自动化车床管理的数学建模问题

-.z.题目：自动化车床管理的数学建模问题摘要本文讨论了自动化车床连续加工零件的工序定期检查和刀具更换的最优策略。我们根据原始数据利用E*CEL软件进展统计分析，得出刀具正常工作时长的函数，建立了以期望损失费用为目标函数的数学模型。问题一，我们假设所有的检查为等间距，以检查到的零件是否为次品来判定工序是否正常，假设一直未出现故障则当加工到定期换刀时刻就换刀，利用概率论的相关知识，求出一个周期内的期望损失费用和期望零件个数，建立了以零件的期望损失费为目标函数的随机优化模型，求解得检查间隔，换刀间隔，每个零件的期望损失费用。问题二，不管工序是否正常都有可能出现正品和次品，在问题一的根底上调整了检查间隔中的不合格品所带来的损失费用，同时加上了因误检停机而产生的费用，求出期望损失费用和期望零件个数，建立了以每个零件的期望损失费用为目标函数的随机优化模型，求解得出检查间，换刀间隔，每个零件的期望损失费用。问题三，在问题二的根底上将工序正常工作的时间长由开场的近似等于刀具无故障工作的时间长，改良为刀具无故障工作时间长的95%，其它的故障近似服从均匀分布，求出一个周期内的期望损失费用和零件个数，建立了以每个零件的期望损失费用为目标的随机优化模型，求解得出检查间，换刀间隔，期望损失费用。关键词：自动化车床管理检查间隔换刀间隔-.z.一、问题重述一道工序用自动化车床连续加工*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90%，其他故障仅占10%。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确定工序是否出现故障。现积累有150次刀具故障记录，故障出现时该刀具完成的零件数如附件表。现方案在刀具加工一定件数后定期更换新刀具。生产工序的费用参数如下：故障时产出的零件损失费用f=300元/件；进展检查的费用t=20元/次；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〕；未发现故障时更换一把新刀具的费用k=1200元/次。1〕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。2〕如果该工序正常时产出的零件不全是合格品，有1%为不合格品；而工序故障时产出的零件有25%为合格品，75%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。3〕在〔2〕的情况，可否改良检查方式获得更高的效益。附：150次刀具故障记录〔完成的零件数〕311460975463708666398771532474538740651458407420467207457337759488509486539218715509647565314613530578599319574647730481597589628132316601484440372477497591243587172668865362678382389673749836468384548643563526749487417649570214527308553743747619656525372607620726379605280586763851653492528607590590779576651249560723927449644325619734320599754433521971175582549549375802256557529678567656627502708531503452677524539212309573673398408592447463415594二、问题分析由题**息可知，由于刀具损坏等原因会使工序出现故障,工序出现故障完全是随机的，即在生产任意一个零件时都有可能发生故障。工作人员通过检查零件来确定工序是否出现故障,如果检查过于频繁,则工序就会经常处于正常状态而少生产出不合格品,然而,这将使检查费用过高;检查间隔过长,虽然可以减少检查费用,但由于不能及时发现故障而可能导致大量不合格品出现,必将提高每个零件的平均损失费用。根据题目信息，刀具加工一定件数的零件后将定期更新刀具，从而我们可以通过确定最正确检查间隔和换刀间隔来减少损失。2.1对问题一的分析根据题目要求，我们假定所有的检查都为等间隔检查，因为未发生故障时生产的零件都是合格品，所以当发现零件不合格时就认为工序发生了故障，从而停机检查并使其恢复正常。假设一直未发生故障，则当加工到定期更换刀具时刻，不管是否发生了故障都进展换刀。计算平均费用可分为两种情况：〔1〕在换刀之前未发生故障，记平均损失费用为，〔2〕在换刀之前发生了故障，记平均损失费用为。然后以每个零件的期望损失费用为目标函数，运用MATLAB等软件进展编程求解使其最小。2.2对问题二的分析根据题目中所给的条件，我们还是假定所有的检查都为等间隔检查，因为未发生故障时次品率为1%，发生故障时的正品率为25%，所以不能单凭是否检查到次品来判定工序是否正常，在工序正常时有可能误判，这样就会产生误检停机费用，计算平均费用分为两种情况：〔1〕在换刀之前未发生故障，损失费用记为，〔2〕在换刀之前发生了故障，损失费用记为，然后以每个零件的期望损失费用为目标函数，运用MATLAB软件等进展编程求解使其最小。2.3对问题三的分析在实际情况下，在工序过程中，各个时间发生故障的概率是不同的，而第二问采取的等间隔检查就在一定程度上浪费了这个条件，而且在第二问中误检，漏检的概率比拟大，因此我们针对这两点采取改良措施：非等距检查，连续检查法。三、模型假设(1)检查时间和换刀时间忽略不计；(2)所有的故障都为刀具故障；(3)刀具故障服从正态分布：(4)每次只抽查一个零件检查；(5)为整数，即(6)一道工序只需要一把刀具；四、变量说明：每件不合格品的损失费用；：每次检查的费用；：发现故障进展调节使恢复正常的平均费用；：未发现故障时更换一把新刀具的费用；：平均检查间隔；：定期换刀间隔；：一个周期内的实际检查次数；：工序正常而误认有故障停机产生的损失费用；：每个零件的期望损失费用；：刀具寿命的概率密度函数；：出现故障时已经生产的零件个数；：一个周期内的期望损失总费用；：期望零件个数；：一个周期内的最多检查次数：在定期换刀之前未发生故障的损失费用：在定期换刀之前发生故障的损失费用五、模型建立与求解5.1数据处理5.1.1刀具正常工作的时间长的概率密度函数题中附录给出了150次刀具故障的记录，我们利用了E*CEL软件对这些数据进展了相关的统计分析。我们采用了假设检验下的NPar检验来对其进展正态分布的检验，在显著性水平时，发现刀具故障服从正态分布，其中。由此可知概率密度函数图下面我们对正态分布进展检验：卡方检验是一种用途很广的计数资料的假设检验方法。它属于非参数检验的范畴，主要是比拟两个及两个以上样本率(构成比〕以及两个分类变量的关联性分析。其根本思想就是在于比拟理论频数和实际频数的吻合程度或拟合优度问题。利用拟合检验法进展检验，我们用刀具寿命的最大值减去最小值，取70为区间长度，将其分成了12个区间，分别算它们的频数，其中由于最后两个区间的频数都为3，根据检验的原则，我们将它们合并为一个区间，再计算各数值在区间出现的概率，其中n=70,得到表1所示数据：表1：各区间内数据区间频数130.5~200.5391.954.62200.5~270.57494.6910.45270.5~340.5101009.1010.99340.5~410.51214415.549.27410.5~480.51728921.6913.32480.5~550.52772924.6729.55550.5~620.53196124.6039.06620.5~690.51936120.0018.05690.5~760.51419613.5514.46760.5~830.54167.522.13830.5~900.5392.513.58900.5~975.5392.663.38在显著性水平下，结果如下：，因为，在可承受区间内，故服从正态分布。5.1.2刀具更换间隔在定期更换刀具之前，我们采用了等间距检查的方式对零件进展检查，假设出现故障则进展调节使其恢复正常，假设没有检查出故障，则到了定期更换刀具时刻进展换刀，为了简化模型，我们假定在正常换刀之安康前进展的是整数次检查，即。5.2模型一的建立与求解5.2.1模型一的建立如果在换刀之前未发生故障，则损失包括两局部：〔1〕检查费用；〔2〕更换刀具费用；则此种情况下总的损失为；如果在换刀之前发生了故障，此时实际检查次数为，假设前次检查生产的都是正品，个数为，则次品的个数为，此时损失包括三局部：〔1〕检查费用为；〔2〕发现故障进展调节使恢复正常的费用；〔3〕损失费用；则此种情况下总的损失费用为期望损失为：期望零件个数：每个零件的期望损失费用：即，要使期望损失费用到达最低，则等价于求最正确的，使到达最小。5.2.2模型一的求解利用MATLAB对上述模型进展求解，可得到，，。即每生产31个零件检查一次，生产248个零件后进展定期换刀，每个零件的期望损失费用为7.3693。5.3模型二的建立与求解5.3.1模型二的建立如果在换刀之前未发生故障，则在换刀时刻已经生产的零件个数为，根据题中的信息，这些零件中的废品率为1%，则损失费用包括四局部：〔1〕检查费用：；〔2〕误检停机费用：；〔3〕正常工作时的次品损失费用：；〔4〕更换刀具费用：；则此种情况下总的损失费用为：如果在换刀之前已经发生故障，假设第次检查出故障，则此时已经生产的零件个数为：，前次检查都是正常工作的，未发生故障时生产的零件个数为，发生故障后生产的零件个数为：，根据题**息，我们可知，正常工作时次品率为1%，发生故障时次品率为75%，则损失费用包括五局部：〔1〕检查费用：；〔2〕误检停机费用：；〔3〕正常工作时的次品损失费用：；〔4〕发现故障进展调节使恢复正常的费用；〔5〕发生故障后次品的损失费用：则此种情况下总的损失费用为：期望损失为：期望零件个数：每个零件的期望损失费用：即，要使平均损失费用到达最低，则等价于求最正确的，使到达最小。5.3.2模型二的求解利用MATLAB对上述模型进展求解，可得到，，。即每生产40个零件检查一次，生产240个零件后进展定期换刀，每个零件的期望损失费用为10.779。5.4模型三的建立与求解5.4.1模型三的建立在实际情况下，在工序过程中，各个时间发生故障的概率是不同的，而第二问采取的等间隔检查就在一定程度上浪费了这个条件，而且在第二问中误检，漏检的概率比拟大，因此我们针对这两点采取改良措施：非等距检查，连续检查法。非等距检查如上图所示，假设每个周期内需要检查n次，我们根据概率密度曲线，把无故障换刀点之前的面积平分成n份，S1=S2=……Sn即可以求得每个检查点的位置，每两个检查点发生故障的概率就趋于平均。能大大提高检查效率。连续检查法连续检查法是为了减少误差和漏检的概率，连续检查法描述如下：一次性检查两个零件1、假设两个零件都为合格品，则判断无故障2、假设两个零件都为不合格品，则判断故障3、假设两个零件，一个为合格品，一个为不合格品，则再检查一个零件，根据第三个零件进展判断。根据上面检查法，我们分别计算在这种检查法的情况下误检与漏检的概率P与期望检查的费用Q误检：误检发生在正常工序阶段，在上面的检查法中，只有2和3的情况会发生误检。P2=0.01*0.01=0.0001P3=2*0.01*0.99*0.01=0.000198P(1)=P2+P3=0.000298Q(1)=〔0.01*0.01+0.99*0.99〕*25+2*0.01*0.99*75=25.99漏检：漏检发生在故障工序阶段，在上面的检查法中只有1和3才会发生漏检P1=0.25*0.25=0.0625P3=2*0.25*0.75*0.25=0.09375P(2)=P1+P3=0.15625Q(2)=(0.25*0.25+0.75*0.75)*25+2*0.25*0.75*75=43.75采用这种连续检查法，我们发现漏检和误检的概率大大降低，L期望损失与模型二比拟明显变小，到达了理想的结果。假设此时工序正常工作的时间长的概率密度函数为，则根据模型二中的相关知识，建立的模型如下：如果在换刀之前未发生故障，则在换刀时刻已经生产的零件个数为，根据题中的信息，这些零件中的废品率为1%，则损失费用包括四局部：〔1〕检查费用：；〔2〕误检停机费用：〔3〕正常工作时的次品损失费用：；〔4〕更换刀具费用：；则此种情况下总的损失费用为：如果在换刀之前已经发生故障，假设第次检查出故障，则此时已经生产的零件个数为：，前次检查都是正常工作的，未发生故障时生产的零件个数为，发生故障后生产的零件个数为：，根据题**息，我们可知，正常工作时次品率为0.000298，发生故障时次品率为0.84375，则损失费用包括五局部：〔1〕检查费用：；〔2〕误检停机费用：；〔3〕正常工作时的次品损失费用：；〔4〕发现故障进展调节使恢复正常的费用；〔5〕发生故障后次品的损失费用：[(n+1)*t0-*]*f*0.84375则此种情况下总的损失费用为：Ln=(n+1)*t0+h*n*0.000298+**f*0.000298+d+[(n+1)*t0-*]*f*0.84375期望损失为：期望零件个数：期望损失费用：即，要使平均损失费用到达最低，则等价于求最正确的，使到达最小。5.4.2模型三的求解利用MATLAB对上述模型进展求解，可得到，，。即每生产41个零件检查一次，生产246个零件后进展定期换刀，期望损失费用为7.9118。采用这种连续检查法，漏检和误检的概率大大降低，L期望损失与模型二比拟明显变小，到达了理想的结果。三种模型比拟模型一模型二模型三t0(检查间隔)312798.5169t1(换刀周期)4527013.3740L〔期望损失〕452709.6568六、结果分析6.1模型一的评价此模型采用了等间隔检查的方式，简化了模型，其中对损失费用分两种情况讨论，简单明了，易于理解。将求解最正确检查间隔和换刀间隔转化求解最小期望损失费用，使模型的目标性更强。但此模型为等间隔检查，在两次检查中次品率可能会很高，这样次品损失费用就会增加。6.2模型二的评价此模型考虑了工序正常工作和工序出现故障时产生的次品率，利用概率的相关知识，对模型简化，最后将求解最正确检查间隔和换刀间隔转化求解最小期望损失费用，使模型的目标性更强。但模型考虑的是等间隔检查，当发现次品时就停机检查，误检停机费用会增加，发现正品时就继续生产，次品损失费会增加。6.3模型三的评价此模型考虑到了等间隔检查的方式并不合理，因为在工序过程中，各个时间发生故障的概率是不同的，所以应该采取非等间隔方式，大致是"前疏后密〞，考虑到第二问中误检，漏检的概率比拟大，所以采用连续检查法，降低误检率和漏检率，进而减小期望损失。6.4模型的优点1、本文建模思想易于理解，模型操作性强；2、对零件的检查采取了等间隔抽查，简化了模型，使模型便于建立和求解；3、将每个零件的平均损失费用作为目标函数，建立了评估体系，既有利于求出模型的最优解，又比拟符合实际生产中企业取舍方案的标准；6.5模型的缺点1、我们没有对模型进展模拟仿真：2、在模型一和模型二中，我们忽略了其他导致故障发生的原因，只考虑了刀具故障。6.6模型的改良对于问题二,由于工序正常时产出的零件仍有1%为不合格品,而工序故障时产生的灵件有25%为合格品,这样工作人员在通过定期检查单个零件来确定工序是否出现故障的检查方式必然会导致两种误判〔1〕正常工序时因检查到不合格零件而误认为出现故障；〔2〕工序发生故障后检查到的仍是合格品而认为工序正常,这两种情况都将造成很大损失.我们建议采取连续检查方式，分为以下几种情况：〔1〕连续两次检查都为正品时，我们认为工序正常，继续生产；〔2〕连续两次检查都为次品时，我们认为工序发生故障，进展维修使其恢复正〔3〕常后再生产；〔4〕连续两次检查中一次为正品，另一次为次品时，继续第三次检查，再进展判断；这样虽然会相应地增加检查费用,但大大降低了因误检而造成的损失,从而使系统工序获得更高的效益.七、参考文献[1]盛骤谢式千"概率论与数理统计"高等教育.[2]蔡俊"可靠性工程学"**科学技术.[3]沈玉波冯敬海"可修系统的最优检测更新模型""数学的实践与认识"[4]朱道元"数学建模案例精选"科学[5]戴朝寿*世良"数学建模简明教程"高等教育[6]楼顺天陈生潭雷虎明"MATLAB5.*程序设计语言"**电子科技大学[7]宋来忠王志明"数学建模与实验"科学八、附录模型一求解的MATLAB源代码：k=1;fora=132:540forb=1:a-1ifmod(a,b)==0;p=normcdf(a,540,163.9814);c=1200+a/b*20;d=0;fori=1:a/b+1q=normcdf(i*b,540,163.9814)-normcdf((i-1)*b,540,163.9814);d=d+(i*20+3000+q*b*300);ende(k)=(c*(1-p)+q*d)/a;f(k)=(c*(1-p)+q*d);g(k)=a;h(k)=b;k=k+1;endendend[zn]=min(e(1:k-1))g(n),h(n)附录一>>k=1;fora=132:540forb=1:a-1ifmod(a,b)==0;p=normcdf(a,540,163.9814);c=1200+a/b*20;d=0;fori=1:a/b+1q=normcdf(i*b,540,163.9814)-normcdf((i-1)*b,540,163.9814);d=d+(i*20+3000+q*b*300);ende(k)=(c*(1-p)+q*d)/a;f(k)=(c*(1-p)+q*d);g(k)=a;h(k)=b;k=k+1;endendend[zn]=min(e(1:k-1))g(n),h(n)z=7.3693n=