（机械电子工程专业论文）可重构fms控制系统及仿真软件的研究与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 1 7 9 y z 摘要 ：可重构制造系统是当代制造业的新发展方向之一，由于它具有对市 场变化快速反应的能力，越来越受到科研机构和生产企业的重视。 本文以南航c i d s 实验室f m s 训练系统运行控制系统的开发为背景， 阐述了f m s 的基本概念和理论，着重分析了f m s 计算机通信、生产调度、 生产管理以及运控系统的构成和实现，并详细论述了f m s 可重构的概念， 以及其实现过程中所用到的动态数据交换的基本原理和应用。本文将结 合实例，对于在w i n d o w s 环境下可重构f m s 运控软件和仿真软件的总体 框架和实现方案进行具体说明。同时，对于开发过程中所涉及到的数据 采集技术和计算机动画仿真技术也作了简要的介绍。 关键词：f m s 、重构、动态数据交换、运行控制系统、仿真 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 a b s t r a c t r e c o n f i g u r a t i o n i so n eo ft h en e w d e v e l o p m e n t s o ft h ec o n t e m p o r a r y m a n u f a c t u r i n g t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h eb a s i cc o n c e p ta n dt h e t h e o r i e so ff m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s m m ) a n de m p h a s i z e so n n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ，p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，p r o d u c t i o nm o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mo f f m s t h ep a p e ra l s o e x p l o r e sh o w t om a k eu s eo f d d e ( d y n a m i cd a t a e x c h a n g e ) p r i n c i p l e t or e a l i z et h er e a lt i m ed a t a e x c h a n g ea m o n g a p p l i c a t i o n su n d e r w i n d o w sa n dh o wt oc o n s t r u c ta r e c o n f i g u r a b l ef m s f i n a l l y ，t a k i n gf m st e a c h i n gs y s t e m i nc i m sr e s e a r c hc e n t e ro f n u a aa sa ne x a m p l e ，t h ep a p e re l a b o r a t e sh o wt od e v e l o pi t sc o n t r o l s y s t e ma n d s i m u l a i o ns o f t w a r e d a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a r e a l s oi n t r o d u c e di nt h ep a p e r k e y w o r d ：f m s ，r e c o n f l g u 豫t i o n ，d d e ，c o n t r o ls y s t e m ，s i m u l a t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 计算机集成制造 第一章绪论 c t m 是“c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ”的英文缩写，中文可译为“计 算机集成制造”，也可译为“计算机综合制造”，是i 9 7 4 年美国约瑟夫哈林顿博士 针对企业面临的市场竞争形势而提出来的组织生产的一种哲理，它体现了一种思想， 代表着当今先进制造技术的发展趋势。按照c i m 的哲理所构造的物理实体称为计算 机集成制造系统( c i m s ) 。c i m s 包括与企业各个部门相对应的计算机系统，如计算 机辅助设计计算机辅助制造( c a d c a m ) ，管理信息系统( m i s ) ，柔性制造系统( f m s ) 等；这些系统所涉及的技术是几乎所有制造业中的各种传统技术与信息技术的总和。 1 i 1 c i m s 的发展过程 计算机集成制造的发展可以追溯到1 9 5 2 年第一台数控机床( n c ) 的诞生，这就是 计算机辅助制造的开始。到7 0 年代末又出现了柔性制造系统，它包括制造加工过程 中的加工、物料储运、刀具管理等功能及其集成。6 0 年代，为了设计飞机等复杂产 品，产生了c a d ，现在的c a d 不仅可以编制二维和三维图形，而且可以完成产品设 计、仿真以及材料分析等功能。为了将c a d 与c a m 集成为一个完整的系统，即在c a d 作出设计后，能够制定出工艺计划，自动生成n c 代码，并由f m s 完成产品的制造， 因此产生了计算机辅助工艺设计( c a p p ) 。7 0 年代末，应用于制造业中的计算机辅助 生产管理( c a p m ) 发展为制造资源计划( m r pi i ) ，它包括物料管理及生产管理两大部 分。近年来c a p m 又进一步发展为计算机辅助生产计划与控制，这不仅包括制造资源 计划而且包括调度及控制。 但是令人遗憾的是以上这些新技术的实施并没有给人们带来曾经预期的巨大效 益，原因是它们离散地分布在制造业的各个子系统中，只能使局部达到自动控制和 最优化，不能使整个生产过程长期在最优化状态运行。1 9 7 4 年，美国的哈林顿博士 提出了c i m 的思想，受到了美欧日等国的高度重视，并成为当前研究和开发的一个 重要战略目标。 8 0 年代中期以来，c i m s 获得迅猛发展。一方面是由于单项技术如c n c 加工中心、 工业机器人、c a d c a m 、资源管理及调度等技术的发展，提供了可供集成一个整体系 统的技术基础；另一方面，当今世界市场呈现为动态多变的性质，即产品种类增多、 交货时间缩短、产品更新换代加速，因而企业之间竞争加剧，要求不断改进生产管 理方式，缩短产品开发周期，提高产品质量，降低成本。企业要立于不败之地，仅 t 一 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 采用高性能的设备、技术熟练的操作人员及传统的自动化方法是不行的，必须走“系 统集成”之路，即将整个企业的方方面面综合成一个整体，改造成一个有机集成的 大系统，因而具有很强的柔性。这样，一旦发现市场的新要求、新机遇，或新的产 品概念，系统从产品设计、原材料准备、计划安排、生产调度、加工制造到推出成 品，就能够快速适应。 c i m s 作为当今世界制造自动化技术发展的前沿科技，为未来机械制造工厂提供 了一幅宏伟的蓝图，将成为2 l 世纪机械制造业的主要生产模式。美、日和西欧等国 为在2 l 世纪的经济发展中取得竞争优势，都将c i m s 列为重点发展的高新技术之一。 1 1 2c i 璐的组成 现在，c i m s 已不再是单一的制造技术，它是在网络和数据库的支持下，由以c a d 为核心的工程信息处理系统，以c a m 为中心的加工、检测、装配、储运、监控自动 化工艺系统以及制造管理信息系统所组成的一个综合体，可以满足生产经营活动( 市 场预测，产品设计、制造、生产和质量管理、售后服务等) 全过程的功能需要。c i m s 的基本组成包括以下四个应用子系统。 1 ) 管理信息子系统 它是c i m s 中企业运行的指挥与控制中心，具体体现是制造资源计划 ( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g ，m r p i i ) 。从制造资源出发，考虑企业进行决 策的战略层、中短期生产计划的战术层以及车间作业计划与生产活动控制的操作层， 其功能覆盖了市场销售、物资供应、各级生产计划与控制、财务管理、成本、库存 和技术管理等部分的活动。它是以经营生产计划、主生产计划、物料需求计划、能 力需求计划、车间作业计划、车间调度与控制为主体的人财物、产供销一体化管理 的管理信息系统。 2 ) 设计信息子系统 设计信息子系统包括：计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算 机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 和计算机辅助工艺计划( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 。c a d 利用计算机确定产品的几何结构、使用的材 料以及某些必要遵守的组装或制造过程。有计算机绘图、有限元分析、计算机造型 及图象显示、优化设计、动态分析与仿真、生成材料清单等c a d 软件系统。 c a m 在计算机的控制与调度下，使数控机床按照设备的控制程序加工零件，并 按需要提供夹具与工具支持机床的加工，完成设计及管理中指定的任务，并将制造 现场的不同信息，实时地或经过初步处理后反馈到相应部门。主要是按照零件和工 艺设计要求生成数控加工机床所用的n c 程序。 c a p p 借助于计算机完成从产品设计转换为按此设计要求将原材料加工成产品所 需的一系列加工动作和对需求资源的描述。它可进行毛坯设计，加工方法选择、工 南京航空航天大学硕士学位论文 序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。 3 ) 制造自动化子系统 直接分布式数字控制( d i r e c t d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l ，d n c ) 和柔性 制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) ，它们都是c i m s 的加工制造子 系统，将毛坯或半成品加工成合格的零件，将零件装配成部件或产品。在这里物料 流与信息流交汇，完成设计及管理中指定的任务，并将制造系统的信息反馈到相应 生产管理和设计部门。 4 ) 质量信息子系统 计算机辅助质量( c o m p u t e ra i d e dq u a l i t y ，c a q ) ，用于质量控制及管理，在产 品的整个生产过程中，对零件质量进行控制，对产品质量进行测试。 另外，c i m s 还有以下两个支持系统： 数据库管理系统 它是c i m s 的基础，在c i 懈环境下的经营管理信息、工程技术、制造自动化、 质量保证等功能子系统的信息和数据都要在一个结构合理的数据库系统里进行存储 和检索，以满足各子系统信息交换和共享。 网络系统 它是c i m s 的支撑系统，是信息集成的关键技术之一，计算机通信网络提供了系 统互连和信息互通的能力，通过它将c i m s 中各子系统的信息联系起来，达到信息共 享的目的。 1 1 3c 工憋研究中的新思想 作为现代制造工程的c i m s 的迅速发展给制造业带来了希望，但目前，对其集成 度的认识也是不同的。8 0 年代中期，英国曼彻斯特大学针对以计算机集成处理为基 础的c i m s 提出了批评，认为它把“人”变成了附属于“系统”的“机械组元”，扼 杀了生产者人的聪明才智：认为应该建立以“人”为核心的集成系统。其基本 思想是：结合计算机的应用，将在生产过程中可以处理不同环节而信息共享程度较 高的人员集成在一起，减少大量的信息传递带来的浪费，以此来满足“人”的自我 价值实现的要求，从而合理进行“人机一体化”。所以欧美日各国在8 0 年代中后期， 对c i m s 的集成度、集成要素及其构成等内容进行了探讨，并提出了各自的研究成果， 但其核心都是强调“人”的能动性。这一点是非常值得注意的发展趋势。 现今我们面临的是国内大批大中型企业严重亏损的事实和对日本企业管理的赞 誉之声，而准时生产、精良生产、并行工程、敏捷制造等新思想、新哲理在世界范 围内的广泛应用是划时代的转折，它们也将c i m 带入一个广义c i m 的时代。如何根 据我国国情，制订发展战略，跟上这一伟大转折而不被甩在一个业已过去的时代， 无疑是摆在决策人员、管理人员和技术人员面前的一个重大课题。目前，我国多数 3 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 机械制造企业中，存在设备利用率低、交货期长、生产准备周期长、费用高、自动 化水平和柔性水平较低、质量不稳定、资金周转慢、库存大等问题。在这种情况下， 借鉴国外有益的管理思想，透彻分析c i m s 技术的发展及其关键技术，对建立具有中 国特色的c i m s 模式，是很有裨益的。 1 2 柔性制造系统在c i m s 中的地位和作用 早期的f m s 自动化旨在降低成本及缩短加工周期，着眼于自动化的“量优化”， 并未考虑到“质优化”( 主要指柔性) 。当今世界动态多变的市场要求计算机集成制 造具有高度柔性，目前，以c i m 为代表的新一代制造业自动化不仅考虑到“量优化”， 而且更注重“质优化”。 制造系统的柔性是衡量制造系统对变化中的市场、技术及生产条件适应性的尺 度，是企业竞争力的一个主要动力。柔性制造系统( f m s ) 是c i h s 的一个组成部分， 是实现c i m s 和工厂自动化的基础和核心，但它同样是一个多层次、多结构的集成化 的复杂系统。随着高新技术的发展，f m s 已渗透、扩散至制造业的各个领域，将对 生产方式产生深远的影响。 f m s 通常是指计算机控制下，由自动化物料运送系统连接起来的一组数控加工设 备，用以加工一族零件。f m s 控制系统具有高度复杂性，它涉及到的关键技术比较 多，各种技术之间的联系比较复杂。这主要表现为：它不仅涉及到工件、刀具、夹 具、托扳以及工艺规程、数控程序、加工设备等基本数据的管理，而且要进行制订 作业计划所要求的混合分批、负荷平衡、加工准备等数据处理的复杂工作，同时还 必须按照加工资源与优化目标进行作业的静态调度与动态调度，从而自动地完成物 料流、刀具流及工位的控制。因而，系统需要大量的信息集成和复杂的控制结构， 要求具有调度和监控上的实时性和功能分布上的并发性，同时又必须有可能向c i m s 扩展的开放性。 - 4 - 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章柔性制造系统 柔性制造系统指具有柔性且自动化程度高的制造系统。目前所谈及的f m s 通常 是指在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。自i 9 6 7 年英国m o l i n s 公司建造首批f m s 以来，随着社会对产品多样化、低制造成本及短制 造周期等需求日益迫切，f m s 发展迅猛，并与微电子、计算机、通信等技术结合， 促使柔性制造技术曰臻完善。 美国不仅是最早将f m s 用于生产的国家，而且是f m s 软硬件技术水平最高的国 家之一。日本尽管起步较完，但发展速度颇快，据名古屋1 9 9 3 年f m s 展览会上统计， 日本已有1 7 5 套完整的f m s ，如果计入柔性制造单元( f m c ) 则有4 0 0 余套，而且已 建成了四个自动化工厂。其他西方工业国家亦都在大力开发与应用f m s 并制定出短、 长期发展规划。 2 1 1 麟的组成 f m s 的组成随待加工零件及其它条件而变化。但系统的扩展必须以模块结构为基 础。用于切削加工的f m s 组要有如下几部分组成： ( 1 ) 若干台数控机床用以自动的完成多种工序的加工，根据不同加工对象可 设有加工中心、车削中心或计算机数控( c n c ) 车、铣、磨及齿轮加工机床等。 ( 2 ) 物料搬运系统用以实现工件及夹具的自动供给和装卸，以及完成工序闯 的自动传送、调用和存贮。该系统包括各种传送带、堆垛机、自动导向小车( a g v ) 、 工业机器人及专用起吊运送机等。 ( 3 ) 计算机控制系统用以处理f m s 的各种信息，输出控制c n c 机床或物科搬 运系统等自动操作所需的信息，通常采用分布式计算机系统。 ( 4 ) 应用软件用以确保f m s 有效地适用中、小批量多品种生产过程的管理、 控制及优化工作。一般包括设计规划软件、生产过程分析软件、调度软件与系统管 理及监控软件。 2 1 2f m s 的分类 根据f 、1 s 的舰模可分为如下四类 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 ( 1 ) 柔性制造单元( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ，f m c ) f m c 的问世并在生产中使用约比f m s 晚6 8 年，它由1 2 台数控机床、工业机 器人和物料运送存贮设备构成，可视为一个规模最小的f b t s ，是f m s 向廉价化及小 型化发展的产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。 ( 2 ) 柔性制造系统 通常包括4 台或更多台全自动数控机床( 加工中心与车削中心等) ，由集中的控 制系统及物料搬运系统连接而成，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加 工及管理。 ( 3 ) 柔性制造生产线( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g1 i n e ，f m l ) 加工设备可以是通用的加工中心、c n c 机床，也可采用专用机床或n c 专用机床。 它以离散型生产中的柔性制造系统和连续性生产过程中的分布式控制系统( d n s ) 为 代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，迄今已进入实用阶段。 ( 4 ) 柔性制造工厂( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gf a c t o r y ，f m f ) f m f 是用计算机系统将多条f m s 联系起来，从定货、设计、加工、装配、检验、 运送至发货的完整f m s 。它使c i m s 投入实际运行，将制造、产品开发及经营管理的 自动化连成一体，其特点是实现工厂柔性化及自动化。 2 。i 3f m s 的发展趋势 ( 1 ) f m c 将成为发展和应用的热门技术 这是因为f m c 的投资比f m s 小得多而经济效益相接近，更适用于中小企业。在本 文第四章中讨论的南航f m s 训练系统就是一个典型的f m c 。 ( 2 ) 发展效率更高的f m l 多品种大批量的生产企业如汽车工厂对f m l 的需求引起了f m s 制造厂家的极大关 注。采用价格低廉的专用数控机床替代通用的加工中心将是f m l 的发展趋势。 ( 3 ) 朝多功能方向发展 由单纯加工型f m s 进一步开发以焊接、装配、检验及钣材加工乃至铸、锻等制 造工序兼具的多种功能f m s 。 2 2f 螨管理与控制系统 f m s 计算机管理与控制系统是f m s 的一个重要组成部分。该项硬件费用占整个f m s 费用的比例随着现代微电子、自动化等技术的突飞猛进逐年递减；而管理和控制软 件往往是针对特定的f m s 和用户设计开发的，其费用越来越高。但是总的来说管理 6 - 南京航空航天大学硕士学位论文 和控制系统费用在整个f m s 费用中占了很大比例。就其功能来说，f m s 能否正常、 高效的运行，在很大程度上依赖于管理和控制系统。特别是控制软件，f m s 中发生 的所有活动，最终都要由f m s 控制软件控制和监视。而管理软件是控制软件能够正 常运行的基础，它为控制软件正常运行提供各种数据，如作业清单、零件n c 程序、 刀具文件和夹具文件等。 2 2 1f m s 管理系统 f m s 管理系统的功能是为f m s 正常运行准备各种数据。f m s 管理系统软件由作业 计划、c a m 、c a p p 和仿真组成。 f m s 作业计划是生产活动( 生产准备、加工) 的时间表，它根据厂方提供的生产 计划( 零件种类、供货日期、需求量等) ，优化得出月、周、日班加工的零件及各 班次刀具配置清单，夹具清单和原材料清单。 计算机辅助制造( c a m ) 是f m s 中的一个重要环节。在f m s 中，所有的加工设备 都是数控加工、检测和清洗设备，需要用n c 程序进行控制。在c i m s 环境中，c a m 和c a d 组成一个独立的功能子系统，通过网络和f m s 相联接。 计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 是c a d 和c a m 的桥梁。该软件提供零件的加 工工艺过程，包括零件加工工艺路线，刀具、夹具、量具清单。这些清单是作业计 划中的刀、夹、量具清单的数据源头。 计算机仿真是借助计算机，通过对系统模型的实验来研究一个存在的或设计中的 系统。f m s 仿真，在f m s 的设计阶段，用于对系统进行评估；当f m s 建立后，就用 于f m s 的运行仿真，对系统的输入进行评估，并为真实系统的运行提供参考。作业 计划是仿真系统的输入。 2 2 2f m s 控制系统 在硬件和软件两方面，f m s 控制系统组成如下 计算机控制系统f二二 计算机 j 网络 i 外设 生产准备 动态调度 系统监视 系统诊断 ， j 操作系统 网络通信 i 数据库管理系统 0f0 件软 件 持 软 支 用 统 应 系 ，、ltl 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 生产准备完成对整个系统的初始化；向各子系统下达数据文件，并实现对 个子系统的单步操作；从各子系统上传数据文件到主控机；启动动态调度、系统监 视和系统诊断，使控制系统能处理应急事件，能从作业计划中删除或增加任务。 动态调度协调各子系统之间的关系；实现工件流、刀具流和信息流自动化 传输；使f m s 能高度自动化地加工。 系统监视监视整个系统的运行状况，使操作者随时能够了解系统的运行状 态；统计系统的生产率、各设备的利用率，故障率、故障时间和次数等。 系统诊断诊断出各子系统的故障类型；作出对故障处理的决策；把故障信 息提示给操作者等。 从根本上说，f m s 控制系统的基本目标是： 1 ) 传送数据( 如n c 程序) 给f m s 中的物料系统和加工设备； 2 ) 协调f m s 中各设备的活动，保证把工件和刀具及时地提供给加工设备，使加 工设备高效运转； 3 ) 提供友好的操作界面，使操作者能够输入数据，控制和监视f m s ： 4 ) 当发生故障时，能帮助操作者回到初始状态。 本文作者在硕士研究生课题阶段主要参与了重构条件下f m s 运行控制系统的设 计和开发工作，并把这套系统实施于南航f i d s 训练系统，实现对其运行的控制。在 下面的章节中将要分别介绍。 2 2 3f m s 控制结构 一个复杂的控制系统可以分解为若干组成部分，称为控制单元。控制结构描述 了控制系统中各控制单元的功能和相互关系。f m s 对控制结构提出的要求概括起来 为：满足对现有系统的有效控制；控制系统对未来无法预测的需求能敏捷地应 变。这两方面要求的具体化，可用以下几项指标来表达： 1 可靠性容错能力( r e l i a b i l i t y f a u t - t o l e r a n c e ) 2 可更改性可扩展性( m o d i f i a b i li t y e x t e n s i b i l i t y ) 3 可重构性适应性( r e c o n f g u r a b i t y a d a p t a b i l i t y ) 可靠性是对系统按照规定指标无故障连续运行性能的度量，而容错能力是指系 统在状态恶化，甚至发生故障条件下继续运行的能力；可更改性是指对已存控制系 统的部分控制单元进行更改和调整的可行性，而可扩展性是指扩展已存控制系统的 功能时，将新控制单元加入系统的可行性：可重构性是指在己存的控制系统中增加 或删除部分控制单元并重构成新系统的可行性，动态的可重构性是指在系统运行过 程中进行重构的性能，而适应性是指控制系统对制造环境迅速变化的适应能力。 根据上述要求，f m s 通常都采用集中管理，分散控制的递阶控制结构。f m s 通常 分成三级控制，第一级为管理级，第二级为系统控制级，第三级为设备控制级。如 8 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 一l 所示。有的f m s 系统比较复杂，其设备组成多，往往在第二级和第三级之间 插入另一级一一工作站级。把系统控制级的部分功能下放到工作站级以减轻系统控 制级的负荷。就当前发展趋势而言，f m s 不宜过大，一般不多于6 台加工设备。此 外，由于系统控制计算机的功能不断加强，因此大都不需要工作站级，一般都采用 三级递阶控制结构。 系统控制级 设备控制级 刀具传送设备 传送设备加工设备l 加工设鲁n 图2 一if m s 硬件递阶控制系统 管理计算机还可以通过局域网与c a d c a i 系统或m r p i i 资源相连，利用w i n d o w s 的资源管理器从c a d c a m 系统下载n c 程序，从m r pi i 系统下载作业计划。通过r s 2 3 2 可以在线( o n l i n e ) 或离线( o f f l i n e ) 方式实现n c 程序从控制微机到数控加工 设备的下载，例如利用w i n d o w s 的虚拟终端标准软件或自行开发的软件以离线方式 传递n c 程序到数控加工设备。 2 3f g s 调度研究 对于f m s 系统而言，其典型特征是制造过程的不连续性( 或称离散性) 和系统 状态的动态性，故又将制造系统称为离散事件动态系统( d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s y s t e m s ，d e d s ) 。在d e d s 中，系统的状态将随事件( 如零部件的到达、设备故障、 计划停工或加工任务的完成等) 的出现而动态变化，如果系统出现“阻塞”或“空 闲”都将导致d e d s 丧失正常运行的机能。在大多数f m s 中，进入系统的毛坯在装卸 站装夹到夹具盘上，然后物料传送系统把毛坯连同夹具和托盘一起，送到将要对工 件进行加工的机床旁排队等候。工件在系统中的流动由计算机控制。如果系统设计 正确，待加工零件总是排队等候在机床旁，只要机床一空闲，零件立即被送上加工。 f m s 的高效率和柔性很大程度取决于f m s 调度的水平。f m s 调度是指在f m s 环境 下，实时地根据零件类型、批量大小、交货期、优先级等不同特性，作出决策和生 产调度，高效优质地完成生产任务。调度和控制策略的优劣对f m s 的应用效益影响 很大，因而对f m s 调度控制策略进行研究具有十分重要的意义。 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 2 3 1f m s 调度控制策略 由于f m s 生产调度管理的复杂性，传统制造业活动集中式的控制管理模式已经 不能适应f m s 生产调度管理的实际需要。根据多层递阶控制原理，按f m s 生产调度 问题发生的的时间域，可以建立如下的f m s 调度递阶控制模型： 这一模型把f m s 看成是从属与一个更大系统( 如上级车间) 的子系统，生产任 务由上级车间管理系统下达。上级车间根据工厂的订货计划，以时间单位( 一天或 一班) 给f m s 划分任务时，其工作量必须保证能在f m s 当班或当天内完成。 静态调度 静态调度在每天开始加工之前进行，对本班或本日全部作业进行总体的规划和 调度，为f b t s 的加工过程创造优化的运行环境。静态调度的优化目标是尽量提高设 备资源的利用率，减少系统的调整时间，其决策内容包括： ( 1 ) 待加工工件的最优分组将给定的批待加工工件进行分组，以f m s 中 夹具的数量和各设备刀具库的容量为约束条件，实现优化目标：1 ) 组数尽可能少， 2 ) 尽可能使每组工件实现系统负荷最优分配。 ( 2 ) 机床负荷最优分配待加工工件的工序一般由一台以上的设备完成，而 一道工序只能分配给一台设备独立完成。负荷最优分配就是为这些工序确定唯一的 加工设备，实现优化目标：1 ) 系统中各设备的负荷尽可能相当，2 ) 使负荷最重的 加工设备负荷达到极小，从而工件通过系统的最大流通时间( m a k e s p a n ) 达到极小。 ( 3 ) 待加工工件的组内最优分配排定一组待加工工件进入系统的先后顺 序，使得从最先一个工件加工开始，到最后一个工件加工结束为止这段时间最短， 即给出工件组p ( p t ，p 2 ，p n ) 的一个排序，使工件组p 通过系统的最大流通时间 达到极小。 动态调度 f b i s 动态调度是在系统j j n q - 过程中进行的，调度的对象主要是系统内在线的工件 及加工资源，主要完成被加工工件的动态排序和对系统资源的动态调度，优化目标 是提高生产率和系统资源的利用率，减少制造成本。动态调度的内容包括： ( i ) 被加工工件的动态排序由于系统中缓冲托盘数目的限制以及刀具、机 床故障等原因，导致系统不能按照静态调度规划好的工件加工顺序进行加工，这时 系统将不得不进行必要的调整，以维持系统较高的生产能力。常见的被加工工件动 耋 南京航空航天大学硕士学位论文 态排序规则有：1 ) 优先权规则：2 ) 处理时间最短规则；3 ) 交货期最短规则。以机 床选择工件为例，其部分动态调度策略有： r 1 选择优先权最高的工件 r 2 选择交货期最近的工件 r 3 先进先出 r 4 后进先出 r 5 选择后继工序数最多，当前工序工时定额最小的工件 r 6 选择后继工序数最多，当前工序工时定额最大的工件 ( 2 ) 系统资源的动态调度系统资源的动态调度包括物料搬运系统的调度， 刀具、夹具的调度等。常用的物料搬运系统的动态调度规则为：1 ) 就近服务规则； 2 ) 先申请先服务规则；3 ) 优先权规则。以机器人传送工件为例，布局见图2 2 ， 其部分动态调度策略有： r li f 1 ) 机器人在左，空闲2 ) m 1 申请排空、3 ) 缓冲托盘有空 t h e n 从m l 卸r l 到缓冲托盘上 e l s ei f 缓冲托盘不空 t h e n 机器人右行。 r 2i f 1 ) 机器人在左，空闲2 ) m 1 空闲3 ) 缓冲托盘上工件r 2 申请m l 服务 t h e n 机器人送r 2 到m l 加工。 r 3i f 1 ) 机器人在右，空闲2 ) m 2 申请排空3 ) m 2 上工件r 3 的所有工序完 成 t h e n 机器人从m 2 卸r 3 到下一道工序或出加工区 e l s ei f 还有工序没有完成 t h e n 从m 2 卸r 3 到缓冲托盘上。 r 4 i f1 ) 机器人在右，空闲2 ) m 2 空闲3 ) 缓冲托盘上工件r 4 申请m 2 服务 t h e n 机器人送r 4 到m 2 加工。 加工中心m l 机器人 融- 嗣 托盘缓冲区 图2 - 2机器人传送工件布局图 加工中心m 2 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 2 3 2 调度规则与评价指标 调度规则用于从一组待加工工件中选择下一个被加工的工件。f m s 运控的调度策 略是基于一系列调度规则而产生的。常见的调度规则有： 1 处理时间最短该规则使得服务台在申请服务的顾客队列中选择处理时间晟 短的顾客进行服务。 2 ，处理时间最长该规则使得服务台在申请服务的顾客队列中选择处理时间最 长的顾客进行服务。 3 剩余工序加工时间最短该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择剩 余工序加工时间最短的顾客进行服务。 4 剩余工序加工时间最长该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择剩 余工序加工时间最长的顾客进行服务。 j 下道工序加工时间最长该规则选择下一道工序加工时间最长的工件首先接 受服务，其目的是使该工件尽早完成当前工序，以便留有充足的时间给一道工序的 加工。 6 交付期最早该规则确定交付日期最早的工件最早接受服务以期该工件尽早 完成整个生产过程。 7 剩余工序最少该规则选择剩余工序最少的工件首先接受服务，以便该工件 尽早完成加工过程，使系统的在制品数量减少。 8 剩余工序最多该规则选择剩余工序数最多的工件首先加工，以便该工件能 有足够的时间完成这些剩余工序，从而避免工件完成期的延误。 9 先进先出该规则规定先到达的顾客先接受服务。 l o 随机选择该规则在服务队列随机选择某一顾客。 松驰量最小该规则选择松驰量最小的工件首先接受服务。工件松驰量= 交 付期一当前时间一剩余加工时间。 1 2 单位剩余工序数的松驰时间最小该规则选择单位剩余工序数的松驰时间最 小的工件首先接受服务。单位剩余工序数的松驰时间= 松弛时间剩余工序数。 1 3 下道工序服务队列最短该规则优先选择这样的工件，完成该工件下道工序 的设备的等待服务队列最短。 1 4 下道工序服务台工作量最小该规则优先选择这样的工件，完成该工件下道 工序的设备的工作量最小。 1 5 组合规则该规则的目标是利用最短处理时间，但优先加工那些具有负松驰 量的工件。 1 6 优先权规则优先权规则设定每一工件、设备和刀具的优先级，优先响应优 先级高的申请对象。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 7 确定性规则确定性规则指选择的对象是指定的。 1 8 利用率最低规则首先选择队列中利用率最低的服务台进行服务。 1 9 启发式l o o ka h e a d 规则该规则主要研究当用上面提出的简单规则选择作 业时，所选作业在处理过程中对另一作业的影响。 寻找在一个任何环境下都最优的调度规则是不可能的，只能找到一些在一般情 况下表现良好的规则，评价调度规则的准则称为调度规则的评价指标，常用的评价 指标如表2 1 所示。实际的评价指标还有：使在制品库存最小、调整时间最短和刀 具更换最少：使机床负荷平衡等。值得一提的是，对于f m s 调度，研究人员认为系 统利用率在确定最优解中是很重要的，但是实际工作者却认为与交货期有关的指标 更为重要。 f m s 是一小典型的复杂离散事件的动态系统，达到系统全局最优的调度策略将十 分复杂且难以实现。求解f m s 调度问题的传统方法是：网络分析、组合法和启发过 程。人工智能和专家系统为f m s 的调度提供了有效的工具。用人工智能可以开发基 于知识的调度系统，这个调度系统的特征在于知识的组织、符号表达、状态空间推 断和动态调度及计划修改的能力。 表2 - 1评价指标表 l 序号指标公式 1 调度持续时间 c = m a x c 。 2 平均流通时间 f = 寺喜f 3 最大延迟时间 三。= m a x l ，) 4 平均延迟时间 r = 禧z 5延误作业数 ，= 窆m ，若c f z ，n i ：1 ； 否则m = 0 6 平均完成时间印去喜c ， 7 系统利用率 驴专姜篙 表中，f 为工序d f 的可调度时间；一为交货期：e 为工序0 f 的完成时间；f 为 流通时间，f = c ，一f ；l ，为延迟时间，l ，= c f d i ；i 为延误时间， i = m a x c 一d ，o ；以为工序总数；n 为机床总数：m f j 为加工中心m ，实际总加 1 3 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 工时间：嵋为m ，的工作时间。 2 3 3f m s 调度控制系统 在上述f m s 生产调度控制策略研究的基础之上，我们可以建立一个实用的f m s 生产作业调度系统。此调度系统主要由系统资源构造模块、作业计划输入模块、工 件和工序信息浏览模块、静态调度模块、动态调度模块以及实时运行模块组成( 见 图2 - 3 ) 。 图2 - 3f m s 调度控制系统功能模块框图 系统资源构造模块是对系统加工资源构成的确认，包括：机床和局部刀库的构 成情况；物料运输系统的构成情况；进料站以及缓冲站的构成情况等。这些信息是 调度的基本依据。 用户通过作业计划输入模块给f m s 分配加工任务。系统自动完成加工工艺信息 的外部表示形式到数据库内部存储形式的转换，这部分的信息在综合数据库中是作 为静态数据库部分来存储的。 用户可以通过工件和工序浏览界面对加工工件的工艺信息进行浏览。由于信息 比较复杂，工件和工序是分开显示的，用户可以在两者之问自由切换，数据库管理 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 系统自动保障两者之间的一致性。 静态调度模块的静态调度算法，理论上可适合的机床数目、局部刀库以及夹具 数目没有限制。因此，本模块的算法具有很好的通用性，而且不限于回转体f m s 也 适用箱体类f m s 。从静态结果显示画面可以看出工件的分组情况、每组工件的负荷 分配情况和负荷不平衡度、组内工件排序的结果、系统最大流通时间以及机床利用 率等。这些数据为评价调度方案提供了依据。 动态调度模块采用和仿真相结合的方法，更加接近系统的实际运行。动态调度 结果可以显示出系统的全部运行时间；机器人和机床的利用率：工件进入、离开系 统的时间；工件的平均流通时间和平均等待时间等。这些都是系统运行效率分析所 必需的。 2 4f m s 运控软件设计方法一面向对象的程序设计 2 4 1f m s 运控软件设计方法 通常开发f m s 运控软件是针对某一特定系统而设计，缺乏适应外界变化的能力， 缺乏方便灵活的编程环境，这主要是由于软件设计基于传统的面向过程的方法。当 对运控软件适应性和柔性的要求增加，以及控制任务的复杂性增加，传统的面向过 程的程序设计方法已不能适应需要，必须重新考虑运控软件的设计方法。面向对象 的程序设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法吸收了结构化程序设计的优 点，用“对象+ 消息”的程序设计模块取代了“数据+ 结构+ 算法”的程序设计模型。 在面向对象的程序设计中，对象是构成应用问题领域的基本事物，是构成系统 的唯一元素。对象既是信息的存储单元，又是信息处理的独立单元，它具有一定的 内部结构和处理能力。系统中各对象之间通过消息传递发生联系，共同合作完成某 一任务。o o p 的核心特性是类、对象、封闭性、继承性和多态性。 ( 1 ) 封闭性将对象的属性以及对这些属性的专有操作封装在对象内部，利用不 同的对象组成可以构成不同的控制系统。当对一个对象进行修改和扩充时不会影响 软件系统的其他部分。 ( 2 ) 继承性新对象可由已有的基类对象派生出来，并继承了基类的所有属性。 继承性使软件具有可重用性，在f m s 运控软件中增加新的设备只需增加新的类，这 个新类可以从设备类中继承共同的功能。 ( 3 ) 多态性这是简化程序设计的手段，一种操作可以作用于多种类型的对象 上，并获得不同的响应。利用多态性，在f m s 运控软件中可以使一个消息以不同的 方法响应，减少对象定义的复杂性。 从上述o o p 特性可以看出，正是因为采用了面向对象的程序设计方法，才为可 1 5 可重构f m s 控制系统及仿真软件的研究与开发 重构f m s 运控软件的开发提供了条件。 2 4 2f m s 运控软件对象的划分 按照o o p 的观点，整个系统是一个对象，系统中的所有成员也是由对象构成的， 因而系统的所有活动是通过各对象之间的消息传递来实现的。f m s 的各实体相互独 立，在同一时刻并行活动，相互之间通过控制系统的协调来完成系统的任务，每个 实体都可作为一个对象。另外，软件运行时还需要一些数据，这些数据文件也可作 为单独的对象。因此，将f m s 运控软件中的对象分为三类： ( 1 ) 实体对象f m s 布局中的每个实体，包括车床类、铣床类、机器人类、传 送设备类、装卸站类等 ( 2 ) 数据文件对象即为每个数据文件设置一个类，例如：f m s 布局文件类、 零件类、作业计划文件类、工艺计划类、加工路径文件类、零件n c 程序类。 ( 3 ) 功能对象包括f m s 单元控制器类、系统控制器类、人机界面类。单元控 制器类对f m s 中各实体的运行进行控制；系统控制器类协调各实体之间的动作关系； 人机界面类是为提供友好的人机交互界面而设置的。 类只是一种模板，它是该类所有对象共同特性的描述，该类不同的实例对象有 着共同的界面，但内部数据结构中的值又各不相同，因此，对象是共性和个性的统 一。划分对象后，应为每个对象类设置其属性。属性一般分为两种：静态属性和动 态属性。静态属性的值在整个执行过程中不改变，而动态属性根据对象条件的变化 而变化。 2 4 3f m s 运控软件的o o p 实现 利用o o p 方法将整个软件按对象划分模块，通过对象间的消息传递，实现系统 的功能。基于o o p 的f m s 运控软件实际上是通过“控制器”对象，把各实体对象和 数据文件对象有机结合的过程。各对象主要与控制器对象之间有消息传递，面向对 象程序设计的一个重要方面就是确定对象以及对象之间相互传递的消息。 消息是一个对象要求另一个对象执行其中的方法的途径，向一个对象发送消息 就是调用这个对象成员的一种方法，因此，在进行面向对象的程序设计时，为每一 个对象设计其方法非常重要，可以通过画状态转化图的方法确定对象的方法即对象 的成员函数。 在f m s 运控软件中，每个实体对象的方法即一个对象响应消息后为改变状态而 进行的操作。以机床为例，消息“完成加工”，表示在机床对象中机床状态从“加工” 转化为“空闲，有零件”，因此“完成加工”就是机床对象的方法，即改变对象状态 的程序码。当机床加工完毕后，立刻向控制器反馈状态的改变。为了分析每个对象 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 的方法，需要画出每个对象的状态转化图。 图2 - 4 机床的状态转换模型 图2 4 为机床的状态转化图。图中状态用椭圆表示，状态之间的带箭头的实线 表示消息，带箭头的虚线表示把状态改变反馈给其它对象。当机器人送零件给机床 后，