摘要： 世界技能大赛（以下简称“世赛”）是最高层次的世界性职业技能竞赛。截至第45届世赛，我国共获得金牌36枚、银牌29枚、铜牌19枚、优胜奖59枚，共143枚奖牌，大部分集中在“制造与工程技术”“结构与建筑技术”“创意艺术与时尚”等几个大领域中，其中“制造与工程技术”领域获得18金、8银、7铜的佳绩。世赛作为职业技能培训创新的风向标，以世赛项目为典型案例，充分借鉴世界技能大赛先进理念、技术标准和评价体系，

关键词： 车间调度   双资源柔性作业车间调度问题   工人疲劳   学习效应   自适应大邻域搜索算法   动态调度  

摘要： 随着工业4.0的稳步推进,在轨道交通、装备制造等高端制造行业中,人的价值越来越高,且具有机器不可替代的作用,如处理焊接、精刮、维修等工作。在无法实现无人化的生产活动中,工人疲劳问题普遍存在,持续过高的疲劳值容易引起工人的职业疾病,甚至导致严重的安全事故。双资源柔性作业车间调度是解决上述问题的关键技术,该技术根据加工要求和优化目标为当前工人分配适合的机器资源和任务,从而实现人机资源的合理配置。在人机协同的工作模式中研究工人疲劳问题有着重要的理论意义和现实价值。本文围绕着双资源柔性作业车间调度问题,开展了如下工作: (1)针对工人的疲劳问题,以最小化完工时间为优化目标,构建了考虑工人疲劳的双资源柔性作业车间调度混合整数规划模型。工人的疲劳值与工作时间呈指数累计分布,同时每个工人具有不同的疲劳参数。针对自适应大邻域搜索算法求解车间调度问题时的不稳定和早熟问题,设计了最优修复算子选择方式和消除温度参数的接受准则来提升算法的性能,不同规模的算例验证了改进算法求解考虑工人疲劳的双资源柔性作业车间调度问题的有效性。 (2)考虑了与工人操作熟练度相关的学习效应,建立了考虑工人疲劳和学习效应的双资源柔性作业车间调度混合整数规划模型。在该模型中,每个工人的学习效应参数是不同的,取决于工人自身的素质和技能。实验结果验证了改进自适应大邻域搜索算法的有效性。 (3)实际加工过程中常常面临着订单变动、机器损坏和人员变动等问题,静态的调度方法不能满足实际需求。针对此类动态扰动事件,提出了插单/减单、机器故障、工人缺岗重调度策略,并设计了多种动态场景来测试模型的响应能力。结果表明策略模型具有一定的可行性和鲁棒性,能够有效处理工件动态事件和资源动态事件,与其他算法的比较表明了改进算法的有效性和优越性。 本论文深入研究了工人疲劳和学习效应约束下的双资源柔性作业车间调度问题,以最小化完工时间为优化目标建立了混合整数规划模型,利用改进的自适应大邻域搜索算法来求解。针对生产过程中常见的动态事件,提出了相应的重调度策略,最后通过某制造企业生产车间的实例验证了改进算法的有效性,为企业的生产和发展提供了理论依据。

关键词： 中国散裂中子源   微小角中子散射谱仪   中子探测器   模块化设计   轻量化设计  

摘要： 中子探测器是中子散射谱仪装置上的关键部件,用来捕捉经过样品散射后中子的运动轨迹和时间信息。针对谱仪的技术指标与功能需求,设计了一款应用于中国散裂中子源微小角中子散射谱仪上的中子探测器机械装置。该款探测器应用于真空环境,要求探测面积大、3He管间距小、尽量避免探测死区,但安装维护空间狭小。因此采用模块化与轻量化设计理念,模块具有互换性,可实现单独模块的快速拆装维护,提高工作效率,装置安装精度与重复定位精度高,满足谱仪设计指标与功能需求。课题的主要研究内容总结如下:首先,根据探测器的设计指标和功能需求,采用模块化设计理念设计了探测器整体结构与关键部件结构,包括探测器模块、探测器支撑平台以及探测器工装,之后利用Solid Works建立了探测器三维结构模型。针对设计方案对零点定位器、导轨滑块组件、滚珠丝杠组件和步进电机等所需关键器件进行选型与计算分析,并对滚珠丝杠进给系统进行静刚度建模与分析。其次,运用有限元分析软件Workbench对关键结构进行了静力学分析,验证机械结构设计的合理性,确保装置能够安全可靠的运行。之后基于拓扑优化和响应面优化方法对探测器模块进行了轻量化设计,并将优化设计方案与原始设计方案进行对比分析,结果表明轻量化设计后模块质量减少了18.65%,且模块的变形仍然比较小,优化效果显著。最后,试制三款样机,完成了探测器关键技术研究与实验测试,主要包括3He管的安装定位、模块密闭腔体的密封性能以及电子学系统的散热。确定了3He管的安装定位方案,并设计加工了一款试验装置对该方案进行验证,结果表明3He管的安装定位方案可靠。之后确定了电子学系统的安装方案,针对散热需求利用Icepak软件对电子学板进行热仿真分析,根据分析结果搭建实验完成了电子学系统的散热测试,并完成了散热系统的搭建。最后,分析了不同的检漏方法,并加工试验样机,选用氦质谱检漏法对模块进行喷检与罩检,检漏结果优于设计指标。

关键词： 航空零部件   设备状态   预防性维护   可靠度区间   柔性作业车间调度   重调度  

摘要： 在国家不断推进军民融合发展并将其上升至国家战略的形势下,航空零部件制造业得到飞速发展。航空零部件具有多品种、小批量,生产工艺复杂的特点,多采用柔性作业车间加工。柔性作业车间工件加工路径柔性,调度计划复杂度高,使其对调度方案质量和稳定性要求较高。针对企业当下采用周期性预防性维护和未考虑预防性维护的调度方案结合的生产方案,没考虑柔性作业车间设备工作时长不同导致设备状态差异对预防性维护的影响,以及调度计划与周期性预防性维护计划分开进行导致调度质量不高的问题,有必要将设备状态考虑进预防性维护策略中,将考虑设备状态的预防性维护策略与柔性作业车间调度集成优化,得到高质量的初始调度方案。并且由于实际生产中经常伴随扰动事件,必须对原有调度方案进行重调度,使得实际生产与计划存在偏差,如何制定合理的重调度策略,降低扰动对调度影响,提高调度稳定性具有重要意义。本文主要研究内容如下:针对航空零部件企业柔性作业车间将预防性维护与生产调度分开优化,周期性预防性维护方案没有考虑设备状态差异造成的维护过量和不足的问题,提出基于设备状态的可靠度区间预防性维护策略,并与柔性作业车间调度集成优化。以最大完工时间最小和总工序偏差最小为目标建立集成优化模型,NSGA-II算法进行求解,得到初始调度方案。在上述基础上,针对加急订单扰动下的考虑设备状态预防性维护与柔性作业车间调度集成优化的重调度问题,提出完全反应式重调度策略。扰动事件发生时,基于集成优化得到的初始调度方案,结合滚动窗口机制和事件驱动的完全重调度的重调度策略。选取最大完工时间和机器偏离度为目标建立调度模型,NSGA-Ⅱ算法进行求解得到重调度方案。最后通过某航空零部件车间生产实例进行仿真实验对比,证明本文的集成优化初始调度方案在完工时间和工序偏差两个目标上都得到有效降低。并验证了加急订单扰动下的基于初始调度方案和提出完全重调度策略得到的重调度方案,在加急订单有效加急同时,保证调度效率和稳定性。

关键词： 多目标柔性作业车间调度   改进的NSGA-Ⅱ算法   多目标优化  

摘要： 在实际生产中,企业需要合理分配资源满足企业日常生产要求。同传统的车间调度相比,柔性作业车间调度更加切合企业车间的实际。所以,越来越多的学者开始研究柔性作业车间调度问题。现阶段,大多数柔性作业车间调度问题的求解,除了需要考虑多个优化目标,还需要综合考虑柔性生产的特点、车间内的调度性能等因素,虽然求解过程较为复杂,但对现代制造的长远发展具有重要的意义。本文以现有车间调度成果为切入点,深入研究了多目标柔性作业车间调度问题,建立了以最小化最大完工时间、设备总负载、车间碳排放总量、车间总能耗以及交货期为目标的调度模型,通过比较已有算法的优缺点,选择NSGA-Ⅱ算法对所建立的车间调度模型进行求解。NSGA-Ⅱ算法在解决多目标问题时,展现出了卓越的求解性能,但在问题的求解过程中仍会出现收敛性差和种群多样性不足等问题。因此,本文对NSGA-Ⅱ算法做了如下改进:一是改进子代个体的生成方式,根据种群中个体的非支配排序等级和生成的随机数来决定父代种群执行变邻域搜索操作或交叉变异操作生成子代个体,以此来避免种群中出现过多的重复个体。二是改进精英个体的选择策略,在其中加入随机选择策略,对父代种群的多样性加以保证。同时,提出了一种改进的自适应交叉和变异算子,避免算法陷入局部最优。将本文改进后的NSGA-Ⅱ算法应用于车间调度传统算例的求解当中,通过将本文算法的求解结果与其他学者的求解结果相比较,对改进后的算法优劣进行判断。在目标函数的对比结果中,改进后的NSGA-Ⅱ算法求解问题时所获得的结果更优,算法易于陷入局部最优的问题也得以解决,由此可见本文改进后的算法具有一定的有效性。最后将本文改进后的NSGA-Ⅱ算法应用到实际模具车间生产中,设计并开发了相应的车间调度系统,获得了比较理想的效果。

关键词： 电池串摆放   机械设计   刚柔耦合   机电联合仿真  

摘要： 随着能源结构的调整,全球光伏装机总量逐年增加,光伏行业对太阳能电池组件产品的质量和生产效率提出了更高的要求。为了提高太阳能电池板汇流带焊接生产线的自动化水平和解决企业用工荒的难题,本文采用多刚体与刚柔耦合动力学建模分析、机电联合仿真分析与实验相结合的方法对电池串上料工位进行设计研究。针对太阳能电池板汇流带自动化焊接生产线电池串摆放工序要求设计了三轴桁架式电池串上料工位的整体结构。对电池串上料工位的主体结构进行了选型分析,并利用SolidWorks三维模型软件,对主体结构进行三维建模并完成了虚拟装配。首先建立了滚珠丝杠进给系统集中质量模型,并建立了拉格朗日动力学方程。利用ADAMS建立电池串上料工位多刚体动力学模型,并考虑到滚珠丝杠在高速运转时易发生振动,利用ANSYS对丝杠进行模态分析,计算出了其固有频率。并使用ANSYS将其柔性化处理,通过柔性体替换刚性体建立了刚柔耦合动力学模型。建立了交流伺服电机d-q坐标系下数学模型和电池串上料工位伺服控制系统三环控制模型。在MATLAB/Simulink中建立了电池串上料工位的控制模型,并将ADAMS建立的刚柔耦合模型和伺服控制模型进行机电联合仿真,为电池串上料工位实验物理样机和控制系统的搭建奠定了基础。搭建了电池串上料工位实验物理样机,通过大量试运行和实验测试,得到实验测试结果与仿真结果一致,验证了本设计的正确性。因此,本文研究设计的电池串上料工位为太阳能电池板汇流带焊接中电池串摆放工序提供了良好的解决方案。

关键词： 轮对   轴承前盖   拆卸   机器人   目标检测  

摘要： 轮对是货车转向架的重要组成部分,其检修质量直接关系列车运行的安全性和可靠性。如果轴端检修不合格,会导致轴承松动、开裂、切轴等事故,对铁路行车安全构成极大的威胁。检修轮对需要拆卸轴承前盖,现阶段各个工厂、站段轴承前盖拆卸工作均采用人工配备电动扳手拆卸的方式,这种手动拆卸方式存在劳动强度大、容易误操作和自动化水平低等缺点,限制了车辆检修的效率,生产现场急需自动化、智能化的轴承前盖拆卸装备。本文根据车间实际的轴承前盖的拆卸要求,结合机器人技术、视觉检测技术和智能软件技术等,确定了铁路货车轮对轴承前盖拆卸工作的具体流程,并且根据拆卸流程设计了视觉检测模块、轮对定位模块、拆卸机器人模块和分解机器人模块,各个模块相互协作,组成了轮对轴承前盖拆卸装备。 根据拆卸前盖螺钉时需要确定螺钉位置的要求,设计了基于模板匹配原理的螺钉位置检测算法,该算法通过扫描图片中指定区域并计算与螺钉模板的归一化相关系数,确定轴端螺钉的位置。在拆卸完前盖后使用相同的检测原理对轮对编号进行识别,通过建立字符模板库并计算模板库中字符与图片检测区域的归一化相关系数,确定检测区域的具体字符。 基于调整轮对轴向姿态的要求,利用V形块的自动定位功能,结合四导柱顶升台,设计了轮对定位顶升装置,能够将轮对顶离轨道并利用V形块定位。基于摩擦传动原理设计了轮对旋转装置,将其安装在V形块上,在定位轮对后并检测到前盖螺钉位置后,使用摩擦轮旋转轮对,调整轮对轴向姿态使螺钉与电动扳手套筒对齐,以拧松螺钉。 在电动扳手拧松螺钉时,螺钉沿着螺纹孔轴线向外运动,为了防止螺钉掉落,设计前盖拆卸机械手夹持前盖并且使前盖朝螺钉拧出的方向以相同的速度运动。拆卸机械手上的前盖夹头夹持前盖的动力由气缸和滑块组成的直线模组提供,通过分析前盖夹头受力,对气缸和滑块进行选型计算。前盖夹头由协作机器人带动以辅助拆卸前盖螺钉,并且在螺钉完全拧松后将前盖组件从轴端上取出,运送到前盖分解模块。根据前盖拆卸机械手与前盖组件的整体重量和机械手的运动范围对协作机器人进行了选型。 将前盖组件拆卸下之后,基于车间现场的检修管理要求,设计了由分解机械手和三坐标机器人组成的前盖分解机器人,用于将前盖组件分解为单独的工件。考虑到前盖组件不同组成部分的材料特性,在前盖分解机械手上安装电磁铁和真空吸盘两种吸取装置。利用三坐标机器人的空间自由度,实现分解机械手的准确移动与定位;基于拆卸方案确定的运动参数和分解机械手所需的工作条件,对三坐标机器人的驱动传动装置进行了选型计算。 在各个模块结构设计完成后,根据实际工作状态确定的受力状况,利用Solidworks软件的Simulation模块对拆卸设备上一些关键部件进行有限元仿真分析,校核了部件在工作载荷下的强度和刚度。

关键词： 机械设计制造   自动化   专业教学  

摘要： 对机械设计制造及自动化专业教学中存在的问题和缺陷进行分析，阐述了机械设计制造及其自动化的未来发展前景，并进一步提出应当采取何种优化方案加强和提升教学水平。

关键词： 混流装配线重组   分组遗传算法   柔性作业车间调度   改进NSGA-Ⅱ   Bom  

摘要： 电子制造企业在经济全球化影响下正逐渐向多品种、小批量的生产模式转型,积极采用结合自身生产特点与市场需求的智能制造与调度方法来重塑自身来增强企业的市场竞争力。目前,J公司正面临着产线负荷不均、设备利用率低、调度成本过高等一系列问题。因此,本文以J公司N客户车间生产现状为基础,以中段和后段车间出现的问题为切入点,开展基于分组遗传算法的后段混流装配线重组优化研究和基于改进NSGA-Ⅱ的中段柔性作业车间滚动调度研究。论文的主要内容如下: (1)基于分组遗传算法的后段车间混流装配线重组优化研究。本部分首先分析重组混流装配线的关键约束;然后构建以分组组数最小和产品总工艺相似度最大为目标的分组优化模型;其次针对该模型提出一种分组遗传算法,该算法建立工艺流程矩阵来反映工艺约束,采用双层分组编码来反映分组过程中受到的产能、利用率约束,利用次序交叉和插入变异和轮盘赌选择来更新种群;最后求解获得N客户产品的最佳分组方案,通过构建虚拟工艺路线完成混流装配线的重组任务。该方案减少后段产线4条,装配线的平均利用率提高17.11%。 (2)基于改进NSGA-Ⅱ的中段柔性作业车间滚动调度优化研究。本部分首先结合J公司前、后段计划特点设计周期性滚动调度策略;然后,建立以总拖期最小、机器总空闲最小和装配同时度最小为目标的多目标FJSP滚动调度模型;其次,围绕优化目标改进NSGA-Ⅱ算法,提出基于启发式规则的双层实数置换编码和基于压缩时窗技术的活动解码,运用映射交叉和互换变异生成新个体,设置限定值保证种群多样性来改进精英保留策略,采用记忆库来更新最优解;之后通过田口正交实验来确定算法参数,并进行了算法有效性验证;最后求解了N客户柔性作业车间最优调度方案,并进行效果评价。该方案将中段交付后段的准时交付率提高至100%,设备平均利用率提高8.71%,排产成本得到大幅降低。 J公司N客户车间生产改善研究提高了公司生产效率、缩短了产品生产周期、降低了生产成本。同时,本研究对于提高与J公司同类型的电子制造企业的生产效率具有一定的借鉴价值。

摘要： 国际标准刊号:ISSN 1001—2354国内统一刊号:CN12—1120/TH《机械设计》杂志是中国机械工程学会机械设计分会会刊、中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊,学位与研究生教育指定中文重要期刊,国内外公开发行。本刊已被“中国核心期刊(遴选)数据库”、“中国科技期刊精品数据库”、“中国期刊网”、“中国学术期刊(光盘版)”、“中国学术期刊综合评价数据库”等全文收录。