制造单元构建的关键技术研究

论文摘要

我国目前存在着大量的中小企业,采用小批量、多品种的生产模式。如何用有限成本提供个性化、高质量的产品是这些制造企业存活的关键。受成组技术思想启发的单元制造系统(Cellular Manufacturing System,CMS)是解决该问题的有效途径之一,而单元构建(Cell Formation,CF)是决定单元制造系统成败的第一步,也是最重要的一步。针对单元构建中单元分组数的确定、单元构建方案的生成、CF候选方案评价与选择等关键技术问题,本文对其展开研究,具体内容如下:针对现有方法单元分组数不确定的问题,提出了一种单元构建过程中单元分组数的确定方法。首先分析了权重指数、聚类中心和度量方式等不同对聚类效果、聚类中心和隶属度的影响,根据问题的规模合理选择权重指数和聚类中心及度量方式的确定方法;其次采用了模糊c均值(FCM)算法计算在指定单元分组数范围内零件间的隶属度和聚类中心,在此基础上计算评价聚类性能的四个指标值;以综合性能指标最优确定最佳的单元分组数,从而获得最佳的单元分组解。针对单元构建问题具有组合优化、NP完全问题的特点,提出了一种基于偏好的单元构建多目标优化方法。首先研究了现有单元构建问题的表示模型,探讨了制造资源的利用与经济效益间的关系,以单元的相似度最大化、加工费用最小化、加工时间最小化和设备投资最小化为目标,建立了适合零件族和设备组并行生成的单元构建优化数学模型;其次针对单元构建问题的组合特征及其多目标和多约束的特点,研究了多目标优化问题对目标和约束的处理方法,采用层次分析法科学地确定各分目标的权重,将所需满足的约束看作一个新目标,采用进化算法进行求解,以每代不满足约束个体所占比例作为该目标的权重,提出了面向制造单元构建的偏好进化算法,同时处理目标和约束,提高了解的质量和计算效率。针对现有单元构建评价方法仅以静态指标作为评价依据,未综合考虑动态指标和制造企业实际情况的问题,提出了一种基于情境的单元构建方案的评价选择方法。首先分析了在不同企业情境下影响单元构建方案选择的主要因素,确定适当的评价性能指标,以利于符合企业生产资源合理利用的要求;其次利用模糊层次分析法对不同领域专家和评价性能指标进行相应权重的分配,领域专家按各自负责的指标进行评判,以形成模糊性能矩阵;针对领域专家评判时的可信度和潜在风险问题,采用模糊数α截集和β因子的形式表示可信度和潜在风险,采用候选方案与正负理想解相对距离的测度方式进行候选单元构建方案排序的方法,进而得到了符合企业资源合理利用的最佳单元分组方案。基于上述单元构建基本理论和关键技术,开发了制造单元构建原型系统,验证了文中提出的单元分组数的确定方法、基于偏好单元构建的优化设计方法和支持单元构建候选方案的评价与选择方法在实际工程应用中的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 制造系统的发展现状
• 1.2.1 制造模式的变迁
• 1.2.2 先进制造系统
• 1.2.3 单元制造系统与其它制造系统的比较
• 1.3 CF关键技术的研究现状
• 1.3.1 单元制造的内容及特点
• 1.3.2 单元构建的实质
• 1.3.3 CF的研究现状
• 1.3.4 存在的问题
• 1.4 本文的研究意义和研究内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 1.4.3 本文的组织结构
• 1.5 小结
• 2 单元构建过程中单元分组数的确定方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 模糊C-均值聚类算法
• 2.2.1 FCM算法基础
• 2.2.2 聚类有效性函数
• 2.2.3 影响FCM和聚类有效性的因素
• 2.2.4 聚类有效性的判定
• 2.3 一种新的确定单元分组数的方法
• 2.3.1 数学模型
• 2.3.2 算法步骤
• 2.4 仿真实验
• 2.5 小结
• 3 基于偏好的单元构建多目标优化方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 CF问题的数学模型
• 3.3 基于偏好的进化算法
• 3.3.1 约束处理
• 3.3.2 权重分配
• 3.3.3 个体排序
• 3.3.4 算法描述
• 3.4 实例研究
• 3.4.1 仿真数值实验
• 3.4.2 单元构建算例验证
• 3.4.3 仿真结果讨论
• 3.5 小结
• 4 基于情境的候选方案评价与选择方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 评价体系模型的构建
• 4.2.1 综合评价
• 4.2.2 评价方法的选择
• 4.2.3 综合评价要素
• 4.2.4 评价的数学基础
• 4.3 基于情境的单元构建候选方案评价体系模型
• 4.3.1 情境（Scenario）
• 4.3.2 构造递阶层次结构模型
• 4.3.3 确定性能指标权重
• 4.3.4 确定性能评价矩阵
• 4.3.5 评价专家的可信度与评价风险的处理
• 4.3.6 候选方案排序
• 4.4 评价实例
• 4.5 小结
• 5 单元构建原型系统开发及应用验证
• 5.1 引言
• 5.2 原型系统的总体结构
• 5.2.1 系统架构
• 5.2.2 系统的组成
• 5.2.3 原型系统的实现技术
• 5.3 应用验证
• 5.3.1 应用背景
• 5.3.2 应用实例
• 5.4 系统的验证效果
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 缩略语表
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介