（机械制造及其自动化专业论文）虚拟柔性制造仿真系统的研究与开发.pdf

中文摘要 柔性制造系统( f m s ) 是当今在制造领域中迅速发展的高新技术之一。采用 此高新技术，企业可以加速产品的生产过程，降低生产成本，提高产品质量， 增加生产柔性，提高对市场的应变能力，获得更好的经济效益。 为促进我国f m s 的发展，为用户提供一个f m s 学习及研究模型，本文对虚 拟柔性制造仿真系统开展了研究工作。以柔性制造系统的基本组成和工作原理 为依据，利用计算机仿真技术研究并开发了一套具有典型结构和布局的虚拟柔 性制造仿真系统。本文所做研究工作如下： 1 对虚拟柔性制造仿真系统模型的构建方法进行了研究，对f m s 离散事 件系统模型进行了描述，并基于离散事件系统对f m s 仿真策略和仿真研究步骤 进行了分析。 2 讨论了面向对象的f m s 仿真建模，阐明了面向对象仿真程序的实现方 法及f m s 仿真建模的实现步骤，并建立一个面向对象的f m s 仿真建模框架。 3 对f m s 的生产调度模型、生产调度规则和基于规则的调度系统进行了 讨论，并对基于神经网络的调度方法进行了理论分析，详细阐述了神经网络求 解调度问题的算法，以及神经网络在f m s 调度中的应用。 4 研究了系统设备三维模型的s o l i d w o r k s 建模和存储方法，以及o p e n g l 三维动画仿真的实现方法。 以上述研究为基础，应用v i s u a lc + + 开发虚拟柔性制造仿真系统软件，该系 统能够根据用户需要的加工要求和调度规则以仿真的形式运行，演示f m s 加工 流程，使用户能够直观深入的了解柔性制造系统的工作原理和运行过程。 关键词：柔性制造系统仿真建模离散事件系统调度决策 a b s t r a c t f m s ( 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 ) i sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g r a p i d l y i n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y b ya d o p t i n g t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , a n e n t e r p r i s ec a na c c e l e r a t ep r o d u c t i o np r o c e s s ，d e c r e a s ep r o d u c t i o nc o s t ，i m p r o v e p r o d u c t s q u a l i t y , p r o v i d em a n u f a c t u r ef l e x i b i l i t y , e n h a n c ee n t e r p r i s e sa d a p t a b i l i t yt o m a r k e ta n dm a k e m u c hm o r ee c o n o m i cb e n e f i t i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ff m si no u rc o u n t r ya n dp r o v i d eu s e ra m o d e lo ff m sf o rs t u d y i n ga n dr e s e a r c h i n g ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e dt h ev i r t u a lf l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot h eb a s i cf o r ma n dw o r k i n gp r i n c i p l e o ff m s ，u s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt h i sa r t i c l ed e v e l o p e das e to fv i r t u a l f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o ns y s t e mw i t hr e p r e s e n t a t i v es t r u c t u r ea n dl a y o u t t h i sa r t i c l ed i dt h ef o ll o w i n gr e s e a r c h ： 1 r e s e a r c h e di n t ot h em e t h o do fv i r t u a lf l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o n s y s t e mm o d e l i n g d e s c r i b e dt h em o d e lo ff m sd i s p e r s ee v e n ts y s t e m a n a l y z e dt h e s i m u l a t i o nt a c t i c sa n dt h es i m u l a t i o np r o c e s sb a s i n go nd i s p e r s ee v e n ts y s t e m 2 d i s c u s s e dt h eo b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o nm o d e l i n g c l a r i f i e dt h em e t h o do f r e a l i z i n gt h eo b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o np r o g r a ma n ds i m u l a t i o nm o d e l i n gp r o c e s s s e tu pa n0 b j e c t o r i e n t e df r a m eo ff m ss i m u l a t i o nm o d e l i n g 3 d i s c u s s e dt h ef m sp r o d u c i n gs c h e d u l i n gm o d e l ，r u l ea n ds y s t e mb a s i n go n t h es c h e d u l i n gr u l e a n a l y z e dt h et h e o r yo fn e u r a ln e t w o r ks c h e d u l i n gm e t h o d c l a r i f i e dt h ea l g o r i t h mo fs o l v i n gs c h e d u l i n gp r o b l e mw i t hn e u r a ln e t w o r ka n dt h e u s i n go f i ti nf m ss c h e d u l i n g 4 r e s e a r c h e di n t ot h e m o d e l i n g a n d s t o r a g e o ft h e e q u i p m e n t s t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw i t hs o l i d w o r k sa n dt h em e t h o do fr e a l i z i n ga n i m a t i o n s i m u l a t i o nw i t ho p e n g l t a k i n g t h ea b o v er e s e a r c ha s f o u n d a t i o n ，d e v e l o p e dav i r t u a l f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r ew i t hv i s u a lc + + 。t h es y s t e mc a ns h o w t h e w o r k i n gp r o c e s s o ff m sa c c o r d i n gt ou s e r s m a c h i n i n gr e q u i r e m e n ta n d s c h e d u l i n gr u l ew i t hs i m u l a t i o nf o r m i ta l s oc a nm a k eu s e ru n d e r s t a n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l ea n dp r o c e s so ff m sd i r e c t l ya n dd e e p l y k e yw o r d s ： 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 ；s i m u l a t i o nm o d e l i n g ；d i s p e r s e e v e n ts y s t e m ；s c h e d u l i n gd e c i s i o n - m a k i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字l i 期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞太堂一有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 边影 导师签 签字日期：矽矿纩年工月扩日 签字日日 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 1 柔性制造系统在先进制造技术中的地位 制造业是现代国民经济和综合国力的重要支柱，其生产总值一般占一个国家 国内生产总值的2 0 - - 5 5 。在一个国家的企业生产力构成中，制造技术的作用 一般占6 0 左右。世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。其竞 争能力最终体现在所生产产品的市场占有率上。随着经济技术的高速发展，加 之顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，因而各国政府都非常 重视对先进制造技术的研究。 纵观历史，现代制造技术与制造业的形成和发展至今只有几十年，先进制 造技术的提出也是近三十年间的事。上世纪7 0 年代，美国的一批学者不断鼓吹 美国已进入“后工业化社会”，力图将经济发展的重点由制造业转向服务业等第 三产业，把传统的制造业视为“夕阳工业 ，导致制造技术的发展受到极大的阻 碍。从上世纪8 0 年代开始，美国根据本国面临的挑战与机遇，对其制造业存在 的问题进行了深刻反省，重新认识到制造业在国民经济中的地位和作用。同时， 以计算机为中心的新一代信息技术的发展，也全面推动了制造技术的飞跃发展。 此时，先进制造技术的概念逐步形成。先进制造技术作为一个专用名词正是在 这种情况下提出来的，并得到世界各工业强国的普遍认可和响应，纷纷制定了 多种发展计划，以支持发展先进制造技术。 随着社会需求个性化、多样化的发展，生产规模沿小批量一大批量一多品种 变批量的方向发展，以及以计算机为代表的高技术和现代管理技术的引入、渗 透与融化，不断地改变着传统制造技术的面貌和内涵，从而形成了先进制造技 术。 目前对先进制造技术尚没有一个明确的、一致公认的定义，经过近年来对 先进制造技术方面开展的工作，通过对其特征的分析研究，可以认为：先进制 造技术是指制造业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用 于产品设计、加工、检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程， 第一章绪论 以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，提高对动态多变的市场的适应能 力和竞争能力的制造技术的总称。 先进制造技术是一个多学科体系，其内涵远远超越了传统制造技术、企业 及车间甚至国家间的界限，包涵了从市场需求、环境需求、创新设计、工艺技 术到生产过程的组织与监控、市场信息的反馈在内的工程系统。 在工业发达国家都把先进制造技术作为国家级关键技术和优先发展领域。尽 管决定国家综合竞争力的因素有多种，但制造业的基础地位不能忽视。2 0 世纪 9 0 年代以来，各发达国家，如美国、日本、欧共体、德国等都针对先进制造技 术的研发提出了国家级发展计划，旨在提高本国制造业的国际竞争能力。建国 ，以来，我国自主建立了较为完整的制造产业体系，为国民经济和国防建设提供 了许多重要装备。我国已成为一个制造大国，但还远不是制造强国。这表现在 许多现代制造基础技术尚未掌握，许多重大装备不能自主制造，缺乏自主创新 能力。 2 1 世纪初，随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化 与多样化，先进制造技术发展趋势主要有以下几个方面： 1 集合多学科成果形成一个完整的制造体系，传统制造技术、信息技术、 自动化技术与先进管理科学相结合。 2 先进制造技术是动态的发展过程，由于先进制造技术本身要针对一定的 应用目标，不断地吸收各种高新技术逐步形成，因而其内涵不是绝对的和一成 不变的。 3 信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用。 4 先进制造技术向超、精、微、细领域扩展。 5 制造过程的集成化。产品的加工、检测、物流、装配过程走向一体化。 6 制造学科与制造技术、生产管理的融合，它包括制造系统和制造过程的 数学描述、仿真和优化，设计理论与方法以及相关的机构运动学和动力学、结 构强度、摩擦学等。 7 绿色制造将成为2 1 世纪制造业的重要特征。 8 虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用。虚拟企业是为了快速响 应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为 一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。 9 制造全球化。先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重新 2 第一章绪论 分配和组合，新技术制造模式将不断出现，强调优质、高效、低耗、清洁、灵 活的生产。 1 0 新产品的推出以及知识创新将成为企业竞争的亮点和焦点。 先进制造技术中的现代生产制造系统是面向企业生产全过程，将现代信息技 术与生产技术相结合的一种新思想、新哲理，其功能覆盖企业的预测、产品设 计、加工制造、信息与资源管理直至产品销售和售后服务等各项活动，是制造 业的综合自动化的新的模式：它包括计算机集成制造系统( c i m s ) 、敏捷制造系 统( a m s ) ；智能制造系统( i m s ) 以及精良生产( l p ) 、并行工程( c e ) 等先 进的生产组织管理和控制方法。 上述许多理念、管理方法和技术，其中有的就是c i m s 的组成部分，有的是 c i m s 的新发展。当1 9 7 3 年提出计算机集成制造( c i m ) 的概念时，其核心内涵 便是提高企业竞争力的系统观点和信息观点。c i m 是一种组织、管理与运行企业 生产的新哲理，它借助计算机硬、软件，综合运用现代管理技术、制造技术、 自动化技术、系统工程技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理 三要素集成起来，并将其信息流与物流有机地集成及优化运行，以实现产品高 质、上市快、成本低、服务好( 简称t q c s ) ，从而使企业赢得市场竞争。c i m s 便是这种哲理的实现。c i m s 可定义为是通过运用计算机软、硬件，并综合运用 现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术、将企业生 产过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息与物流有机地集成并优化运 行的复杂系统。c i m s 强调企业生产经营的各个环节，从市场需求、产品开发、 加工制造、管理、销售到服务都是一个整体，这便是系统观点。其次，企业生 产经营过程的实质是信息的采集、传递和加工处理的过程。这一观点为企业大 量采用信息技术奠定了认识上的基础。c i m s 便是在这种哲理指导下，通过生产、 经营各个环节的信息集成，支持了技术的集成，进而由技术的集成进入技术、 经营管理和人、组织的集成，最后达到物流、信息流、资金流的集成并优化运 行，从而提高了企业的市场竞争能力和应变能力1 2 j 。结合国情实施c i m s ，已为 我国试点企业带来了显著的经济效益，大大提高了企业的市场竞争能力，这是 我国企业迎头赶上世界先进水平的一条有效途径。近1 0 年来，c i m s 主题专家组 针对我国企业的难点，从1 9 8 9 年开始，在我国一些企业试点实施c i m s ，现已扩 展到各行业、各地区的骨干企业，覆盖了机械、电子、航空、航天、轻工、纺 织、石油、化工、冶金、通信、煤炭、兵器等行业。先期试点的企业，许多都 第一章绪论 取得了显著的经济效益，大大提高了市场竞争能力。它们实施c i m s 的成功，为 我国企业摆脱当前的困难，重振国有企业的雄风提供了宝贵的经验。 c i m s 是用信息技术和现代管理技术改造传统制造业、加强新兴制造业、提 高企业市场竞争能力的一种生产模式。具体地说，以企业选定的产品为龙头， 在产品的设计过程、管理决策过程、加工制造过程、产品的质量管理和控制等 过程采用各种计算机辅助技术和先进的科学管理方法，在计算机网络和数据库 的支持下，实现信息集成进而使企业优化运行，达到产品上市快、质量好、成 本低和服务好的目的，以此提高产品的市场占有率和企业的市场竞争能力。 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 ，简称f m s ) 是一项重要的先 进制造技术，它是计算机集成制造系统( c i m s ) 的重要组成部分，也是制造业 自动化的发展方向。 f m s 指在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算机软件科 学，把工厂生产活动中的自动化设备有机地集成起来，打破设计和制造的界限， 取消图纸、工艺卡片，使产品设计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量 和较多品种生产的高柔性、高效率、高自动化程度的制造系统。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。从这个意义上说，“柔性”是指时间和空间的灵活性，而自动化系指将 手工操作减至最低程度，乃至最终将其完全取消。 自1 9 6 7 年英国m o l i n s 公司建造首条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趋迫切，f m s 发展颇为迅速，并且由于微电 子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步，亦促使柔性制造技 术日臻成熟。2 0 世纪8 0 年代后，制造业自动化进入一个崭新时代，即基于计算 机的集成制造( c i m ) 时代，f m s 已成为各工业化国家机械制造自动化的研制 发展重点。从反映出现代最高水平的国际机床博览会展出的状况看，f m s 已从 实验阶段进入实用阶段并已商品化，而且己从起初单纯的机械加工领域向焊接、 装配及无屑加工等综合性领域发展。日本专家预言，2 1 世纪，包括中小型企业 在内，若企业不使用f m s 将失去产品的竞争力，甚至无法维持企业的自身生存。 f m s 之所以获得迅猛发展，是因其集高效、高质量及高柔性三者于一体，解决 了近百年来中小批量和中大批量多品种生产自动化之技术难题。f m s 的问世与 发展确实是机械制造业生产及管理上的历史性变革。 4 第一章绪论 1 1 2 柔性制造系统的国内外发展现状 本世纪5 0 年代末6 0 年代初，一些工业发达的国家和地区，在达到了高度 工业化的水平之后，就开始了从工业社会向信息社会转化的过程。形成了一个 从工业社会向信息社会过渡的时期【3 】。这个时期人们意识到大批量生产只是机 械制造业的一小部分，只占1 5 到2 0 ，而中、小批量生产占7 5 到8 5 。在 国民经济的生产部门中比重占绝对优势的多品种中、小批量生产企业的劳动生 产率极大地落后于大批量生产企业。随着国际贸易和技术交流的发展，跨国产 品和出口产品在生产中的比重大大增加。这个时期的主要特征是电子计算机、 遗传工程、光导纤维、激光、海洋开发等新技术的日益广泛而深入的应用。对 于这些技术综合运用的结果，在7 0 年代末、8 0 年代初出现了“柔性制造系统” ( f m s ) ，它是一个由电子计算机控制的系统，在它上面可以同时加工形状相近 的一组或者一类产品。随着科学技术的进一步发展，更进一步地发展出了所谓 “计算机集成制造系统 ( c i m s ) ，“未来工厂、“自动化工厂”等新概念和新 技术。随着c i m s 的纵深发展，柔性制造系统的概念也有了新发展。在c i m 环境 下，f m s 己跳出传统f m s 的概念的局限，在c i m 概念下，f m s 被定义为在广义上 的可编程的控制系统，它具有处理高层次分布数据的能力，具有自动的物流， 它是c i m 的概念得以在车间实施，从而实现小批量高效率的制造，以适应不同产 品生命周期的动态变化1 4 j 。 自动化、柔性化、集成化已经成为技术现代化的浪潮，涉及到机械制造各 行各业，尤其是汽车、拖拉机、内燃机、机床、航空等工业部门，正在大量采 用灵活高效的柔性制造系纠5 1 。早在2 0 世纪7 0 年代，美国采取经济补贴政策鼓 励设备更新，结果使数控机床增加2 0 ，机床总拥有量减少4 1 万台，劳动生产 率却提高了1 7 。倘若把数控机床几台到十几台联成柔性生产系统，据大量资料 综合分析，其效益更为显著：可减少机床和工人5 2 6 ，减少占地面积4 2 - 7 6 ， 减少在制品和流动资金9 5 6 ，可提高机床利用率1 3 3 5 倍，提高生产效益 5 0 一- , 5 5 ，可缩短生产周期4 0 , - - - - 9 1 ，可降低成本5 0 。柔性生产系统的这些引 人注目的效能促进了众多的企业家致力于改造传统生产方式，开拓和应用柔性 自动化新技术。1 9 8 3 年，法国雪铁龙集团博瓦西工厂在世界上第一个建立起轿 车柔性加工车间，该厂1 9 8 3 - - 1 9 8 5 年技术改造投资1 2 亿法郎，主要目标就是 使工厂具有较高的灵活性。根据1 9 8 9 年统计资料介绍，国际上以柔性制造方式 第一章绪论 生产的产品产值己占制造业总产值7 0 以上，美国达7 7 ，日本8 0 ，且有不断 增加之趋势。 技术进步的浪潮同样卷入我国。国内机械制造业多品种中小批量生产的中 小企业如汪洋大海遍及全国，一人一机的普通万能机床虽然灵活，但自动化程 度和生产效率很低，少品种、中大批量或大批量生产的重点骨干企业，后方车 间、新产品试制车间仍是以分散式的万能机床为主；生产一线则多采用专能机 床、组合机床和自动线，生产率虽较高，但缺乏灵活性。要打破这种劳动密集 型和刚性自动化混杂的生产模式，必须采用柔性自动化生产系统等先进制造技 术，以谋求增强对市场变化的响应能力。 由于我国对f m s 的研究起步晚，并且发展缓慢，人们对f m s 的认识还很 不足。要想加快发展速度，必须将其迅速推广和普及，提高人们对这一高新技 术的认识，并逐步掌握与之相关的知识和技术，最终应用于生产实践中。但是 到目前为止国内的f m s 还为数很少，特别是应用于教学方面的f m s 更是寥寥 无几，从国外引进的f m s 成本太高，而自主开发不但成本较高，而且周期长， 成功率和稳定性也不是很可靠。所以目前亟待需要一个有效的途径来解决上述 矛盾。 1 1 3 柔性制造系统的计算机仿真研究现状 利用计算机仿真技术可以很好的实现推广f m s 这一先进制造技术的目标， 通过仿真可以描绘和实际系统有关的运行特征。而计算机仿真是一门用计算机 软件模拟真实环境进行科学实验的技术。计算机仿真技术集成了计算机技术、 网络技术、图形图像技术、系统技术、面向对象技术、多媒体、软件工程、信 息处理、自动控制等多个高新技术领域的知识。因此，计算机仿真技术是当前 应用最广泛的实用技术之一。利用此项技术，通过柔性制造系统虚拟仿真可以 很好的把f m s 的研究迅速向前推进。 f m s 的计算机仿真是当前仿真的重要研究及应用领域之一，国外在2 0 世纪 7 0 年代就己开始研究工作，美国、英国、德国、法国、日本等国的研究具有一 定的代表性。有不少较成熟的仿真软件系统可用于f m s 仿真。其中多数仿真软 件具有交互式图形界面、3 d 图形建模、多功能动画显示、仿真数据统计分析和 动态显示等功能。 6 第一章绪论 我国从8 0 年代开始引入f m s ，并相继开始了f m s 仿真方面的工作。例如 华东工学院较早地开展了f m s 仿真的研究，并率先在国内推出了实用f m s 仿 真软件包，缩小了国内与国外在此领域的差距。随后，清华大学、南京航空学 院、重庆大学等先后在这一领域展开了研究，推动了国内f m s 仿真的研究应用。 然而现有的许多仿真软件系统对于缺乏计算机编程知识，不具备仿真建模知识 和经验的用户来说，很难直接运用这些软件系统进行仿真，他们必须得到专业 人员的帮助与支持。还有不少f m s 仿真软件，针对f m s 仿真的特征，除了要 计算机花费大量时间来进行计算外，在分析过程中还将产生大量的数字结果， 使用者只有在仔细分析与比较这些数字结果后才能发现仿真中发生的情况与问 题，这个过程繁琐而费时。而如果f m s 仿真中采用图形动画技术，那么给仿真 的各类使用人员带来了极大的好处，它把数值结果转化为以多种图形表示的随 时间和空间变化的环境状态，呈现在计算机屏幕上，使仿真用户清楚了解实验 的全过程，以加深对具体f m s 的生产过程的认识。三维动画与用表格数据的文 字报告相比，更能表达系统在运行过程中的动态过程。而且顺利地进行模型的 表达，更加有利于对人员的培训。所以在现有的f m s 仿真软件方面还有待提高 和完善。 1 2 研究的意义 鉴于我国当前的国情和f m s 的发展现状以及f m s 仿真软件的发展现状， 如果能将f m s 以更好更经济的培训形式引进到高职教育中，对学生施以相关知 识和专业技能的训练，必将提高专业人才的技能水平，有益于加快我国发展f m s 的步伐，使其尽快转变为现实的生产力。为了实现这一目标，可以利用计算机 仿真技术开发一个专门针对培训的虚拟柔性制造仿真系统，在虚拟环境中演示 f m s 的工作过程，达到理论结合实践的效果，既经济又安全，既简便又高效地 完成教学任务。这个仿真系统吸取现有f m s 仿真软件的经验，并尽可能改进其 不足之处，能够充分体现其教学功能。同时，也为制造出配置合理、运行高效 的f m s 提供了参考和依据。所以，此项研究任务具有非常实际的意义。 第一章绪论 1 3 研究的目标 以从西班牙引进的m i n i t e k 柔性制造系统为原型，依据典型柔性制造系统的 组成、布局和工作原理，研究开发虚拟柔性制造仿真系统。该仿真系统能够在 虚拟柔性制造环境下演示f m s 的整个运作过程，以直观的方式帮助用户学习和 研究f m s 。其仿真功能主要包括： 1 为要加工的零件准备托盘。设置托盘类型及数量，并根据需要放到各个 工作单元的工作位置。 2 定义要加工的零件。设置零件的种类、数量、加工工序、加工时间，以 及是否需要进行装配和装配的顺序。 3 定义要装配的零部件。 4 根据仿真需要选择加工任务和加工计划调度规则。 5 根据各种零件的加工工序和加工时间，依据加工计划调度规则自动计算 出各个加工设备的作业顺序，并生成加工流程工序清单和设备甘特图。 6 按照系统生成的加工工序清单以动画的形式仿真加工流程。 1 4 主要研究内容 在本文中，首先对柔性制造系统的产生背景、概念、工作原理、特点以及 研究现状等内容作了必要的叙述，并阐明了柔性制造系统仿真研究的意义。 重点研究了虚拟柔性制造仿真系统开发中的主要技术问题。包括柔性制造 系统的建模与仿真研究；柔性制造系统的调度决策及作业排序的算法；虚拟制 造设备几何模型的建立及运动模型的控制等。所做研究工作主要包括： 1 对虚拟柔性制造仿真系统模型的构建方法进行了研究，对f m s 离散事 件系统模型进行了描述，并基于离散事件系统对f m s 仿真策略和仿真研究步骤 进行了分析， 2 讨论了面向对象的f m s 仿真建模，阐明了面向对象仿真程序的实现方 法及f m s 仿真建模的实现步骤，并建立一个面向对象的f m s 仿真建模框架。 3 对f m s 的生产调度模型、生产调度规则和基于规则的调度系统进行了 讨论，并对基于神经网络的调度方法进行了理论分析，详细阐述了神经网络求 解调度问题的算法，以及神经网络在f m s 调度中的应用。 第一章绪论 4 研究了系统设备三维模型的s o l i d w o r k s 建模和存储方法，以及o p e n g l 三维动画仿真的实现方法。 以上述研究为基础，应用v i s u a lc + + 开发虚拟柔性制造仿真系统软件，该系 统能够根据用户需要的加工要求和调度规则以仿真的形式运行，演示f m s 加工 流程，使用户能够通过虚拟柔性制造仿真系统直观深入的了解柔性制造系统的 工作原理和运行过程。 9 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 2 1 系统开发的理论依据 2 1 1 柔性制造系统的基本组成 柔性制造系统可概括为由下列三部分组成：多工位的数控加工系统，自动 化的物料贮运系统和计算机控制的信息系纠们，其构成如图2 一l 所示。 图2 - 1f m s 的构成框图 1 加工系统 加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动地更换工件和 刀具。通常若干台对工件进行加工的c n c 机床和所使用的刀具构成。 f m s 的加工能力由它所拥有的加工设备决定。而f m s 里的加工中心所需的 功率、加工尺寸范围和精度由等待加工的工件族决定。 2 物流系统 在柔性制造系统中工件、工具流统称为物流，物流系统即物料贮运系统， 是柔性制造系统中一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个生产过程 中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间消耗于物料 的贮运系统中，合理的选择f m s 的物料贮运系统，可以大大减少物料的运送时 1 0 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 间，提高整个制造系统的柔性和效率。 物料系统一般由三个部分组成： 1 ) 输送系统：建立各加工设备之间的自动化联系。 2 ) 贮存系统：具有自动化存取功能，用以调节加工节拍的差异。 3 ) 操作系统：建立加工系统同物流系统和贮运系统之间的自动化联系。 f m s 中的物料输送系统与传统的自动化生产线或流水线不同，f m s 的工件 输送系统可以不按固定节拍强迫运送工件，工件的传输也没有固定的顺序，甚 至可以是几种工件混杂在一起输送，而且工件输送系统都处于可以进行随机调 度的工作状态。 f m s 的物料贮运系统一般包含工件装卸站、托盘缓冲站、物料运送装置和 自动化仓库等几个组成部分，主要用来执行工件、刀具、托盘以及其他辅助设 备与材料的装卸、运输和贮存工作。 3 信息系统 信息系统包括过程控制及过程监视两个子系统。其功能分别为：过程控制 系统进行加工系统和物流贮运系统的自动控制；过程监视系统进行在线状态数 据自动采集和处理。信息系统的核心是一个分布式数据库管理系统和控制系统， 整个系统采用分级控制结构，即f m s 中的信息由多级计算机进行处理和控制， 其主要任务是：组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视；向f m s 的加工系统、物流系统( 贮存系统、输送系统及操作系统) 提供全部控制信息 并进行过程监视，反馈各种再现检测数据，以便修正控制信息，保证安全运行。 制造单元的运行受到单元及环境间的信息流的控制，这种相互作用可用图 2 2 所示的模型来表示，并称之为生产信息单元( p i c ) 。此信息模型描述了几个 外部实体：车间、监视器( 监视给定制造单元的现场运行情况) 、更高层次的单 元( 进行有关制造活动信息的通信) 、数据评价及组织的过程以及一个用于相应 制造单元特定装置的数据的本地存贮器。外围的四个部分将数据传入一个中央 处理器，中央处理器经过信息的收集和整理，解决相互之间存在的冲突以后， 发送回指令，指导外围设备的工作。如此循环，系统才会正常运行。 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 图2 - 2 生产信息单元( p i c ) 2 1 2 柔性制造系统的工作原理 f m s 的模型和原理框图如图2 3 所示。f m s 工作过程可以描述为：柔性制 造系统接到上一级控制系统的有关生产计划信息和技术信息后，由其信息系统 进行数据信息的处理、分配、并按照所给的程序对物流系统进行控制。 物料库和夹具库根据生产的品种及调度计划信息提供相应品种的毛坯，选 出加工所需要的夹具。毛坯的随行夹具由输送系统送出。工业机器人或自动装 卸机按照信息系统的指令和工件及夹具的编码信息，自动识别和选择所装卸的 工件及夹具，并将其安装到相应的机床上。 机床的加工顺序识别装置根据送来的工件及加工程序编码，并进行检验。 全部加工完毕后，由装卸及运输系统送入成品库，同时把加工质量、数量信息 送到监视和记录装置，随行夹具被送回夹具库。 当需要改变加工产品时，只要改变传输给信息系统的生产计划信息、技术 信息和加工程序，整个系统即能迅速、自动地按照新要求来完成新产品的加工。 中央计算机控制着系统中物料的循环，执行进度安排、调度和传送协调等 功能。它不断的收集各个工位上的统计数据和其他制造信息，以便有利于系统 快速的做出系统决策。 1 2 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 图2 3f m s 原理框图 2 1 3 柔性制造系统的特点 由于f m s 将硬件、软件、数据库与信息集成在一起，融合和普通n c 机床 的灵活性和专用机床及刚性自动化系统的高效率、低成本，因而具有许多优点： 1 在计算机直接控制下实现产品的自动化制造，大大提高了加工精度和生 产过程的可靠性。 2 使生产过程的控制和流程连续，并且达到最佳化，有效提高了生产率。 3 实现系统内材料、刀具、机床、贮运、夹具以及测量检查站的理想配置， 具有良好的柔性。 4 可直接调整物流和制造中的各项工序，制造不同品种的产品，大大提高 了设备的利用率。 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 2 1 4 柔性制造系统的适用范围 一个代表性的数据范围可以从图2 4 中了解到，图中的纵坐标表示各种加 工系统适用的批量加工零件数，横坐标表示适用的加工零件种类数，从图中可 以看出，f m s 的适用批量加工零件数是5 0 - 2 0 0 0 件，而适用的加工零件总类数 是4 1 0 0 种。 1 5 0 0 0 每2 0 0 0 种 零 件 批 量 5 0 0 大 小 2 5 】或2 加工零件种类 1 0 0 8 0 0 图2 - 4 柔性自动化与产量的关系图 2 1 5 柔性制造系统的布局 在f m s 中，设备布局对f m s 的建模和仿真是非常重要的。根据设备之间 的关系分，常见的布局有随机布局、功能布局、模块布局、单元布局等；根据 物料传输线路分，常见的有直线型、环型、网络型等。 根据设备之间的关系分类，具体如下： 1 随机布局：f m s 内的生产设备任意安置在生产车间，当系统的设备较 少时，可以采用这种布局方式。但是，当系统内设备数量超过3 台时，系统的 运输线路十分复杂，容易出现阻塞，增加了系统内的物流量，降低了系统内各 个设备的利用率和整个系统的生产率。 1 4 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 2 功能布局：生产设备按照功能分成几组，相同功能的机床设备安置在一 起。这种布局方式是从传统的单件生产车间的布局方式继承来的。 3 模块布局：在这种布局方式中，f m s 内的机床设备被分成若干个具有 相同功能的模块，这种布局方式可以较快地适应市场变化和处理系统发生的故 障。但是，不利于提高设备的利用率。 4 单元布局：基于成组技术，将机床设备划分成若干个生产单元，每一个 产单元只加工某一类工件。这是f m s 经常采用的布局之一。 根据物料传输线路分类，具体如下： 1 直线型：这种布局的f m s 中的机床沿着一条直线排列，工件采用小车 或传输带进行传输。这种布局适合于柔性装配线或工件品种较少但工件生产批 量较大的加工制造情况。 2 环型：f m s 的物料传输形成一个环，机床也沿着这个环进行布置。这 种布局形式可以提高设备的利用率，容错能力强，当某一机床发生故障时，不 影响整个系统的生产。 3 网络型：物料传输线呈网状，机床排列在网络之间。网络型的物料传输 有很大的柔性，设备利用率和容错能力最高，但是运输小车的控制调度较复杂。 f m s 的常见类型有切削加工的f m s ，扳金加工的f m s 。根据不同的类型， 常采用不同的布局方式。 2 2 系统总体方案规划 2 2 1 系统组成和布局 为了更好的满足用户需求，便于用户进行学习和研究，开发的f m s 仿真系 统需要具有典型性，并且功能完备、结构相对简单。从西班牙引进的m i n i t e k 柔 性制造系统，在组成、布局和工作原理等方面，充分具备上述特点，整套系统 的组成设备数量少，结构鲜明，且具有代表性和通用性。在教学和研究实践中， 能够取得良好的效果。所以在开发仿真系统时，主要以m i n i t e k 柔性制造系统为 原型，并依据上述f m s 的基本理论，进行系统规划。 虚拟柔性制造仿真系统由五个系统组成，即物流系统、加工系统、信息系 统、装配系统和检测系统。其中的装配系统和检测系统是在f m s 的三个基本组 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 成系统基础上增加的，旨在丰富和完善系统整体功能。系统的物料传输线路采 用环形布局，如图2 - 5 所示。 圉 圈 圈 匡习 图2 - 5 虚拟仿真柔性制造系统布局 物流系统由立体仓库、一条有轨传输系统、四个运输小车、和一台自带导 轨的机械手组成。传输系统中的四个运输小车，各自具有唯一的标识，系统的 环形轨道上分布着4 个站点，分别对应着立体仓库、机械手、装配系统和检测 系统，小车在轨道上以顺时针方向运行，并且只能在各站点处于静止状态，以 配合系统的零件装载和卸载任务。自动化立体仓库共有8 个料位，每个位置具 有唯一的地址，共有四层两列，所有毛坯均由此站点提供。自带导轨的机械手 可在加工中心和数控车床之间运动，完成毛坯的装载和零件的卸载任务。 加工系统由一台加工中心和台数控车床组成，完成零件的加工任务。 装配系统共有4 个料位，每个位置具有唯一的地址，共有两行两列，能够 完成两个以上零件的装配任务。 检测系统完成零件的检测任务。 以上四个系统均由信息系统来调度和控制。系统接到工作任务后，首先由 信息系统进行调度决策，计算作业流程，再指挥各个系统协同工作。 1 6 第二章虚拟柔性制造仿真系统的开发方案设计 2 2 2 系统仿真功能分析 虚拟柔性制造仿真系统的；b n - r 系统设备设计为两台，即加工中心和数控车 床。此方案不采用多台多种加工设备，并且忽略了诸如刀具、刀库等辅助设备， 目的是为了简化模型，有助于用户更好的研究主要问题，而力r - r 中心和数控车 床，能分别针对两类不同形状特征的零件进行加工，即长方体类和回转体类， 也是当前应用最广泛，最有代表性的两种数控机床，用户可根据仿真需求自行 设定零件的种类。同时，也可以使系统在仿真功能方面具有可扩展性，如添加 数控机床切削仿真功能等。由于本系统主要研究柔性制造系统的整体调度规则 和作业流程，所以目前对；a n - r 系统零件切削过程仿真从略。 自动化立体仓库带有装卸零件托盘的机械手，实现仓库与静止在站点1 上 的运输小车之间的零件托盘传递。自动化装配系统内带有机械手，实现装配站 与静止在站点2 上的零件传递和装配零部件的工作。自动化检测系统内带有机 械手，实现检测站与静止在站点4 上的零件传递。自带导轨的机械手在导轨上 共有三个静止位置，分别对应加工中心、数控车床和站点3 。机械手在两侧的 两个静止位置时实现加工设备装载毛坯和卸载零件任务；机械手在导轨中间的 静止位置时实现加工设备和静止在站点3 上的零件传递。根据用户定义，需要 装配的零件完成其他工序后被送进装配系统，在系统内实现简单的装配工作， 装配好的零部件最后停留在装配系统内；不需要装配的零件完成所有工序后被 送回自动化仓库。 2 2 3 系统的工作过程 用户进入虚拟柔性制造仿真系统后，可按照如下步骤进行仿真工作。 1 用户根据需要定义要加工的零件，此项定义有以下内容： 1 ) 定义所需要的零件托盘，包括托盘形状和数量，系统提供两种类型的托 盘，分别用来装长方体类和回转体类零件，其数量可以根据零件的数量来定义。 2 ) 将定义好的零件托盘分别摆放到立体仓库和装配系统中的料位上。 3 ) 定义要加工零件的加工流程和每道工序所需要的加工时间，包括零件的 名称、类型、数量以及是否需要装配成部件和装配顺序。 4 ) 定义装配工序，包括装配工序的名称和组成装配的零件名称。 2 用户根据需要定义加工任务，此项定义有以下内容： 1 7 第二章虚拟柔