关键词： 柔性作业车间   工人疲劳水平   调度优化   双资源约束   非支配排序遗传算法  

摘要： 《“十四五”智能制造发展规划》提出,要加速建设具有柔性生产能力的智能化车间与工厂,大力发展个性化定制生产等先进制造模式。在这种形势下,如今许多企业都在探索与实践中小批量、多品种的离散型柔性生产模式。柔性作业车间是典型的多产品柔性制造模式,由于这种制造模式更符合实际生产过程,目前已经成为车间调度领域的研究热点。现阶段下,工人仍是该生产系统的重要组成部分,因此有必要将工人疲劳水平、移动时间等各种人为因素考虑到车间调度问题中。与此同时,车间中的工人与机器资源均是有限的,如何高效地利用工人与机器资源显得非常重要。基于以上背景,本文对两个机器与工人资源约束下的柔性作业车间调度问题进行了探究。针对考虑人因的双资源柔性作业车间单目标调度问题(So-DRCFJSP),构建了相应的调度模型,在模型中考虑了工人移动时间这一人为因素,从而使模型更加接近生产实际。为了最小化完工时间,开发了一种混合遗传算法(HGA),通过与遗传算法(GA)、粒子群算法(DPSO)对比发现,本文提出的算法能够更有效地求解SoDRCFJSP。在复杂情形下,仅对完工时间这一目标进行优化很难满足实际生产需要。为此本文进一步对考虑人因的双资源柔性作业车间多目标调度问题(Ma F-DRCFJSP)进行了探究。在调度模型中,考虑了工人移动时间与工人疲劳水平这两个人为因素,并以完工时间、最大工人疲劳水平、关键机器负荷和总拖期为优化目标,以期在优化整个车间的资源配置、提高生产效率与客户满意度的同时降低工人的疲劳水平。根据该问题的特点,设计了改进的第III代非支配排序遗传算法(INSGA-III)对其进行求解。在该算法中,提出了4种初始化策略以提升初始种群的质量与多样性;引入了血缘变异机制以避免算法过快收敛;嵌入了模拟退火算法进行局部搜索以提升算法的局部寻优能力。结果表明,INSGA-III可以有效求解Ma F-DRCFJSP,且能够解决实际调度问题。因此,从理论上来讲,本研究对于提升制造企业的生产效率、平衡车间内工人的劳动负荷以及机器负荷,并保证按时完成交货提升顾客的满意度具有重要意义。此外,本文在一定程度上还具备实际应用价值,得到的实例研究结果能够为调度管理者提供一定决策参考。

摘要： 机械产品是现今运用较为广泛的设备，在各行各业中均发挥着重要作用，机械设计也由此成为机械工程发展的关键。随着科技水平的提高，建筑行业的机械化程度逐渐加深，机械设备的性能与质量成为影响工程质量的主要因素，设计更加优越的机械设备成为建筑机械设计行业的重中之重。现阶段，机械设计与制造已成为建筑工程提升其质量与效率的根本，建筑行业中的机械设计问题已成为机械设计与制造行业必须研究的重要方向。由郑国伟编写、机械工业出版社于2011年8月出版的《机械工业发展与实践》一书，便对我国机械设计工业的发展现状以及进出口贸易进行介绍，提出了促进机械工业发展的相关对策与建议，为我国机械工业发展提供了指导。

关键词： 脑神经外科手术   力反馈设备   机械设计   运动学特性   三维模型  

摘要： 在神经外科手术中，外科医生面临着许多问题，如手术中准确度低、不可预测因素多和手术过程中的视觉受阻碍等。虚拟手术技术可以在手术前预演手术过程，提前计划手术方案，降低手术风险。力反馈设备在虚拟手术中提供力的反馈,极大地提高了虚拟手术仿真的沉浸感和真实感。本文研究内容根据神经外科的一般要求，设计了一种六自由度力反馈设备。　　首先，详细阐述了力反馈设备中各个模块的机械设计过程。搭建了一个满足在脑神经外科手术使用条件下的六自由度力反馈设备的三维模型。然后对力反馈设备做了运动学研究，依据Denavit-Hartenberg方法模型构建了力反馈设备的运动学坐标系，并得出力反馈设备连杆间的齐次变化矩阵，确定了各个关节和末端执行机之间的位姿关系，计算结果给出了力反馈装置的运动学特征方程，使用MATLAB机器人工具箱检验了运动学方程的有效性，并利用蒙特卡洛方法仿真出力反馈设备的工作空间。然后通过Lagrange法重点分析了力反馈设备的重力平衡条件，并对实际加工可能出现的误差进行了分析。最后，通过ADAMS对设备进行仿真与分析，得出各个关节的运动参数曲线，并针对常用的脑神经外科手术操作进行了模拟，从而证明了力反馈设备的可行性。　　这种力反馈设备可以用于手术训练，允许外科医生进行简单的手术训练。它可以通过触觉反馈为用户提供真实的触感。该力反馈设备的可行性和低成本接近实际应用。此外，该力反馈设备还为研究虚拟环境及其应用的许多方面提供了平台。

关键词： 清洗机器人   机械设计   水射流   运动学   力学   有限元分析  

摘要： 随着油罐服役时间的增长,油罐面临着清污、保养的需求。目前,由于人工清洗油罐一方面劳动强度大、危险系数高,另一方面清洗效率低下导致清洗成本居高不下。本文通过调研国内外关于油罐清洗设备的相关研究,旨在研发出一款适用于国内油罐,具有油泥回收、罐底冲洗、爬坡功能的油罐清洗机器人。首先,介绍了罐内作业环境,确定油罐底情况、油泥物理特性和爆炸区域划分,提出了机器人技术指标。介绍了目前清洗机器人常用的驱动方式、移动方式、清洗和回收方式,分析了它们的优缺点。基于比较结果,设计了清洗机器人整机结构方案。其次,根据确定的结构方案,设计了机器人的行走机构、中间执行机构和防爆部分。设计了驱动轮、承重轮、张紧轮和张紧装置,绘制出推污装置和抬升装置简图,设计了清洗回收装置,并进行相关部件的计算选型,最后建立了油罐清洗机器人三维模型。此外,计算了机器人拖缆力、行驶阻力和坡度阻力,基于结果选型液压马达。建立了机器人运动学和力学模型,分析了机器人中心转向时履带接地面的速度大小和机器人受力情况,并校核导向轮轴的强度。建立了机器人爬越引导梯纵向和侧向力学模型,给出了机器人爬越引导梯时各阶段牵引力、坡度角、附着系数之间的关系。分析了机器人依靠引导梯导向板修正方向时牵引力,地面摩擦系数与导向板之间夹角的关系,求得了机器人与引导梯导向板之间的作用力,为引导梯的设计提供了理论依据。最后,研制出清洗机器人样机。完成了机器人平面运动、过孔、清洗回收等实验,测试了机器人的负载能力、转向能力、爬坡能力、越障能力、清洗回收效果。通过上述实验,验证了所研制的油罐清洗机器人基本满足设计要求,为该种机器人实用开发奠定了基础。

关键词： 柔性作业车间调度   双层编码   关键路径   人工蜂群算法  

摘要： 随着制造业的发展,车间自动化的占有比例越来越高,而智能制造是车间发展的大趋势。智能优化在各个产业都发挥着重要的作用,它会直接影响一个工厂的实际生产效率以及生产成本,进而影响不同客户对订单的需求,尤其是交货期方面的需求。柔性作业车间调度问题(Flexible Jobshop Scheduling Problem,简称FJSP)的优化是智能调度的一部分,也是智能优化问题研究领域中的一大热点,解决该问题的方法,也从最开始的精确求解方式到现在可以应用于大规模问题求解的智能优化算法,发展十分迅速。所以,本文以某公司机加车间的生产作业为研究对象,凝练出柔性作业车间调度问题,并针对该问题改进了的算法进行求解。首先,本文将最小化最大加工时间作为柔性作业调度问题的目标函数,建立数学模型。其次,引入人工蜂群算法(Artificial Bee Colony Algorithm,简称ABC)进行求解,但人工蜂群算法一般是求解连续性优化函数的,而无法解决离散型问题,因此本文对解进行了编码并且为了提高算法在求解过程中的搜索精度、克服局部最优等问题,本文对算法的三个阶段也分别进行了改进。在编码方面,为了保证解的准确描述。本文则采用双层编码方式,即在编码中加工工件与机器编码呈现一一对应关系。对算法的改进分别体现在雇佣蜂、观察蜂以及侦察蜂三个阶段,在雇佣蜂阶段运用RPOX交叉算子及工序串和机器串的变异算子,同时记录食物源被开采次数;在观察蜂阶段进行关键路径搜索得到新的邻域解,并将新解与旧解进行比较,选取较好的解。最后读取食物源的开采次数,并将超过限制开采次数的食物源相应的雇佣蜂或观察蜂变成侦察蜂,侦察蜂再进行新食物源的开采。在改进完成后,本文通过两个算例对改进的人工蜂群算法进行验证。通过验证可以发现改进的人工蜂群算法稳定性较好,求解能力较强。最后,将改进的人工蜂群算法应用到了M公司机加车间的柔性作业车间调度问题中,得到的结果是比人工排程提高了12.72%,并且设备之间的有效加工时间也更加均衡。证明了改进的人工蜂群算法在实际生产中的应用价值。

关键词： 分拣系统   机械设计   木板表面缺陷   ProGAN   神经网络  

摘要： 近年来随着人们对木制品需求逐年增加,但我国人均森林资源占有量低,需要从国外大量进口木材,且许多加工企业对木材原料的利用率低于发达国家。实木复合地板有利于节约资源并具有环保优势,但企业在实木复合地板的木板表面缺陷检测环节仍采用人工检测的方式。对木板表面缺陷检测的错误率随工人工作时间的增加而升高,且受工人主观因素导致检测质量稳定性难以保障。本文提出一种基于视觉的木地板分拣系统,以检测木板表面缺陷算法模型为核心进行木地板表面缺陷识别。首先对国内外学者在木地板检测的研究现状和关键技术问题进行分析研究,依据木地板的分拣流程和设计指标,确定分拣系统的总体设计,包括机械系统的整体设计和控制系统的整体设计;运用模块化设计思想详细设计完成分拣任务的机械臂吸附小车、视觉检测履带流水线和反转机械臂三个模块;利用ANSYS软件对全向小车和反转机构进行静力学分析以满足工作要求;完成三轴和六轴两种机械臂、真空气泵、工业相机和LED光源设备选型。根据控制系统的整体设计方案和木地板分拣系统控制系统的设计指标,对控制系统进行具体设计。以Arduino等四种单片机分别作为机械臂吸附小车、视觉检测履带流水线和反转机械臂三个子系统的主控板,完成电机驱动、通信模块和传感器等硬件设计;运用Arduino IDE进行控制系统的软件设计;利用Matlab软件分析三轴机械臂运动空间及其轨迹规划,最后完成分拣系统的人机界面设计。深度学习模型训练需要大量图片,因而要制作符合模型训练的木板缺陷图片数据集。采集含虫眼、裂缝、节子和纹理四种木板表面缺陷图片的数据集,利用Pro Gan网络生成少样本图片避免样本不平衡,满足训练要求;通过传统图像处理技术对平衡后的图片数据集进行倍增以满足深度学习算法训练要求。添加椒盐噪声完成数据集预处理,并利用Matlab软件进行图像畸变校正。最后将基于Transformer和VGG两种神经网络融合的新算法用于木地板的识别。通过分析ViT模型和VGG模型,设计并搭建出融合ViT的卷积神经网络模型。利用Pytorch框架进行编程并进行实验。实验证明利用GELU作为激活函数的模型性能优于用Re LU的算法模型,以及在一定的Transformer深度下,融合型神经网络比纯卷积神经网络具有优越性。

关键词： 交货期窗口   交货期上界   柔性作业车间   遗传算法  

摘要： 本文基于柔性作业车间，面向一类不能提前/延期交货的订单，进行了可外包工件的调度研究。该类订单中，若制造商延期交货，客户可取消订单。由于制造商之间的优惠协助行为，制造商与客户均不想延期交货，双方可接受的实际交货期具有上界限。为避免延期交货，制造商可能要外包部分任务。而如何确定内部调度计划与外包明细，使整体效益更好，是制造商面临的问题。目前基于柔性作业车间进行可外包工件的调度研究较少，进行该项研究，有助于提升制造商接收该类订单的信心、降低生产成本以及丰富目标客户群。　　面向该类订单，本文在考虑保管成本与加工成本的基础上增加了外包费用，并以最小化总成本为目标，进行了可外包工件调度理论模型及算法研究，实现从整体确定内部加工计划与外包计划。其中，内部加工计划要确定各工件的各道工序在哪台设备上加工以及其在该设备上的加工顺位，外包计划要确定外包哪些工件。具体研究工作如下：　　首先实地调研相关背景制造企业，参考相关文献，进行了面向交货期上界的可外包工件FJSP基础研究。包括柔性作业车间调度问题、交货期窗口描述、交货期上界定义以及可外包工件的车间调度问题描述。　　再结合问题特点及复杂度，构建以保管成本、加工成本及外包成本之和最小为目标的FJSP调度模型。选择遗传算法对模型进行求解，并进行针对性设计。采用基于工序设备的双重编码、轮盘赌选择、POX工序交叉以及MPX设备交叉等遗传操作，以保证算法求解的正确性及有效性。　　最后分析D公司业务背景及叶片车间调度流程，结果表明其符合本文研究应用范围，并采用加工实例对本文研究进行应用。结果显示，优化后方案相比实际执行方案，节省了7.32%的总成本，实现了利润扩大。

关键词： 双资源约束   柔性作业车间调度   工人柔性   工艺路线   群智能算法  

摘要： 车间调度是生产车间合理利用资源、提高效率的重要手段。在智能制造的背景下,面向多品种小批量、定制化柔性生产方式的制造企业,需考虑实际存在的多种资源约束,设计合理的车间调度方案来提高效率、降低能耗、节约成本。本文围绕双资源约束的柔性作业车间进行了节能调度研究,主要研究工作如下: (1)针对车间内工人技能和操作效率的差异性,以及数控机床与普通机床并行加工的生产模式,构建以完工时间、总成本、总能耗最小为目标的不变工艺路线下双资源约束柔性作业车间节能调度模型,提出一种改进的NSGA-Ⅱ算法(V-NSGA-Ⅱ)进行求解。设计三层染色体编解码方式以解决工件排序、机器分配和工人分配三个子问题;初始阶段通过混合策略维持种群的多样性;设计PRX交叉、TMA变异等多种算子保证算法的全局搜索能力;引入具有变邻域结构的SA算法(SAVN)提高局部搜索能力。通过算法性能分析,证明了 V-NSGA-Ⅱ求解算例更具优越性,可以提供更优的调度方案。 (2)针对现代化车间的智能制造环境,综合考虑工艺资源的柔性约束,构建了可变工艺路线下双资源约束柔性作业车间节能调度模型,目标是最小化完工时间、机器总负荷、总能耗,并提出一种混合粒子群算法(HPSO)进行求解。针对DFJSP-VPR的特性设计了三层编码方式,由随机生成与调度规则相结合的混合初始化方法生成初始粒子群;粒子更新方面将PSO的粒子更新方式与GA的遗传算子相结合,设计有效的交叉变异算子更新粒子位置;引入基于VND的多级邻域搜索结构进行局部搜索,以保证算法更细致地搜索解空间。通过仿真实验与分析,证明了 HPSO算法在求解收敛性和解集质量上更具优越性。 (3)以SH公司零件加工车间的实际生产数据为背景,应用构建的DFJSP-FPR和DFJSP-VPR模型,运用V-NSGA-Ⅱ和HPSO算法分别求解,得出最佳调度方案并进行分析,证明所提模型和算法在实际车间应用中的有效性。 通过研究考虑工艺路线的双资源约束柔性作业车间节能调度问题,证明了在考虑双重资源约束下对车间进行调度优化更加贴合实际生产,能够更有效地利用柔性资源;得出的调度方案使得完工时间缩短13.69%,机器负荷降低8.26%,能耗降低7.91%,从而提升了车间综合效益。

关键词： 机械设计制造   自动化专业机械   制造工程课程  

摘要： 为了培养适应现代化社会要求的机械专业人才，要求学生必须掌握专业理论知识与技能，教师不断对机械制造及自动化机械工程课程进行改革，并且在教学过程中加入实践活动，合理设置专业方向，调整教学内容的大纲，优化课程体系，进行试验建设，教学实践，课程设计，课程实习等教学环节的改革，培养专业的人才，根据实验证明，这些方法提高了教学的质量和提高了人才培养的质量。

关键词： 大学生   机械设计制造及自动化专业   思想政治教育  

摘要： 近几年，我国大型工程逐步复苏，对机械类人才的需求也呈现日益增大的态势。为此，需要进一步提升机械设计制造及自动化专业的教学质量，而思想政治教育在这个过程中显得极为重要，其在推动学生专业能力以及世界观、人生观、价值观的养成等全面发展方面发挥出了重要作用。基于此，本文主要以机械设计制造及自动化专业大学生的思想政治教育教学为例，对该专业的思想政治教育工作展开探讨。