劉政君 宋冬雪 牛冠凱

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

刀具調(diào)度是柔性制造系統(tǒng)中配合工件加工的重要環(huán)節(jié)[1]，高效的刀具調(diào)度方法對于提高工件加工效率，減少工件加工成本有著重要意義。柔性制造系統(tǒng)中工件的加工需要各種資源齊備方可開始。在傳統(tǒng)加工模式下，刀具資源的人工裝卸、對刀等操作占據(jù)了工件準(zhǔn)備開工時(shí)間中的相當(dāng)比例，而柔性制造系統(tǒng)擁有中央刀庫儲備的刀具資源，可通過中央刀庫至設(shè)備刀庫的自動運(yùn)刀減少工人裝卸刀具的時(shí)間，從而提高工件連續(xù)加工的效率。柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度方案能夠合理規(guī)劃刀具需求計(jì)算的周期，并能根據(jù)工件加工的刀具需求，高效安排刀具自動配送。刀具是機(jī)床的核心零部件，充分利用已有的刀具資源，可減少工件加工的成本。

眾多學(xué)者對柔性制造系統(tǒng)中刀具調(diào)度問題進(jìn)行深入研究，優(yōu)化目標(biāo)一般圍繞3 個(gè)方向，即提高加工效率、減少成本和故障處理。提高加工效率指通過刀具調(diào)度，減少刀具準(zhǔn)備時(shí)間，提高工件加工效率；減少成本是指通過刀具調(diào)度盡可能使已有刀具資源充分利用，減少加工所需的刀具資源成本；故障處理指在考慮設(shè)備故障的前提下，保證刀具調(diào)度仍具有較好的魯棒性。在提高加工效率方面，朱睿[2]建立了“刀具流-車間作業(yè)”綜合調(diào)度數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的析取圖模型，以期在保證完成時(shí)間最短的前提下，盡可能縮短刀具等待時(shí)間，提高加工效率，邊培瑩[3]、趙丹[4]、朱海容[5]等針對刀具調(diào)度的效率問題進(jìn)行了研究；在減少成本方面，王解法[6]等提出將刀具模塊化，分為刀柄模塊、中間模塊、刃具模塊三部分，期望通過模塊化的管理調(diào)度提高各個(gè)模塊資源的使用效率，減少加工刀具所需資源成本，孫棟[7]等針對刀具調(diào)度的成本問題進(jìn)行了研究；在故障處理方面，舒海生[8]建立工件流和刀具流相結(jié)合的OOPPetri 網(wǎng)模型，以期解決設(shè)備故障下的刀具調(diào)度問題。

一、刀具調(diào)度問題描述

假設(shè)在柔性制造系統(tǒng)線內(nèi)有N個(gè)設(shè)備，在一段時(shí)間T內(nèi)需要加工MP個(gè)工件任務(wù)，按照加工計(jì)劃各個(gè)工件任務(wù)有各自規(guī)定的開工時(shí)間Tmp（mp 取值為1，2，3...MP），共需要M種類型的刀具，每種類型刀具的需求數(shù)量是Mi，刀具調(diào)度的基本目標(biāo)就是在各個(gè)工件任務(wù)開工時(shí)間Tmp之前，將其所需刀具送至對應(yīng)的設(shè)備刀庫。

由于刀具是損耗型資源，刀具調(diào)度不僅要考慮設(shè)備因工件加工需求而產(chǎn)生的運(yùn)刀需求，還需要計(jì)算加工過程中因刀具損耗而產(chǎn)生的卸刀需求。另外，上述描述還需加上N個(gè)設(shè)備在T時(shí)間內(nèi)因加工而產(chǎn)生的廢刀，需要對其進(jìn)行移除，以保證設(shè)備刀庫能夠連續(xù)周轉(zhuǎn)。與運(yùn)刀需求不同，刀具移除的時(shí)間不受工件開工時(shí)間的約束，而受制于各個(gè)設(shè)備刀庫的容量，好的刀具調(diào)度方案需要及時(shí)將廢刀移除，以便所需刀具能夠及時(shí)插入設(shè)備。

總結(jié)起來，刀具調(diào)度的任務(wù)包括以下兩點(diǎn)：一是計(jì)算工件加工所需的刀具，并按時(shí)將所需刀具正確地送至對應(yīng)設(shè)備；二是計(jì)算工件加工產(chǎn)生的廢刀，并將加工產(chǎn)生的廢刀從設(shè)備中移除，不能影響所需刀具插入設(shè)備。

二、解決方案

（一）刀具調(diào)度框架構(gòu)建

本文擬建立的刀具調(diào)度框架主要分為刀具需求計(jì)算、運(yùn)刀調(diào)度計(jì)算和機(jī)械手指令處理3個(gè)部分，如圖1 所示。

圖1 刀具調(diào)度框架

刀具需求的計(jì)算包括運(yùn)刀和卸刀兩部分。運(yùn)刀刀具需求計(jì)算部分通過獲取刀具計(jì)算周期內(nèi)生產(chǎn)線工件加工的任務(wù)信息，得到任務(wù)加工所需刀具的類型、時(shí)間等信息，再依據(jù)設(shè)備中可用刀具的剩余壽命，以及中央刀庫中可用刀具的可用壽命，計(jì)算出具體是由哪些刀具承擔(dān)對應(yīng)加工任務(wù)，以及計(jì)算出這些刀具在設(shè)備/中央刀庫中的位置。總結(jié)來說，運(yùn)刀刀具需求計(jì)算需要依據(jù)“加工任務(wù)所需刀具類型與時(shí)長”和“設(shè)備/中央刀庫已有刀具”兩個(gè)信息，計(jì)算得出設(shè)備還需運(yùn)送哪些刀具，算法的輸出為包含目的地（需求刀具的設(shè)備）、起始地（所需刀具的位置）的運(yùn)刀列表。卸刀需求則需計(jì)算出各個(gè)設(shè)備中刀具壽命不足以支持加工的刀具，生成包含起始地（廢刀所在設(shè)備）和目的地（中央刀庫）的卸刀列表。

運(yùn)刀調(diào)度計(jì)算主要是負(fù)責(zé)刀具需求列表，通過對刀具需求情況進(jìn)行分析，并結(jié)合中央刀庫現(xiàn)有刀具情況的分布、機(jī)械手庫位的分配等情況，充分衡量運(yùn)刀需求緊急程度、運(yùn)刀代價(jià)、刀具整套完整性等優(yōu)化目標(biāo)，計(jì)算生成機(jī)械手依次取放刀具的指令隊(duì)列。

機(jī)械手指令處理：計(jì)算獲得運(yùn)/卸刀的機(jī)械手指令列表之后，通過與OPCUA 通信協(xié)議與機(jī)械手PLC 通信連接，控制機(jī)械手PLC 逐次執(zhí)行機(jī)械手指令，達(dá)到刀具調(diào)度的目的。

（二）刀具需求計(jì)算

柔性制造系統(tǒng)的刀具需求按照一定周期進(jìn)行計(jì)算，一個(gè)周期內(nèi)工件加工任務(wù)需要使用若干類型、若干時(shí)長的刀具。刀具需求的計(jì)算就是計(jì)算出具體由哪些刀具承擔(dān)對應(yīng)的工序任務(wù)，需計(jì)算出這些刀具的位置和需求時(shí)間，以生成一個(gè)包含目的地（需求刀具的設(shè)備）、起始地（所需刀具的位置）的運(yùn)刀列表。且刀具使用壽命到達(dá)預(yù)警或者已使用完畢之后，需要從設(shè)備卸出，在計(jì)算運(yùn)刀需求的同時(shí)，還應(yīng)同時(shí)計(jì)算卸刀的需求，以保證設(shè)備有充足的刀位持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

本文擬采用基于優(yōu)先級規(guī)則的啟發(fā)式算法，按照需求時(shí)間的順序?yàn)榈毒咝枨笈判?，需求時(shí)間越早則優(yōu)先級越高。按照優(yōu)先級的順序?qū)Φ毒咝枨筮M(jìn)行逐次處理，根據(jù)刀具需求的類型，先計(jì)算機(jī)床刀庫是否滿足需求，如不滿足，則計(jì)算中央刀庫是否滿足，如仍不滿足，則生成人工裝刀需求指令。如果找到一把能滿足該需求的刀具，則將該刀具的可用壽命減去當(dāng)前需求時(shí)間，并將該刀具計(jì)入運(yùn)刀需求列表中，然后進(jìn)行下一個(gè)刀具需求的處理，依次循環(huán)，直至所有的刀具需求被處理完畢。

1.運(yùn)刀需求計(jì)算算法

運(yùn)刀需求計(jì)算算法通過對比設(shè)備加工任務(wù)刀具需求（原始刀具需求）和設(shè)備中已有的刀具，得出設(shè)備需補(bǔ)充的刀具。

步驟（1）：獲取計(jì)算周期內(nèi)任務(wù)數(shù)據(jù)；

步驟（2）：提出任務(wù)數(shù)據(jù)中關(guān)于刀具需求的數(shù)據(jù)，稱之為原始刀具需求；

步驟（3）：將原始刀具需求與設(shè)備已有的刀具進(jìn)行比對，得到設(shè)備需要補(bǔ)充的刀具，稱之為設(shè)備運(yùn)刀需求；

步驟（4）：對設(shè)備運(yùn)刀需求進(jìn)行逐條處理（共N條），為其安排可用刀具，并將中央刀庫中的刀具壽命視為可安排的資源；

步驟（5）：計(jì)數(shù)器i初始為0；

步驟（6）：找到第i+1 個(gè)的刀具需求；

步驟（7）：通過需求時(shí)長篩選，找到庫中同類型的所有可用刀具，獲取刀具可用排產(chǎn)時(shí)間，即：刀具可用時(shí)間-已被排產(chǎn)時(shí)間；

步驟（8）：刀具中是否有已被排產(chǎn)的刀具，如有則優(yōu)先選擇已排產(chǎn)刀具；如無，則從庫中可用刀具中隨機(jī)選擇；

步驟（9）：選定刀具之后，將刀具的可排產(chǎn)時(shí)間減去第i+1 個(gè)的刀具需求時(shí)間，作為新的刀具可排產(chǎn)時(shí)間；

步驟（10）：判斷i是否小于N；

步驟（11）：如i小于N，則說明刀具需求列表未處理完畢，將i增加1，繼續(xù)執(zhí)行步驟（6）至步驟（10）；

步驟（12）：如i大于N，則說明刀具需求列表處理完畢，記錄所有已被排產(chǎn)的刀具。

2.卸刀需求計(jì)算算法

卸刀需求計(jì)算算法遍歷設(shè)備中所有刀具，若刀具當(dāng)前壽命小于該類型刀具在工序中所需的最短時(shí)間，則認(rèn)為刀具已不滿足加工使用的要求，須將其加入卸刀列表。

步驟（1）：獲取設(shè)備當(dāng)前刀具使用情況；

步驟（2）：獲取刀具總數(shù)N；

步驟（3）：初始化i=0；

步驟（4）：逐次判斷第i+1 把刀具是否小于該類型刀具在工序中所需的最短時(shí)間；

圖2 設(shè)備運(yùn)刀需求計(jì)算流程

步驟（5）：若是，則將該刀具加入卸刀列表；

步驟（6）：若否，則跳過該刀，繼續(xù)下一把刀的判斷直至所有刀具判斷完畢。

（三）運(yùn)刀調(diào)度計(jì)算

本文的運(yùn)刀調(diào)度主要指設(shè)備和中央刀庫之間的刀具運(yùn)輸調(diào)度，柔性制造系統(tǒng)由運(yùn)刀機(jī)械手擔(dān)任刀具自動運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，因此刀具運(yùn)輸調(diào)度問題主要指運(yùn)刀機(jī)械手動作指令的計(jì)算。計(jì)算得出刀具需求之后，需要根據(jù)刀具需求安排運(yùn)刀機(jī)械手運(yùn)刀的先后順序，生成機(jī)械手指令隊(duì)列。

本文綜合考慮了刀具需求緊急程度、運(yùn)刀經(jīng)濟(jì)性、保證工件所需刀具的整套完整性等約束。刀具緊急程度是指刀具需求時(shí)間的緊迫程度，需要盡可能優(yōu)先處理需求緊迫程度較高的刀具；運(yùn)刀經(jīng)濟(jì)性，即指運(yùn)輸代價(jià)，每個(gè)刀具從中央刀庫運(yùn)至所需設(shè)備的代價(jià)不同，因此需要盡可能減少刀具運(yùn)輸?shù)目偞鷥r(jià)；保證工件所需刀具整套完整性是指每個(gè)工件加工需要多個(gè)刀具，這些刀具的需求時(shí)間不同，分布在長工件加工時(shí)間的區(qū)間內(nèi)，應(yīng)盡可能地將一個(gè)工件所需刀具在同一批次送達(dá)，以便該工件及早達(dá)到可開工狀態(tài)，而非運(yùn)完A 工件前半部分需求較早的刀具后，轉(zhuǎn)而去運(yùn)輸B 工件需求較早的刀具，再回來繼續(xù)運(yùn)輸A 工件剩余所需刀具。

假設(shè)只考慮運(yùn)輸代價(jià)的情況，且每個(gè)代價(jià)層次的需求數(shù)量都足夠多，即每個(gè)設(shè)備的需求刀具數(shù)量都足夠多，此時(shí)將高代價(jià)的刀具集中起來批量運(yùn)輸，以減少高代價(jià)刀具的運(yùn)輸次數(shù)，將會是一種較優(yōu)的方案；但如果每個(gè)代價(jià)層次的需求數(shù)量都不多，存在某幾種代價(jià)層次的需求數(shù)量少于機(jī)械手的容量，那么順路運(yùn)輸是一種優(yōu)解，即：將機(jī)械手每次運(yùn)輸?shù)毒叩倪\(yùn)輸代價(jià)分為若干不同層次，運(yùn)刀時(shí)先將代價(jià)較小的部分刀具運(yùn)至目的地，再依次順路將代價(jià)較高的部分刀具運(yùn)至目的地。綜合來說，只考慮運(yùn)輸代價(jià)下的較優(yōu)方案，首要原則應(yīng)是高代價(jià)層次的刀具集中運(yùn)輸。在首要原則的基礎(chǔ)上，若集中后機(jī)械手不能滿載，則按照運(yùn)輸代價(jià)從高到低的排序補(bǔ)充刀具至滿載，采用順路運(yùn)輸?shù)姆桨赴创鷥r(jià)從低到高的順序依次運(yùn)輸?shù)毒摺?/p>

假設(shè)只考慮緊急程度的情況，刀具需求緊急程度以排產(chǎn)時(shí)工序的計(jì)劃開工時(shí)間作為評判標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)劃開始越早的工序，其所需的刀具緊急程度就越高。按照需求時(shí)間順序?qū)⑺械毒邚脑缰镣砼判?，機(jī)械手則按照排序依次運(yùn)輸即可。

假設(shè)考慮工件所需刀具整套完整性的情況，若每個(gè)刀具需求不使用精確至每個(gè)工步的需求時(shí)間，而是一個(gè)工件所有的刀具需求全部用工件開工這一時(shí)刻作為刀具的需求時(shí)間，在以需求時(shí)間安排優(yōu)先級的前提下，則能夠保證一個(gè)工件的所有刀具需求的運(yùn)刀優(yōu)先級相同，具有相同優(yōu)先級的刀具可在同批或者相近批次運(yùn)達(dá)設(shè)備。

圖3 卸刀需求計(jì)算流程圖

綜合考慮運(yùn)輸代價(jià)、緊急程度和刀具整套完整性3 種因素，若優(yōu)先考慮運(yùn)輸代價(jià)，勢必造成優(yōu)先滿足同一設(shè)備刀具需求而其他設(shè)備的刀具需求不能按時(shí)滿足的情況，致使其他設(shè)備延誤開工。優(yōu)先考慮緊急程度，取決于刀具需求時(shí)間，由于工件刀具整套完整性的情況可由統(tǒng)一刀具需求時(shí)間的辦法解決，相當(dāng)于也取決于刀具需求時(shí)間，因此優(yōu)先考慮緊急程度能夠兼顧工件刀具整套完整性，同時(shí)即使同組運(yùn)輸?shù)牡毒叽鷥r(jià)不同，也可采用順路運(yùn)輸?shù)姆绞奖M量減少運(yùn)輸代價(jià)。

因此，優(yōu)先考慮緊急程度，在緊急程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行分批與合批，將相近緊急程度的20個(gè)刀具（機(jī)械手容量為20）合批，再根據(jù)20 個(gè)刀具需求的分屬設(shè)備情況，將其需求按照設(shè)備不同分為3 個(gè)小組，優(yōu)先運(yùn)輸較近設(shè)備的小組，再依次運(yùn)輸較遠(yuǎn)的設(shè)備小組，如此按照由近及遠(yuǎn)的順序送完3 個(gè)機(jī)床之后，計(jì)算3 個(gè)機(jī)床的卸刀需求，同樣以20 個(gè)為一批次，由遠(yuǎn)及近依次卸刀回至中央刀庫。

確定了優(yōu)先考慮緊急程度，然后考慮運(yùn)刀代價(jià)的策略，以此為根據(jù)，提出機(jī)械手指令計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)運(yùn)刀機(jī)械手的調(diào)度，算法邏輯流程如圖4 所示。

圖4 運(yùn)刀機(jī)械手動作指令計(jì)算

步驟（1）：按照刀具需求中需求時(shí)間，為需求列表按照時(shí)間先后排序；

步驟（2）：計(jì)算各設(shè)備的空余刀位，如果大于20，則不做累計(jì)，如果小于20，則記住剩余庫位數(shù)量；

步驟（3）：按照機(jī)械手可用庫位數(shù)量為刀具需求列表分組，例如，機(jī)械手可用庫位是20，則每組的容量上限為20；

步驟（4）：每組內(nèi)按照需求設(shè)備，再分為數(shù)量不等的3 個(gè)小組，運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)的設(shè)備組排在前面；

步驟（5）：計(jì)算每個(gè)小組內(nèi)的刀具數(shù)量是否超過所屬設(shè)備空余刀位的數(shù)量，如果超過，則將超過的部分剔除，重新補(bǔ)至刀具需求總表中。節(jié)省出來的刀位名額根據(jù)其他小組的需求增補(bǔ)至其他小組，如第1 設(shè)備小組原在小組中占據(jù)10個(gè)運(yùn)輸?shù)段?，?號設(shè)備只有5個(gè)空刀位，節(jié)省出來5 把運(yùn)輸?shù)段?，? 設(shè)備小組的設(shè)備空余刀位只允許增補(bǔ)2 把，則從5 個(gè)名額轉(zhuǎn)讓2個(gè)給第2 設(shè)備小組，第3 設(shè)備小組同樣照此辦理；

步驟（6）：確定了每次運(yùn)刀的位置分配之后，按照由遠(yuǎn)及近的原則依次運(yùn)刀；

步驟（7）：按照使用時(shí)間小于最小工步時(shí)長的原則計(jì)算各設(shè)備需卸刀列表；

步驟（8）：按照最后使用時(shí)長對需卸載刀具列表進(jìn)行排序，時(shí)間早的在隊(duì)頭；

步驟（9）：獲取中央刀庫空庫位數(shù)量；

步驟（10）：判斷中央刀庫庫位是否大于等于機(jī)械手庫位20；

步驟（11）：若是，以機(jī)械手容量20 為限截取卸載刀具列表分組的前20 個(gè)元素作為卸刀列表；

步驟（12）：若否，以中央刀庫空庫數(shù)為限截取卸載刀具列表分組作為卸刀列表；

步驟（13）：按照由遠(yuǎn)及近的原則，從最遠(yuǎn)的機(jī)床開始卸刀，順路運(yùn)至較近的機(jī)床依次卸刀，回至中央刀庫；

步驟（14）：依次循環(huán)直至需求刀具列表所有需求被處理完畢。

（四）機(jī)械手指令處理

采用通用工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)OPC-UA 與PLC 進(jìn)行通信，PLC 選用S7-1500，后端使用Java 語言，采用eclipse 工作組開發(fā)的開源庫Milo 庫實(shí)現(xiàn)與PLC 的OPC-UA 通信，如圖5 所示。

圖5 OPC-UA 連接

三、應(yīng)用驗(yàn)證

以本文提出的刀具調(diào)度方法作為指導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)了航空柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度軟件，在某航空企業(yè)的柔性生產(chǎn)線進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

以需求時(shí)間優(yōu)先的啟發(fā)式規(guī)則算法對產(chǎn)線內(nèi)的加工任務(wù)進(jìn)行分析，計(jì)算獲取各個(gè)設(shè)備的刀具需求，并通過結(jié)合運(yùn)刀代價(jià)、刀具需求緊急程度、刀具需求整套完整性三種優(yōu)化目標(biāo)的啟發(fā)式規(guī)則算法對刀具需求進(jìn)行解析，求解出運(yùn)刀機(jī)械手的指令集。計(jì)算所得刀具需求，見表1。由于該產(chǎn)線需要優(yōu)先保證工件的按時(shí)交付，因此充分適用以需求時(shí)間為優(yōu)先級評判標(biāo)準(zhǔn)的啟發(fā)式規(guī)則算法。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，該算法能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)對刀具計(jì)算的需求。計(jì)算得出的運(yùn)輸?shù)毒咧噶?，見?。

表2 運(yùn)刀指令

四、結(jié)論

針對柔性制造系統(tǒng)的刀具調(diào)度問題，本文提出了基于啟發(fā)式規(guī)則算法的柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度方案。本文構(gòu)建了柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度框架，包括刀具需求計(jì)算、運(yùn)刀調(diào)度計(jì)算和機(jī)械手指令處理3 個(gè)部分，將任務(wù)級別的刀具需求逐步轉(zhuǎn)換至單步可執(zhí)行的機(jī)械手取放刀指令，為柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度問題提供了一種可供參考借鑒的解決方法。在刀具需求計(jì)算部分和刀具調(diào)度部分提出了具體的啟發(fā)式算法；在運(yùn)刀調(diào)度計(jì)算部分分析了運(yùn)刀代價(jià)、刀具需求緊急程度、刀具需求整套完整性等優(yōu)化目標(biāo)對刀具方案整體的影響，并提出了一種綜合考慮3 種優(yōu)化目標(biāo)的啟發(fā)式規(guī)則，為解決刀具調(diào)度問題提供了新思路。根據(jù)本文提出的刀具調(diào)度方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的柔性制造系統(tǒng)刀具調(diào)度軟件，并在相關(guān)柔性生產(chǎn)線上得到應(yīng)用驗(yàn)證。