面向模具智能制造的job-shop类型机器人单元动态调度问题研究

采用机器人单元实现智能化制造是模具行业发展的必然趋势。针对随机生产环境下job- shop类型模具机器人单元的生产运作特点，指出其加工任务具有开放性与动态到达性，使得动态调度问题成为模具机器人单元生产运作的难点所在。围绕难点的解决，从调度机制、模型和算法等方面展开研究。首先，考虑模具制造过程的全局信息不完全性，建立了基于滚动周期与事件驱动的模具机器人单元的混合调度机制；其次，给出了考虑不确定性、交货紧急性等因素的调度任务集动态构建方法，建立了优化makespan和平均拖期量的多目标优化调度模型，该模型考虑了机器的阻塞和非同等性约束、有限缓存以及工序相关性等约束，针对模型的求解，构造了基于析取图模型的邻域结构定义机制的改进型禁忌搜索算法；最后，建立了模具机器人单元的加工任务投放与生产监控机制。本项目的研究可为模具企业机器人单元的高效率运行奠定理论基础和积累实践经验。

本项目主要研究了面向摸具制造的job-shop类型机器人单元调度模型与算法，开发了机器人单元控制系统，并在企业生产现场进行了试验和应用。在单元调度模型与算法方面，构建了单机器人单元与多机器人单元两类不同调度模型。针对job-shop类型单机器人单元调度问题，建立了数学优化模型，建立了优化问题的析取图模型，并且基于析取图模型分析了关键路径和块状结构，得出了只有块状结构上（机床块或者机器人块）的工序移动才有可能改善完工时间。基于并行计算思想和禁忌搜索算法，建立了改进的禁忌搜索算法，研究结果表明，该算法求解单机器人单元调度问题具有一定的优势。在单机器人单元调度的研究基础上，本项目进一步考虑了多机器人单元调度问题。针对job-shop类型多机器人单元调度问题，改进了单机器人单元的数学优化模型及其析取图模型，设计了改进禁忌搜索算法，改进遗传算法，改进粒子群算法，混合遗传算法等求解算法，并通过实例验证了算法的有效性。在上述研究基础上，进一步开发了机器人单元控制系统，并通过第三方软件评测。此外，本项目依托合作企业进行生产验证，搭建了机器人单元试验平台，包括1台机器人与4台加工机床，采用本项目研发的机器人单元控制系统，用于进行轮胎模具型腔加工的石墨电极的生产，目前运行情况良好。本项目取得的研究成果包括：申请发明专利2项，授权1项；3次参加国际会议并做分组报告，发表国际会议论文3篇，EI收录3篇；发表期刊论文4篇，EI收录1篇；获得软件著作权1项；获得广东省科技进步奖一等奖1项；培养硕士研究生5人。本课题由于时间和经验有限，各方面的研究仍有待进一步发展和完善，包括：大规模任务调度的稳定性；多目标调度问题建模与求解；算法的收敛性分析与证明等。未来，在这些方面将继续开展深化研究。