个重要分支,更符合现实中的车间生产过程,但同时问题的高度复杂性也给求解造成一定的难度,因此研究柔性作业车间调度问题具有一定的理论价值和现实意义。本文总结了柔性作业车间调度问题和粒子群算法的国内外研究现状,分析目前此类问题研究中存在的不足,选用粒子群算法作为优化算法,针对以最小化最大完工时间为优化目标的柔性作业车间调度问题展开研究并设计开发了生产调度系统。本文的主要工作如下: (1)针对粒子群算法存在算法搜索前期全局搜索能力不足,后期收敛速度慢、易陷入局部最优的问题,提出一种改进的混合粒子群算法。首先,利用余弦自适应策略动态调整粒子群算法的惯性权重,有效地改善了算法迭代初期和后期的搜索性能;其次,引入烟花爆炸机制在每个粒子的个体最优位置附近进行爆炸搜索,提高其局部精细搜索能力;最后,对每个粒子进行健康度检测,利用狼群算法的“优胜劣汰”思想将低于健康度阈值的“懒惰粒子”淘汰出种群,并引入狼群更新机制随机生成相同数量粒子进入种群,提高了种群多样性,使算法具有较强的开拓能力。使用标准函数进行仿真测试,验证了改进算法的有效性和优越性。将提出的混合粒子群算法应用于柔性作业车间调度问题,建立了满足约束条件的数学模型,设计了粒子的编码解码方式、初始化策略及位置更新方法。通过对柔性作业车间调度问题算例进行仿真实验并与其他算法进行对比,证明所提出的混合粒子群算法在解决柔性作业车间调度问题时具有可行性、合理性和高效性。 (2)对基于混合粒子群算法的生产调度系统进行详细的需求分析,根据需求分析对系统的整体功能模块和体系结构进行设计。梳理系统各模块中不同数据之间的关系,对数据库进行详细设计。 (3)采用Java和JavaScript语言、Vue框架以及数据库存储等技术,开发了基于混合粒子群算法的生产调度系统。该系统包括人员、设备、订单以及库存管理等基本生产管理模块以及生产调度管理这一核心模块,可以为企业生产提供有效的调度方案。最后通过对系统进行功能及性能测试验证了该系统的可行性。

关键词： 嵌入式设计   机械设计   电控系统   运动空间拓展  

摘要： 四杆机构在机械应用中起到非常重要的作用。本设计以传统四杆结构为基础，对四杆机构的连接方式进行创新，简化非必要辅助机构，降低成本。采用嵌入式系统对各元件实现集成控制，易于后期维护和升级；创新性地使用超声波传感器实现对四杆机构极限位置的控制，降低平台在实际工作中由于重心偏移出现意外的概率。本设计可实现利用四杆机构，通过电控系统完成多自由度运动、重心自动调整，以及安全限位的功能，对提高小型设备移动性及自主性有现实意义。