柔性制造系统及其调度

1、CIMS与CIPS技术及应用课程读书报告题目柔性制造系统及其调度学院信息科学与工程学院专业控制科学与工程姓名 陈绍武学 号教师 侍洪波2012年1月1日柔性制造系统及其调度陈绍武(华东理工大学信息科学与工程学院，上海200237)摘 要：基于计算机的集成制造(CIMS)时代的到来，柔性制造系统(FMS)是当前制造业的一 个重要发展方向，是正在迅速发展和应用的高新技术之一。FMS是一个投资很高的项目， 调度和控制策略的好坏对FMS的运行效率和应用效益影响很大。因此，FMS的调度和控制 策略的研究是十分必要的。关键词：柔性制造系统；生产调度；CIMSFlexible Manufacturing S

2、ystemand SchedulingCHEN Shao-wu(School of Information Science and Engineering， East China University of Science and TechnologyShanghai， 200237， China)Abstract： Based the times of Computer Integrated Manufacturing System (CIMS), FMS (Flexible Manufacturing System) is now a very important developmenta

3、l direction in current manufacturing industry. FMS is a new and advanced technique which is rapidly developing and applied. FMS needs vast investment. The tactic of scheduling and control of FMS deeply influence on running efficiency and applied benefit of FMS. So, the research on the tactic of the

4、scheduling and control of FMS is quite necessary.Keywords： FMS; Flexible Manufacturing System; Production Schedule; CIMS1柔性制造系统的发展背景随着日益激烈的市场竞争，人们对产品的功能和质量的要求不断提高，传统的制造技术 已不能满足市场对多品种小批量，更具特色符合顾客个人要求样式和功能的产品的需求。随 着微计算机、集成电路、传感器、通信技术、机械与控制设备等技术的迅速发展，适应这些 需求的柔性制造系统(FMS-Flexible Manufacturing System)就应运

5、而生了。作为计算机集成 制造系统(CIMS)的主要组成部分，它标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新 时代，柔性制造技术已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点【1】。关于柔性制造系统的定义很多，权威性的定义：有美国国家标准局把FMS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。”而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组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元，能根据 制造任

6、务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种，中小批量生产。”简单地说，FMS是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组 成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。故能自动调整并实现一定范围内多种工件 的成批高效生产(即具有“柔性”)，并能及时地改变产品以满足市场需求。因此在欧美等工 业化国家得到了广泛的应用。目前，我国正成为世界制造大国，要求制造系统和装备能快速适应不同产品生产的需要， 从而使制造企业快速响应市场变化。但我国机械制造业仍存在经济效益差、自动化程度低、 劳动生产率低的弊端。目前，中小批量的生产已成为制造的主流，但仍以普通机床单机生产 为主，尽管我国机床拥有量

7、和从业人数是世界上最多，的但与发达国家相比，相同数量的产 出需要付出20倍的生产时间及2倍的能源及原材料。面对日趋激烈的世界竞争环境，我们 的企业应变能力差。因而要改变我国制造业的落后局面，必须对传统的制造方式进行技术革 新，发展适合于多品种中小批量的柔性制造设备。目前我国汽车、柴油机、拖拉机、工程机 械、冷冻机、兵器、航空、航天等部门都已提出对FMS的需求，这也标志着我国有了发展 FMS技术的市场基础。随着计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System，简称CIMS)向纵 深发展，柔性制造系统的概念也有了新的发展。在CIMS环境下，FMS

8、已跳出了传统MFS 的概念的局限。在CMIS概念下，FMS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CMIS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。因此可以认为FMS是CIMS 的初步实现，也是实现C1MS的必经阶段。但是，在设计FMS时必须基于CIMS的总体框 架统筹考虑。至今，FMS的构想和思路得到了充分的承认。特别是对一些原来采用大批量自动化生 产线进行生产的离散型金属制品企业来说，随着科技、经济的发展和人民生活水平的提高， 多品种、中小批量生产已成为机械制造业一个主要的发展趋势，FMS作为一种

9、高效率、高 精度的制造系统，已成为当今乃至今后机械自动化发展的重要方向之一。2柔性制造系统研究柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代生产管理技术于一体 的先进制造技术。随着科技、经济的发展和人民生活水平的提高，多品种、中小批量生产已 成为机械制造业一个主要的发展趋势。FMS作为一种高效率、高精度的制造系统，作为当 今世界制造自动化技术发展的前沿科技，将成为21世纪制造业的主要生产模式。2.1柔性制造系统及其组成一般认为柔性制造系统是由数控加工设备、物流贮运装置和计算机控制系统组成的自动 化控制系统。它包含2台以上具有自动刀具交换和自动工件托盘交换装置的数控机床，以加 工中心为

10、核心设备，配有自动物料传递和管理系统，如有轨运输小车或自动导引运输小车， 并在中央计算机统一控制和管理下，动态地平衡资源的有效利用，具有生产调度和对加工过 程的实时监控能力，可动态地实现多种零件族的自动加工，适用于多品种、中小批量生产。 由于FMS是一项工程应用技术，它的内部组成根据使用目的而异，客观上很难有一个统一 的模式。典型的柔性制造系统一般由5个功能系统组成【4】。自动加工系统：一般由2台以上的数控机床、加工中心或柔性制造单元(FMC)以及 其他的加工设备构成。它能按照主控计算机的指令自动加工各种零件，并能自动实现工件、 刀具的交换。自动物流系统：是在机床、装卸站、清洗站和检验站之间运

11、送零件和刀具的传送系 统。刀具传送主要是从系统外将预调好的刀具送入系统内的中央刀库，或从中央刀库将刀具 送到机床的局部刀库；或者从局部刀库将刀具换入中央刀库，从中央刀库或局部刀库中将磨 损或破损的刀具送出系统。自动仓库系统：由设置在搬运线始端或末端的自动仓库和设在搬运线内的缓冲站构 成，用以存放毛坯、半成品和成品。自动化仓库系统的主要功能是根据主计算机系统的指令 及时准确地发送和存储物料，随时提供各种物料的库存情况，与物料需求计划系统相互交换 信息。自动监视系统：由各种传感器检测和识别整个FMS及各分系统的运行状态，对系 统进行故障诊断和处理，保证系统的正常运行。自动监视系统通过对生产线生产信

12、息和设备 状况信息的数据采集，并利用仿真技术实时反映生产线运行状况，实现对生产状况的实时监 控，使在远离生产线的控制中心也能够得到生产现场的实时数据，便于自动化生产线实现对 生产实际情况的及时掌握、对生产线工作进展情况的动态调度、对生产设备运行情况的实时 监测。计算机控制系统：实现对FMS的运行控制、刀具管理、质量控制及数据管理和网络 通信。主要进行加工过程控制，根据生产计划来控制和执行制造系统的任务，监控系统的运 行，也就是在总控级、单元级和设备级上的控制，而控制系统把整个控制任务尽可能分为相 互独立的功能单元。FMS控制系统有一些基本的功能单元，其中最重要的有:任务(作业)的管理、作业计划

13、、 运行控制、工装资源管理、NC数据管理、物流控制、人机交互控制、工况数据采集等。 2.2柔性制造系统分类从机械加工的角度考虑，一般将各种名称的柔性自动化制造设备或设备群(或称广义的 FMS)，按其加工设备的规模、投资强度和用途划分为五个级别。柔性制造模块 FMM(Flexible Manufacturing Module)FMM是一台扩展了许多自动化功能(如托盘交换器、托盘库或料库、刀库、上下料机械 手等)的数控加工设备，它是最小规模的柔性制造设备，相当于功能齐全的加工中心、车削中心或磨削中心等。柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)FMC 一般由12

14、台加工中心、工业机器人、数控(NC)机床及物料运输存贮设备构成。 数控加工设备或FMM之间由小规模的工件自动输送装置进行连接，并由计算机对它们进行 生产控制和管理，具有适应加工多品种产品的灵活性。可将其视为一个规模最小的FMS, 是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物。其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今 已进入普及应用程度。柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System)FMS通常包括4台或更多的数控加工设备(加工中心与切削中心等)、FMM或FMC, 是规模更大的FMC或由FMC为子系统构成的系统。FMS的控制、管理功能也比FMC强， 对数据管理与通信网

15、络的要求更高。由集中的控制系统及物料系统连接起来，可在不停机情 况下实现多品种、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技术最具代表性的制造自动 化系统。柔性制造生产线 FML(Flexible Manufacturing Line)它是处于单一或少品种大批量非柔性自动线与中小批量多品种FMS之间的生产线。它 是以离散型生产中的FMS和连续性生产过程中的分散型控制系统(DCS)为代表，其特点是 实现生产线柔性化及自动化。其特点是柔性较低、专用性较强、生产率较高、生产量较大， 相当于数控化的自动生产线，一般用于少品种、中大批量生产。因此，可以说FML相当于 专用FMS，对物料系统的柔性要求低于F

16、MS，但生产效率更高。柔性制造工厂 FMF(Flexible Manufacturing Factory)FMF是以FMS为子系统构成，柔性制造由FMS扩大到全厂范围。配以自动化立体仓 库，用计算机系统进行有机的联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的 完整FMS。实现全厂范围内生产管理过程、设计过程、制造过程和物料运储过程的全盘自 动化，即实际自动化工厂(Factory Automation-FA)的目标。FMS虽然是一种较新的有很大发展前景的生产系统，但它并不是万能的。这里讨论分 类的目的是想说明，FMS是耗资较大的工程，是否采用柔性制造技术、采用何种规模的FMS、 何时实施

17、，应根据企业的经营状况、设备状况、技术状况、发展目标、市场前景等。切合实 际地认真分析，确认其必要性、合理性和有利可图之后方可分步实施，而不要盲目追求FMS 的实施。2,3柔性制造系统的特征柔性制造系统是指具有柔性且自动化程度高的制造系统。目前所论及的FMS通常是指 在批量切削加工中，以先进自动化和高水平柔性为目标的制造系统。从这个意义上说，柔性 指时间和空间的灵活性，而先进的自动化是指将手工操作减至最低限度，直至最终将其完全 取消的系统。柔性和自动化是FMS的两个主要特征FMS与传统的单一品种自动生产线(相 对而言，可称之为刚性自动生产线，如由机械式、液压式自动机床或组合机床等构成的自动 生

18、产线)的不同之处主要在于它具有柔性。一般认为，柔性在FMS中占有相当重要的位置。 定量测定制造系统的柔性通常应考虑如下若干因素，或者说存在如下若干项可用于评估或测 定柔性制造设备或系统的柔性的指标：机床柔性：构成FMS的机床从一种工序加工转向另一种工序加工的能力，即系统中 的加工设备具有适应加工对象变化的能力；路由柔性：一个给定加工工艺规划的零件在FMS系统中以不同加工路线实现柔性加 工的能力，即系统改变每种工件加工工序先后顺序的能力。其衡量指标是系统以实时方式进 行工艺决策和现场调度的水平；产量柔性：经济地实现产品不同产出水平的工作能力；物料管理柔性：传送和存放不同类型和尺寸的工件的能力，体

19、现了制造设备或系统 空间兼容性方面的应变能力；逐步投资柔性：在需要时可增加或减少它的生产能力，体现了制造设备或系统时间 兼容性方面的应变能力；加工柔性：加工制造一种新零件或改进零件的能力，体现了制造设备或系统空间和 时间兼容性方面的应变能力；持续进步柔性：适应零件设计变化的生产能力，体现了制造设备或系统时间兼容性 方面的应变能力。新零件项的柔性：引入新产品零件加工制造的能力，体现了制造设备或系统空间兼 容性方面的应变能力；互换柔性：在各加工站间和加工功能间的互换或替代能力，体现了制造设备或系统 空间兼容性方面的应变能力；FMS正是将“柔性”和“自动”两者结合，从而实现企业的经济效益：适应市场需

20、 求，以利于多品种中小批量生产；提高机床利用率，缩减辅助时间以利于降低生产成本； 缩短生产周期，减少库存量，以利于提高市场响应能力；提高自动化水平，以利于提高 产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。3柔性制造系统中的生产调度调度问题在柔性制造系统、现代物流、计算机科学等领域中非常重要。有效的调度优化 算法能使现代商业领域增加产出、减少周转时间、减少库存，最终减少生产费用、增加利润 和客户满意度。所以调度优化算法性能的好坏对这些行业的高效运作有着重要影响，其研究 也具有重要的理论意义和实用价值。3.1生产调度问题概述调度(Scheduling)是运筹学中的一个重要分支，是为了实现某一目的而对共同

21、使用的资 源实行时间分配。调度产生的原因在于多项任务共享特定的资源，而有限的资源却无法以相 对于各个单独任务的最优状态同时满足所有任务的处理需求，同时需要寻求一种优化其中一 部分或者整批任务的某种处理性能指标的方案。调度问题简单来说，可以描述为：。个工件 在m台设备上加工，一个工件分为k道工序，每道工序可以在若干台设备上加工【5】。由于 工件的加工工艺的要求不同，每个工件使用m种机器的顺序及其每道工序所需时间己给定， 调度问题就是如何安排在每台机器上工件的加工顺序，使某种性能指标最小。典型的生产调度问题涉及一个要完成的任务集合，其中每一个任务包含一组需要执行的 作业序列（工序），这些作业序列需

22、要占用系统的设备、工具等资源，并且必须按照一定的 工艺顺序执行。一个资源集合，包括人员、设备、工具、材料等，每台设备可以完成一种或 多种作业，不同设备能完成的作业集合可能相同也可能不同。一个约束条件集合，如任务的 优先级、工序的先后关系、每个作业要求完成的时间、资源的能力等。一个性能指标集合， 用以规定生产过程中需要优化的目标，如生产周期、在制品量、订单交货期、资源利用率、 生产成本等。调度的目标就是要为作业集中地合理分配资源，合理安排每个作业的加工次序， 使约束条件被满足，同时使部分或全部生产性能指标得到优化。3.2柔性制造系统中的调度FMS在结构和功能方面的特征、FMS的运行方式同传统刚性

23、自动化系统之间有本质区 别。要使FMS能充分体现其柔性等特点，必须在FMS的运行和生产调度方面引入新的方法 和手段，使FMS的运行能达到FM设计的目标。考虑以下一般的制造环境和其中调度所扮演的角色。制造部门提交的订单必须细化成带 有工期的工作。这些工作常常需要在一个加工中心的机器上以特定的顺序进行。如果某些机 器繁忙，工作可能会延迟；如果高优先级的工作到达忙的机器，就会发生中断。车间里的突 发事件，如机器损坏或加工时间比预期的长，都必须加以考虑，因为它们可能对调度产生重 大影响。这里，对要完成的任务开发一个详细的调度计划对于维持效率和控制控制操作是很 有帮助的。图1所示为FMS生产调度分层控制模型，在该四层模型，第一、二层的运行是离线方 式，余下两层以在线方式运行。FMS运行规划制造订单需求分析第一层班次作业计划制造班次计划自适应调整FMS静态调度第二层工件分组及组间排序设备负荷及分配 工件静态排序FMS动态调度第三层FMS中进入机床的工件选取多个工件流动管理第四层FMS资源管理刀具管理人力