关键词： 柔性作业车间调度   遗传算法   差分进化算法   交叉变异操作  

摘要： 车间调度问题是制造执行系统中最为关键的一环,是当今制造业发展环境下的一个研究热点。良好的车间调度能使企业的生产资源得到最大程度的优化,并能有效确保车间能有条不紊地运转。作为传统作业车间调度问题(Job shop Scheduling Problem,JSP)的扩展,柔性作业车间调度问题(Flexible Job shop Scheduling Problem,FJSP)更符合实际的生产车间。在目前众多解决FJSP问题的算法中,遗传算法应用最为广泛,但传统的遗传算法存在一些缺陷,而差分进化算法能够弥补这些不足,并将各自的优势最大程度的发挥出来,因此本文提出一种自适应遗传差分进化算法(Adaptive Genetic Algorithm Differential Evolution,简称AGA-DE)来解决FJSP问题,主要研究内容如下:首先,在进行种群初始化时,它的优劣直接影响到算法的执行效率及算法整体的优劣。因此为了解决由于随机初始化而导致的种群质量低下的问题,本文对传统的种群初始化方法进行改进,在随机生成初始种群之后,利用轮盘赌策略筛选群体,这样在保障初始种群多样性、初始种群随机性基础上能提升初始种群的质量,加快算法收敛速率。其次,由于遗传算法更倾向于通过交叉来获得全局最优解,而差分进化算法更倾向于通过变异来提升局部搜索能力,并且多数基因的交叉、变异概率都是固定的数值且这些数值的选取比较困难,容易造成算法的局部最优,也会降低收敛速率。因此,本文提出改进的自适应交叉、变异概率公式,使交叉、变异概率的值会因为个体和种群适应度值的改变而呈现出对应的线性变化。在此基础上对交叉和变异概率值进行调节,从而改造进化过程中的交叉方式和变异方式,不仅能提升算法全局搜索能力,同时还能加快算法收敛速度。再次,在后期进化过程中,遗传算法容易出现早熟、陷入局部最优等问题,为了有效解决上述问题,弥补遗传算法的不足之处,本文采用一种基于实数编码的局部收敛判定指标,并通过自适应差分进化搜索,快速找到并快速跳出局部最优解。该指标能够在进化后期实时追踪到算法的收敛趋势,判断算法是否过早收敛,如果算法达到了局部最优,这时遗传算法的交叉和变异几乎没有作用,要及时跳出局部区域搜索,就要执行带有差分变异算子的差分进化算法产生新个体,其中缩放因子的值可以根据种群的进化生成而自适应地改变,采用自适应的缩放因子可以大大减少求解过程的复杂度,提高求解效率,并且加快算法的收敛速度。最后,在运用测试函数测试改进算法有效性的基础上,将改进算法应用于柔性作业车间调度问题的经典算例,对不同算法仿真的结果进行比较分析,论证该方法在最大完工时间、收敛速度等方面的优越性,验证了改进算法的可行性和有效性,并将改进算法运用于实际案例证明算法存在的现实意义。

关键词： FJSP   运输约束   多目标优化   改进NSGA-Ⅱ算法   动态调度  

摘要： 随着我国隧道建设里程的逐年增长,盾构设备尤其是盾构机刀盘的制造需求更是日益增长,如何降低刀盘的生产成本和缩短产品的制造周期来满足日益增长的制造需求,成为企业的较为关注的方面。本文以A企业盾构机刀盘制造车间为研究对象,针对该车间目前调度方案制订过程中存在的问题,做出如下研究: (1)目前调度方案的制定以完工时间和总能耗为优化目标,但是优化机器负载减少机器故障,同样是影响制造企业效率和成本的重要因素。所以,本文以最大完工时间、设备负载和总能耗为优化目标,结合刀盘加工过程的运输环节,构建了考虑运输约束的多目标柔性作业车间调度(MOFJSPT)模型。 然后,通过改进传统NSGA-Ⅱ算法来求解MOFJSPT模型。主要改进措施有:采用几种策略来改善初始工序排序和机器选择过程,提高初始种群的质量;以及改进精英保留策略,目的是在尽量减少其对种群多样性影响的同时,来提高算法收敛速度;并提出一种变邻域搜索策略来弥补传统算法局部搜索能力不强的缺点。最后对比测试算例的求解结果,验证了本文改进措施的有效性。 (2)刀盘的实际制造过程中,经常会受到一些动态事件的影响。但是,在受到影响后缺乏有效且及时调整调度方案的应对措施。因此针对制造过程中经常发生的三种动态事件,设计了对应的重调度算法。三种动态事件分别为:工件插入、工件撤销和机器故障。工件插入又分为紧急工件和非紧急工件,紧急工件插入时优先对紧急工件完成调度,确保紧急工件优先加工。然后使用案例,分别设置发生上述动态事件后执行重调度算法来及时调整调度方案来测试了重调度算法的有效性。 (3)在上述算法模块的基础上,使用Matlab编程工具,和My SQL数据库。以A企业盾构机刀盘的制造车间为应用场景,设计开发了该制造车间的调度原型系统,该系统可以给不同优化目标赋予权重,来满足不同的生产需求,调度结果以甘特图的形式输出也可以输出详细的调度结果报告。其次,基于上述重调度算法支持,在发生工件插入、工件撤销和机器故障时可以及时调整生产方案。

关键词： 自动化技术   机械设计   电子化图纸   辅助设计   柔性  

摘要： 在社会经济稳步发展中，机械制造行业在广泛运用自动化技术后，提高了机械生产运行效率。从长远发展角度来看，只有在机器制造行业中充分运用自动化技术，才能真正展现其拥有的特殊功能，保障机械制造生产的效率和质量，为企业发展创造更多经济效益。因此，本文在了解自动化技术和机械设计制造概念的基础上，根据机械设计制造中自动化技术的应用优势，深层分析如何应用机械设计制造中的自动化技术。

关键词： 碳交易机制   柔性作业车间调度   外包   非支配邻域免疫算法  

摘要： 随着全球变暖的加剧,世界各国都在积极推行低碳机制,力图降低碳排放水平,减缓全球变暖进程,碳交易机制应运而生。制造商被认为是导致碳排放的主要群体之一,其依据碳交易机制改变制造运营策略以减少碳排放将成为必然趋势。近年来,围绕碳交易的制造运营决策问题得到了广泛研究。然而,这些研究大多是从宏观的视角探索制造运营计划,忽略了碳交易机制对更具体的生产调度层面的影响。在实际制造环境下,生产调度是减少碳排放的有效手段,如何基于碳交易机制来制定满足减排目标且使自身利益最大化的资源调度方案,对制造商而言十分关键。 为此,在国家低碳战略的引领下,本文对碳交易机制和生产调度的集成问题进行研究,旨在为制造商制定符合低碳机制和最大化自身利益的高效资源调度方案提供指导。本文的主要工作如下: (1)将碳交易机制引入柔性作业车间调度问题中。针对制造商单独加工和多分包商协同加工两种模式,分别提出了基于碳交易机制的柔性作业车间调度问题(FP-CT)模型和基于碳交易机制和外包策略的分布式柔性作业车间调度问题(DFP-CTO)模型。FP-CT模型中考虑了符合实际制造场景的机器间运输时间及相应的碳排放,目标是最小化制造期和总成本(碳交易成本和加工成本)。在此基础上,DFP-CTO模型进一步考虑了订单可以外包给分包商进行加工这一情况,优化目标是使制造期和总成本(加工成本、外包成本和碳交易成本)最小。 (2)为求解FP-CT模型,开发了一种改进的非支配邻域免疫算法(INNIA)。在INNIA中,针对性地设计了I＿CCR初始化算子来生成优质初始解,以及搜索概率呈动态变化的SF-LS局部搜索算子来加速算法收敛。通过数值实验证实了INNIA的显著优越性,并且通过与传统不考虑碳交易机制的调度模式进行对比,证明了基于碳交易机制进行生产调度的必要性。 (3)为求解DFP-CTO模型,设计了一种有效的非支配邻域免疫算法(ENNIA)。ENNIA采用了INNIA的基础框架,并融合了依据DFP-CTO的特点而设计的M＿GLR初始化方法和LSF局部搜索框架,用于增强算法的寻优能力。大量数值实验证实了ENNIA在求解DFP-CTO模型方面的高效性。通过与不考虑外包策略的调度模式进行对比,验证了基于碳交易机制和外包策略的生产调度模式的优越性。

关键词： OBE-CDIO   机械设计   教学改革   教学模式  

摘要： 依据哈尔滨远东理工学院应用型人才培养定位，以我院机械设计课程教学实际为样本进行问题分析，以OBE-CDIO融合理念为研究指南，探索成果为导向、学生为中心、持续改进的教学设计模式。在教学过程和教学评价中，进行了将理论教学与实践教学相结合、将课程课前任务和课后巩固与线下教学相结合、将教师评价与生生互评相结合的改革探索。不断创造条件激活课堂、激发学生学习动力、设计思维，让学生变被动学习为主动探究，真正做到学生参与到教学活动全过程，提高学生自主学习能力、工程实践能力。

关键词： 慧鱼模型   项目教学法   中职学校   机械设计基础   教学改革  

摘要： 中职《机械设计基础》课程是机电专业的一门专业基础课,具有知识面覆盖范围较广,理论知识较抽象,实践性强等特点。传统的教学方法以理论讲授为主,难以激发学生内在学习动力,未能使学生将抽象的理论知识与具体生产实践建立联系,理论与实践相脱离。本研究通过采用将慧鱼模型与项目教学法融于课程教学的策略,创新课程教学方法,激发学生学习兴趣,培养学生综合职业能力,提高课堂教学质量。进而为中职学校相关专业课程教学改革提供新思路。本文以贵州省某中职学校的《机械设计基础》课程为研究对象,通过定性访谈和定量调查的研究方法对本课程存在的主要问题进行分析研究。统计分析调查结果表明,研究校《机械设计基础》课程存在传统教学方法未能满足学生个性化学习需求;教师在教学课堂未能激发学生学习活力;未能建立课程知识学习与职业能力培养共振;教学程序设计考核评价维度、主体单一;课程思政元素多元化融入程度不够等问题。基于以上问题,在研究项目教学法相关理论基础上,提出了采用基于慧鱼模型的项目教学,创设直观的机械零部件组成结构与生动有趣的学习情境,在课程教学中遵循理实一体化,直观性与趣味性、创新性与职业能力相结合,德技并修等原则。设计了基于慧鱼模型的项目教学方案,探寻与该课程融合的最佳教学方式,搭建课堂教学师生互通桥梁。选取了专业相同、人数相近、知识水平大致相同的两个班级,分别设定实验班和对照班,通过采用基于慧鱼模型的项目教学法设计了教学一体化方案,并开展了教学实验研究。研究结果表明,基于慧鱼模型的项目教学法是切实可行的,在落实立德树人根本任务的同时,能够满足中职学生的个性化学习需求,激发课堂教学活力,学生的内在学习动力、兴趣、学习成绩显著提高,同时,学生的沟通表达能力、团队协作能力、主动分析问题、解决问题能力和创新能力等综合职业能力得到明显提升。

ISBN: (纸本)9787512441217

关键词： 仿蜡蝉弹跳机器人   机械设计   优化   运动学   拉格朗日方程   Adams  

摘要： 随着机器人和人工智能技术的快速发展,机器人的运动能力在复杂的地理环境中受到越来越高的要求。弹跳机器人,特别是微小型弹跳机器人因其具备适应非结构化环境、强大的越障能力和快速执行等优势,成为机器人领域备受瞩目的研究方向。该种机器人在救援、军事和探索等领域具有广泛的应用前景。针对现有微型足式弹跳机器人在结构中存在能量存储密度低的问题,本研究以厘米级昆虫蜡蝉为仿生对象,设计了一款具有高能量存储量的并联式单自由度双六连杆型足式弹跳机器人。本文的主要研究内容和成果如下:(1)本文提出的具有高能量存储量的足式弹跳机器人,通过对蜡蝉的能量存储器一胸膜弓的结构及其跳跃机理的研究,提出了仿蜡蝉弹跳机器人的机械设计方案,包括能量存储机构、能量控制机构、前肢结构、控制系统组件和整体结构设计等方面的内容,同时阐述了机器人弹跳运动的原理和流程。(2)利用D-H参数法对机器人进行运动学正解分析,获得机器人起跳阶段腿部的姿态和运动。通过拉格朗日函数对机器人进行动力学分析,获得机器人起跳阶段的关节角,对比基于Adams仿真环境下的仿真结果,验证了动力学方程的正确性,并探索了机器人起跳方向对质心的偏移对机器人在空中姿态的影响。接着,该研究对弹跳机器人的结构参数进行了优化。对能量控制机构的传动比进行参数优化,得到了占用体积最小的传动比;对设计的六连杆机构进行了数学建模和参数优化,得到了线性弹簧形变量变化最大的六连杆机构,作为优化后该机器人的弹跳结构。(3)通过仿真分析获得了机器人运动轨迹,包括在仿真环境中的质心跳跃高度、跳跃距离、速度、加速度以及相关力矩等运动学参数和动力学参数,验证了仿蜡蝉弹跳机器人结构设计的合理性,并证明了理论分析方法的正确性。最后,通过有限元分析,验证了零部件的材料的安全系数满足使用要求。(4)搭建了仿蜡蝉机器人的物理样机试验平台。在此条件下进行了多种不同接触面下的弹跳试验,并研究了地面摩擦系数对机器人跳跃性能的影响。之后通过对弹跳机器人进行减重优化,获得了弹跳性能更好的仿蜡蝉弹跳机器人。最后,对本文提出的弹跳机器人与一些具有代表性的机器人进行了性能比较。本研究提出的微小型弹跳机器人为提高能量存储密度提供了一个新思路,同时对提高未来足式弹跳机器人能量存储量的进一步研究提供了一定的参考借鉴。

关键词： 机械设计   数字制造   路径生成   运动控制  

摘要： 机械结构及其工业产品推动着人类生产发展和社会进步,已经与每个人息息相关。路径生成问题是机械结构设计领域中的一个基本问题,目前大多数的设计方法局限于平面运动和相关结构,且只能近似逼近连续目标曲线。造成这一现象的直接原因是机械零件多以减材制造的方式加工,该方式制约了机械的设计,限制了零件的造型,缩小了机械结构的运动空间。故本文将针对生成指定路径的机械结构设计展开研究,旨在生成任意指定的空间连续轨迹,面向增材制造技术,构建新型机械结构的几何与运动学建模,给出有效的逆向设计算法,并制造模型验证了建模的正确性和算法的有效性。 第一部分工作先从传统的平面凸轮出发,通过改进凸轮与从动件的连接关节为球状关节,并使用运动包络面构建凸轮槽曲面模型,获得新型空间凸轮从动机构。该机构中凸轮可以多角度推动从动件运动,使从动件运动自由度提高。空间凸轮从动机构可根据从动件的运动类型分为6类,除可实现传统凸轮的简单平移和旋转外,还可以精确实现平面、圆柱面或球面上有自由形状的复杂曲线,并可实现在时间上对输出运动的精确控制。本文提出了一种统一的方法对所有类型的空间凸轮从动机构进行几何建模、运动学建模和动力学建模,还给出了优化求解算法,可逆向设计空间凸轮从动机构以满足用户指定的轨迹要求,并达成轻量化和可低扭矩驱动的设计目标。 第二部分工作将多个空间凸轮按照树状结构有序地结合,组成了复合凸轮机械。该机械相对于单一凸轮从动机构,其输出的运动空间更大,并且可以同时输出多个运动以执行更复杂的任务目标。文中将单一凸轮的运动学和动力学建模,利用树状结构和其对偶树的联系,推广至复合凸轮机械的运动学和动力学建模。还提出了几何参数和布局参数迭代优化算法,实现了复合凸轮机械在用户指定输入运动下的逆向设计,并延续了轻量化和可低扭矩驱动的特点。最后通过3D打印制造六足行走机器人模型,验证了设计思路的可行性。 第三部分工作提出一种空间凸轮连杆机构,其包含有2个空间凸轮和5个连杆,以凸轮驱动连杆的串联方式,在末端执行点精确生成三维空间中含有限C0点的指定连续曲线。从拓扑结构、几何模型和运动学模型三方面研究该机构,以轻量化和平稳运动为设计目标,将功能性和制造要求作为约束,给出了基于随机优化的逆向设计算法。从理论和实验两个层面证明了该机构具备精确生成任意三维连续路径的能力。最后在该机构的基础上,改进拓扑结构和运动学建模,构建扩展的凸轮连杆机构,精确生成了三维空间中的连续运动,并逆向设计出可搬运货物的机械臂进行验证。 论文提出的复合凸轮机械和空间凸轮连杆机构解决了单电机驱动下的精确三维路径生成和运动生成这一挑战性问题,并通过大量虚拟模拟实验和物理制造实验,验证了新型机械设计物理制造的可行性和运动能力的优越性。