数控设备生产调度与刀具管理的远程监控系统

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 2.18MB 62 页 15积分

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摘要

数控设备远程监控是针对车间生产计划、生产准备、生产加工等基本作业的

集成与分布控制相结合的自动化控制方式，主要以数控技术、通讯技术、控制技

术、计算机技术和网络技术等先进技术作为基础。在现有研究成果上，本文利用

VB和SQL数据库作为工具，研究并开发了数控设备远程监控系统，主要包括任务

编排，生产调度，刀具管理等功能。

生产调度是自动化制造系统能否取得预期经济效益的关键技术之一。目标是

缩短制造周期，提高生产资源利用率，保证生产任务的及时完成。此外刀具管理

是利用有限的刀具完成最佳的生产分配，辅助完成生产任务调度，即刀具的动态

分配。本文所研究的生产调度和刀具管理功能相互配合，紧密联系。主要利用遗

传算法作为研究生产调度的核心理论，并为本文所开发的调度系统设计了基础模

型，编写了调度的核心算法。

本文所编写的算法使任务调度与刀具管理相互结合，使调度的结果更接近实

际情况。本算法可以实现生产任务在设备上的加工分配，即解决了每种工件由哪

些设备加工的问题，另外根据刀具的使用情况，刀具的数量，加工任务以及加工

任务的交货期，在多台机床争用同一把刀具时，解决刀具分配的问题。

为了使调度算法可以为日常生产所用，本文把生产调度和刀具管理两功能整

合成管理系统，为其编写了人机交互界面，方便操作人员的使用。管理系统除了

以上功能以外，还与数控设备进行联网，采集加工过程中的设备信号，实现生产

加工进度监控。

最后在上海电气中央研究院提供的三台数控加工中心，一台Dell工作站，和

数控网络的实验条件下，进行了生产调度，设备加工信号采集，远程监控等功能

的测试，验证了本文所开发的远程监控系统的可靠性。

关键词：生产调度遗传算法刀具管理数控设备远程监控

ABSTRACT

CNC equipment remote monitoring is one method for automatic control, which is

integrated and distributed with production planning, technical preparation, processing

operation, etc. It is based on NC technologies, Communication technologies, Control

technologies and network technologies. This paper used VB6.0 and SQL server 2000 to

develop CNC remote monitoring system. The system mainly contains task arrangement,

production scheduling，cutting tools management functions.

Production scheduling, which could be able to influence the desired economic

benefits, is one of the key technologies for the automatic control system. The purpose is

to shorten the manufacturing cycle and improve the utilization of resources to ensure the

production task would be finished in time. In addition, tools management is used limited

tools to complete the best distributed issue, which supports the production scheduling.

Both two issues are deeply connected in this paper, and used GA as the core theory for

the production scheduling and programmed it.

The scheduling is combined with tool management during the algorithm, so that

the result is much closer to the actual situation. The system could complete the

production scheduling and cutting tools distribution according to the manufacturing task

and task rank. This paper also programmed interface for the operator to make sure the

system could be used in daily work. Besides two mainly functions, the system also

could acquire the equipment working signal, which could be handled by system to

monitor the working situation.

Finally, with the help from central academe which provide three CNC equipments,

a Dell workstation and NC networks as basic experiment environment. The experiment

tested function of each part (production scheduling, signal quire, remote monitor). The

test result verified the reliability of the system developed in this paper.

Key Words: genetic algorithm, production scheduling, cutting tools

management, remote monitoring

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.............................................................................................................1

§1.1 数控设备远程监控的研究意义...............................................................1

§1.2 国内外研究现状.......................................................................................2

§1.3 本文工作重点...........................................................................................4

§1.4 本文结构...................................................................................................4

§1.5 本章小结...................................................................................................5

第二章作业车间调度问题.....................................................................................7

§2.1 作业车间调度简述..................................................................................7

§2.2 古典作业车间调度问题..........................................................................8

§2.1.1 整数规划法..................................................................................10

§2.2.2 非连接图模法..............................................................................11

§2.3 车间调度问题求解方法........................................................................12

§2.3.1 最优化求解方法..........................................................................13

§2.3.2 近似求解方法..............................................................................13

§2.4 车间调度问题的研究现状....................................................................14

§2.5 本章小结...............................................................................................16

第三章遗传算法与刀具管理在调度中的应用...................................................19

§3.1 遗传算法.................................................................................................19

§3.1.1 遗传算法简述..............................................................................19

§3.1.2 遗传算法原理..............................................................................19

§3.1.3 遗传算法术语..............................................................................21

§3.2 算法模型设计........................................................................................21

§3.2.1 编码过程......................................................................................23

§3.2.2 染色体交叉..................................................................................24

§3.2.3 染色体变异..................................................................................25

§3.2.4 适应度函数..................................................................................25

§3.2.5 刀具分配条件..............................................................................26

§3.3 刀具动态管理........................................................................................28

§3.3.1 刀具编码规则..............................................................................29

§3.3.2 刀具库存管理..............................................................................30

§3.3.3 加工状态跟踪..............................................................................30

§3.4 本章小结................................................................................................31

第四章数控加工远程监控系统...........................................................................33

§4.1 远程监控简介........................................................................................33

§4.2 国外研究成果........................................................................................34

§4.3 系统框架................................................................................................35

§4.4 系统功能介绍........................................................................................36

§4.4.1 生产任务调度...............................................................................37

§4.4.2 生产状态监控...............................................................................39

§4.4.3 加工刀具管理...............................................................................40

§4.5 本章小结................................................................................................42

第五章系统验证实验...........................................................................................43

§5.1 实验介绍................................................................................................43

§5.1.1 系统间协作关系..........................................................................43

§5.1.2 电气信号说明..............................................................................44

§5.2 实验模型................................................................................................45

§5.2.1 实验设备......................................................................................45

§5.2.2 刀具使用规则..............................................................................47

§5.2.3 加工任务模型..............................................................................48

§5.3 实验结果................................................................................................49

§5.4 本章小结................................................................................................52

第六章结论与展望...............................................................................................53

§6.1 总结........................................................................................................53

§6.2 展望........................................................................................................54

参考文献.................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.....................................59

致谢.....................................................................................................................61

第一章绪论

§1.1 数控设备远程监控的研究意义

随着网络技术、计算机通讯技术的快速发展和应用，当今的制造企业逐渐向

网络化，信息化，全球化的方向靠拢[1]。在车间管理中，越来越多的企业开始使用

网络自动化管理，对分布在不同地区，不同国家的离散资源、设备进行联网，远

程监控其生产状况，实现生产资源的充分利用，以及数控设备的管理和维护。以

前的直接数控DNC（Direct Numerical Control）控制，其含义是用一台计算机同时

控制几台数控机床。后来随着科学的进步，数控系统由NC发展为CNC，每一台数

控机床由一台计算机控制，所以直接数控DNC的用处就被削弱了。现在CNC系统的

功能不断在完善，一般都可以和电脑进行连接，很多系统可以边加工边接收数控

程序，所以目前分布数控DNC

（Distributed Numerical Control）被赋予了新的含义。

它是针对车间生产计划、技术准备、加工操作等基本作业的集成与分布控制相结

合的自动化控制系统，主要以数控技术、通讯技术、控制技术、计算机技术和网

络技术等先进技术为基础。使车间的生产设备与企业内部网络连接，管理部门通

过网络把生产任务分配给各生产子系统，在生产中各子系统再把车间生产信息反

馈给上层管理部门，完成信息交换。现如今远程监控系统已发展成为一种先进的

车间生产自动化模式。

远程监控系统主要功能包括任务分配，任务调度，刀具管理等。其中生产作

业计划与调度技术是自动化制造系统能否取得预期经济效益的关键技术之一。它

的目标是通过对制造过程中物流的合理规划、调度与控制，达到提高生产效率、

缩短制造周期、减少在制品、降低库存，提高生产资源利用率的目的，保证生产

任务的及时完成。在生产中，当生产任务改变，加工设备减少，操作员工没能到

位，都会影响生产节拍，生产调度就是当以上因素改变时，而对生产进行调整和

安排，是一类复杂的组合优化问题[2, 3]。生产系统的调度需要解决以下问题：工件

选择加工设备的决策问题，即解决每种工件由哪些设备加工的问题；加工设备选

择工件的决策问题，即解决每台加工设备加工工件的次序问题；加工设备选择刀

具的问题，根据刀具的使用情况和刀具的当前位置等，决定选择哪些刀具的问题；

刀具选择加工设备的决策，根据机床上的加工任务以及加工任务的交货期，在多

台机床争用同一把刀具时，刀具如何分配的问题。在当前企业的日常生产中，小

批量加工任务逐渐成为生产的难点，小批量任务的特点是零散，繁琐，很难用批

数控设备生产调度与刀具管理的远程监控系统

量化生产的要求进行管理。而且在快速变化的市场形势下，如何提高生产效率，

减少产能浪费是企业生产中的核心问题，所以目前小批量，多任务，满足柔性化

（FMS）生产要求的调度问题是目前研究的热点和难点[4]。

生产调度能否顺利进行是受到周边因素影响的。加工任务，操作人员以及加

工刀具是保证生产效率和产能的重要组成，对生产调度的节拍都有一定的程度的

影响。经山特维克公司的统计结果显示，

16%的生产计划停止是由于缺乏刀具造成

的，30%-60%的刀具库存不在控制之中，20%的生产工人把工作时间浪费在查找刀

具上[5]，同时刀具是昂贵的消耗性工具，刀具的配置数量受到成本和生产线规模的

影响，所以刀具的有效管理对生产效率和产能有很大的影响。

刀具动态管理核心思想是利用有限的刀具完成最佳的生产分配，辅助完成生

产任务调度，即刀具的动态分配。目前使用较多的刀具管理系统主要面向 DNC 控

制系统，主要功能包括刀具参数管理，出入库管理和刀具查询等静态管理功能[6]，

然而刀具的动态管理的使用相对较少。刀具动态管理可以实现任务调度和加工刀

具的紧密结合，一方面可以合理的调用生产资料，分配可加工设备，使调度结果

更合理，另一方面，通过调度分配，以及刀具在加工设备上的信息反馈，实现刀

具的跟踪监控。利用自动化管理的手段实现生产调度编排和刀具动态管理，弥补

人工管理中的缺陷。

§1.2 国内外研究现状

对于调度问题的研究，从 20 世纪 50 年代以来，很多学者在这个领域取得了不

同程度的进展，目前已经研究出了若干主要理论。主要包括混合整数线性规划，

分支定界法等为代表的传统方法，和优化分派规则，神经网络及其领域搜索法等

为代表的现代方法[7]。目前使用较广的是领域搜索法，其中主要包括模拟退火，禁

忌搜索，遗传算法，免疫算法，蚁群算法等。

调度问题的理论研究最早产生于 20 世纪 50 年代，当时，Johnson 提出了解决

n/2/f/Cmax 和部分特殊 n/3/f/Cmax 的优化算法[8]，60,70 年代建立了调度理论的主

体(经典调度理论)并重视调度复杂性的研究[9]，1975 年J.H.Holland 出版了著名专

著《自然系统和人工系统的自适应》[10],这是第一本系统论述遗传算法的专著，建

立了调度理论的主体(经典调度理论)。随着 70 年代后期调度理论研究的深入及各

种交叉学科的发展，又涌现出了许多新的车间调度理论与方法。Davis 是最早把

GA(Genetic Algorithm，遗传算法)应用于车间调度问题的学者之一。1985 年，Davis

第一章绪论

发表了关于把 GA 成功应用于车间调度问题的论文[11]，充分展示了 GA 在解决车

间调度问题中的前景。国内对车间调度的研究起步较晚，而且大部分企业还在使

用人工的调度方法。目前清华大学的 CIMS 国家重点实验室是国内调度问题研究

的带头人，在理论研究上做出重大贡献。

尽管调度研究难度较大，但是对它的研究却不断深入。在实际应用中，也取得

若干进展，如浙江工业大学之江学院为家纺企业的生产计划设计了调度系统，可

实现加工任务的分配功能[12]。安徽农业大学和江苏大学一起对生产优化调度进行

了研究，并开发了软件系统，主要功能是实现日常生产中的任务管理，和生产计

划安排等[13]。如今企业使用的调度工具一般以 ERP 系统为主，其中以 SAP，

Oracle

等著名的 ERP 公司为代表，国内有用友 ERP，博科 ERP，金蝶 ERP 等。然而在使

用中如何发挥 ERP 的良好功能，需要企业本身有较完善的工作流程，对企业的自

身素质要求较高，而且 ERP 系统难以实现生产线每日任务的调度，所以在使用上

存在一定的缺陷。本文以遗传算法为研究车间调度的核心理论，为车间生产调度

问题设计并编写了调度软件，实现加工任务动态调度功能。

刀具管理的概念从八十年代提出到现在，特别是进入九十年代以后，刀具管理

技术得到了长足的发展。刀具管理模式主要通过建立刀具信息管理系统和刀具输

送系统来满足生产中对刀具的需要。其中刀具信息管理系统主要由刀具计划、刀

具管理、库存管理、立体库接口等四部分组成，并通过网络与外部系统连接；而

刀具的输送供给系统则由刀具工作站进行控制[14]。国内长期对刀具管理缺乏足够

认识，刀具系统技术的发展起步时间比较晚，在刀具管理系统的层次上还比较低，

致使其发展落后于机床，使机床生产率的提高受到了很大的影响[15]。目前国内的

刀具管理系统大多是建立在DNC控制系统的基础上开发[16]，主要功能包括出入库

管理，切削参数管理，刀具查询等静态管理功能。

如今国内外已经有很多刀具管理的软件，主要有：1.英国CTMS公司的计算机用

刀具管理系统（CTMS）；2.美国Cincinnati Milacron公司的刀具管理系统；3.德国

的DELKEL开发的Tool Manager计算机辅助刀具管理系统，以上系统主要有库存管

理，购置信息，用途分析，检测维护，寿命规划等功能[17]。另外目前西门子公司

在国内出售的高端数控系统如810D/840D配备了Shopmill/Shopturn刀具管理功能，

具有标准的西门子刀具库存管理等功能，除此还有监控功能，换刀功能等[18]。本

文所研究刀具管理是配合生产调度的刀具动态分配，另外还提供刀具寿命检测等

附加功能。通过对这方面功能的研究，首先完善生产调度功能，其次提高刀具管

理的自动化水平。

本文中所涉及的研究主要利用是遗传算法与刀具动态管理相互结合，实现作业

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摘要数控设备远程监控是针对车间生产计划、生产准备、生产加工等基本作业的集成与分布控制相结合的自动化控制方式，主要以数控技术、通讯技术、控制技术、计算机技术和网络技术等先进技术作为基础。在现有研究成果上，本文利用VB和SQL数据库作为工具，研究并开发了数控设备远程监控系统，主要包括任务编排，生产调度，刀具管理等功能。生产调度是自动化制造系统能否取得预期经济效益的关键技术之一。目标是缩短制造周期，提高生产资源利用率，保证生产任务的及时完成。此外刀具管理是利用有限的刀具完成最佳的生产分配，辅助完成生产任务调度，即刀具的动态分配。本文所研究的生产调度和刀具管理功能相互配合，紧密联系。主要利用遗传算法作...

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