深圳杯数学建模夏令营D题打孔机生产效能提高的优化课件.ppt
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- 深圳 数学 建模 夏令营 打孔机 生产 效能 提高 优化 课件
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1、打孔机生产效能提高的优化方案打孔机生产效能提高的优化方案汇报人 扈诗扬一、问题重述一、问题重述 打孔是印刷线路板的重要组打孔是印刷线路板的重要组成部分之一,打孔的加工费用成部分之一,打孔的加工费用通常占制板费用的通常占制板费用的30%30%到到40%40%,打孔机主要用于在制造印刷线打孔机主要用于在制造印刷线路板流程中的打孔作业路板流程中的打孔作业.因此我因此我们要研究的问题旨在提高某类们要研究的问题旨在提高某类打孔机的生产效能打孔机的生产效能.打孔机的生产效能主要取决于打孔机的生产效能主要取决于三个方面:即单个过孔的钻孔三个方面:即单个过孔的钻孔作业时间和钻头的行走时间以作业时间和钻头的行走
2、时间以及刀具的转换时间及刀具的转换时间.现有某种钻现有某种钻头,上面装有头,上面装有8 8种刀具种刀具a a,b b,c c,,h,h,依次排列呈圆环状,依次排列呈圆环状,如右图所示,如右图所示.某种钻头上8种刀具的分布情况 并且并且8 8种刀具的顺序固定,不能调换种刀具的顺序固定,不能调换.钻孔在加工作业时,一种刀具使钻孔在加工作业时,一种刀具使用完毕后,可以转换使用另一种刀具用完毕后,可以转换使用另一种刀具.相邻两刀具的转换时间是相邻两刀具的转换时间是18 s18 s,作业时,可以采用顺时针旋转的方式转换刀具,也可以采用逆时针的方作业时,可以采用顺时针旋转的方式转换刀具,也可以采用逆时针的
3、方式转换刀具式转换刀具.将任一刀具转换至其它刀具处,所需时间是相应转换时间将任一刀具转换至其它刀具处,所需时间是相应转换时间的累加,例如,从刀具的累加,例如,从刀具a a转换到刀具转换到刀具c c,所需的时间是,所需的时间是36s36s(采用顺时针(采用顺时针方式)方式).为了简化问题,假定钻头的行走速度是相同的,为为了简化问题,假定钻头的行走速度是相同的,为180 mm/s180 mm/s,行走成本,行走成本为为0.060.06元元/mm/mm,刀具转换的时间成本为,刀具转换的时间成本为7 7元元/min./min.刀具在行走过程中可以刀具在行走过程中可以同时进行刀具转换,但相应费用不减同时
4、进行刀具转换,但相应费用不减.不同的刀具加工不同的孔型,有的孔型只需一种刀具来完成,如孔型不同的刀具加工不同的孔型,有的孔型只需一种刀具来完成,如孔型A A只用到刀具只用到刀具a.a.有的孔型需要多种刀具及规定的加工次序来完成,如孔型有的孔型需要多种刀具及规定的加工次序来完成,如孔型C C需要刀具需要刀具a a和刀具和刀具c c,且加工次序为,且加工次序为a a,c.c.下表列出了下表列出了1010种孔型所需加工种孔型所需加工刀具及加工次序(标刀具及加工次序(标*者表示该孔型对刀具加工次序没有限制)者表示该孔型对刀具加工次序没有限制).我们要建立的数学模型需要完成以下问题:我们要建立的数学模型
5、需要完成以下问题:(1 1)附件)附件1 1提供了某块印刷线路板过孔中心坐标的数据,单位是密尔(提供了某块印刷线路板过孔中心坐标的数据,单位是密尔(1/100mil1/100mil)(也称为毫英寸,)(也称为毫英寸,1 inch=1000 mil1 inch=1000 mil),计算出单钻头作业的最),计算出单钻头作业的最优作业线路(包括刀具转换方案)、行走时间和作业成本优作业线路(包括刀具转换方案)、行走时间和作业成本.(2 2)为提高打孔机效能,现在设计一种双钻头的打孔机,两钻头可以同时为提高打孔机效能,现在设计一种双钻头的打孔机,两钻头可以同时作业,且作业是独立的,即可以两个钻头同时进行
6、打孔,也可以一个钻头作业,且作业是独立的,即可以两个钻头同时进行打孔,也可以一个钻头打孔,另一个钻头行走或转换刀具打孔,另一个钻头行走或转换刀具.为避免钻头间的触碰和干扰,在过孔加为避免钻头间的触碰和干扰,在过孔加工的任何时刻必须保持两钻头间距不小于工的任何时刻必须保持两钻头间距不小于3cm.3cm.为使问题简化,我们可以将为使问题简化,我们可以将钻头看作质点钻头看作质点.(i i)针对附件)针对附件1 1的数据,给出双钻头作业时的最优作业线路、行走时间和的数据,给出双钻头作业时的最优作业线路、行走时间和作业成本,并与传统单钻头打孔机进行比较,其生产效能提高多少?作业成本,并与传统单钻头打孔机
7、进行比较,其生产效能提高多少?(iiii)研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效能产生的影响)研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效能产生的影响.10种孔型所需加工刀具及加工次序孔型孔型A B CDEFGH IJ所需刀具a b a,cd,e*c,fg,h*d,g,fh e,cf,c二、模型假设二、模型假设 1.假设对于同一孔型钻孔作业时间都是相同的;假设对于同一孔型钻孔作业时间都是相同的;2.假设每个孔型加工完后不再加工;假设每个孔型加工完后不再加工;3.假设钻头在加工同种孔型时不进行刀具转换;假设钻头在加工同种孔型时不进行刀具转换;4.假设钻头在孔间以直线方式行走时不走弯路;假设
8、钻头在孔间以直线方式行走时不走弯路;5.假设周围环境对钻头和刀具没有干扰;假设周围环境对钻头和刀具没有干扰;6.假设加工每块板工作过程中,无刀具磨损、损假设加工每块板工作过程中,无刀具磨损、损坏情况,中途无间断坏情况,中途无间断.三、符号说明三、符号说明ijx从从 i i 孔到孔到 j j 孔的的最短距离孔的的最短距离ijc从从 i i 孔到孔到 j j 孔时刀具需要转换的格数孔时刀具需要转换的格数ijs钻头是否从钻头是否从 i i 孔到孔到 j j 孔孔T单钻头打孔机打完所有孔加工的总时间单钻头打孔机打完所有孔加工的总时间1t单钻头打孔机打完所有孔最小行走时间单钻头打孔机打完所有孔最小行走时
9、间v钻头的行走速度钻头的行走速度w转头每毫米行走成本转头每毫米行走成本h每分钟刀具转换的时间成本每分钟刀具转换的时间成本打孔机打孔的生产效能打孔机打孔的生产效能Q有刀具转换顺序的孔型中次顺序加工孔有刀具转换顺序的孔型中次顺序加工孔型的集合型的集合P相对相对 Q Q 集合主次序加工孔型的集合集合主次序加工孔型的集合d两钻头合作限制间距两钻头合作限制间距ijk表示刀具转换次序的修正系数表示刀具转换次序的修正系数0L134134 类点孔的行走路程类点孔的行走路程1T加工完加工完 134134 类点孔的行走时间类点孔的行走时间m加工完加工完 134134 类点孔的最小成本类点孔的最小成本S加工完加工完
10、 21242124 个点孔的总路程个点孔的总路程Z总作业成本总作业成本路径衡量系数路径衡量系数四、问题的分析四、问题的分析 问题一:问题一:问题一中要研究的是最优作业线路和行走时间及作业成本这三个问题一中要研究的是最优作业线路和行走时间及作业成本这三个问题,很显然这是一个典型的组合优化问题问题,很显然这是一个典型的组合优化问题.由于有的孔型需要多种刀具共同加工,而且有的刀具有转刀顺由于有的孔型需要多种刀具共同加工,而且有的刀具有转刀顺序,有的转刀没有顺序,这更加剧了问题的复杂性,为此,我们将序,有的转刀没有顺序,这更加剧了问题的复杂性,为此,我们将需要多种刀具加工的一种孔型看成需要单种刀加工的
11、多种孔型,即需要多种刀具加工的一种孔型看成需要单种刀加工的多种孔型,即这些孔的位置相同但是代表不同的孔型,通过这种孔点拆分思想可这些孔的位置相同但是代表不同的孔型,通过这种孔点拆分思想可以大大简化问题以大大简化问题.考虑到需要处理考虑到需要处理21242124个数据,如果用常规方法很难求解个数据,如果用常规方法很难求解.因此这因此这是一个典型的组合优化问题,所以我们巧妙的利用是一个典型的组合优化问题,所以我们巧妙的利用K-meansK-means聚类分析聚类分析方法将方法将21242124个孔的过孔中心坐标分为个孔的过孔中心坐标分为9292类,经过线性回归分析,这类,经过线性回归分析,这929
12、2类点孔很具有代表性类点孔很具有代表性.对于刀具转换顺序问题,通过约束条件建立整数对于刀具转换顺序问题,通过约束条件建立整数0-10-1规划模型规划模型,以以成本为目标函数进行求解,从而求得刀具最优作业路线和行走作业成本为目标函数进行求解,从而求得刀具最优作业路线和行走作业时间及最小成本时间及最小成本.最终得到较为合理的分配方案最终得到较为合理的分配方案.问题二问题二:(i i)首先在问题一的基础上,我们把双钻头作业路线转)首先在问题一的基础上,我们把双钻头作业路线转化为单钻头二次行走路线问题,为了得到最大生产效能,化为单钻头二次行走路线问题,为了得到最大生产效能,又设计两套方案分别进行求解,
13、通过比较三套方案生产效又设计两套方案分别进行求解,通过比较三套方案生产效能得出最优作业线路进而得到行走时间和作业成本能得出最优作业线路进而得到行走时间和作业成本.(iiii)问题研究的是两钻头合作间距对作业线路和生产效)问题研究的是两钻头合作间距对作业线路和生产效能产生的影响能产生的影响.考虑到两钻头间距考虑到两钻头间距d d是一个不定变量,它随着线路改变是一个不定变量,它随着线路改变不断发生变化,因此我们有选择性的选取一组不断发生变化,因此我们有选择性的选取一组d d值,在钻值,在钻头间距头间距d d值不断变化下,求出对应的最优作业路线和最大值不断变化下,求出对应的最优作业路线和最大生产效能
14、,然后绘制出生产效能随两钻头工作间距随生产效能,然后绘制出生产效能随两钻头工作间距随d d值值变化的曲线变化的曲线.然后利用图像分析法得到最优值然后利用图像分析法得到最优值d d时的最优路时的最优路线和生产效能线和生产效能.通过曲线可以研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线通过曲线可以研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效能产生的影响和生产效能产生的影响.五、模型的建立与求解五、模型的建立与求解图图25.2问题一的解决问题一的解决5.2.1作业成本的各项费用根据产生关系如下图作业成本的各项费用根据产生关系如下图1:图图1.作业成本的各项费用关系作业成本的各项费用关系图图2.2124个孔的中
15、心坐标示意图个孔的中心坐标示意图-4-3-2-1012345x 105-20246810 x 105孔型分布图返回20,1,(;2)(;)(1;1)minminj nkj njj njj nS nDDS n kSjkD K-meansK-means函数的聚类效果,得出函数的聚类效果,得出A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H、I I、J10J10种类型孔的种类型孔的K K均值,如下均值,如下 图图3 3所示所示 :024681012140.10.20.30.40.50.60.70.8kmeans评价指标a-c abc36类25类24类图图3.8种类型孔的种类型孔的K均值
16、图均值图123456700.10.20.30.40.50.60.7kmeans评价指标d-f def14类15类9类图图4.8种类型孔的种类型孔的K均值图均值图K K均值曲线分析:从上述曲线可以看出,均值曲线分析:从上述曲线可以看出,K K均值呈现先上升后下降的趋势均值呈现先上升后下降的趋势,由此我们得出,由此我们得出8 8种孔型的种孔型的K K均值分类如表一所示:均值分类如表一所示:聚类分析的合理性检验:通过上述方法,最终我们将所有点孔归为聚类分析的合理性检验:通过上述方法,最终我们将所有点孔归为9292类点孔类点孔.利用利用MatlabMatlab软件将这软件将这9292类点孔绘制成散点图
17、,如图类点孔绘制成散点图,如图5 5所示所示.通通过该图可以发现这过该图可以发现这9292类点很具有代表性,能反映所有数据的分布规律类点很具有代表性,能反映所有数据的分布规律.ABCD36252414EFGH15947表一.K均值分类表-4-3-2-1012345x 105-10123456789x 10592类散点图图5.92类点孔中心坐标示意图 孔点拆分法:由于有的孔型需要多种刀具加工,为了简化加工过程,孔点拆分法:由于有的孔型需要多种刀具加工,为了简化加工过程,将需要多种刀具加工的一种孔型转化为仅需要一种刀具的多种孔型将需要多种刀具加工的一种孔型转化为仅需要一种刀具的多种孔型.基于基于此
18、方法,将此方法,将9292类点孔转化为类点孔转化为134134类点孔进行加工类点孔进行加工.最小成本模型的建立:最小成本模型的建立:目标函数式为满足生产总成本最小模型,涵盖了刀具转换费用与行走目标函数式为满足生产总成本最小模型,涵盖了刀具转换费用与行走费用二个阶段的评价指标,其中约束式费用二个阶段的评价指标,其中约束式,两式表示所有孔最后均被两式表示所有孔最后均被打完,且不重复打完,且不重复.约束式表示在达到生产成本最小的前提下,尽量使约束式表示在达到生产成本最小的前提下,尽量使行走路程规定在实际加工的范围内,约束式中行走路程规定在实际加工的范围内,约束式中 为修正系数表明在用为修正系数表明在
19、用钻头加工需要多种刀具加工孔型的换刀顺序钻头加工需要多种刀具加工孔型的换刀顺序.六、模型的求解六、模型的求解 最小成本模型的求解:最小成本模型的求解:该最小成本模型求解的是组合模型中的该最小成本模型求解的是组合模型中的0-10-1规划问题,利用规划问题,利用LingoLingo软件进行求解,以最小成本为衡量标准,单钻头作业的最优作业线路软件进行求解,以最小成本为衡量标准,单钻头作业的最优作业线路和刀具转换方案如和刀具转换方案如表二表二所示:所示:路径刀具方案路径刀具方案路径刀具方案路径刀具方案420352252115059072288276269133210211274302401393121
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