（系统工程专业论文）柔性制造系统的建模优化与仿真研究.pdf

蔓j ! 查兰螋l ：堕兰 塑兰 柔性制造系统的建模和优化仿真研究 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。同时，计算机 仿真技术在f m s 的规划、设计、运行中起着十分重要的作用。 本文在柔性制造系统的建模和优化仿真的研究工作主要包括两个方面。首 先，基于文中所提出的一个柔性制造系统的物理模型，利用p e t r i 网技术对f m s 进行了建模分析。然后，利用遗传算法对f m s 系统中的调度问题进行了优化 求解。其次，设计并实现了一个f m s 计算机仿真系统，利用优化阶段得到的 数据结果，对f m s 的调度过程进行了仿真模拟。 如何求得f m s 的最优加工路径一直是f m s 领域重点研究一个问题。根据 f m s 加工流程的特点，本文的遗传算法在编码中采用了常用于解决调度问题 的基于优先规则表达法，并很好的利用了遗传因子随机性和收敛性的特点，而 求得该问题的最优解或近优解。 在f m s 仿真系统中，本文采用数据流图和面向对象的技术，对系统进行 了需求分析和洋细设计。最后，使用带有面向对象特点的v b n e t 丌发工具， 以s q l s e v e r2 0 0 0 作为后台数据库，实现了该仿真系统。利用陔模拟系统， f m s 的静态和动态特性可以在实际自动化系统中的规划和设计阶段中被预先 评估，进而为企业对f m s 中不合理的设计和调度策略的修改提供有益的信息。 关键词：柔性制造系统，建模，优化，仿真，p e t r i 网，遗传算法 东北人学彻l 。学位论文 a b s t r a c r 【 t h er e s e a r c ho n m o d e l i n g ，o p t i m i z i n g a n d s i m u l a t i n g f o rf m s 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 s a na d v a n c e d t e c h n o l o g y d e v e l o p i n g r a p i d l yi nm a n u f a c t u r ei n d u s t r y h a v i n ga d o p t e dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , a ne n t e r p r i s e c 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 ep r o d u c t s q u a l i t y ， a n dp 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 ，t h u sc a ne 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 om a r k e t a n d a c q u i r e m u c hm o r ee c o n o m i cb e n e f i t a l s o ，t h e c o m p u t e r - s i m u l a t e dt e c h n o l o g y r e l a t e dt of m s p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l eo np r o g r a m m i n g ，d e s i g n i n g ，a n dr u n n i n go f f m s t h er e s e a r c hw o r ko nf m s m a i n l yi n c l u d e st w op a r t si nt h i st h e s i s f i r s t l y ，am o d e l i l l u s t r a t i n ga n da n a l y z i n gt h ef m s sp h y s i c a lm o d e lg i v e ni nt h i sp a p e r i sp u tf o r w a r db y m e a n so fp e t r i n e t t e c h n o l o g y ；t h e n ，o n eg e n e t i ca l g o r i t h m i s d e s i g n e d t os o l v et h e p r o b l e mo fs c h e d u l i n go p t i m i z a t i o ni nf m s s e c o n d l y , af m sc o m p u t e r - s i m u l a t e d s y s t e mi sa n a l y z e d ，d e s i g n e d ，a n de v e l o p e da n d t h es c h e d u l i n gp r o c e s so ff m si sc a r r i e d o ni ns i m u l a t e dw a yw i t ht h ec o m p u t e dr e s u l to b t a i n e df r o mo p t i m i z a t i o nm e n t i o n e d a b o v e h o wt oo p t i m i z et h es c h e d u l i n gr o u t i n eo ff m si sa ni m p o r t a n tp r o b l e ma b o u tf m s a ta l lt i m e s c o n s i d e r i n g s o m ec o n c r e t ec h a r a c t e r i s t i c so fa c t u a lf m s sw o r kp r o c e s s p r e f e r e n c ee x p r e s s i o nm e t h o d - - t h a ti s o f t e nu s e dt os o l v es c h e d u l i n gp r o b l e m s - i s a d o p t e di nc o d i n gp r o c e s so f t h eg e n e t i ca l g o r i t h mp r o p o s e dh e r ea n d t h i sa l g o r i t h m ，w e l l u t i l i z i n g t h e g e n e sr a n d o m i c i t y a n d a s t r i n g e n c y ，i sa p p l i e d t o a c q u i r eo p t i m u m o r s a r i s f y i n gs o l u t i o nt ot h ep r o b l e m a st of m s ss i m u l a t e ds y s t e m ，d f d ( d a t af l o wd i a g r a m ) a n d0 0 ( o b j e c t o r i e n t e d ) t e c l m i q u e sa r ea p p l i e dt os y s t e mr e q u i r e m e n ta n a l y s i s a n dd e t a i l e dd e s i g nr e s p e c t i v e l y a tl a s t ，w i t hs q ls e r v e r2 0 0 0a ss e r v e rd a t a b a s e ，t h es i m u l a t e ds y s t e mi s d e v e l o p e d u s i n gv b n e t t h a ts u p p o r t so b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u e b ym e a n so f c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， f m s ss t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a nb es ow e l lp r e d i c t e d d u r i n g p r o g r a m m i n ga n dd e s i g n i n gp e r i o do fa c t u a l f m st h a te n t e r p r i s e sc a na c q u i r es o m e u s e f u li n f o r m a t i o nf r o mt h es i m u l a t e dr e s u l t sw h e nr e v i s i n gi n a p p r o p r i a t ed e s i g no r i m p r o v i n gs c h e d u l i n gs t r a t e g i e so f f m s k e yw o r d s ：f l e x i b l em a l m f a c t u r i n gs y s t e m ；m o d e l i n g ；o p t i m i z a t i o n ：s i m u l a t i o n p e t r in e t ，g e n e t i ca l g o r i t h m 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名 萼诌 日 期：2 0 0 4 年易月j f 日 东北人学颂1 学位论文 第一章绪论 近几年来国外一些工业技术比较发达的国家为了进一步提高劳动生产率，降低 生产成本，缩短产品的研制和生产周期以加强产品更新换代和产品市场竞争能力， 正在机械制造领域旱进行技术更新，大力发展高度自动化的柔性制造系统( 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 ) 。这在我国的机械制造行业中已经引起很大的重视， 因此有必要对于f m s 进行一个比较全面和有系统的研究。 1 1 问题提出的背景 本世纪5 0 年代术，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】。这个时期人们意识到大批量生产只是机械制造业的 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1 ：3 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、 海洋丌发等新技术的f 1 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悄“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 已跳出了传统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。 f m s 最初是在2 0 世纪6 0 年代由英国m o l i n s 公司雇员t h e ow i l l i a m s o n 提出来 的。1 9 6 5 年m o n l i n s 公司取得了该项发明的专利。当时，称此方案为“系统2 4 ”， 是指系统可在无人情况下工作2 4 小时。此后，m o l i n s 公司虽然卖出了不少“系统 2 4 ”，但并未得到迅速的发展。直到7 0 年代，才引起比较普遍的重视。其主要原因 东北人学硼l j 学位论文 第一审绪论 是： 国际竞争力f 趋激烈； 要求缩短生产周期； 要求降低成本。 山于f m s 兼顾了生产率和灵活性，所以具有生命力。经过几个阶段的发展， f m s 在美国和其他包括东欧在内的工业化国家得到了广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代f m s 从探索阶段走向了实用化和商品化的阶段，成为机械制造 技术进步的重要标志。1 9 9 4 年初，据统计世界各国已投入运行的f m s 约有3 0 0 0 多 个。其中 二 本拥有2 1 0 0 多个，占世界的首位。在现己运行的f m s 中，5 0 的f m s 由美国制造商提供，另外5 0 由f 1 本和德国厂商提供。 我国第一套f m s 于1 9 8 6 年1 0 月在北京机床研究所投入运行，用于加工伺服 电机的零件。迄今为止，真正形成规模的f m s 并不多，但f m s 的构想和思路得到 了充分的承认，特别是对一些原来采用的大批量自动化生产线进行生产的离散型的 金属制品企业来说。如果想在保证质量的前提下提高利润和生产率，f m s 是一种很 好选择。 1 2 问题研究的作用和意义 f m s 是一个商投资的高技术项目，尽管就世界范围而吉，它是一种成熟技术， 并已在工业生产部门得到较为广泛的应用，但由于多种复杂因素，导致某些f m s 项目的应用效果不佳1 4j ，国外也有资料报道，有些f m s 甚至完全失败，究其原因， 系统规划不周，设计失误是失败的主要因素。吸取前人的经验教训，充分调查研究， 尽可能地作好规划和沦证，可避免f m s 工程项目的重大失误，保证系统接近于设 训要求并获得成功。 1 3 问题研究的目标 f m s 是一种新型的加工系统，它对于中小批量订货的加工具有很好的作用，本 文对于此问题的研究主要达到以下目标： 1设计一套软件系统，可支持f m s 系统的建模仿真和优化。 2 研究f m s 系统运行顺序的优化算法，使系统运行顺序达到最优。 3 模拟、监测系统运行情况，得出数据。 4 运用所得到数据对系统进行分析，从而得到更有利于获得系统运行最佳路径 东北人学坝l 学位论文 第一市绪论 的方法。 1 4 本文的主要工作 本文介绍了柔性制造系统( f m s ) 的建模，优化与仿真，工作侧重于系统调度 路径的选择。重点研究加工系统方面的调度运行。 1 研究典型柔性制造系统的模型设计以及冲突的解决问题，完成了p e t r i 网的 建模。 2 寻找适合柔性制造系统模型的优化算法以及相应编码方式，再利用所选用的 优化算法计算机编制程序，实现柔性制造系统的3 h i 时间最优。 3 建立模型的需求分析和详细设计。 4 根据求得的最优路径，实现计算机仿真，设计并说明计算机运行模块。 应用v b n e t 与s q l 2 0 0 0 数掘库，仿真柔性制造系统的全过程。 1 5 本文章节安排 第一章介绍f m s 系统的问题产生的背景，研究的意义，以及研究月标。 第二章介绍f m s 系统的定义，工作原理，基本组成，引入典型的f m s 。 第三章描述f m s ，讨论典型f m s 问题的最优路径的选择，引入遗传算法，编 写优化算法。 第四章介绍柔性制造系统的需求分析，详细设计。 第五章运用v b n e t 和s q l 2 0 0 0 进行模拟仿真，介绍仿真窗口。 东北人学坝i j 学位论文第二章柔件制造系统的简介 第二章柔性制造系统的简介 2 1 柔性制造系统的定义和工作原理 2 1 1 柔性制造系统的定义 在我国的有关标准中 1 5 l ，f m s 被定义为：出数控加工设备、物料贮运装罱和 计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根掘制造任 务或生产环境的变化迅速进项调整，适用于多品种、中小批量的生产。 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为： “使用计算机控制、柔性工作站和集成物料运贮装置来控制，并完成工件族某一，二 序或一系列工序的一种集成制造系统”。 美国国家标准局( u n i t e ds t a t e sb u r e a uo fs t a n d a r d s ) 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连接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 造系统有时可以同时加工几种不同的工件。 由于柔性制造系统还在发展中，所以其概念尚无统一的定义，但综合起来可以 认为f 6 】：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上，通过计算 机软件，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、高效率的制造系统。 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 1 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 信启、的处理、分配、并按照所给的程序对物流系统进行控制。 物料库和央具库根掘生产的品种及调度计划信息提供相应品种的毛坯，选出加 工所需要的央具。毛坯的随行央具由输送系统送出。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央具， 并将其安装到相应的机床上。 东北人学l l ；! | 学位论义笫一章粜忡制造系统的简介 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，随行央具被送回央具库。 图2 1f m s 的模型及其原理框图 f i g 2 1m o d e l o ff m sa n di t sp r i n c i p l ef r a m ec h a r t 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。 它不断的收集每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。 2 2 柔性制造系统的分类 现有的f m s 大致可分为三种类型： 1 专用型以一定产品配件为加工对象组成的专用f m s ，例如底盘柔性加工 系统。 东北人学坝1 学位论史 第一章粜性制造系统的衙介 2 j 溢视型具有自我榆测和校f 功能的f m s 。其监视系统主要有以下功能： 工作进度监视：包括运动程序、循环时i h j 和自动电源切断的监视： 运动状态的监视：包括刀具破损检测、工具异常检测、刀具寿命检测等： 精度监视：包括镗孔自动测量、自动曲面测量、自动定位中心补偿等： 故障监视：包括自动诊断监控和自动修复； 安全监视：包括障碍物、火灾的预检。 3 随机任务型可闹时加工多种相似工件的f m s 。 在加工中、小批量的相似工件( 如回转体工件、壳体4 牛以及一般对称体等) 的 f m s 中，具有不同的自动化传送方式和存贮装置，配备有高速数控机床、自1 3 - e 中心 和加工单元：有的f m s 可以加工近百种工艺相近的工件。 2 。3 柔性制造系统的特点 柔性制造系统中的“柔性”，从某种意义柬讲，是f m s 的灵魂，是区剐于传统 生产方式的关键所在【5 l 。f m s 的柔懦，主要包括以下几个方面。 1 机床柔性度量生产一组绘定的工件类型时完成所要求变化的容易程度。 2 产品柔性表示能经济而迅速地转换蓟生产一组新产品的能力。 3 加工柔性度量以几种方式生产一组给定的工件型式的能力。 4 工序属性度量每种类型工件一定工序次序的互换能力。 5 运行属性度量正当继续生产所需一组类型工件时处理故障的能力。 6 产量柔性度量按不同生产量做到有利可图地运行f m s 的能力。 7 扩展柔性表示能容易两模块化地按需要扩展f m s 的能力。 8 生产柔性表示f m s 能生产的工件型式的广泛性。 柔性是f m s 的最主要的特征，即f m s 能用相网的设备同时生产范删j “泛的产 品，而上述八类柔性中的大部分柔性是依赖f m s 的自动化程度。因此，柔性的缴 别电就意味着自动化级别。 2 4 柔性制造系统的组成 柔性制造系统( f m s ) 可概括为由下列三部分缌成：多工位豹数控d h _ t 系统， 自动化的物祠贮运系统和计算机控制的信息系统，其构成如图2 2 所示。 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 东北人学坝l 学位论文第二章梁忡制地系统的简介 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 的加工能力由它所捌有的加工设备决定。而f m s 罩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。 图2 2f m s 的构成框图 f i g 2 2f o r m i n g f r a m ec h a r to ff m s 2 物流系统 在f m s 中工件、工具流统称为物流，物流系统郎物糕贮运系统，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间，提高整个翎造系统 的柔性和效率。 物料系统般出三个部分组成： ( 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闰的自动化联系。 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利 东北人学删l ：学位论文第章柔一件制造系统的阳介 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。信息系统的核心是个分柿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f 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 3 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：车削、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掘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 削设备的工作。如此循环，系统才会正常运行。 匿 图2 3生产信息单元( p i c ) f i g 2 3p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nc e l l 查i ! 查兰! ! ! ! ! 1 竺丝堡兰 塑兰蔓三皇型型盟些兰登至堕兰塑型生! ! ! 丝旦 第三章柔性制造系统的建模与算法分析 3 1 柔性制造系统的调度问题 3 1 1 问题描述 f m s 的调度问题可以描述为：n 种工件在具有m 台不同类型加工设备的f m s 中进行加工，每一工件需要加工多道不同的工序，每道工序使用相应的刀具进行加 工，每种刀具又可以装载到多台不同的加工设备上。每台加工设备可以加工一种以 上工序。每台加工设备可以同时装载一种或几种刀具，每把刀具可以加工不同工序。 加工设备的可以有不同的能力存储刀具和工件，小车和机器人是系统中的运输设 备，系统中可以存在一台或者多台运输设备。小车和机器人可以同时运送多个数目 的物品，系统在满足能力和工艺约束的条件下，使指定的性能指标达到最优，并使 加工具有柔性。 3 。1 。2 问题特点 止如本文酊面所介绍，f m s 最突出的特点便是体现了“柔性”，系统相关的加 工设备，物料运输设备无不体现着“柔性的特点，加工对象可以在系统中得到更 加高效的加工效率。但是，f m s 也有很多不利的缺点，f m s 是c i m s 的一部分， 也是一极其复杂的离散事件动态系统( d e d s ) ，本已经十分灵活的f m s ，再加上机 器人和小车的作用，这使得f m s 很难得到加工的最优路径。 3 i 3 问题分析 这罩用集合和关系来表示f m s 之间的联系。用集合束表示机器、工件、工序 和加工刀具，小车，机器人等对象，用关系束表示在系统能力和工艺约束下对象之 间的联系。这种表示方法直观地表示了f m s 调度所处理的各种对象及其联系，很 容易处理问题中的约束。f m s 生产计划问题中存在的数据集合和关系包括： 1 集合 工件集：系统所要加工的所有工件类型的集合： 第三章棠性制造系统的过模j 算法分析 工序集：系统所能加工所有工件的所有工序的集合： 机器集：系统所包含所有用于加工工件的机器的集合： 刀具集：所有工序对应的加工刀具类型的集合： 机床刀具集：每种加工设备捌有的刀具容量的集合。 2 基本关系 工序工件关系：f m s 中每个工件对应加工工序的集合： 工序一机器关系：系统中每种工序对应加工机器的集合； 工序一刀具关系：每种工序对应加工刀具的集合： 机器一刀具关系：每种机器对应可装载刀具的集合： 刀具一刀具槽关系：每种刀具对应刀具槽数的集合； 工序一机器一刀具一单位加工时间关系：单位数量工件每种工序在对应机器二 使用相应刀具加工时间的集合。 机器人和刀具的关系：机器人运输刀具的集合 小车和工件的关系：小车运送的工件的集合。 3 2 柔性制造系统的物理模型 3 2 1 柔性制造系统的布局组成及作用 柔性制造系统的布局关系到f m s 整体性能，对f m s 的设计、制造、运行、维 护全过程的工作都有直接影响。f m s 布局合理还能降低f m s 的丌发费用，缩短丌 发周期。针对f m s 的特点，提出一种布局方法，如图3 1 所示。在这个御局图中， 包括机器人和小车两种物料运输系统。其中，机器人专门负责运送刀具，小车专门 负责运送工件。机床分布于系统的中央，央在小车和机器人的轨道之间。上方的刀 具进出站的作用是机器人加工工件取出刀具和加工结束后送回刀具的周转站。刀具 进出站和中央刀库相连，由刀具预调站统一控制。控制室主要控制其他设备。 12 件 进入系统时首先进入装卸站，再由小车把毛坯运到机床。当工件加： 完毕后出小车 送到清洗站，最后送出系统。如果清沈站不能马上清沈工件，放入贮存站中保存。 东北人学坝j ，学位论义 第二审柔fj - n 造系统的进模lj 算泣分析 图3 1 f m s 物理布局 f i g 3 1l a y o u to ff m s 3 2 2 柔性制造系统的运行策略 f m s 的中单个：【件的运行状况如图3 2 所示，毛坯被小车运入系统，同叫机器 人接到命令，去刀具出入站领取刀具，当刀具和毛坯全部安装完毕时，系统丌始加 工，加工完毕后，机器人送回刀具，工件由小车送入清洗站，若清沈站没有空闲位 置，把工件放入入托盘缓冲站等待，待清洗站有位置时，把工件缓冲站中出，然后 运出系统。 东北人学f 哦l 学位论义第二审柔性制造系统的矬模j ，算法分析 州鹰开鲜 i 一 j 解陕i 什1 i l j 刀 墨鲨窒 雨ipltl矿jjt i ? 什币新 机床 壁 序 i 什柱被选机器| ：= | j u l 。，j 上 ，、 7 州f 是甭、n t 、 7 判断清 洗站是甭 山他置 、 小午送往清洮 站清洗 一主一 i 什运；i i 系统l i j 4 度坫求 r 1 - _ 一破入托盘缓冲站i 图3 2 单个工件调度模型 f i g 3 2 t h es c h e d u l es e q u e n c eo f s i n g l ej o b 东北人学坝i 学位沦史 第三章莱悱制造系统的矬模_ 算法分析 3 3 柔性制造系统的p e t ri 逻辑建模 3 3 1 p e t r i 网引入 3 3 i 1p e t r i 网引入原因 由于f m s 是复杂的d e d s ，d e d s 研究中最基本的一个问题就是系统的建模， 要研究f m s 也必然要从建模方法丌始。另外，p e t r i f 7 。9 】具有并发、动态、直观、抽 象、通用的优点，是适合f m s 建模的一种建模工具。另外，p e t r i 网直观的特性使 可以更好的了解系统的运行过程，有助于冲突的解决，指导更好寻化方法的产生。 3 3 1 2 p e t r i 网的结构 一个p e t r i 网由四部分组成：位置( p l a c e ) 集合p 、变迁节( t r a n s i t i o n ) 集合 t ，输入函数i 和输出函数0 。输入函数和输出函数是位置和变迁点之1 白j 的映射函 数。输入函数i 是从一个变迁点，7 到一组位置，( r ，) 问的映射。这些位置称为变迁节 ，7 的输出位置。输出函数0 把一个变迁节，映射到一组位置d ( f ) 。这些位置称为 变迁节，7 的输出位置。 p e t r i 网的结构由它的位置、变迁节、输入函数和输出函数确定。 3 3 1 3 p e t r i 网图 关于p e t r i 网的大多数文献是建立在上面给出的p e t r i 网结构定义的基础上 的。然而，p e t rj 网结构的图的表示更能显示p e t r i 网的概念。p e t r i 网图是表示 p e t r i 网结构的双枝( b i p a r t i l e ) 有向多重图。 p e t r i 网结构中包含有位嚣和变迁节。与此列应，p e t r i 网图中有两类结点。 用小圆圈表示一个位置，用短线表示一个变迁节。 用有向弧( 代箭头的曲线) 连接位置和变迁点。某些弧从位置指向变迁节。而 另一些弧从变迁节指向位置。一条从位置p ，指向变迁节，的弧，表示p 是，的一个 输入位置。一个变迁节的多重输入，由它的输入位置指向它的多重弧来表示。一个 输出由变迁节指向它的弧来表示，同样，多重输出由多重弧给出。 - 4 、p e t r i 网图是一个多重图，这是因为它允许从个结点到另外一个结点之 兰翌生! 兰堕土兰些冀墨二一 笙兰翌鲞堡型熏墨竺塑些塑! ! 塑堕坌塑 问有多重弧。此外，因为弧是有向的，所以它是多重有向图。又因为它的结点可以 分为两个互不相交的集合( 位置集和变迁节集) ，使得每条弧都是从其中一个集合 的元素指向另个集合的元素，因此它是双枝有向多重图。简称它为p e t r i 网图。 3 3 1 4 p e t r i 的标识 标识( m a r k i n g ) u 是标记( t o k e n s ) 在p e t r i 网中各个位置的分布情况。象位 置和变迁节等概念一样，“标记是p e t r i 网的本原概念之。标记分布在，或者 既是留驻于p e t r i 的位置内。当p e t r i 网运行时标记的数目和所在位置都发生变化。 标记是用来规定p e t r i 网运行的。 在p e t r i 网图中，标记用小圆点表示，画在表示位置的小圆圈内。 由f 分配到p e l r i 网的一个位置早的标记的个数是无限制的，一个p e t r j 网的 3 3 1 5 p e t r i 网的运行法则 p 。i 网的运行由在网中的的标记的数目和分布情况来控制。标记留驻在位置 旱而控制着变迁节的运行。一个p e t r i 网是由变迁节的引发来运行的。一个变迁节 的引发，即是从它的各个输入位置移走标记，而将产生的新的标畦分配到它的各个 输出位冒中。 一个变迁节只有当它使能( e 1 t a b l e d ) 时才能引发。当一个变迁节的每一个输入 位置罩的标记的个数不少于从这个输入位置到变迁节的弧的条数时，称这个变迁节 是使能的。显然，多重输入弧需要多个标记。 引发一个变迁节，意味着从它的各个输入位置中移走使能该变迁节的标记，而 向它的各个输出位置加入标记，其数量等于从这个变迁节到个输出位置的弧的条 3 3 ，1 6 用p e t r i 进行模拟 p e t r i 网模型的提出是为了模拟的需要，许多系统，特别是那些带有独立分支 的系统，都可以用p e t r i 网来模拟。p e t r j 网被用来为系统中各种各样事件和活动 的发生建立模型。特别是p e t r i 网可以为系统中的信息流及其他资源的流动建立模 斟。 东北人学颂1 学位论文第二市柒忡制造系统的矬模j 算法分 _ l ： 从p e t r i 网的观点来看待一个系统，集中表现为两个本原的概念：事件和条件。 事件是系统中所发生的动作。这些动作的发生由系统的状态来控制，而这些状态可 以用一组条件来描述。条件是系统的状态的属性或逻辑描述。一个条件可以是成立 的或者是不成立的。 冈为事件是动作，它可能发生。一个事件的发生，可能需要几个条件同时成立， 这些条件称为事件的前提条件。事件的发生可能引起前提条件的消失并产生一些其 他条件，后者称为事件的后继条件。 很容易地把对系统的观察构造成为一个p e t r i 网模型。用位置模拟条件，用变 迁节模拟事件。一个变迁节的输入位置即是它所对应的事件的前提条件。一个事件 的发生，对应着相应变迁节的引发。条件的成立由对应于这个条件的位置中有一个 标记来表示。当一个变迁节引发时，把表示其前提条件成立的使能标记移走，而产 生出新的表示后继条件成立的标记。 3 3 2p e t r i 网建模 模型的建立如图5 2 所示，其中最左面两排分别表示刀具在机器人和工件在小 车的运送状态，中间的四排表示工件和刀具在机床1 和机床n 的运行状况，每一 个机床上面分别包括了刀具和工件的状态变化，由于运行状况相同，机床2 到机床 n - 1 省略。最左面的上面两排分别表示工件进入清沈站并被运出系统和刀具进入刀 具预调站并被送回中央刀库的过程，下面两排表示工件被运入系统，f m s 运行全过 程j t r r 。 3 3 3p e t r i 模型标号介绍 1 事件 ，。系统外部有件输入 ，工件到达系统输入系统，准备进入 ，系统申清运送进入工件进入装卸站的工件的装件装卸工服务 ，、装件装卸工丌始执行到输入贮存站的命令 ，。装件装卸工结束执行到输入贮存站的命令 ，；装件装卸工丌始执行把工件运送到装卸站的命令 ，。装件装n - e 结束执行把工件运送到装卸站的命令 东北人学坝i j 学位论义 第二章柔忡制造系统的让模1j 算法分析 t 判断小车是否到装卸站的命令 ，。小车开始运行到装卸站 k 小车到达装卸站 ，。小车丌始在装卸站换夹具 f 小车结束在装卸站换夹具 h 小车丌始运行到指定机床 ，小车运行到指定机床 t ，。小车丌始在指定机床卸下工件 t ，；小车结束在制定机床卸下工件 f ，。装刀装卸工开始执行到刀具预调站的命令 f ，装刀装卸工结束执行到刀具预调站的命令 t ，。装刀装卸工丌始执行把刀具运送到刀具预调站的命令 ，。装刀城卸工结束执行把刀具运送到刀具预调站的命令 i 。判断机器人是否到刀具预调站的命令 f ，机器人丌始运行到刀具预调站 ，机器人到达刀具预调站 ，机器人丌始在刀具预调站装刀具 ，。小车结束在在刀具预调站装刀具 f ，；机器人丌始运行到指定机床 ，。机器人运行到指定机床 f 。机器人开始在指定机床卸下刀具 t ，。机器人结束在制定机床卸下刀具 i 、。成品运离机床 f 、。成品到达清洗站 ，成品输出到清洗站 ，成品输出到系统输出存储库 f ，成品离丌系统输出存贮库 t 、刀具丌始运回刀具库 f ，。刀具结束运回刀具库 ，。刀具丌始运回中央刀库 东北人学坝学位论文 第三审秉性制造系统的硅模j 算法分析 图3 3f m s 的p e t r i 模型 f i g 3 3p e t r im o d e lo ff m s 7 东北人学坝| 。学位论文第三章莱性制造系统的矬模1 算法分析 ，刀具运回原来位置 ，r ( m ，1 ) 从第m 台机床的工件输入缓冲站取工件至机床作业丌始( m = i n ) t ( m ，2 ) 从第m 台机床的工件输入缓冲站耿工件至机床作业结束 t ( m ，3 ) 第m 台机床丌始加工 t ( m ，4 ) 第m 台机床加工结束 t ( m ，5 ) 从第m 台机床上卸工件至机床的工件输出缓冲站作业丌始 t ( m ，6 ) 从第m 台机床上卸工件至机床的工件输出缓冲站作业丌始 t ( m ，7 ) 工件到达第m 台机床的工件输出缓冲站 t ( m ，8 ) 从第m 台机床的刀具输入缓冲站取工件至机床作业丌始( m = i n ) t ( m ，9 ) 从第m 台机床的刀具输入缓冲站取工件至机床作业结束 t ( m ，1 0 ) 从第m 台机床上卸刀具至机床的刀具输出缓冲站作业丌始 t ( m ，1 1 ) 从第m 台机床上卸刀具至机床的刀具输出缓冲站作业结束 t ( m ，1 2 ) 刀具到达第m 台机床的刀具输出缓冲站 2 条件 只系统外部环境的工件等待进入系统 只工件在系统的输入系统中等待 只装件装卸工执行到输入贮存站的命令 只装件装卸工进入输入贮存站，等待 r 装件装卸： 在输入贮存站取工件 只装件装卸工将工件运送到装卸站 只判断小车是否到达装卸站 只小车执行到工作站的命令 只小车到达装卸站，等待 只。小车在装卸站换取工兴具 只小车在装卸站工作结束，等待 只，小车执行到指定机床的命令 只、小车到达指定机床，等待 只。小车在指定机床卸工件 只；装刀装卸工执行到中央刀库的命令 只。装刀装卸工进入输入中央刀库，等待 只，装刀装卸工在中央刀库耿刀具 东北人学坝i 学位论史 第二市秉性制造系统的矬模ij 鳙：法分析 只。装刀装卸工将刀具运送到刀具预调站 只。判断机器人是否到达刀具预调站 p 1 ，、机器人执行到刀具预调站的命令 只，机器人到达刀具预凋站，等待 只，机器人在刀具预调站换装刀 只，机器人在刀具预调站工作结束，等待 咒机器人执行到指定机床的命令 只；机器人到达指定机床，等待 只。机器人在指定机床卸刀具 只小车停 只。小车与装件机械手空闲 只。小车空闲 机器人停 只机器人与装刀机械手空闲 只，机器人空闲 只，清沈工件 只。运送成品到清洗站 只；清晰成品 b 。运送成品出清晰站，运送到达输出存贮库 只，运送刀具回刀具预调站 只。刀具到达刀具预调站，等待运往中央刀库 只。刀具运往中央7 库 判断1 只判断2 只，判断3 p ( m ，1 ) 工件在第m 台机床的输入缓冲站中等待( m = i n ) p ( m ，2 ) 第m 台机床f 在装工件 p ( m ，3 ) 第m 台机床装工件完毕 p ( m ，4 ) 第m 台机床t f 在加工 p ( m ，5 ) 第m 台机床f 在加工完毕，等待 p ( m ，6 ) 第m 台机床f 在卸工件 东北人学坝1 学位论文 第兰章柔h 制造系统的矬模ij 弊。法分析 p ( m ，7 ) 工件在第m 台机床的输出缓冲站中等待 p ( m ，8 ) 第m 台机床空闲 p ( m ，9 ) 第m 台机床输入缓冲站中有空位 p ( m ，1 0 ) 第m 台机床输出缓冲站中有空位 p ( m ，1 1 ) 机床m 装卸机械手空闲 p ( m ，1 2 ) 刀具在第m 台机床的输入缓冲站中等待( m = i n ) p ( m ，1 3 ) 第m 台机床f 在装刀具 p ( m ，1 4 ) 第m 台机床装刀具完毕 p ( m ，15 ) 第m 台机床刀具使用完毕，等待 p ( m ，1 6 ) 第m 台机床正在卸刀具 p ( m ，1 7 ) 刀具在第m 台机床的输出缓冲站中等待 根据上述条件和事件