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自动化车床管理的数学模型(含程序).doc
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2022-12-01
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自动化车床管理的数学模型(含程序).doc
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自动化车床管理的数学模型
摘 要
本文研究的是自动化车床管理问题,该问题属于离散型随机事件的优化模型,
目的是使管理得到最优化。
首先我们借用 maltlab 中的 lillietest 函数对题目给出的 100 次刀具故障记录
的数据进展了数据处理和假设检验(见附录一),样本数据与正态分布函数拟合得
很好,从而承受了数据符合正态分布的假设,求得刀具寿命的概率密度函数的期
望 μ=600,标准差 σ=196.6296,积分后求得刀具寿命的分布函数。
对于问题(1),我们建立起离散型随机事件模型,以合格零件的平均损失期望
作为目标函数,借用概率论与数理统计的方法列出方程组,并利用 matlab 以穷
举法(见附录二)得出最优检查间隔为 18 个,最优刀具更新间隔为 368 个,合格零
件的平均损失期望为 5.17 元。
对于问题(2),我们建立单值目标函数最优化模型,以平均合格零件的损失期
望作为目标函数,并由题所给条件列出约束条件表达式。最后借用 matlab 编程
求解(见附录三)得出最优检查间隔为 32 个,最优刀具更新间隔为 320 个,合格零
件的平均损失期望为 7.46 元。
对于问题(3),我们采取的优化策略是:进展一次检查,如果是合格品那么再
进展一次检查,后一次检查为不合格品那么换刀。在做定量分析时,我们将问题
(2)中的目标函数和方程组在问题(3)的条件上做了相应改变,利用 matlab 用穷举
法求解(见附录四)得出优检查间隔为 32 个,最优刀具更新间隔为 320 个,合格零
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件的平均损失期望为 6.40 元。由结果可以看出问题(3)的检查间隔和刀具更新间
隔与问题(2)的结果一样,但合格零件的平均损失期望降低了 1.06 元。说明问题(3)
的检查方式较问题(2)更优。
关键词:离散型随机事件优化模型 概率理论 拟合优度 穷举法
1 问题重述
1.1 问题背景
我国是一个工业化大国,其中自动化车床生产在我国工业生产中扮演着举足
轻重的角色。因此能否对于自动化车床进展高效经济地管理直接关系到工业生产
是否可以做到“低消耗,高产出〞。对于自动化机床管理进展优化符合我国“可
持续开展〞的战略,同时对于环境资源的节约保护有着突出奉献。对于一个工业
化企业而言,在日趋剧烈的市场竞争中,“本钱最小化,效率最大化〞已经成为
其至关重要的生存之道。所以大到,小至企业,对“自动化车床管理〞的研究都
给予了高度重视。如今,数学模型分析已经成为对该问题进展研究的主要途径。
1.2 需要解决的问题
一道工序用自动化车床连续加工某种零件,由于刀具损坏等原因该工序会出
现故障,其中刀具损坏故障占 95%, 其它故障仅占 5%。工序出现故障是完全随
机的, 假定在生产任一零件时出现故障的时机均一样。工作人员通过检查零件来
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确定工序是否出现故障。现积累有 100 次刀具故障记录,故障出现时该刀具完成
的零件数如附录表一。现方案在刀具加工一定件数后定期更换新刀具。
参数: (1)故障时产出的零件损失费用 f=200 元/件;
(2)进展检查的费用 t=10 元/次;
(3)发现故障进展调节使恢复正常的平均费用 d=3000 元/次(包括刀
具费);
(4)未发现故障时更换一把新刀具的费用 k=1000 元/次。
问题一:假定工序故障时产出的零件均为不合格品,正常时产出的零件均为合格
品, 试对该工序设计效益最好的检查间隔〔生产多少零件检查一次〕和刀具更换
策略。
问题二:如果该工序正常时产出的零件不全是合格品,有 2%为不合格品;而工
序故障时产出的零件有 40%为合格品,60%为不合格品。工序正常而误认有故障
停机产生的损失费用为 1500 元/次。对该工序设计效益最好的检查间隔和刀具更
换策略.
问题三:在问题三的情况下, 可否改良检查方式获得更高的效益。
2 模型的假设及符号说明
2.1 模型的假设
假设 1:假设在生产任一零件时出现故障的时机均相等。
假设 2:假设生产刚启动时使用的刀具都是新的。
假设 3:假设生产任一零件时所需的时间一样。
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假设 4:假设提供的刀具故障记录数据是独立同分布的.
假设5: 假设无论刀具损坏故障还是其它故障, 发生故障并使恢复正常的平均费
用均为3000元每次。
假设6: 假设提供的刀具故障记录数据是独立同分布的。
假设7: 假设发现故障和停机维修的时间可以忽略不计。
假设8:假设检查时不停顿生产,在检查出不合格零件时才停顿再进展维修。
假设9: 假设每次检查只能检查一个零件。
假设10:假设5%的其它故障可以忽略不计。
2.2 符号说明
符号
说明
f
故障时产生的零件损失费用 200 元/件
t
检查的费用 10 元/次
d
发现故障进展调节使恢复正常的平均费用 3000 元/次
k
未发现故障时更换一把新刀具的费用 1000 元/次
μ
刀具平均寿命
σ
样本方差
Tc
检查零件的单位时间间隔
T
定期换刀的单位时间间隔
T(c)
以检测时间间隔为
c
T
时,系统工序合格零件的单位期望损失
..
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Tc*
以经济损失最小为目标的最优检查的时间间隔
T*
以经济损失最小为目标的最优的换刀间隔
T(c)*
在
*
c
T
和
*
T
的情况下,系统工序合格零件的最小单位期望损失
f(x)
系统的失效概率密度
F(x)
累积失效概率密度,即寿命分布函数
3 问题分析
在自动化车床生产流程中,由于刀具损坏等原因会使工序出现故障,工序故
障的出现是完全随机的。工作人员通过检验零件来确定是否出现故障,并且决定
在刀具加工一定的零件后更换刀具。当发生故障时要及时维修,如果检修周期太
长,故障不能及时发现,会给生产带来损失;检查周期太短又会增加费用。在理
论上我们首先将问题转化为概率模型。通过分析题目所给的 100 次刀具故障记录,
我们通过绘图分析假设刀具的寿命服从正态分布。再通过假设检验,我们决定承
受这一假设。
问题 1 中我们建立离散型随机事件模型 I。我们选择一个周期
T
。目标函数
T
系统工序的期望总损失
总
=
C
系统工序产生的合格零件数
U
要求目标函数取最小值的情况下求解检查间
隔和道具更换策略。
U
总
分为两种情况:故障发生在换刀之前与故障发生在换刀
之后。我们分别求解这两种情况。
问题(2)中,可能会产生 2 中误判。误检:工序正常时,由于检查到不合格品
而停机,会产生一个费用。漏检:工序不正常工作时由于有 40%的合格品,会因
为检测到合格品而不换刀,导致不合格品增加。
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