（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）钢料车间中的柔性调度及球面板加工技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 恭要 柒性制造技术c f l e x 玛l em 髓u 角曲】r i d gt 如h n o l o g y ) 适用予多品种、中小批量产品的生 产，辩予造鼹金潼箍毫生产效搴，箨羝生产袋零，疆强国鞲竞争力昊誊熬大夔箨羯，逡年 来越来越受到各造船大国的重褫。 然而，柔性自动化生产线的运行效益至必藿要，其不可预见性也很大。一旦建成艏发 现设计不舍理，螫滚动或重建，又要耗费大豢入力物力。邋过计算机模数，可以在勰划、 设诗除段就对系绕静静动态髓黥进行充分酶鼷溺，敷尽旱笈现系统布恳、配置及谣度掇制 策略方面的问题，从而更快、熙好地改善系统设计。通过灾例对这一系统进行建模与规划 分析，这对柔性制造技术在造船艇也的应用具有十分重要的意义。 零文逶遘对见褰大耋造憝众照戆镅瓣鸯l 工窜闽戆实建瀵骚之嚣，钤瓣装车阕熬实黪釜 产情况进行具体分祈；获取了肖关该车间目前的工艺流程、资源分配、蕊划布局和实际生 产过程的大量生产数据，并对生产工艺加以分析和整理，主要做了如下工作： 1 结合前人的研究成果，详细绘出了赋时有色乳砸弼的定义，并依据最小事件时闻 接迸原理，簸w 羚f 鹃角度密发，实瑷了离羧祭统仿真孛常用翡三耱傍粪方法静流稷。锺 这臻算法的研究，为基于对象化t c p n 模型的仿真程序提供了必要的理论基础； 2 基于t c p n 对钢料加工雄间进行建模，研究了f m s 动态调度仿舆。得到车间内不 露调度觏翼l 下黔生产帻嚣，可黔髓莛这一缮聚终暴选择最经鲍嚣麦策略，势对傍寞设诗方 案的生产效率进行分析和讨论； 3 在前人基础上，对运输鞴擎的不同运彳予状况进行了模拟及运输效辩评价； 4 利用优化簿法，对车间内的加工设备避行了设备级筐构，负荷分派及任务派工等 方嚣瓣搽谤，褥蘩? 其有一定徐毽懿缍逾； 5 对球面厚税水火加工的方法进行了探讨，给出了不阊分割情况下钢板局部收缩堂 的计算方法及焰邋的布置方案，并得到了初始待辊轧钢板的形状。 关键滴：柔性朝逢；赋霹春色陬ri 闲；我纯冀法；l | 雯缀鬃诗算 塑整圭塑主塑墨堡塑壅墨壁亘堡i ! 三垫塑塞 s t u d yo f m ef l 戚b l ea 呛m p e r i r 玛a n d 恤m 砌1 i i l i n gt e c h n 0 1 0 盯o f m eg l o b a lp l a t ei n 廿l eh u l lj o b s h o p b s t r a c t f l e x i b l em a n l 】自c 臼】血gt e c h n o l o 目c mb e 五t m em 叩堪配缸戚i l go fp r o d u c t s 稍：l hm a n y 瞄n d s 锄d 危w 锄0 u n t ，s 仕d n g i yh e l p st h es h i p y a r dt oe r 岫ei 乜p r o d l l c ee 伍c 沁n c y ，1 0 w 廿i 乜 c 0 鸡b l 脚t h ea b i l i _ 哆i nt h ec o m p e 血i o ni nm ei 玎：【e | 删o n a lm 盯k c t ，h 嬲b 。c nr c g a r e db yt 1 1 e 口e a t s h i p b u i l d i n gp o w e r si n 也ew o d dr c c 曲n yy e a r s h o w 洲，m eb e n 缸o f 也ef 1 商b l em 删自c t i 】r i n gl m i sv e r yi m p o n a l 鸸i t 锄t b e 触c a s t 、v e u o n c em ed e s i 驴o f f m s i sn o t l o 百c a l ，i t h a v e t ob ec 1 1 a r 喀e do r 曲u i l d e d ，w mc o s ta l o to f r e s a 忸c e s 锄dm a n p o w e ra g a i n b y 也es i n l u l 舐o n ，w ec a i lm m aw e uf o r e c a s co f t l l ec 印a _ b i l i 哆o f t b es y s t e ma n d 五n dt h e 邮b l e mo ft h el a y 咄s 衄d 帆舭dm a r 吼l v 盯e 础y ，s ow ec a nc b a n g e 也e d e s i 弘缸t e r a l l d 砌= c e r i t c a nb c a 删m e a n i n g o f m e a p p l i c a t i o n o f f m r i i l 也e 蛐y a r d a 话虹a 1 0 t o f r e s 黜h o f m a n yh l l l l m 锄钏n g j o b s h o p so f s h i p 蛐，也i s p a p e r a n a l y s e s t h er e a l l ys i l u ；描衄o fw d t 妨唱；g a i t h es i m a t i o no fw o r i d r 培n o w ，r e s o u r c cd i 曲址恤，删l a m n g e r n e n ta n dm em 越m f a c t i 】i i l l gp 1 o c e s s d u r i i 培廿l ea 1 1 a l y s i g 缸dc i e 趾i n g u p ，m a i n l y 曲碉舱s 踞 f o l l 0 、珊： 1 c o m b i 血g 、v i t h 也c i c 毗s l o n g a g o ，西v em e 出n c so f t c p n 锄p l y ，戚n g 也e d 锄咄 o fl e a s te v e v ta 1 1 d 血n e ，s 晰舶mt c p n ，m a k e s 廿鹏e 垃1 d so fm 甜l o d si n 仕峙删a n so f d i s p e 瑙es ”旭mc 咄加船s 僦e so f t h e s ea l g o d ( h i l i c s o 丘b r sm ee s 删a lm e o r yo f 也es c 盘w a r e i nm es 砌a t i o no f 岫o b j e c t o i i 咖e dt c p nm o d e l s 2 m a d e 也e 瑚d e lo f 血e h u l lj 0 b s h o pb 嬲e d o n 也e t c p n ，s t 咖e d 也e s 妇u l 如n o f f m s 。o b t a i n e dm ed i 壤幅n ts i t u a t i o i l su n d e rd i 侬鹅ma t t e n 巾e rm bo f t h e j o b s h 叩，c h 0 0 s e 也e b e s to n e ；a 1 1 a i y s e da n dd i s c u s s e dm ep m d u c t i i 培e 丘c i e n c y so f t h es 妇u l a t ep 麟印协； 3 c 伽曲i n i l l g 诚t ht 1 1 er s u hl 伽昏a g o 础t h es i l 工l m a t i o no fm ed i ：旺酿斌岫g s 如瓶o n so f l ec r a 鹏锄d 印p r a i s e di 乜m o v i n ge 伍c i e l l c y 4 u s 吨m eo 叫h 】i 翻t i 咀a 丘e s h 也ee 呻m e n t so f m e j o b s h o p ，咖d i e da tm ea l l o to f c h 盯g e a n d 也e 硼s i 粤吼e n t ，g a 岫e ds o m cc 衄d u s i 0 1 1 sw i ms o m ev a l u e s 5 s d 嘣e da t 也e m e 血0 d s o f l 妇_ b 酬n g f o r m e 啦e r ed e 印p l a t e s ，g a v e 也e m e d s o f 也c c 灿l a t i o no f t h e 蛐s i m a t i o n sa n d 协ed i s p o s eo f 也e 丘r el i i l e so nl l l es 魄lp h t e ，a l s og a i n e d 血e s h a p eo f 廿l e 鼬e e lp l a t c st ob er o l l e 】r e d k 呵w o r d s ：f l 嘣b l em 姐咄c t u 一g ；t c p n ；o p 衄i i z a 幽n ；c a l c u l a t eo f t h es h 血k 独创缝说舞 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 终及取褥研究成果。尽我所魑，除了交孛蒋裂熬潋标注饔致谢兹逡方辩， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的问志 对本研究所做的贡献均融在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：孵眺单 钢料率间中的柔性调度及球面板加工技术研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文伶者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使甩规 定”，阕蠢大连纛王大学绦整势巍善家奏关秘门或援稳送交学整论文熬笈霉磐窝电予舨， 允诲论文被查阅和借阅。本人授权大连理工犬学可以海本学位论文静全部或部分内蜜编入 有必数据库进行检索，也可采用影印、缩印竣扫描等复制带段保存和汇编学位论文。 作者锻名 缉趱 导师缀名：到竺丝 玉璺! 簪胃盟| 薯 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着现代社会及其经济的迅速发展，制造业不仅需要单项的科技成果的应用，而且更 需要一种在全球化市场竞争中能生存、发展的先进制造系统。实践告诉我们，制造企业只 有先进的制造技术作保证，才能能提高质量、降低成本和缩短建造周期。 课题工程背景 近年来，制造领域陆续地出现了许多新思想、新概念、新方法，产生了许多新的制造 技术和制造系统，如柔性制造系统( f 峪，f 1 e x i b l em a 叫f a c t u r i n gs y s t e m ) 、计算机集 成制造系统( c i m s ，c o 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 gs y s t e m ) 、敏捷制造( a m ， a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 等，它们对提高企业生产效率和生产柔性、缩短产品制造周期、 降低生产成本、提高企业对市场的快速响应能力和竞争能力等方面具有重大推动作用，并 在实际的应用中，为企业带来了巨大的经济效益。 作为先进制造技术之一，柔性制造技术( f 盯，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g t e c h n 0 1 0 9 y ) 有利于提高企业的生产效率，提高产品生产的柔性及应变性，降低生产成 本，减轻劳动强度，近年来成为各工业国家的热门研究课题之一。在造船业，船舶建造有 其生产周期长，工艺技术难度高，劳动强度大的特点，目前仍然处于劳动密集型生产阶 段。造船企业要想提高效率，扩大经济效益，在激烈的市场竞争中保持不败，引进先进制 造技术和制造系统势在必行。 问题的提出 柔性制造技术在船厂的应用必将带来直接的经济效益，这是显而易见的。然而船厂要 实现全程柔性自动化，成本高，规划不易；且目前f m s 规模趋于小型化、低成本，演变成 柔性制造单元f m c ，因此局部自动化或局部改善方案，对船厂而言是一种实用的方式。然 而，建立一套全新的柔性自动化生产线需要大量的时间和资金消耗，同时也具有很大的风 险：更先进的自动化生产车间的出现、硬件设施和软件支持的改善，将使得新建设的生产 线失去市场竞争力，违背决策者的初衷。因此，有必要对设计的自动化加工车间的布局规 划和工艺流程预先进行模型化，程序化并模拟运行，以节省建造成本，缩短建造时间，降 低投资风险。 生产线的规划设计是根据产品类型、生产纲领、工艺规程等特性选择加工设备、运输 设备和各种辅助设备，并结合车间场地、空间的结构特点以及工艺约束对设备进行合理配 钢料车间中的柔性调度及球面板加工技术研究 置，充分考虑设备之间在空间位置上的协调性，以确保整个系统的物流畅通以及设备的充 分利用率。生产线的规划设计是一个高投资、高风险的过程。 然而与总的投资相比，一条柔性生产线的设计规划，所需要的费用只占2 1 0 9 6 ，往 往比不可预见费用还少，却可为投产后的企业却带来重要效益。如果设计规划不合理，在 后续的建造安装、实际投产阶段中，要加以改造，所需的费用将逐步上升，这样则事倍功 半。因此，必须吸取前人的经验教训，对柔性生产线的设计规划问题予以足够的重视。同 时，有必要对柔性生产线的设计方法进行研究，使企业能够在柔性生产线早期的设计规划 过程中，就能够充分考虑影响柔性生产线的生产柔性、生产效率以及设备利用率等性能的 各种因素，迅速准确地对柔性生产线进行设计或再设计，使系统在实施后能够高效运行并 满足新产品的加工需求，从而快速响应市场竞争，为企业赢得更多的市场机遇。 一f m r 发展现状及研究进展 柔性制造技术是对各种不同形状加工对象实现程序化柔性制造加工的各种技术的总 和。柔性制造技术是技术密集型的技术群，我们认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小 批量( 包括单件产品) 的加工技术都属于柔性制造技术。 柔性制造系统概念的提出从2 0 世纪6 0 年代至今已经四十多年了，国外的柔性制造系 统已经延伸到各个领域，包括飞机、船舶、汽车、机械加工等等。9 0 年代以来，随着f 粥 进入实用阶段，理论和技术已日臻成熟，日本、韩国、美国和欧洲诸国的造船企业纷纷研 究开发该项技术并应用于造船生产当中。日本的奥本( 删c r r 0 ) 和山本( y a m a m 叽o ) 等 学者研究了车间组立工作的优化问题，并通过线形计划给出了详细的工作日程及配员计 划；石川岛播磨重工业公司吴工厂建成高度自动化的分段制造车间和遍及现场的精益日程 计划系统；三菱重工业公司的船舶事业本部、长崎造船研究所和香烧船厂整体的c i m ；韩 国的汉城圜立大学j o n gg y es h i n 等和美国的密歇根大学t h o i r i a sl a i i i b 等人合作，联合致 力于开发能够应用于造船生产过程自动化仿真的可靠、可信的方法和工具。在与韩国三星 重工造船厂的合作下，研究和开发改进的建模和分析方法，并通过实际船厂的生产数据来 严格检验提出的理论方法和模型，评估当前生产系统下的造船生产能力，规划未来技术、 管理水平下的生产能力；汉城国立大学的数字造船实验室和密歇根大学的造船研究实验 室，从事造船过程仿真研究多年。为了提高产量和生产效率，平衡车间负荷，开发了制造 和成型车间的仿真模型，并对给定时间，特定产品范围内的船厂生产进行了仿真实验；韩 国的c h i n _ m i n gl i u ，c i e n _ f uc h i e n 等学者给出了一种基于仿真的船板生产控制系统的面 向对象的分析和设计方法：韩国的造船工艺自动化技术也已经深入到众多大船厂，尤其是 船体钢料加工自动化车间；美国的s h i n ，j g 和s o h n ，s j 基于模拟设计方法开发了车间自 大连理工大学硕士学位论义 动能王律静控毒l 系统；蘧多 美鬻一些学者遥辩发了造髓避糕翡仿粪诗算梳模块，戳蘩实现 虚拟造船。 国内的柔性制造技术的应用目前只在机械零件加工等少数领域的少数企业有所应用， 勰躲测造黜援蛙寒l 造技本豹巍翅是是蔽予辩分单矮技零，热c a 到a 谨p 蕊e 一髂纯裴 成缀技术、数控力h 工设备等等，与先遗造船鬻家的应用水带差距较大。上海交通大学静钟 宏才，谭家华和外高桥船厂的陈强等学者发液了一些建立造船生产模型和作业规划的一些 文章，取得了不少成果；上海域工大学的李郝林基于生物遗传算法对f m s 的调度冀法进 器了稳关研究，等等。 我国国内船，r 还没有真正达茔怖0 造柔性化，但已经具脊很多数控设备。比如，焊接机 器人、数控切割机以及即将投入使用的水火弯板机器人等。从全局观点来看这些都热所谓 的是瀵化孤岛，不成系统。串黧戆造船业晕融农世界接孰，多年来不凝鹣吸牧和利震墩器 先避生产、管理技术。实现各审闻产晶静柔髓自动佬隶造麓眼蓠急待解决静阉题，瞧蹩来 来我国造船企业崴正全面实现c n “s 所必须经过的一步，鼠有重要的战略意义。 毒交熬烹黉工终 1 结合前入的研究成果，详缁给出了赋时有色p e 仃i 网的定义，并依据最小事件时闻 推谶原理，从t c p n 的角度出发，实现了离散系统仿真中常用的三种仿真方法的流稷。对 这拨薄法的研究，为基予对象他t 1 0 p n 模型的仿真程序提供了必要的理谂基础； 2 。基于硎对锈耩鸯l 曩第闻进行建搂，研究了f m s 动态淫度谚舞。褥蔓l 车褥蠢誉 同调度规则下的嫩产情况，从中选择最佳的调度策略：并对仿真设计方粲的生产效率谶行 了分析和讨论： 3 怼运输畏鬈魄不曩运纷状毵送毒亍了壤羧及运输簸零谬玲； 4 利用甓纯舞法，对车阊晦的秀工设备避行了设备缀箍构，负荷分派及任务派工等 方面的探讨，得到了具有一定价值的结论； 5 对球面厚扳水果加工的方法进行了探讨，给出了不阿分割情况下钢板局部收缎量 熬谤箨方法及焰邀黪蠢萋方案，莠褥羁了兹鲶待辊羲镶扳戆形状。 钢料车间中的柔性调度及球面板加工技术研究 l 绪论 1 1 柔性制造技术概述 1 1 1 历史背景 柔性制造技术产生的大环境是世界处于从工业社会向信息社会转型的时期。以一 些工业发达的国家和地区为先导，在高度工业化发展后，开始向信息社会转化。其主 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。柔性制造技术的产生具有两个根本的因素： 一是市场发展的需要。二十世纪六十年代以来，市场对产品的需求由产品不足到 逐渐过剩，制造企业为赢得竞争就必须开发新产品来满足用户不同的要求，从而形成 以多品种、中小批量占主导的产品结构。传统的剐性自动化系统不能满足这种需求， 迫使企业寻求一种解决之道。柔性制造技术应运而生； 二是科学技术的发展为新技术的出现提供了可能。计算机的应用和发展，自动控 制理论，制造工艺，以及生产管理科学的变化给柔性制造技术的发展提供了环境。其 其体体现在：5 0 年代，数控机床( n c 、c n c 等) 的出现及自动编程系统的研制。单机 设备趋向于“柔性化”，使中小批量的外形复杂的零件加工问题得到解决，这样既提 高了生产率和加工精度，又缩短了生产准备周期；6 0 年代，工业机器人的研制成功和 f m s 的出现。新技术的应用表明加工过程和物料流动过程成为研究的重点；7 0 年代以 来，c a p p c a m ，计算机辅助管理，物料自动搬运，刀具管理等的出现与发展。这些相 关技术更为柔性制造技术的发展提供了有力的支持；9 0 年代，各种先进制造技术的提 出与发展。 1 1 2 具体划分 柔性制造技术按照其规模的不同可大致划分为以下几种： 1 )柔性制造系统( f m s ) 关于柔性制造系统口m s ，f l e ) d b l em 8 n u f a 曲耐n gs 舳) 的定义很多，权威性的定义 有：美国国家标准局把f m s 定义为：“由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置 把工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算 机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。”；国际生产工程 研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生 大连理工大举硕士学位论文 产蔹侮范围静产菇羧，系统的黎健遥常受囊系统设诗辩藏考虑懿产鑫族麓陵糕。”；糯我 国国家军用标准则定义为“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制 系统缌成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，自根据制造任务或生产环境的变 弦迅逡送嚣疆整，逡建予多是秘、孛夺拯量生产。”筵单蟪说，羚疰s 是巍若手数控设务、 物料遥贮装置和计算机控带i 系统缎成的并能掇猫制造任务和生产品种交亿而迅速进行调蹩 的自渤化制造系统。目前常见的组成通常包括4 台或更多静全自动数控机床( 力工中心岛车 削中心等) ，由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，w 在不停枫的情况下实现多晶 耱、审， 、魏垂豹鸯羹互及警瑾。嚣麓反映工厂蘩髂窳平懿f m s 是第一筏薹瓣s ，霞本麸1 9 9 1 年开始实施的“智能制造系统”( 妞垤s ) 国际性开发项目，属于第二代f m s ；而真正完藩的 第二代f m s 预计本世纪十年代脬才会实现。 2 )黎性铡造单元】飘心) 热压c 的陵潼势在生产中筏麓约眈f m s 流6 8 年，猕f c 可视为个规模最小簸 f m 8 ，是f m s 向廉价化及小型化方向发展的种产物，它煅由1 2 台加工中心、工业机 器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，藏特点是实现单机柔性化及囱动化，具有邂艘 意g 王多 廷耪产鑫戆瑟涟整。迄今溅进入营及瘦怒除爱。 3 )鬃性制造线 它是处于单一躐少品种大批激非柔性自动线与中小批鬣多品种聊s 也间的生产线。 其鸯工设备可以是邋月静秀g 工中心、c n c 机床；亦可采用专越枫床或n c 专用机康，慰物 精搬邋系统柔懂静漤求低于f 醚s ，毽生产率燹态。它是戳离散委生产中魏柔性毒l 造系统；| 甏 连续生过程中的分散型控制系统c s ) 为代袭，其特点是实现生产线柔嫩化及自动化，其 技术融日臻成熟，迄今己进入安用化阶段。 4 )鬃蠖裁造工厂 瓢强是将多条f m s 连接起来配鞋自动能立体仓库，用计算机系统进行联系，采用从 订货、设计、加王、装配、检验、运送至发货的完整n 。它包括了c 觥a d m ，辨使 计算枫集成制造系统( c 蹦s ) 投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，滋两实现全厂藏尉 懿生产警瑾、产菇委工及穆辩黧逶送程静全纛纯。琢登愚爨动纯生产豹焱离泰平，爱浚窭 世界上最先进的自动化应用技术。它是将制逖、产品开发及经营管理的自动化连成一个整 体，以信息流控制物质流的智熊制造系统删s ) 为代表，其特点是实现工厂柔性化及融动 纯。 邋常，在c b 渡s 工厂中所采糟的制造系统熬f m s 帮f m e 较多，僵谯许多情况下，为 了减少制造系统的初始投资，也可以先采用不包含自动化物流系统的分布式数控系统 ( d n c 系统) ，口用一台单元控制机来控制和管理多台c n c 机床，给邀魑机床分配强务 钢料举间中的柔性调魔及球面板加工技术研究 藉传送数控程痔弗滋行作韭调废。除由鼙台狐臻缀成懿f m e 终，f m c 耱粼s 一般藿麓 一台绒多台微型工舭控制计算机作为单元控制机对系统进行控制和管理，并在c d 江s 中承 担向上一级计算机的通信任务。 1 1 3 柔性割遗掖术中的柔i 陡 粱性制造技术中的柔性可以袭述为两个方面。第一方面是系统适应外都环境变化的能 力，w 用系统满足掰产晶要求的疆度来衡量 第二方蟊是系统适应魂部变他的能力，w 用 在有干扰( 翔税嚣滋瑷鼓障) 祷凝下，系统敬垒产率与无予撬清援下魏臻产率赣望毽之院 来衡激。“柔性”是相对于“刚性”而言的，传统的“刚憾”自动化生产线主要实现单一 品种的大批量生产。其优点是生产率很高，由于设备是固寇的，所以设备利用率也很离， 革转产鑫夔成本低。瞧侩搀鞠警器爨，量更黪熬工个或凡令穗类织豹零传。如果想簧获 得其他品种盼产晶，更i 必须对箕结构进行大调整，重新配鬣系统内各要索，其工作重朔经 费投入与构造一个新的生产线往往不相上下。刚性的大批嫩制造自动化嫩产线只适合生产 少数几个品种的产龋，难以应付多鼯绅中小批熬豹生产。 随着柱会送步程生滔窳平静掇寒，袁场燹秀# 器要暴套特色、符会舔鬈个久要求襻式秘 功能千差万别的产品。激烈的市场竞争迫使传统的大规模生产方式发生改变，要求对传统 的零部件生产工芑加以改进。传统的制造系统不能满足市场对多品种小批照产品的需撒， 这就搜系统的柔燃瓣系统豹生露越来越重要。糖着批量生产精代正逐渐拨逶瘟市场动态交 往的艇产所替换，个毒4 逢蠡动纯系统酶垒存能力和竞争熬力在缀大馘上取决于它怒香 能谯缀短的开发周期内，生产出较低成本、较商质量的不同品种产品的自力。柔性已妇谢 相当麓要的位置。 张霆s 戆黍蠖圭漤毽菇； 机器柔性：当要求生产一系列不同类溅的产品时，机器随产品交化而加工不同零件 的难翁程度。 工艺柔性：一是工艺流稷不变时童身遥搬产品或原材料变化的能力；= 是毒l 造系统 瘫巍逡应产晶或原零芎瓣交往露改嶷褶应工艺豹滩荔程度。 产品柔性：一是产品更新线完全转向厝，系统能够j # 常经济和迅遮地生产出新产晶 的能力；二是产晶熙新后，对老产品有用特性的继承能力和兼容能力。 - 维护黍蛙：袋建多秘方式整谗、娃理敖藩，保障生产蔗黉进行静糍力。 生产柔性：港生产量改炎、系统也自经济地运行的能力。对于裰攒订货而组织辍产 的制造系统，这一点尤为重要。 大连理工大学硕士学位论文 扩展柔性：当生产需要的时候，可以很容易地扩展系统结构，增加模块，构成一个 更大系统的能力。 - 运行柔性：利用不同的机器、材料、工艺流程来生产一系列产品的能力和同样的产 品，换用不同工序加工的能力。 1 1 4f m s 的组成及其调度 柔性制造系统就是在自动化技术、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的集成起来，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，适应于中、小批量和较多品种生产的 高柔陛、高效率的制造系统。 简单的说f m s 是由若干数控设备、物料储运装置和计算机控制系统组成的并能根据 制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。 一个典型的f m s 的组织结构如下： 一加工系统 广贮存 f m s 卜物流系统卜_ 输送 l 搬运 广过程控制 l 信息流系统i l - 过程监视 图1 1f 骼的组成 培1 1c o m p o n 蛆t so f 可m s 各种定义的描述方法虽然不同，但它们都反映了f m s 应具备下述特点： 1 从硬件形式上看它有三部分组成： a 两台以上n c 机床或加工中心及其他加工设备，如：等离子切割机、清洗机等。 b 自动装卸运输系统，如：运输带、托板、有轨小车( r g v ) 、无轨小车等。 c 计算机控制及信息通信网络系统。 2 从软件资源上看主要包括： a f m s 运行控制系统。 b f m s 质量保证系统。 钢料率间中的柔性调度藏球面板加工技术研究 c 。f m s 数禚蛰瓒帮透信系统。 在索性制造系统中，加工零件被装夹在随彳亍夹具或托撒上，自动地接加工顺序猩 援藤瓣逐个羧送，王黟藏赣送戆王磐一般不褥震毅装夹。专雳刀具霸炎其毽戆在诗葵 机控依下自动调度翱更换。如采在系统中设鬣有涮量工俸始，刚撩工零件盼质量墩熊 在测擞工作站上检焱，甚至进一步实现加工质量的反馈控制。系统只需要最低限度的 操作人员，并能实现夜班无人佟救，操作人员只负责启停系统和装卸工件。由于f m s 是一耱其有缀藩柔穗瓣塞魂馥麓遥系统，西藏它最适合予多品裾、孛小重l 乏耋费零豫黧 产。对于生产规模为每批2 0 0 2 0 0 0 件产品的中批量生产类型，采用m s 是比较经济 的，这种类型的生产企业，估计肖5 0 一7 5 的零件能用f m s 加工。但由于f m s 的投资很 大，农建造f 鹾s 时必须慎重。 粼s 中静梳窳或设备因莱莘申激因处于窆辩状态势登造成资源浪费和效率静降低。 f m s 的集成生产控制的作用便越将这种浪费减小到最低穰度，达到以移品种、中小批 量生产方式逼近大批量生产的效菔。用动态调度系统对f m s 进行生产的调度及控制， 是蹦s 嫒诗程运簿中一令必不蜀少靛缝或邦分。 作业调度的任务可以分为两焱；第一类是所谓路径规划问题，既根据多种优化目标， 采用计算机的各种方法，自动的解决加工工序的最优化和加工工艺路线的优化以及各炎设 备豹幕j 周率阔题。絮的曩振是摄搬一定的性能攒标，在满足技术上的制约黝素( 比如枧床 刀瘴褰惫器辊床酶嫩产熊力) 懿条佟下，灰土滋诗麓给窭瓣纛麴工酶王讳审选警一个逶会 加工的工件集合，并将其所有工序和所需的刀熙分配到各机床上；第二类怒所谓动态调度 问题，既动态的根搬下级送上来的反馈信息和嶷际的系统状淼数据，决定下一步执行的工 彦内容。它熬嚣标麓搓整令翔工j 窭程遥至l 扰动帮教薅露，毙擞攥系统整控到豹实露壤溅骖 改暴定的加工顺序鞠滴度系统的所有资源，使f m s 持续静、优纯的运行。 f m s 是一个大测的复杂离散辫件的动态系统，达到系统企局最优的调度和控制策略使 十分复杂而且难以实现的；另一方疆，f m s 是一个投资很高的项目，且调度和控制燕略的 爵舔对 瓤s 麓运行效率款嚣蹦s 瓣应爱效蔻影穰太。嚣藏，剐s 懿潺淡器控赣繁爨稳 研究悬十分必要的。 l 。l 。5f 磁s 仿真麓述及其意义 所谓仿真( 嘲u l a 畦o n ) ，就怒用物理模黧域数学楱蛩 弋替实际或设想的系统进行实验 和研究的技术，是冀是过程或系统在整个时间内运行的模仿。不管仿真是用手工处理的， 或是计算机处理的，都免不了产嫩一个认为的系统经历，然精观察这个人为的经历，以傻 。 盔整垒三盔堂堡主堂堡黧裹 。 攒绘接瑟窥实舔系统有关戆运蟹稽征。琢舔罴典墅兹离散搴箨凄态系臻，陵簿阕交纯熬系 统特征，可以通过一个仿真模激来研究，这个模型通常取一组和系统谣行有关盼假设，这 些假设表示为系镜中实体之间戏有关目标之间数学及逻辑上符合的关系。一旦模型产生并 确认之嚣，释哥按爨一定翦离散事箨费奏爹骤，逮孬遥巍豹赞寞繁臻，铸粪语言，邋过赛 冀萘统来研究美子嶷实系统翡许多不丽瓣“鼬祭惫榉( w l 扭t 潞”的藏蘧 借助于计算机进行的仿黛魁指用仿真授术来研究各种系统，它是种通过建立和实际 系统裰符合的数学模型，再运用计算枕进纷仿真运行，以达到研究系统的基的。采用锈理 穰燮逛嚣懿薅冀蠹予零要建逡窭凌模鍪，敌藏费戆蔽泠颡跨瑟较夫，鼓慧饔登戆参数发釜 变能时，需重新建造实物，撼然这种仿真聪不经济有不穰食理。而计算机上进行的数学仿 真既计算机仿真自& 够为许多实验提供方便，激活的数学模测，因此，凡w 以由模型进行实 骏豹，晁乎都可数雳量 霎机蛰褰来骚究拔傍冀系统零赛麴各耱特毪，选择最建参数釉设谤 会理黪系统方寨。谤宾之蘑戳樱重要，主要鑫予戮下蓠方疆靛藩医； 第一，计算机仿真可以让用户很方便的潋变各个参数，并观察由此产生的结果； 第二，计算机仿真可以让用户建立实麟世界中所不可能发生的情况。 近蔻每慕氆界各逮丈力茨震柔幢囊l 造系统，窀在解决多螽静，串小援量皇产中羧攀 低，成本高的问鼹上发挥7 氡大的作用。然瓶，f m s 开靛却存在一些阏鼹：一方蔼，由于 f m s 规模庞大，组成复杂，故戆立f m s 需辨大量的投资和时间消耗；嬲一方面，聆侣是 个复杂毂系统，它露诲多互糖连接弱硬 牛恝敬终以及许多商羧翁资源麴随行托盘，必矮， 刃其等缀藏，蘩个系统盛须馥调遮行，禳零淀旁天瑟骖不经过多次设诗穆试验孬敲趱逶兰 的决策。由于用现实系统进彳亍燕验时不经济的或者根本不可能的，因此襁f m s 开艇过程 中，仿真技术受簿u 人们的重视。f m s 仿真程孙舔的设计和运行过程中的作用可归纳为以 飞魏蕊霭： 1 ) 糕壤彷冀技术可戳躐少粼s 翁风陵；实现f m s 需要营颟静投资，遂_ 蓬傍泰哥良 对锫种方案进行评价，预测出熊统内部潜在的薄弱环节，减少投资风险因素。 2 ) 仿真可以淹f m s 设计釉运雩亍提供详细黝设计运荦亍依搀：在设计盼段，要求对恭统 中魏每个绥专 避行工疆往并嬲戳媾稳定义；戳使蠹嚣赞及投囊骰蔟番。由予s 餐部分 的糟关性，以及缺乏对复杂系统各部分的分析方法。因此，采用仿真技术来提供各裔b 分中 备方面的详细情况。如机器的负荷，使用情况，加工刀鼎的管理等。邀姥仿真结果可以为 谱缁设计舞供璧瑟袄据。 3 ) ，蠢粪黪使系统黪蠢羼舔淹合理：穗粪技术不霞餍予获系统斡设诗，覆置还麓鼹予 原煞统的改造，如增加设备，艘变原系统的帮局使之更加有效的生产产晶肄情况。 钢料率间中的柔性调臌及球面板加工撞术研究 4 ) 仿真技术躲意粼s 静蜜蠛节省莰蜜：霄气长灸傍嶷蕊费剐s 总豪资懿i 嚣一2 是值樗的。若采用不精确的规划，对其项目的黟响可占总投资的高达6 0 之多。 l 曩瓢猩毒蠹动嘲銎 l ，2 1 国外自动化造船技术的_ 窿用情况 目前国外的囱动化、机器八投术在船舶生产过程中的威朋比较广泛，椭有较先进设铸 霸羧筏系统，鑫麓纯程度稳当燕。疆下是一黧曩鸯伐衰毪魏趣臻謇二生产线： 钢板切瓤垒产线：由撩噼等离予嘲嗣杌和激港镯害l 祝组成，可进行零帮彳串协 割、划线、坡口直线或巍截面切割等。 型材加工流水线：e n c 技巷9 全自动封闭系统，可避纾型材切割、嚣张、黼头处理 等。 t 型材加工线：具有靛黼、焊接、校嶷等功能。 小构件加工流水线：该搽统配有小裂门式c n c 桃糕人。经钢檄嫩产线及型材加 王滚承线处理过载钢耢，麟进入滚滚瘩线递行装爱弹接。 平嚣分段漉承线：配裔走囊门架焊搂巍器久，具穆掰叛、誉瓣装酝、梅箨装瓣簿 功能。如果是双层结构的平面分段，翻转后进入诚流水q 线8 8 装配后用c n c 机器人焊接，然后用波服顶升平板率遮送进入下s 邋总s 装工序。 蘧瑟势浚溅承线：崮髓 公霉疆裁的篱一条滚拳绫篝嚣已安装程羚麦奚顿辩船 厂。流水线上的焊接变位器能全方像懒斜，这样穗于在平焊位爨q 进行单西穗孤 焊作业。s 喾子船工生产线：7 0 冬健始，丑本秘欧潮鹃一v 蝗船厂在盛缀技术暴理攘导下， 广泛采瘸了无余辫下辩秘先弹器弯工艺，建立越拳垂魂或垒巍动管予鸯妥工慧产 线。主搽靛备有管子料架、送管机、数控切管机、法兰供料机、法兰装配机、自 动法兰焊按机和数控弯管机等。 l ，2 2 孙疆在我溪遥船韭的艨掰前景 我国制造业懿体水平相对辫盾，改革开放以来，陆续引进了很多国外的先进加工设铸 和巍避生产理念。健是，我蟹焱躲艘生产组织翻生产过程控铡方嚣与罄酥悫进承乎黪蹙躐 还稷大。 柔性制造技术怒现代造船模式的支撑技术乏一。把制造领域中的柔能制q 造技术膨用 于船自建造能为腑舶产品研制周期的缩短，产龋质量的提黼和生产成本的降低提供有力保 簿。瑟蕊在襞强，柔注毫 透按s 零戆囊爨寝髑陵在爨壤零佟蕊工等多数矮蠛戆多数垒娆 大连理工大学硕士学位论文 中。造船企业只是引进了少许单项技术和单项设s 备。考察我国造船行业的生产模式和生 产过程，应用柔性制造技术已经具备阻下几方面的基础： 1 各大船厂都在积极转换造船模式，向产品导向型模式发展。虽然产品不同，但其中 间产品具有同族性批量生产的特点，即相异产品的零件和部件在功能、形状、尺寸上相似 且具有相似的工艺过程。 2 各大船厂单项技术( 如成组技术、c a p p 、c 觥a m 、n c 加工等) 的应用已经达 到相当高的水平。 3 大部分船厂已经具有很多的数控设备，比如，c n c 数控机床、焊接机器人以及即 将投入使用的水火弯板机器人。 但是，目前我们还面临许多需要解决的问题：体制和管理不够完善，生产计划所体现 的柔性不足，对基层生产反映的问题不敏感；所引进的价格昂贵的先进制造设备并没有完 全发挥出设备的优势，不能实现制造系统的真正柔性，难以获得预期的生产效益：另外， 盲目追赶国外的先进技术发展潮流，大多数研究人员又只注重理论研究，与生产实际脱 节，落后的生产现状难有改观。所以，能否结合我国制造业的实际情况，从底层的实际问 题开展研究工作，是摆在我们面前的严峻的问题。 1 2 3 柔l 陛自动化造船的发展趋向 造船装备的发展趋势是自动化，可以分为三个阶段：第一阶段是初级阶段，丰要是单 机自动化或机械化。第二阶段是中级阶段，主要是自动化生产线，由自动化单机加自动化 输送装置组成，具有较大的柔性，有时称为柔性自动化生产线n 第三阶段是高级阶段，主 要是无人化工厂( f a ) ，即全自动造船，它是在c i m s ( 计算机集成制造系统) 环境下的c a d c a m 与机器人之间联动操作，即由计算机和智能机器人等高技术系统组成。综上所述，造 船装备的发展进程为：单机自动化一柔性自动化生产线一智能无人化造船。 单机自动化：先进造船国家基本上都实现了单机自动化，如型钢切割自动化、肋骨自 动弯曲机以及数控弯管机等。这些单机主要是充分采用数控技术、计算机技术和机器人技 术，在造船过程中的某一工位实现自动化加工，以此减轻工人劳动强度，提高生产效率和 加工质量。 柔性自动化生产线：其基础是单机自动化。柔性自动化生产线在国外先进船厂应用也 较普遍如平面分段流水线、预处理流水线、型钢加工流水线、管子柔性生产线等。它们 采用自动化单机，充分运用传感和检测技术、监控自诊断和自维修技术、自动物流技术及 机器人等高新技术系统，在造船生产过程某一流程和某一制造阶段实现自动化。对于船舶 钢料率间中的柔性调成及球面板加工技术研究 及麓麓设备。蠢予粪有多藉静、，l 、批量静特患，因诧有些鑫凌纯生产线滋建成柔淫生产线 或柔性制造系统( f m s ) ，以适应产品多样化的需求。 糟能化造船：该阶段是造船舷产的最高阶段，它以企业为对象，在系统科学的指导下 凌金娆匏全霉生产经营j 童翟f 整援帮场霉 究、缀磐决繁、产燕浚诗、热工魏造、生产管理、 销售及服务等) 采用软硬件综合成个由智能计舞机、自动能装备和智能机器人所组成的集 成系统。 大连理工大学硕士学位论文 2 燃建模与仿真方法 2 1 系统建模方法的选择 2 。1 1f 轰签豹穰鳖霉毒点稻建模方法 许多人造系统都具有这样的特征：系统的状态由一些媳有离散值的数字量，逻辑凝或 符号照表征，状态变化仅在离散时刻发生。这一类系统被通称为离散事件动态系统 ( 玲妇妇蜀主秘耘腿蠡s y 呶擞，茨写为d 戴转s ) 。d 国s 戆硬究兴起予1 9 鞠每蓑嚣，密 美嚣晗佛大学的何毓琦( y c l o ) 教授首先偶导。f m s 楚类典型的d 蕊 s ，在许多方面 充分体现了d e d s 的复杂胜，魑d e d s 理论何应用研究的嫩要对象之一。 建立楚明，蠢效何通用性强的d e d s 模擞是当前弛s 研究中最迫切嚣要解决的闭题 之一。基蓑，露予秘国s 懿建攘方法霹分为三大类：分撼方法，绩卖方法霜畦瓣图形 模烈方法。 1 ) 分析方法 分据方法是一类班数学模裂为嚣稼，莠剃爨数学工具对摸墼求解豹方法。矮子遮类方 法的肖随机分析，抗动分析，乎蝣值分析帮缀大代数分析。前三释方法酃是戳排队谂必基 础，最后一种则是以抽象代数为基础。这类方法具有坚安的数学基础，所得的模型通常比 较精巧，求解过稔业比较简洁快速。但缺点怒所需的假设过多，使模型的正确性和绩论的 准确幢窍疑簿甄。 2 ) 仿真方法 不少实际问艇不可能用一简单的数学模烈朱表示，目前解决此问题的方法使进行计算 机傍粪。通常所巍麴仿真是以鼯瓢论为基础慰系统鲍统计模型的数字动态仿真。它将系统 运行管骰是一系鳓搴传酶集合，糟事舞静产懋与潜失摇述系统状态酶交傀。激开发了专门 的仿真语言，如s s ，g a s p 铎。仿真方法比较灵活，可以根据想要达到的研究目标来 设计模型的复杂穰度，以实现模溅正确性和建模费用之间的平衡。 3 ) p e 醢疆方法 p e 砸网方法怒由前西德c a p 缸博士农1 9 6 2 年提出的，它是一种图形一数字试技 术，具有强大的描述同步和异步过程系统的自力，主要用于描述计算机操作系统，网络通 讯，排队网络，琰件与软件等。近年来，p e 舡i 嬲在弱勰巾得至g 了广泛的应用。p e 缸湖能 够澎象豹表示鸯敬攀俘凌态系统串各事陵箕交彳七之阕懿关系。勇舞，谯褥鬓了p e 舔麓模 型之后，可以通道分析，仿真和原型等多种技术求解。 比较以e 三必方法的特点发现，p e 砸网怒一种实用性比较强的d e d s 模型。利用p e 廿i 嬲熬交d 曼d s 摸烈蠢懿下特点： 钢料车间中的柔性调度及球面板加工技术研究 1 ) 对事件发生引起状态变化的动态过程具有更直观的图形表示； 2 ) 能够更好的描述d i d s 中并发，同步，资源共享等现象； 3 ) 易于采用模块化和递阶方式建模： 4 ) 易于在控制模型的基础上直接实现控制系统； 5 ) 具有比较强的分析能力，能够定性的分析系统的性能； 6 ) 易于在p e t r i 网图模型的基础上实现计算机仿真。 此外，p 舐网可通过引入颜色或属性以及采用其他扩展方式提高描述能力。特别是， 能够很自然的在模型中引入时间因素。 2 1 2p e 蛹网在f m s 建模和仿真中的应用综述 由于p e 缸网的这些优点，使得其在f m s 建模和仿真中得到了很大的发展。p e t r i 网在 n 岱中的最早应用始于1 9 8 5 年，r a b 缸y 和n v i s w 锄a d b a i i 】研究了对f m s 建模和分析 的p e t r i 网方法。从那时起，关于p e 虹i 网在孙岱中的应用不断的出现在各种文献中。这些 应用包括f m s 的系统说明，系统验证，性能分析，实时控制和仿真。同时，在一些具体 的技术问题也有广泛的应用，例如计算机生产率，生产周期，延时，容量，设备利用率， 可靠度以及如何避免死锁。以下，我们列出一些典型的p e 缸网在f m s 建模中的应用： 1 ) 利用p e 啊网是一种图形化建模工具的特点，将复杂控制结构和系统行为可视化； 2 ) 利用p c 订i 网描述带有随机，并发和异步性质的事件之间的前后关系和相互作用， 研究任务调度和工作排序的操作策略； 3 ) 利用p “网模型的可执行性实现可以评价各种控制和调度策略的仿真工具； 4 ) 利用具有实时性质的p e 越网模型设计和实现实时控制系统