动态数据驱动的冲压成形车间高效运行建模与优化方法

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冲压成形生产以其材料利用率高、加工成本低、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等一系列优点,在制造过程中得到了广泛应用。作为冲压成形制造活动的执行基础,冲压成形车间的生产线长、工序复杂、装备选型与使用往往不合理,造成了生产制造过程的能量浪费,能耗相对较大。同时,由于其独特的生产特点,排产难度较大,生产方案往往不尽合理,运行效率存在较大提升空间。在当前资源、能源短缺的大背景下,发展冲压成形车间的节能、增效控制,对于实现冲压行业的可持续发展具有重要意义。冲压成形生产属于离散制造范畴,其状态与物料、机器、人、环境、订单等多个因素密切相关。冲压成形车间在运行过程中往往会发生诸如生产波动、故障、订单插入等动态事件,若不能及时加以感知和处理,则难以保证车间的高效运行,能耗、运行效率等关键指标将受到极大影响。本文基于数据驱动方法,考虑车间运行的随机性和动态性特征,建立了动态数据驱动的冲压成形车间高效运行建模与优化方法。通过建立冲压成形车间高效运行关键指标(能耗与运行效率)的理论模型和动态数据驱动的离散事件模型,研究了考虑波动的车间能耗与运行效率预测方法、以提高运行效率和降低能耗为目标的车间高效运行优化方法,研究了支撑运行建模与优化的车间数据服务流及开发软件系统,并在某车身覆盖件冲压成形车间进行了应用验证。本文的研究成果为冲压成形车间的高效运行提供了系统级的分析和节能、增效的方案,具有重要的实践意义。论文的主要研究工作如下:(1)提出了动态数据驱动的冲压成形车间高效运行建模方法。通过剖析冲压成形车间的组成,明确了车间运行过程中存在的动态因素及其对车间运行的影响。基于冲压成形过程的制造特征,确定了车间高效运行的关键指标并建立其理论分析模型,分别为车间能耗模型和最大完工时间模型。在此基础之上,针对当前冲压成形车间高效运行关键指标的预测、分析存在的不足,建立了基于离散事件仿真的车间高效运行关键指标预测模型。进一步地,综合考虑车间的变化,形成了动态数据驱动的冲压成形车间高效运行建模方法,建立了动态数据驱动建模的整体策略,以确保车间高效运行关键指标的预测和分析及车间高效运行优化的及时性和精准度。(2)提出了考虑波动的冲压成形车间能耗与运行效率预测方法。为及时、有效地实现车间运行过程离散事件模型对波动数据的整合,建立了一种基于“离线加在线”模式的决策规则。基于历史数据和多因子敏感性分析方法构建了车间高效运行关键指标影响关系网络,并确定了判定阈值,为识别波动数据的“有效变化”、降低计算成本提供理论依据。同时,结合贝叶斯推断-马可夫链蒙特卡洛方法建立了伽马分布数据的最新概率分布数学模型。进一步地,建立了考虑波动的车间能耗与运行效率预测模型的变化机制。以某简化车间为算例对所提出方法和所建立机制进行了可行性验证。(3)提出了冲压成形车间高效运行优化方法。综合考虑车间生产特点,形成了基于事件驱动重调度和完全重调度的生产调度策略,并建立了冲压成形车间高效运行生产调度模型。针对在Pareto解集中进一步优选方案难以执行的问题,提出一种基于冲压件制造过程内含能分级的方案优选策略,为快速选择最优执行方案提供理论依据,使车间的运行趋向于高运行效率和低能耗。(4)建立了车间数据服务流并开发了软件系统。确定了车间内各级各类数据的所属类型,搭建了数据采集网络以实时获取车间数据并感知其变化。提出了一种基于多参数的数据划分规则,基于所感知的实时数据,准确划分冲压成形加工过程的各个阶段,高效获取各个阶段的稳态数据。确定了服务流的引擎,建立了面向工艺-装备-车间的多级数据服务流,为车间高效运行关键指标的预测、分析,波动数据的整合,以及车间的高效运行生产调度提供动态、实时的数据支持。开发了软件系统,为冲压成形车间的生产监控及高效运行管控提供了平台支撑。(5)实现了方法与技术的企业应用。将动态数据驱动的车间高效运行建模与优化方法应用于某叉车制造企业的车身覆盖件冲压成形生产车间,实现了对冲压成形车间的生产监控、对车间能耗和运行效率的预测分析及车间生产调度优化,为车间的高效运行管控奠定了坚实的基础,显示出较好的应用前景。
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