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1、1 前言1.1 本文研究的背景随着人们对塑钢门窗研究的深入以及人们环保意识的提高，塑钢门窗在现代化建筑中起着越来越重要的作用，同时其在保温节能性，气密性，水密性，抗风压性，隔音性，耐腐蚀性，耐候性以及防火绝缘性等方面的优越表现也越来越得到人们的认可，从而也带动了塑钢门窗行业的发展。塑钢门窗的组装加工涉及到多种加工工艺和加工设备，由于我国塑钢门窗还处于发展阶段，塑钢门窗的组装生产多为单机、手动或半自动式小规模加工生产，自动化程度不高，生产效率比较低，而且在生产的过程中不能充分利用原材料，存在这严重的材料浪费或者是材料利用不合理的现象，在塑钢门窗生产的过程中没有严格的规范制度和车间管理措施，这样很
2、难使生产效率得到提高，增强企业的市场竞争能力。本课题就是在这些问题的基础上提出来的，分别从型材的排料优化、组装生产自动化和现场管理等方面对塑钢门窗的整个组装生产周期进行优化。以期可以达到降低生产成本，提高生产效率的目的。1.2 本文研究内容的国内外研究现状塑钢门窗是上世纪50年代始自于德国开始发展起来的产品。在解决了原料配方、门窗设计、型材挤出工艺技术及设备、门窗组装技术及设备、五金件和配套材料等一系列问题后，逐渐开始在西方发达国家推广应用。我国的塑钢门窗行业是上世纪80年代在引进国外技术、设备的基础上发展起来的。引进初期也走了一段弯路，即过分强调适应当时的市场消费能力，降低造价。在上世纪80
3、年代后期开始生产门窗组装设备，90年代初又逐渐形成了塑钢门窗异型材挤出机械和模具的生产能力。目前塑钢的生产工艺主要包括：切割、铣槽、装加强筋、嵌密封条、焊接、清角、装五金件等工序。在目前我国的生产能力下，组装生产过程多为单机、手工或半自动机械加工，用到的加工机器主要有锯切类设备：双角锯、V形锯、玻璃压条切割锯等，铣削类设备：仿形铣床、锁孔槽加工机、自动四轴水槽铣床等，焊接类设备：直线布置焊接机、平面布置焊接机、三点焊接机、四角焊接机等，清角类设备：手提清角机、内外角铣、数控角缝清理机等。为了提高工作效率，提高生产的自动化层度，塑钢生产加工中心已经得到广泛的应用。主要包括锯切铣削加工中心和焊接清
4、角自动线。锯切铣削加工中心主要用于塑料门窗型材孔槽的加工及45定尺切割。计算机辅助设计得到门窗加工工艺数据后，经磁盘或电缆光缆送入锯切铣削加工中心的电脑，锯切铣削加工中心采用数控系统驱动机械手加持型材，将型材按线性优化的结果和顺序送入铣削加工工位及锯切工位，锯切中心和铣削加工中心按照工艺文件数据，分别完成型材在没有加衬增强型钢前的各种槽孔（包括排水槽、气压平衡槽、锁孔、滑轮孔等）的铣削加工及型材45定尺切断与90V形口的切割。然后，出料机构将切过的料送出工作台，并横向集中：并由打印机打出标识，待人工将标识贴到型材上以便下面工序机器识别。该机具有集锯、铣于一身的功能，加工效率高；并采用型材优化设
5、计，提高材料利用率：数控系统可补偿综合机械误差，加工精度高，适用于规模较大、技术要求较高的门窗生产。塑料门窗焊接清角自动线由数控四角焊接机、出料机构、输送机构、及数控清角机组成。焊接清角自动线根据中心计算机提供的加工任务数据，并经人工或自动)对上工位转来型材进行识别而获得型材规格及窗型尺寸数据信息后，数控四角焊接机自动执行尺寸数据并进行焊接。焊接后，焊接成品由出料机构送出焊接工位，并由输送机构送至清角机加工区，清角机拨料机构及移料机械手将窗角定位，并根据送来的型材规格信息，清角机调用相应程序自动对窗角进行清理，之后，拨料机构及机械手自动转换下个待清窗角，全部四个窗角清理后，焊接成品被拖出加工区
6、。焊接清角自动线具有较高的智能化及自动化程度，适合于多品种、大规模生产，是未来塑料门窗组装厂设备配置的发展方向。1.3 本文研究的目的与意义随着社会生产力的提高，在机械化、低成本、高效率的大生产时代，塑钢门窗的手工或半自动化加工不符合未来组装生产加工的发展趋势，在现有生产力的基础上寻找在降低生产成本、提高生产效率等方面的优化方法对于增强企业的竞争力具有重要的意义， 1.3.1 本文研究的目的在塑钢门窗的组装生产加工中，存在着自动化程度不高，生产效率比较低等问题，而且在型材的锯切过程中不能充分利用原材料，存在这严重的材料浪费或者是材料利用不合理的现象，在塑钢门窗生产的过程中没有严格的规范制度和车
7、间管理措施，这样很难使生产效率得到提高，增强企业的市场竞争能力。本课题通过对塑钢门窗组装加工过程中的工艺分析，从型材下料的优化设计、塑钢门窗组装生产的自动化生产流水线、塑钢门窗生产车间的现场管理和质量检测等方面对生产过程中存在的问题进行优化设计，以期可以降低生产成本，提高加工效率。1.3.2 本文研究的意义主型材的下料是塑钢门窗组装生产中的第一步，其锯切质量和精度直接影响到门窗的焊接质量和焊接强度，是塑钢门窗生产中重要的一步。对于降低生产成本具有重要意义。利用中心计算机统一调控各种加工设备，使它们依次协调配合，同时在需要型材进给和搬用的环节加装机械手，就可以实现整条生产线的全自动运行，这对于提
8、高企业的生产效率具有重要意义。将5S进入到塑钢门窗的生产车间对于优化工作环境，增强工人工作的舒适度，提高工人的工作热情具有重要的意义。2 塑钢型材的下料优化在塑钢门窗的组装生产流水线中，第一道工序就是主型材的下料工序，即将6m长的主型材进行定尺寸、定角度的切割。由于在现实的组装生产过程中，往往是一次要锯切出很多长度不等的型材零件，以供组装各种设计样式的门窗，由于每根塑钢零件的长度不等，就会有很多种下料方案，而在这其中，必然存在这一种下料方案可以使型材消耗的最少。因此，在型材切割之前我们首先要考虑到的问题就是型材应该怎么锯切才能在满足用料需求的前提下，锯切的主型材的根数最少。当今生产竞争激烈，在
9、组织生产的过程中，我们不仅要考虑提高机器的生产效率来提高生产力，而且也要充分的考虑到合理利用现有的资源，塑钢型材的下料优化讨论的就是寻找提高型材利用率的合理的锯切方法。塑钢型材的下料优化问题实际上是线性规划求最优解的问题，我们可以将实际生产中下料的原则和方法归纳总结出来，通过建立数学模型，将线性规划的目标函数和约束条件表示出来，然后进行求解，得到的就是最优解，这就是塑钢型材下料优化求解的思路。2.1 下料优化数学模型的建立建立下料优化的数学模型的时候我们考虑目标函数主要有两种情况，即令型材消耗的总根数最少和余料的总长度最少两种目标函数，现规定以下参数的意义： 标准原料的长度 一个工程中需要种不
10、同长度的料 第种料的长度 第种料需要的数目一根标准原料能放样下料的总方式，. 第种方案中每根原料放样出来的零件数目第种方案剩料的长度第种下料方案被采用的次数则在下料的过程中，会满足如下关系： 型材消耗总根数最少为目标函数时的数学模型为： 模型A s.t.，余料总长最少为目标函数时的数学模型为：模型B s.t.下面我们将就这两种模型的优劣进行讨论，以获得能够正确描述型材优化下料的数学模型。为了便于比较，引入松弛变量（i=1,2，m）表示切割出来的长度为的毛坯总根数超过需求量的剩余根数。并将原材料的消耗根数转化为总长度：去掉常数项可得如下以原材料消耗总长度为目标函数的数学模型：模型C s.t. 将
11、模型B和模型C比较不难看出，模型B的约束条件对其目标函数没有约束作用，它不能保证用料最省。由于模型B的约束条件为，引入松弛变量后，约束条件等价于模型C的约束条件。但是在模型B的目标函数中没有这一项，因此余料总长度最少不能保证原材料消耗的总长度最少。当有某种下料方式恰好不留余料时，这种下料方式被采用的次数不影响目标函数的值，但是增加该下料方式被采用的次数必然会增加原材料的耗用根数。所以模型B不是一种合适的模型，因此，以模型B的目标函数进行求解得到的不是最优方案。同时也可以得出模型A与模型C等价，因此以模型A为型材优化下料的数学模型，求得的解就是最优解。2.2 求线性规划的最优解型材优化下料的数学
12、模型建立以后，下一步就是利用运筹学中的解线性优化问题的方法进行求最优解，其方法主要是单纯形法，即利用单纯形表通过逐步迭代进行求解。2.2.1 所有排料方案一根标准长度的型材上零件的下料方法主要有两种，即单一零件下料法和混合下料法。单一零件下料法就是在给定的零件型材上切割出多个相同规格的毛坯。仅当型材的长度与毛坯尺寸存在整数倍关系或长度得当时，型材的下料利用率才比较高，一般在50-100之间波动。工业生产中一般都采用混合下料法，即在给定的型材上同时切割出多种零件毛坯的混合下料法，通过套裁可以减少余料，提高材料的利用率。同样，利用线性规划求最优的下料方式也是建立在型材的混合下料方式上的。 混合下料
13、方式的确定是决策下料方案的前提，在一根长为的型材上切割出种毛坯的个数分别是,，则应满足的关系： 即用料长度小于型材长度，残料长度小于最短的零件毛坯的长度。在建模求解的过程中，若某种下料方式的余料太多，一般便认为这样的下料方式是不好的，应该舍弃，可是事实上，对于合理下料问题所列的各种下料方式都是合理的下料方式，由于存在搭配的问题，因而随意删除所谓“不好”的下料方式可能会造成错误。一个简单的例子，如下： 在一个工程中需要50m的钢筋3根，20m的11根，标准钢筋长度为100m，下料方式如表1.1所示，求最优的下料方式？表2.1 钢筋的下料方式下料规格下料方式需求量1235021032002511余
14、料0100明显可以从表中的数据得出最优的下料方案为第二种下料方式用3根，第三种下料方式用1根，共需四根型材。由于第二种下料方式较第一、三种下料方式存在着余料过多的缺点，若直接将第二种下料方式去掉的话，该问题的最优解就变成了第一种下料方式用两根，第二种下料方式用三根，共需5根型材，比第一种下料方式多用一根型材，由此可见，只有从全部的下料方式中决策出来的下料方案才是最优的，如果只是挑选部分下料利用率高的下料方式，决策出来的下料方案往往不是最优的。同时，我们还可以得到另外一个重要的信息，就是要确定型材下料的最优方案，必须先确定出切割零件毛坯的全部下料方式作为决策变量和形成约束方程的结构系数。可是在实
15、际生产过程中，会需要很多种规格的毛坯料，而且只要满足关系式：即是一种合理的下料方式，2.2.2 单纯形法求下料方案的最优解对下料方案最优解的求解主要思路是运筹学中的单纯形法进行线性规划的求解。其基本思路是：先找出一个基可行解，判断其是否为最优解，如为否，则转换到相邻的基可行解，并使目标函数值不断增大，一直到找到最优解为止。求解的具体过程如下所述。（1） 确定初始基可行解对于标准型的线性规划问题 max z = =b (1) （j=1,n） (2)在线性约束条件式（1）的变量的系数矩阵中总存在一个单位矩阵 (, ) = (3)当线性规划的约束条件均为号时，其松弛变量，系数矩阵即为单位矩阵，对于约束条件是或的情况，为了便于找到初始基可行解，可以构造人工变量，人为产生一个单位矩阵。 式（3）中
