柔性制造系统智能调度技术研究

1、柔性制造系统智能调度技术研究            柔性制造系统(FMS)是一种先进的生产系统，适合于多品种、中小批量生产，可迅速适应产品变化，具有提高设备利用率、减少在制品库存量、提高产品质量和一致性等诸多潜在优点。但是，系统的这些优点能否充分发挥，调度软件功能的优劣是极为重要的因素之一。FMS调度软件的开发是FMS系统的关键技术，调度的主要任务就是在时间和空间上合理利用系统的有限资源，以满足性能指标的要求，因此FMS调度问题将直接影响整个系统的有效性和柔性。1 FMS调度

2、的任务、目标及策略 作业调度的任务可分为两类：第一类是所谓路径规划问题，即根据多种优化目标，采用计算机的各种算法，自动地解决加工路线的最优化以及各类设备的利用率等问题。它的目标是根据一定的性能指标，在满足技术上的制约因素(比如：机床刀库容量和机床生产能力)的条件下，从上层计划给出的应加工的工件中选出一个适合加工的工件集合，并将其所有工序和所需的刀具分配到各机床；第二类是动态调度问题，即实时动态地根据下级的反馈信息和实际的系统状态数据，决定下一步执行哪一道工序。它的目标是在整个加工过程遇到扰动和故障时，能根据系统监控到的实时情况修改原定的加工顺序和调度系统的所有资源，使FMS持续、优化地运行。

3、FMS的调度对象主要包括工件调度、托盘或夹具调度、机床调度和运输小车(AGV)调度，有时也包括动态刀具调度。就具体调度策略而言，FMS调度基本上可以分为三类： (1)周期调度策略 在每个生产周期开始前预调度好各种设备，规定它在未来时间里的加工动作，当生产周期开始时，按调度结果执行。 (2)连续调度策略 每当出现一个使系统状态发生变化的事件时(例如“工件到达”、“加工完成”)，调度系统设备，使系统得到最优的运行。 (3)混合调度策略 在正常工作周期，系统采用周期调度策略(或称为批调度)；在系统出现意外时，采用连续调度策略。 周期调度策略是采用最多的调度方法，这是因为FMS大多以周期性生产的形式工

4、作，系统中事件(意外事件除外)的发生具有一定的周期性和可确定性。这种调度方法简单方便、可靠，易实现；缺点是要牺牲一些系统性能，且无法处理突发事件。连续调度策略以现代计算机技术为手段，面对系统中层出不穷的事件进行频繁的动态调度，因此它能处理突发事件，并能优化系统的调度；缺点是对调度器的硬件和软件要求较高，对未来事件缺乏预见能力，缺乏整体的概念。混合调度策略则可以综合周期调度和连续调度这两种方法的优点。本文研究的柔性制造系统中的调度正是采用了混合调度策略。在生产开始初期，先按周期调度进行预调度，在系统运行过程中，若设备出现故障、有急件或新件到达、实际运行调度结果与原调度结果偏差太大时，系统可根据用

5、户再调度请求进行连续调度，使系统性能达到最优。 2 系统配置 本文研究的柔性制造系统由3台加工中心、1台测量机、1台清洗机、3台装卸站、10个工件缓冲站、2个刀具缓冲站、2个刀具交换站、1台物料运输车和其它辅助设备构成。工装为9套夹具底板、10个托盘。 3台加工中心及其准备的工装列于表1。3台装卸站中有2台带翻转台，1台不带。物料小车既运送工件，也运送刀具，即混流运输。 根据该系统配置可得到以下约束： 在系统中同时运行的工件不超过9个，其中大件不超过3个； 五坐标立式机床的作业队列长度不超过3，四坐标和五坐标卧式机床的作业队列长度不超过6； 使用平底板的工件不可在卧式机床上加工，使用立碑底板的

6、工件不可在立式机床上加工； 使用立碑底板的工件只能在带翻转台的装卸站装卸； 五坐标加工不能在四坐标机床上进行。 基于以上分析可知，投放到系统中的作业必须大小件区配，如果大件过多，整个柔性制造系统的性能肯定不佳；作业必须按立式机床、卧式机床平衡分配；作业分配必须考虑三五坐标平衡；尽量避免同一作业在立式机床、卧式机床间流动，除非发生设备故障。 3 柔性制造系统智能调度推理机 本智能调度软件中作业在计划层针对于零件，在调度层针对于工序。设备利用率是指该设备的使用时间与最后一道工序离开该设备的时间之比。设备延误是指设备实际使用时间减去设备最早可以使用的时间。 本柔性制造系统智能调度系统软件结构如下图所

7、示。                本智能调度软件主要功能模块描述如下： (1)定单输入和接收在生产制造系统中，定单管理与控制贯穿生产活动的始终。定单既可以面向零件，也可以面向产品。从接收定单开始到定单完成，需要解决一系列关键问题： 根据系统加工能力，定单能否按时完成； 定单一旦被接收，应何时开始加工； 如何确定定单优先顺序； 定单开始加工后，如何保证定单的完整； 如何避免定单零件的重复投放； 完成定单的处理。 (2)生产作业计划 作业

8、计划是生产系统的重要组成部分，通过计划可以控制定单的执行，并向物流系统提出毛坯需求计划，向刀流系统提出刀具需求单。生产计划是按设备负荷能力和零件工时安排的。计划的制定有两种方法，即批处理和负荷平衡规则，批处理面向定单，尽量按定单逐个计划；负荷平衡面向机床，尽量使设备负荷达到平衡。 (3)智能调度引擎 调度引擎的主要功能是分析零件工艺特性，计算加工工序时间与辅助工序时间之比；读取设备状态信息，分析各种可能出现的系统配置；预安排零件加工机床，为智能调度做技术准备，具体功能有： 根据机床状态、系统可用托盘、零件夹具数量确定立式和卧式机床加工工时； 分析零件垫板数量和系统可用托盘数量的比例关系，合理预

9、安排零件加工机床； 用户提出再调度请求时，分析再调度类型，采集和准备再调度数据。如果是在线作业，按其底板类型确定加工作业；当加工零件均为小件时，优先使用小托盘。 (4)调度知识库 本智能调度系统各设备所使用的调度决策规则有10种，它们为：先来先服务、优先级最高、工序工时最短、工序工时最长、剩余工时最短、剩余工时最长、平均工序工时最短、平均工序工时最长、剩余工序最多和剩余工序最少。调度知识库分为调度规则知识库和经验知识库，用户可通过操作界面建立各设备的调度规则知识库，按用户要求查询和显示各设备的调度规则；经验知识库是经过“九五”柔性制造系统可靠性运行，以及本课题多次模拟运行中总结出来的系统最佳调

10、度规则。 (5)作业优化排序罚函数算法 作业排序采用两级结构。在上层，决定哪一个作业优先进入加工系统，可通过作业优先级控制和夹具主动选择来实现；在底层，由设备管理器控制将哪一个作业分配给哪一个设备以达到最优排序：即设备利用率最高，作业延误最小，设备负荷平衡。 夹具主动选择是指根据空闲夹具的类型，按照作业的优先级，首先检查有无合适的已开工在线作业，然后是有无合适大件检查，最后从小件中优选。选定作业后，将作业从准备状态调到就绪状态。 当设备接到设备管理器发来的加工作业时，对接收到的作业进行能否接受的检查，如果该作业适合于在该设备上处理，该设备则根据自己的排序规则产生该作业的调度基准，并以该基准为关

11、键字，将该作业存入有序的作业缓冲区中。设备管理器的优化排队程序决定了如何将作业分配到机床，并使整个系统性能达到最优。评 判调度结果优化程度的几个关键因素是：设备利用率、设备名义延误、作业名义延误、作业周期、系统周期等等。显然，设备利用率越高，设备名义延误和作业名义延误越小，作业周期和系统周期越短，调度的结果越趋向最优。考虑到设备名义延误和作业名义延误耦合紧密，而且设备延误大小也决定了作业周期和设备周期，故构造罚函数如下：假设设备的当前利用率为u，该设备的当前名义延误为td，则定义该设备的罚函数为： P(u,td)=(1-u)×td 当1-u0.001时， P(u,td)=0.001×td 当1-u0.001时。 罚函数是运筹学中对有约束多变量函数的优化方法。 4 实际运行应用和结果比较 我们假设柔性生产线所有设备状态良好，零件所需物料和刀具充足，将定单输入列于表2。将得到两