[發明專利]考慮零件構建方向的激光選區熔化不相同并行機調度方法

有效

• 申請號: 202110575266.9
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113311791B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 黃彬;李文廣
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳明鑫;蔡學俊

1.一種考慮零件構建方向的激光選區熔化不相同并行機調度方法，其特征在于，考慮包括零件的構建方向、交貨期以及不同機器的不同加工區域面積和高度的因素，以最小化所有零件的總加工成本為優化目標，提出面向激光選區熔化工藝的增材制造不相同并行機調度模型；并且結合增材制造調度問題解空間分布離散的特點，對基本混合蛙跳算法的種群初始化和進化方法進行改進，保證零件在交貨期之前完成加工的情況下，得出所有零件在增材制造不相同并行機上的作業安排和加工順序；

所述面向激光選區熔化工藝的增材制造不相同并行機調度模型的構建過程如下：

設有m(m≥2)臺不相同的增材制造機器并行的對零件進行加工，將不同訂單中的零件進行統一編號，且每個零件都有至少一種備選構建方向可供選擇，將同時在同一臺增材制造機器上進行加工的零件定義為作業；加工時考慮作業中零件的高度和質量要求對零件進行粉末分層處理，然后使用高能量激光束將金屬粉末熔化成形，加工完成后需要將作業中加工好的零件拆卸、清洗和分類包裝；

因此，作業j在機器m上的加工時間tu_mj為：

tu_mj＝ts_m+tf_mj+tr_mj+tc_m

上式中，ts_m為機器設置準備時間，tf_mj＝(maxH_ji)·th_m為作業j在機器m上的粉末分層時間，th_m為機器m單位高度的分層時間，H_ji為第j個作業內零件i的高度，為作業j在機器m上的金屬粉末熔化時間，v_i為第i個零件的材料體積，tv_m為機器m單位體積材料的加工時間，tc_m為機器m清洗和處理作業的時間；

作業j在機器m上完工時間T_mj表示為：

T_mj＝T_m(j-1)+tu_mj，T_m0＝0

機器m的總運行時間TZ_m表示為：

上式中，

每個作業在機器上的加工成本包括機器運行成本、金屬粉末材料成本、由惰性氣體構造的加工環境成本和人工成本，一臺機器上有多個作業，由此可得總加工成本C表示為：

上式中，CT_m為機器m單位時間機器的運行成本，CG_m為機器m單位時間惰性氣體的成本，CU為單位體積金屬粉末材料成本，CP為單位時間的人工成本，其中z表示機器m的數量，m∈(1,…,z)，l表示作業j的數量，j∈(1,…,l)，n表示零件i的數量，i∈(1,…,n)；

每一個作業在機器上加工時，作業未完成加工不能將作業內加工好的零件取出，必須等到整個作業加工完才能取出零件，所以同一個作業內所有零件具有同一個完工時間，零件的完工時間T_i為：

T_i＝T_mj·X_ji·Y_mj

以最小化總加工成本為優化目標，建立金屬零件構建方向的增材制造并行機調度問題模型：

minC

s.t.

h_is·X_ji·Y_mj·Z_is≤H_m

D_i-T_i≥0

minC表示極小化所有作業零件的總加工成本的目標函數；表示一個零件最多只能安排在一個作業中，其中l表示作業j的數量，j∈(1,…,l)，n表示零件i的數量，i∈(1,…,n)；表示分配到作業中加工的零件只能選擇一個構建方向，其中r表示備選構建方向s的數量，s∈(1,…,r)；表示每個作業只能被加工一次，且不能重復加工，其中z表示機器m的數量，m∈(1,…,z)，l表示作業j的數量，j∈(1,…,l)；表示在機器m上加工的作業j內的零件總投影面積不能超過機器m的成型空間面積，其中n表示零件i的數量，i∈(1,…,n)，a_is為第i個零件在第s個備選構建方向的情況下在生產區域的投影面積，A_m為機器m的成型空間面積；h_is·X_ji·Y_mj·Z_is≤H_m表示在機器m上加工的作業j內的零件高度不能超過機器m的成型空間高度，h_is為第i個零件在第s個備選構建方向的情況下的高度，H_m為機器m的成型空間高度；D_i-T_i≥0表示零件的完工時間要小于交貨期，D_i為第i個零件的交貨期；

所述結合增材制造調度問題解空間分布離散的特點，對基本混合蛙跳算法的種群初始化和進化方法進行改進的過程如下：

(1)改進編碼和解碼方式

在考慮有多個零件的零件集在不相同并行增材制造機器上加工問題時，由于零件自身帶有包括構建方向、構建方向對應的高度、構建方向對應的投影面積、零件體積和交貨期的參數，在使用混合蛙跳算法進行求解的時候，為了讓算法的解能更直觀的看出各種參數，設計一種利用整數互相聯合進行編碼和解碼的方法；由于在混合蛙跳算法中，每一只青蛙就是一個解，在這個編碼和解碼方法的表示下，每一個青蛙可以表示為：

其中a_i是1～n之間的整數，是零件的序號，表示第a_i個零件處于加工順序的第i個位置，b_i表示第i個零件對應的構建方向編號，c_i表示第i個零件所選擇的構建方向對應的高度，d_i表示第i個零件所選擇的構建方向所對應的投影面積，e_i表示第i個零件對應的體積大小，f_i表示第i個零件對應的交貨期時間，g_i表示零件組合成作業的方法，h_i表示零件合成的作業在機器上的分配方案；

(2)改進的初始種群和進化機制

對混合蛙跳算法的種群初始化進行改進，在對種群初始化時，增加一個比較判斷機制，在生成新種群的時候，對生成的個體進行比較判斷，如果存在相同的個體，則生成一個新的個體，將相同的個體其中一個替換，這樣使得種群初始化時不會存在相同的個體，使得初始種群分布廣且均勻，進而提高初始種群的多樣性及其在搜索空間的分布質量；

為了增強混合蛙跳算法跳出局部最優的能力，增加一個更新淘汰機制，在每次進行完一次迭代之后，將整個種群按照適應度的優劣重新排序，然后將適應度值較差的90％的個體淘汰，并生產新的個體替代淘汰的個體，然后再對整個種群根據適應度進行排序，進入下一次迭代，在增加種群淘汰更新機制后，混合蛙跳算法跳出局部最優的能力以及尋優的能力得到增強。