考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法及系统，该方法包括以下步骤：考虑零件加工顺序、加工方向和交货期，以最小化所有零件的总能耗为优化目标建立调度问题的数学模型；对混合蛙跳算法的种群初始化和种群进化机制进行改进，构建改进的混合蛙跳算法；通过改进的混合蛙跳算法求解调度模型优化问题，在交货期之前完成零件加工的前提下，得出最小化加工能耗时所有零件在SLM不相同并行机上的调度方案。该方法及系统有利于获得合理、可行且能耗更低的增材制造SLM不相同并行机调度方案。机调度方案。机调度方案。

【技术实现步骤摘要】
考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法及系统


[0001]本专利技术属于生产制造
，具体涉及一种考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法及系统。

技术介绍

[0002]增材制造(additive manufacturing，AM)，也称作3D打印、快速成型技术，是指在计算机辅助控制下通过逐层堆积材料来制造零件的制造技术，是一种与传统减材制造技术不同的新型制造技术。目前已经开发了多种增材制造技术，而其中的激光选区熔化(Selective laser melting，SLM)技术，是利用高能量激光照射并完全熔融金属粉末再凝固从而形成3D形状，是一种非常具有潜力的金属增材制造技术。SLM技术具有高设计自由度、高定制灵活性、短生产周期和高度自动化的生产优势，非常适合复杂几何形状、小批量制造和无需组装整体部件的零件加工，因此SLM技术被广泛应用于航空航天、汽车工业和医学人体植入物等领域。
[0003]增材制造工艺是一种高能耗工艺，在加工的过程中会产生较高的能耗。而随着低碳制造、绿色制造等理念越来越受到重视，如何降低增材制造生产过程中的能耗这一问题也变得越来越重要。目前存在的一些关于增材制造能耗相关的研究中，大都是只研究在增材制造加工技术方法上进行改进以减少能耗，但是在实际生产中，所加工零件的不同调度方案对加工能耗也有着很大的影响。有研究指出，零件在加工过程中，在满足加工质量要求的前提下，往往存在多种加工方向可供选择。而不同加工方向零件的组合对于能耗会有很大的影响，这是由于增材制造的能耗与零件的加工方向有关，不同的加工方向往往对应着不同的零件高度，零件高度决定着铺粉阶段所需时间，同时部分加工方向加工的时候还要添加支撑，会需要额外的加工成本以及更多的加工能耗，因此，研究考虑能耗的SLM调度时，不仅要研究不同零件的加工顺序，而且要研究同一零件的不同加工方向，这具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法及系统，该方法及系统有利于获得合理、可行且能耗更低的增材制造SLM不相同并行机调度方案。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法，包括以下步骤：
[0006]考虑零件加工顺序、加工方向和交货期，以最小化所有零件的总能耗为优化目标建立调度问题的数学模型；
[0007]对混合蛙跳算法的种群初始化和种群进化机制进行改进，构建改进的混合蛙跳算法；
[0008]通过改进的混合蛙跳算法求解调度模型优化问题，在交货期之前完成零件加工的
前提下，得出最小化加工能耗时所有零件在SLM不相同并行机上的调度方案。
[0009]进一步地，按如下方法建立调度问题的数学模型：
[0010]在增材制造SLM加工过程中，作业j在机器m上的加工时间tu
mj
为：
[0011]tu
mj
＝ts
m
+tf
mj
+tr
mj
+tc
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]式(1)中，tf
mj
＝(maxH
ji
)
·
th
m
为作业j在机器m上的粉末分层时间，为作业j在第m台机器上的金属粉末熔化时间；
[0013]作业j在机器m上完工时间T
mj
表示为：
[0014]T
mj
＝T
m(j
‑
1)
+tu
mj T
m0
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]每个作业在机器上的能耗主要包括准备阶段能耗、铺粉阶段能耗和粉末熔化阶段能耗，由于准备阶段能耗与工艺参数以及所加工的零件无关，故在此不考虑；
[0016]第m台SLM机器的总铺粉时间TP
m
表示为：
[0017][0018]因此，第m台SLM机器的铺粉阶段的能耗EP
m
为：
[0019]EP
m
＝PL
m
·
TP
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]第m台SLM机器的总粉末熔化时间TM
m
表示为：
[0021][0022]因此，第m台SLM机器的粉末熔化阶段的能耗EM
m
为：
[0023]EM
m
＝PJ
m
·
TM
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]所以，总的能耗E为：
[0025][0026]在SLM机器上加工作业时，在加工过程中不能将某个零件单独取出，必须等整个作业完成加工之后才能取出整个作业的零件，所以同一个作业内所有零件具有同一个完工时间，零件的完工时间T
i
为：
[0027]T
i
＝T
mj
·
X
ji
·
Y
mj
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]以最小化总加工能耗为优化目标，建立增材制造SLM不相同并行机调度问题的模型如下：
[0029]minE
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0030][0031][0032][0033][0034]h
is
·
X
ji
·
Y
mj
·
Z
is
≤H
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0035]D
i
‑
T
i
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0036]式(9)表示最小化所有零件的总加工能耗的目标函数；式(10)表示一个零件最多只安排在一个作业中；式(11)表示分配到作业中加工的零件只选择一个加工方向；式(12)表示每个作业只被加工一次；式(13)表示在机器m上加工的作业j内的零件总投影面积不超过机器m的成型空间面积；式(14)表示在机器m上加工的作业j内的零件高度不超过机器m的成型空间高度；式(15)表示零件的完工时间小于交货期；
[0037]上述式子中，i表示第i个零件，i＝1,...,n；j表示第j个作业，j＝1,...,l；m表示第m台AM机器，m＝1,...z；S
is
表示第i个零件的第s个备选加工方向，s＝1,...,r；h
is
表示第i个零件在第s个备选加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法，其特征在于，包括以下步骤：考虑零件加工顺序、加工方向和交货期，以最小化所有零件的总能耗为优化目标建立调度问题的数学模型；对混合蛙跳算法的种群初始化和种群进化机制进行改进，构建改进的混合蛙跳算法；通过改进的混合蛙跳算法求解调度模型优化问题，在交货期之前完成零件加工的前提下，得出最小化加工能耗时所有零件在SLM不相同并行机上的调度方案。2.根据权利要求1所述的考虑能耗的增材制造SLM不相同并行机调度方法，其特征在于，按如下方法建立调度问题的数学模型：在增材制造SLM加工过程中，作业j在机器m上的加工时间tu
mj
为：tu
mj
＝ts
m
+tf
mj
+tr
mj
+tc
m
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，tf
mj
＝(maxH
ji
)
·
th
m
为作业j在机器m上的粉末分层时间，为作业j在第m台机器上的金属粉末熔化时间；作业j在机器m上完工时间T
mj
表示为：T
mj
＝T
m(j
‑
1)
+tu
mj T
m0
＝0
ꢀꢀꢀꢀ
(2)每个作业在机器上的能耗主要包括准备阶段能耗、铺粉阶段能耗和粉末熔化阶段能耗，由于准备阶段能耗与工艺参数以及所加工的零件无关，故在此不考虑；第m台SLM机器的总铺粉时间TP
m
表示为：因此，第m台SLM机器的铺粉阶段的能耗EP
m
为：EP
m
＝PL
m
·
TP
m
ꢀꢀꢀꢀ
(4)第m台SLM机器的总粉末熔化时间TM
m
表示为：因此，第m台SLM机器的粉末熔化阶段的能耗EM
m
为：EM
m
＝PJ
m
·
TM
m
ꢀꢀꢀꢀ
(6)所以，总的能耗E为：在SLM机器上加工作业时，在加工过程中不能将某个零件单独取出，必须等整个作业完成加工之后才能取出整个作业的零件，所以同一个作业内所有零件具有同一个完工时间，零件的完工时间T
i
为：T
i
＝T
mj
·
X
ji
·
Y
mj
ꢀꢀꢀꢀ
(8)以最小化总加工能耗为优化目标，建立增材制造SLM不相同并行机调度问题的模型如下：min E
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
h
is
·
X
ji
·
Y
mj
·
Z
is
≤H
m
ꢀꢀꢀꢀ
(14)D
i
‑
T
i
≥0
ꢀꢀꢀꢀ
(15)式(9)表示最小化所有零件的总加工能耗的目标函数；式(10)表示一个零件最多只安排在一个作业中；式(11)表示分配到作业中加工的零件只选择一个加工方向；式(12)表示每个作业只被加工一次；式(13)表示在机器m上加工的作业j内的零件总投影面积不超过机器m的成型空间面积；式(14)表示在机器m上加工的作业j内的零件高度不超过机器m的成型空间高度；式(15)表示零件的完工时间小于交货期；上述式子中，i表示第i个零件，i＝1,...,n；j表示第j个作业，j＝1,...,l；m表示第m台AM机器，m＝1,...z；S
is
表示第i个零件的第s个备选加工方向，s＝1,...,r；h
is
表示第i个零件在第s个备选加工方向的情况下的高度；a
is
表示第i个零件在第s个备选加工方向的情况下在生产区域的投影面积；v
i
表示第i个零件的体积；A
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄彬，李文广，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：