[发明专利]考虑零件构建方向的激光选区熔化不相同并行机调度方法

权利要求书

1.一种考虑零件构建方向的激光选区熔化不相同并行机调度方法，其特征在于，考虑包括零件的构建方向、交货期以及不同机器的不同加工区域面积和高度的因素，以最小化所有零件的总加工成本为优化目标，提出面向激光选区熔化工艺的增材制造不相同并行机调度模型；并且结合增材制造调度问题解空间分布离散的特点，对基本混合蛙跳算法的种群初始化和进化方法进行改进，保证零件在交货期之前完成加工的情况下，得出所有零件在增材制造不相同并行机上的作业安排和加工顺序；

所述面向激光选区熔化工艺的增材制造不相同并行机调度模型的构建过程如下：

设有m(m≥2)台不相同的增材制造机器并行的对零件进行加工，将不同订单中的零件进行统一编号，且每个零件都有至少一种备选构建方向可供选择，将同时在同一台增材制造机器上进行加工的零件定义为作业；加工时考虑作业中零件的高度和质量要求对零件进行粉末分层处理，然后使用高能量激光束将金属粉末熔化成形，加工完成后需要将作业中加工好的零件拆卸、清洗和分类包装；

因此，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

上式中，ts_m为机器设置准备时间，tf_mj＝(maxH_ji)·th_m为作业j在机器m上的粉末分层时间，th_m为机器m单位高度的分层时间，H_ji为第j个作业内零件i的高度，为作业j在机器m上的金属粉末熔化时间，v_i为第i个零件的材料体积，tv_m为机器m单位体积材料的加工时间，tc_m为机器m清洗和处理作业的时间；

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

机器m的总运行时间TZ_m表示为：

上式中，

每个作业在机器上的加工成本包括机器运行成本、金属粉末材料成本、由惰性气体构造的加工环境成本和人工成本，一台机器上有多个作业，由此可得总加工成本C表示为：

上式中，CT_m为机器m单位时间机器的运行成本，CG_m为机器m单位时间惰性气体的成本，CU为单位体积金属粉末材料成本，CP为单位时间的人工成本，其中z表示机器m的数量，m∈(1,…,z)，l表示作业j的数量，j∈(1,…,l)，n表示零件i的数量，i∈(1,…,n)；

每一个作业在机器上加工时，作业未完成加工不能将作业内加工好的零件取出，必须等到整个作业加工完才能取出零件，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

以最小化总加工成本为优化目标，建立金属零件构建方向的增材制造并行机调度问题模型：

minC

s.t.

h_is·X_ji·Y_mj·Z_is≤H_m

D_i-T_i≥0

minC表示极小化所有作业零件的总加工成本的目标函数；表示一个零件最多只能安排在一个作业中，其中l表示作业j的数量，j∈(1,…,l)，n表示零件i的数量，i∈(1,…,n)；表示分配到作业中加工的零件只能选择一个构建方向，其中r表示备选构建方向s的数量，s∈(1,…,r)；表示每个作业只能被加工一次，且不能重复加工，其中z表示机器m的数量，m∈(1,…,z)，l表示作业j的数量，j∈(1,…,l)；表示在机器m上加工的作业j内的零件总投影面积不能超过机器m的成型空间面积，其中n表示零件i的数量，i∈(1,…,n)，a_is为第i个零件在第s个备选构建方向的情况下在生产区域的投影面积，A_m为机器m的成型空间面积；h_is·X_ji·Y_mj·Z_is≤H_m表示在机器m上加工的作业j内的零件高度不能超过机器m的成型空间高度，h_is为第i个零件在第s个备选构建方向的情况下的高度，H_m为机器m的成型空间高度；D_i-T_i≥0表示零件的完工时间要小于交货期，D_i为第i个零件的交货期；

所述结合增材制造调度问题解空间分布离散的特点，对基本混合蛙跳算法的种群初始化和进化方法进行改进的过程如下：

(1)改进编码和解码方式

在考虑有多个零件的零件集在不相同并行增材制造机器上加工问题时，由于零件自身带有包括构建方向、构建方向对应的高度、构建方向对应的投影面积、零件体积和交货期的参数，在使用混合蛙跳算法进行求解的时候，为了让算法的解能更直观的看出各种参数，设计一种利用整数互相联合进行编码和解码的方法；由于在混合蛙跳算法中，每一只青蛙就是一个解，在这个编码和解码方法的表示下，每一个青蛙可以表示为：

其中a_i是1～n之间的整数，是零件的序号，表示第a_i个零件处于加工顺序的第i个位置，b_i表示第i个零件对应的构建方向编号，c_i表示第i个零件所选择的构建方向对应的高度，d_i表示第i个零件所选择的构建方向所对应的投影面积，e_i表示第i个零件对应的体积大小，f_i表示第i个零件对应的交货期时间，g_i表示零件组合成作业的方法，h_i表示零件合成的作业在机器上的分配方案；

(2)改进的初始种群和进化机制

对混合蛙跳算法的种群初始化进行改进，在对种群初始化时，增加一个比较判断机制，在生成新种群的时候，对生成的个体进行比较判断，如果存在相同的个体，则生成一个新的个体，将相同的个体其中一个替换，这样使得种群初始化时不会存在相同的个体，使得初始种群分布广且均匀，进而提高初始种群的多样性及其在搜索空间的分布质量；

为了增强混合蛙跳算法跳出局部最优的能力，增加一个更新淘汰机制，在每次进行完一次迭代之后，将整个种群按照适应度的优劣重新排序，然后将适应度值较差的90％的个体淘汰，并生产新的个体替代淘汰的个体，然后再对整个种群根据适应度进行排序，进入下一次迭代，在增加种群淘汰更新机制后，混合蛙跳算法跳出局部最优的能力以及寻优的能力得到增强。