具有自动搬运机器人的制造单元排队网建模与缓冲区配置
机器人制造单元的缓冲区配置优化是一个重要的研究课题。在制造单元进行规划设计时，不仅要考虑投资成本，还要考虑系统的性能指标。然而，针对这类随机系统的缓冲区配置优化问题，系统的性能指标没有封闭形式的表达式，因此有效的系统性能评估方法是解决该优化问题的基础前提。本文针对随机环境下具有自动搬运机器人的制造单元，建立其对应的排队网模型。由于有限容量和一般分布的限制，该排队网模型不具有乘积形式的解并且求解困难。此外，现有的方法存在着局限性，不能有效地求解该排队网模型。因此，本文考虑机器人制造单元排队网模型的特点，提出一种快速评估系统性能的近似方法，并将其应用于求解机器人制造单元的缓冲区配置优化问题。 首先，针对一般分布的机器人制造单元，建立具有双重资源约束、资源共享和有限容量的开排队网模型，采用随机分布的两矩参数描述各个排队节点的输入输出过程，提出一种近似算法快速计算其系统性能。对于一般分布的双重资源约束问题，已有文献提出了近似求解算法。对于一般分布的资源共享问题，本文提出一种两矩近似算法求解系统性能指标。对于一般分布的多阶段有限容量系统，本文提出一种聚合算法求解系统性能指标。在此基础上，针对机器人制造单元的排队网模型，提出一种基于两矩近似的聚合算法求解系统性能指标。 其次，进行了一系列数值实验，验证了所提出的排队网求解算法的可行性和精确度。针对资源共享问题，建立相应的仿真模型进行对比，验证了其排队网求解方法的有效性。针对多阶段有限容量系统，与已有文献的求解方法进行对比，验证了其排队网求解方法的有效性。针对机器人制造单元，建立相应的仿真模型，通过对比分析仿真模型统计系统的稳态性能指标与排队网模型近似计算的系统稳态性能指标，验证了排队网模型及其近似求解方法的有效性和精确度，并进一步分析了机器人制造单元的系统性能。 最后，针对机器人制造单元的缓冲区配置优化问题，建立随机非线性整数规划模型。该优化模型要求机器人制造单元的平均产出率和平均生产周期满足约束条件，并使得缓冲区配置的投资成本最小化。由于约束条件中的系统性能指标无法用系统参数的封闭形式表达，因此提出一种嵌入排队网模型的模拟退火算法求解该问题，并且通过不同的优化案例验证了求解算法的可行性。 本文基于排队网理论和随机过程的基本原理，对具有自动搬运机器人的制造单元进行建模，求解其系统性能指标，并优化缓冲区容量配置。本课题的研究成果可以拓展排队网理论在制造系统中的应用，为机器人制造单元的资源配置提供重要的理论支撑，为定制型制造企业的中长期工厂规划提供减少投资成本的科学方法。
自动搬运机器人;制造单元排队网;缓冲区配置;非线性整数规划
广东工业大学
硕士
机械工程
毛宁
2021
中文
TP242.3
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）