关键词： 智能制造   知识图谱技术   数据管理   改进的NSGA-Ⅱ算法   动态排产  

摘要： 柔性作业车间调度既是传统离散制造系统的研究热点,也是智能制造系统的瓶颈难点。一方面,尽管目前已有的调度优化算法或数学模型求解的调度方案很多,但均与实际生产存在差异,仍需要对调度方案进行人工调整,无法保证方案的生产效率和稳定性;另一方面,由于企业生产车间缺少统一的数据管理模型,导致生产过程产生的大量数据共享不及时、数据关系不明确和数据知识利用不足等,无法有效管理和利用数据知识指导生产,这些现状已不满足制造企业信息化和智能化发展趋势。 针对上述问题,本文提出采用知识图谱技术,对制造企业历史数据和人工排产调整经验进行管理和应用,结合改进的NSGA-Ⅱ算法,直接获得可行且符合实际生产的调度方案。本文主要研究工作如下: 1.离线车间知识图谱模式层和数据层的构建。首先,分析现有车间数据管理系统的数据管理能力;其次,以W企业为研究对象,根据知识图谱构建流程,以结构化形式整理人工排产调整经验和车间历史数据,构建离线车间知识图谱的模式层:然后,将整理好的结构化三元组数据存储在Neo4j图形数据库中,完成离线车间知识图谱数据层的构建,获得统一的数据与知识管理模型。最后,利用Cypher语句,在离线车间知识图谱数据层中查询相关工件的工艺和可选设备等离线加工信息。 2.基于改进的NSGA-Ⅱ的调皮算法设计。本文针对传统NSGA-Ⅱ算法求解调度问题存在的缺陷进行改进。首先,交叉、变异算子的确定采用随机自适应策略,使随机产生的交叉、变异算子随迭代次数变化,保证算法的局部寻优和全局搜索能力;其次,非支配排序采用累积排序的方法,改善个体密度信息估计,保证了种群多样性;然后,精英保留策略采用分布变比精英保留策略,避免陷入局部最优;最后,基于改进的NSGA-Ⅱ完成调度优化算法的设计,利用测试算例分析证明改进算法的有效性。 3.在线车间知识图谱的构建和动态排产问题的解决。为了使调度方案更符合车间生产实际,利用数据监测系统对生产在线数据进行采集,获得各类生产资源的实际状态,完成在线车间知识图谱的构建。将动态排产问题分为任务未下达前的动态调整和任务下达后的动态扰动。对于动态调整而言,利用离线图谱模式层的人工排产经验和在线图谱,对基于模型算法求解的调度方案进行调整,直接获得可行且符合实际生产的调度方案,摆脱对人工调整的依赖;对于动态扰动而言,利用在线车间知识图谱和知识推理的方法,对动态扰动问题迅速做出反应,提高动态排产质量和效率。 本文研究表明,利用知识图谱技术,不仅可以对生产数据与知识进行统一管理,而且可以利用数据知识代替人工调整,获得符合实际生产的调度方案,验证数据知识对生产指导的可行性和有效性。

关键词： 新工科   机械设计制造及其自动化   课程体系   教学改革  

摘要： 新一轮科技革命与产业变革迫切需要高等教育创新。结合学校办学特色，本文重构适应新工科背景下机械设计制造及其自动化专业的课程体系，融入课程思政要素，校企协同育人，并实施新版课程体系的培养试点，取得了阶段性的成果，为同类兄弟院校提供一定的借鉴。

关键词： 有机垃圾处理   翻抛机   机械设计   电气控制   故障诊断  

摘要： 近年来,我国畜牧业以及餐饮业发展迅速,人民生活质量得到大幅提高,而其产生的有机垃圾未得到及时有效的处理,从而造成了空气、土地以及水源的污染。同时,有机垃圾的堆积,不仅造成了细菌的滋生,还增加了疾病传播的可能性。在国家大力提倡可持续发展以及废物利用的背景下,如何将有机垃圾进行有效处理从而使其直接成为作用于农田的有机肥料是实现资源可持续发展和废物再利用亟待解决的问题。有机垃圾翻抛机作为有机垃圾发酵翻抛处理的关键设备,其直接影响着有机肥的生产质量。然而,目前国内的有机垃圾翻抛机大多数需要进口或者仿制,其设备价格高昂,不利于大量推广。因此,本文针对有机垃圾槽式发酵翻抛机展开综合设计:首先,根据有机垃圾制作有机肥前期的生产工艺对翻抛机的功能进行需求性分析,对现有的有机垃圾翻抛机的产品进行调研并进行方案对比,确定有机垃圾翻抛机的机械结构以及电气控制系统方案。进一步的,为保障有机垃圾翻抛机能够长期稳定的运行,分析主要故障点,进而提出故障诊断方案。其次,根据提出的方案,对机械结构部分进行了较为详细的计算以及选型;通过分析翻抛机的功能需求,对翻抛机的运动机构以及执行机构进行了设计,完成了主要零部件的参数设计以及功率选型。然后,通过分析翻抛机生产工序以及动作逻辑,确定了翻抛机电气控制系统的总体架构,完成了翻抛机控制系统的选型、电气原理图设计、控制电路设计和PLC控制模块的设计,最后对控制程序进行了仿真。最后,由于有机垃圾翻抛机长期工作在腐蚀性较高以及扬尘较多的环境中,虽然其机械结构发生故障的概率比较低,但是,其重要零部件轴承极易发生故障。通过故障分析,对有机垃圾翻抛机进行滚动轴承故障诊断模型设计,并进行了参数优化,最后,通过与多层感知机、卷积神经网络、普通的卷积神经网络集成长短时记忆网络模型的对比试验,检验了本文设计模型的合理性,符合本工程的应用。

关键词： 机械设计制造   自动化技术   节能理念   渗透路径  

摘要： 近年来,我国机械制造行业快速发展,自动化技术在机械设计制造的过程中受到广泛应用,促进了机械设计制造水平的提升。然而,部分企业在机械设计制造与自动化技术应用过程中存在能源消耗过高的问题,不利于自动化技术的良好应用。基于此,本文分析了机械设计制造及自动化技术中节能理念的渗透价值,并提出几点节能理念的渗透建议,旨在为机械设计制造及自动化技术的节能环保发展提供帮助。

摘要： 人工智能技术作为21世纪广受关注的核心突破性技术,广泛应用于各类智能产品、智能工具与智能系统上,不仅使大众的生活更加舒适和便利,而且显著地提高了社会整体的工作效率与任务效能。同时,随着工业社会高速发展,人工智能技术也为机械产品生产、机械设计制造等领域带来了极大的经济效益与技术成就。

关键词： Agent   深度强化学习   合同网协议   多目标优化   柔性作业车间调度  

摘要： 在多样化、个性化的消费趋势下,制造模式往多品种、小批量转变,传统的静态式调度方法已经无法适应动态多变的车间环境。而基于多Agent系统(Multi-Agent System,MAS)的方法为制造系统的建模和调度方法的研究提供了一种全新的思路。在MAS中,人员、物料、任务等都被定义为具有自主决策能力的Agent,Agent可以独立或者与其他Agent合作完成任务。由于Agent固定、单一决策的局限性,无法在动态多变的调度环境中一直取得较好的结果。同时,传感器技术的发展使车间变成了一个数据丰富的环境。因此,基于多Agent建立柔性作业车间动态调度模型,基于深度强化学习利用车间丰富的数据对提高制造系统的自组织能力、异常事件处理能力、自我学习能力有着重要的意义。本文主要的研究内容如下所示: 首先,构建了柔性作业车间动态调度系统的物理框架并阐述了其运行机制,构建了工件信息传输和设备信息传输的通信网络,建立了面向柔性作业车间的多Agent动态调度模型,为车间调度系统提供了底层数据支持。 其次,研究了复杂任务分解策略和熟人划分策略,并提出感知系数、可信度、活跃度、友好度的概念对经典合同网协议进行改进,为多目标动态调度模型提供了信息支撑。研究多类型异常事件的自适应处理策略,提高了调度系统的扰动处理能力。 然后,以最小完工时间、降低机床总负载、平衡设备负载为目标,建立了多目标动态调度模型,提出了一种具有复合奖励函数的CNP-DQN动态调度算法,改善了传统车间调度方法单目标优化和不具备自我学习能力的缺点。 最后,搭建了软硬件实验平台,通过对比实验和扰动实验验证了基于Agent和深度强化学习的柔性作业车间动态调度方法的适用性。

关键词： 柔性作业车间调度   遗传算法   粒子群算法   强化学习   变邻域搜索  

摘要： 随着工业化和信息化的深度融合,传统制造业正面临着深刻变革,车间调度问题作为一个典型的NP-难问题则更加备受关注。基于群智能的元启发式方法在求解车间调度问题上取得了不错的效果,但该类算法的参数大都需要预先设置,无法根据所求解问题的特征进行自适应调整,从而影响求解质量。近年来,将强化学习与传统的元启发式算法相结合来解决复杂组合优化问题成为了一个热门研究方向。群智能搜索算法能够对复杂问题的解空间进行快速搜索,得到高质量的解,而强化学习算法能够感知环境变化,通过训练来学习到如何根据环境为下一步执行选择合适的动作。本文结合强化学习和群智能算法的各自特点,研究了如何基于强化学习实现群智能算法的参数自适应调整,设计用于求解柔性作业车间调度问题的混合算法。完成的主要工作包括以下几方面的内容:(1)分析了柔性作业车间调度方法研究现状和发展历程,针对固定参数的群智能调度算法适应性不强的问题,确立了使用强化学习实现调度算法参数自适应调整的研究思路。(2)设计了基于强化学习与群智能调度算法的串行组合模式和嵌入组合模式,按照嵌入组合模式设计了基于强化学习的参数自适应混合调度算法,给出了参数自适应调整策略、种群初始化、变邻域搜索等模块的具体流程和各个模块之间的组合结构。(3)选择了群智能搜索中仿生物进化的遗传算法和仿群集行为的粒子群算法,对混合调度算法的编码、解码、仿生操作以及基于强化学习的参数自适应调整策略进行详细设计,给出了强化学习环境中状态集、动作集、奖励函数和动作选择策略的设置方法,建立了用于求解柔性作业车间调度问题的两类典型混合算法。(4)在经典数据集上进行仿真试验,选择代表性的评价指标分析测试结果。测试结果表明本文所实现的两类典型混合算法在求解柔性作业车间调度问题上优于其它对比算法,收敛速度更快,求解质量也更高。

关键词： 双资源约束   绿色柔性作业车间   改进NSGA-Ⅲ   PBI距离  

摘要： 在全球市场竞争和细分加剧的当下,制造型企业必须要具备柔性化的生产系统和制定科学、有效的生产调度计划,才能实现对市场需求变化的快速反应和生产高度可定制产品。而在国内节能减排政策逐步推行和用工成本不断上涨的新形势下,企业就内部的有限的生产资源,在尽可能低的能源消耗下,实现最大化产出成了企业生产管理的难题,也对企业调度方案的制定提出了更高的要求,因此包含机器和工人双重约束的柔性作业车间调度问题(Double Resource Constrain Flexible Job-shop Scheduling Problem,DRC-FJSP)得到越来越多的关注。 本文在现有DRC-FJSP研究的基础上,不但考虑了工人在机器间的移动时间,还通过对车间内各部分的能源消耗进行分析,从而提出了以最大完工时间、瓶颈机器负荷和车间内总能源消耗为目标的多目标DRC-FJSP模型。其次针对构建的模型,本文提出了一种基于三段式编码的改进NSGA-Ⅲ。在生成初始种群时,采用混合初始化的方法形成高质量的初始种群,加快算法搜索效率;引入了外部精英库来储存优良个体,避免精英个体在迭代过程丢失的同时加速算法收敛;在产生新一代种群时,通过基于惩罚的边界相交(Penalty-Based boundary Intersection,PBI)距离的选择策略代替原始算法中的小生境保留策略,兼顾了算法的收敛性和多样性;嵌入基于关键路径的邻域搜索算法,通过利用不同的邻域结构对不同目标进行搜索,从而加强遗传算法的局部搜索能力。 最后,本研究基于Matlab平台,以Brandimarte标准算例为基础,通过添加加工能耗,工人移动时间和机器启动能耗等信息,形成了本文的算例MK01-MK10。其次,在使用正交实验法来确定算法的相应参数后,以IGD和HV为评价指标,分析了本文提出的初始化种群策略、PBI选择策略和邻域搜索结构等改进措施的有效性,并将本文的改进算法与NSGA-Ⅱ、NSGA-Ⅲ、SPEA-Ⅱ和Gr EA进行对比,实验结构表明对于不同大小的DRC-FJSP的测试集,特别是在大规模的复杂问题上,本文提出的改进NSGA-Ⅲ都能够获得相对较好的调度方案,最后以某制造型企业实际生产数据进行仿真分析,验证了本文提出的改进NSGA-Ⅲ在解决实际生产过程中的DRC-FJSP的有效性和可行性。

关键词： CAD机械设计   课改   问题   措施  

摘要： 本文统计了近10年东北三省高考高职专科录取最低分数情况，分析了当前高职教育教学所面临的学情。如何针对现阶段的高职教育生源结构特点，组织实施好课程教学，确保教育教学质量，是摆在高等职业教育工作者面前的一个挑战。通过对兄弟院校教师咨询调查，《CAD机械设计》课程教师普遍认为当前高职《CAD机械设计》课程教学实施较难，学生学习兴趣不高，教学整体效果欠佳等。通过问卷调查显示，学生也将《CAD机械设计》课程列为不受欢迎的课程之一。对此，笔者与兄弟院校同行组成课程建设小组，借鉴齐齐哈尔工程学院曹永安教授、吉林铁道职业技术学院王佳副教授、上海应用技术大学李国娟教授等职业教育专家学者的理念，就《CAD机械设计》课程进行了有针对性的一系列教育教学改革设计，经过实践，从学生及格率、平均分以及学生满意度等方面初步验证了教育教学改革的有效性。

关键词： 激光切割头   机械设计   焦点漂移   动态补偿  

摘要： 当前，激光切割数控机床的激光器装机功率已经进入超高功率时代，伴随着激光束能量密度的提高，激光切割头内部光路系统出现急剧恶化的焦点漂移问题，导致其不同材料、不同厚度、不同速度切割时频繁出现焦点位置“调不准”、“稳不住”现象，难以满足重型工业、国防军工、造船、航空航天等行业对大厚度板材高切割质量的需求。本文以解决超高功率激光切割头焦点漂移的动态补偿问题为出发点,开展自适应调焦超高功率激光切割头设计，主要内容如下：　　1、根据激光切割数控系统的研究现状，基于边缘计算提出了“光机电算”一体化新型系统架构。首先分析设计了激光切割头整体的机械结构和内部光学结构，对比分析不同调焦方式的光学系统结构，确定了移动准直镜调整焦点位置调焦方式。最终分析设计了激光切割头控制系统功能，实现了控制系统对健康参数的监测以及具备了以太网和无线的通信能力。　　2、基于光机热集成分析方法原理，利用COMSOL对激光切割头内部光学系统结构进行热仿真建模，对激光切割头内部光路透镜受到超高功率强激光辐照产生面型的热致畸变、折射率的梯度分布变化和光学与机械支撑构件之间导热换热导致的装配结构热变形进行了综合分析，获得了激光切割头在切割过程中由于内光路结构温度变化所致的焦点位置漂移规律。　　3、根据激光切割头内光路系统的温度传感器通信及数据处理特性，设计了多源温度传感器监测系统。基于D-S证据理论数据模型，研究了多源传感器采集的温度决策方法。经过数据分析，获得对焦点位置影响较大的准直镜温度采集参数与焦点漂移量之间的闭环调焦控制策略。　　4、通过准直镜模块驱动控制设计，实现了对焦点的自动化控制。选用德国Trinamic公司的TMC5160电机控制芯片，根据激光切割头内部透镜的控制应用需求，对其硬件驱动电路和驱动程序进行设计。建立了准直镜位移与焦点位移、准直镜温度与焦点漂移量之间的函数关系，开发了自适应调焦闭环控制程序。最终利用与企业联合开发的激光切割头样机，进行实际装机的切割工艺测试，验证了预期的自适应调焦技术效果。