【正文】 MS，使FMS的設(shè)計思想和技術(shù)成就得到普及應(yīng)用。FMS系統(tǒng)在我國的發(fā)展比較晚，據(jù)統(tǒng)計，我國在1984年開始研制FMS，比國外晚了整整17年。國家機(jī)電部“七五”重點科技項目的支持和國家863高技術(shù)發(fā)展計劃在自動化領(lǐng)域的發(fā)展使得FMS得到極大的重視和發(fā)展。從此我國對于FMS的研究，進(jìn)入了自主開發(fā)與少部分進(jìn)口相結(jié)合的階段。1988年北京機(jī)床研究所完全自行開發(fā)的為天津減速機(jī)廠配套提供的加工減速機(jī)座JCSFMS2FMS FMS，也是我國從此開始具有自主開發(fā)FMS系統(tǒng)的實力的象征。因此21世紀(jì)初在我國FMS開始全面流行[4]。今天，真正成規(guī)模的FMS并不多，但FMS的構(gòu)想已經(jīng)得到了大家的肯定。因為在保證質(zhì)量的前提下，原來一些采用大批量自動化生產(chǎn)線的金屬制品企業(yè)已經(jīng)開始提高了利潤和生產(chǎn)率，這也是FMS的優(yōu)點。FMS兼顧了生產(chǎn)率和靈活性，因此它具有生命力，從而得到了廣泛的使用。 柔性制造系統(tǒng)的基本組成就機(jī)械制造業(yè)的柔性制造系統(tǒng)而言，其基本組成部分有：軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)是必不可少的組成部分，它可以保證計算機(jī)有效地控制柔性制造系統(tǒng)。主要包括系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)監(jiān)督、設(shè)計和生產(chǎn)控制等部分。信息系統(tǒng)：信息系統(tǒng)是指通過電子計算機(jī)或其它控制裝置如液壓、氣壓裝置等，收集、處理、反饋加工和運輸過程中所需各種信息，實現(xiàn)分級控制運輸設(shè)備或機(jī)床的系統(tǒng)。物流系統(tǒng)：物流系統(tǒng)是柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分，它由多種運輸裝置如傳送帶、軌道轉(zhuǎn)盤以及機(jī)械手等構(gòu)成，可以實現(xiàn)對工件、刀具等的供給與傳送。自動加工系統(tǒng)：自動加工系統(tǒng)是把材料相同，重量、外形、工藝、尺寸大致相似的零件集中在一起，利用成組技術(shù)（GTGroup Technology，揭示和利用事物間的相似性，按照一定的準(zhǔn)則分類成組，同組事物能夠采用同一方法進(jìn)行處理，以便提高效益的技術(shù)），用一臺或數(shù)臺數(shù)控機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床等進(jìn)行設(shè)備加工的系統(tǒng)[5]。FMS是一類復(fù)雜的實時系統(tǒng)，也是一個多層次、多結(jié)構(gòu)的集成化復(fù)雜系統(tǒng)。因此，研究FMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是企業(yè)研究的一個重點。柔性制造系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)模型可以分為五層[1]：l 計劃層：包括產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、庫存管理和生產(chǎn)計劃等，屬于工廠一級；l 管理層：包括作業(yè)計劃、在制品及毛坯管理、工具管理和工藝系統(tǒng)分析等，這是屬于車間和系統(tǒng)的管理級；l 單元層：包括分布式數(shù)控、運輸系統(tǒng)和加工系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)采集和工況等，這是系統(tǒng)控制級；l 設(shè)備控制層：指設(shè)備的控制級，主要包括各機(jī)器人控制、機(jī)床數(shù)控、倉儲控制和運輸?shù)?；l 動作執(zhí)行層：通過伺服系統(tǒng)的控制命令來控制機(jī)械運動，或者是通過傳感器采集到的信號來控制數(shù)據(jù)等。FMS中有基本數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)這三種不同類型的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運行的過程中，這些數(shù)據(jù)相互聯(lián)系，包括數(shù)據(jù)聯(lián)系、決策聯(lián)系和組織聯(lián)系等。因此，F(xiàn)MS是在計算機(jī)的管理下，通過這三種聯(lián)系，將制造過程的信息流構(gòu)成一個有反饋的回路，最終實現(xiàn)自動控制的過程。 本文研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)先進(jìn)的FMS系統(tǒng)可以加速資金周轉(zhuǎn)，自動化管理物流，降低勞動強(qiáng)度。因此，它的發(fā)展已經(jīng)成為了一個企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。一個好的FMS控制系統(tǒng)需要綜合多種先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，包括專家系統(tǒng)、智能傳感器技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，才能更好的發(fā)揮FMS的優(yōu)勢。為了解決傳統(tǒng)實驗設(shè)備無法滿足社會對畢業(yè)生的要求這一問題，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院購買了一套固高公司的FMS系統(tǒng)用于教學(xué)研究。本文主要基于原設(shè)備硬件系統(tǒng)，對部分控制模塊和系統(tǒng)管理軟件進(jìn)行研究和改進(jìn)設(shè)計，具體包括堆垛機(jī)控制系統(tǒng)、立體倉庫調(diào)度算法、作業(yè)管理系統(tǒng)等。最后將設(shè)計成果應(yīng)用于系統(tǒng)，完成了FMS的綜合調(diào)試。本文共分為六章，結(jié)構(gòu)安排如下：第一章 緒論。對柔性制造系統(tǒng)的基本概念、發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義進(jìn)行了全面綜述，介紹了本文的研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第二章 固高FMS介紹及系統(tǒng)改進(jìn)方向。詳細(xì)介紹了固高FMS的整體結(jié)構(gòu)和各功能組件的技術(shù)參數(shù)；描述了系統(tǒng)的所有功能；針對原系統(tǒng)存在的不足，提出了系統(tǒng)改進(jìn)的方向。第三章 立體倉庫調(diào)度算法的研究。對常用的調(diào)度策略和三種現(xiàn)代優(yōu)化調(diào)度算法：遺傳算法、蟻群算法和模擬退火算法進(jìn)行了重點介紹?；赥SP（Traveling Salesman Problem）模型，利用MATLAB軟件實現(xiàn)了上述三種調(diào)度算法仿真。分析仿真結(jié)果，得到了適于本系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度算法。第四章 FMS主要功能模塊的設(shè)計。設(shè)計添加了復(fù)合作業(yè)功能，并應(yīng)用蟻群算法得到揀選作業(yè)的任務(wù)單。針對原系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理過于簡單的問題，設(shè)計了ACCESS數(shù)據(jù)庫，增加了查詢打印報表功能。改進(jìn)了堆垛機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對堆垛機(jī)的快速定位和更好的速度控制。第五章 FMS的綜合運行。將設(shè)計的控制模塊、系統(tǒng)管理軟件模塊、調(diào)度算法模塊應(yīng)用于固高FMS，并進(jìn)行系統(tǒng)的綜合運行，得到了滿意的控制效果。第六章 總結(jié)與展望。對本文工作進(jìn)行總結(jié)，提出了進(jìn)一步研究的方向。2 固高FMS介紹及系統(tǒng)改進(jìn)方向目前，傳統(tǒng)的實驗設(shè)備已經(jīng)無法滿足社會對畢業(yè)生在知識的廣度和深度方面的要求。為了讓學(xué)生能夠接觸工業(yè)現(xiàn)場的真實設(shè)備，認(rèn)識設(shè)備的組織形式和控制形式，掌握制造工業(yè)的先進(jìn)運動控制技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等重要知識，我校自動化學(xué)院購進(jìn)了一套深圳固高科技有限公司研制的FMS設(shè)備。該系統(tǒng)集光、機(jī)、電、氣以及計算機(jī)信息技術(shù)為一體，具可開發(fā)性。本課題是基于該綜合平臺，對物流、控制、總線等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步開發(fā)系統(tǒng)平臺的功能，改善系統(tǒng)的控制性能和調(diào)度策略。 FMS系統(tǒng)平面布局示意圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件介紹 自動化立體倉庫自動化立體倉庫由機(jī)械、電氣、控制和管理系統(tǒng)等組成，它涵蓋了運動控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代物流技術(shù)，是實現(xiàn)制造自動化和物流自動化系統(tǒng)的必備子系統(tǒng)。該立體倉庫由4層6列立體貨架，1臺巷道有軌堆垛機(jī)以及一套出入庫輸送設(shè)備組成。自動化立體倉庫倉位編碼規(guī)定：從左到右，從下到上。 自動化立體倉庫的相關(guān)參數(shù)名 稱規(guī) 格倉庫尺寸180mm120mm120mm倉庫數(shù)量4層6格24個輸入電壓AC220V50Hz最大速度30m/min單位載重2Kg控制方式運動控制器+交流伺服電機(jī)運行模式可獨立運行或遠(yuǎn)程監(jiān)控自動化立體倉庫的主驅(qū)動采用運動控制器+交流伺服電機(jī)方式，具有噪音低、速度快、定位精度高等特點。專用的運動控制器的核心是高性能的DSP和FPGA技術(shù)，核心的控制部件為固高公司研制的精密嵌入式四軸運動控制器。 立體倉庫控制結(jié)構(gòu)圖 堆垛機(jī)堆垛機(jī)是自動化立體倉庫的核心部分，堆垛機(jī)必須具有嚴(yán)格的技術(shù)要求，這樣自動化立體倉庫的優(yōu)越性才能夠通過其表現(xiàn)出來。堆垛機(jī)具有三大機(jī)構(gòu)：運行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、貨叉伸縮機(jī)構(gòu)。堆垛機(jī)的高精度定位、速度控制采用先進(jìn)的變頻技術(shù)和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。運行起升機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)編碼器和光電定位伸叉。系統(tǒng)中提供：安全保護(hù)、程序雙層保護(hù)和電器閉鎖的安全功能；上位機(jī)下達(dá)的指令通過PLC控制系統(tǒng)來進(jìn)而控制堆垛機(jī)的運行，并完成存取貨物的任務(wù)；堆垛機(jī)有手動、自動操作方式；還可實現(xiàn)故障報警及故障處理。堆垛機(jī)的特性：l 安全性：硬件限位、軟件限位和碰撞緩沖擋塊三層保護(hù)保證了設(shè)備的安全運行。l 先進(jìn)性：“運動控制器+交流伺服電機(jī)”的方式是主驅(qū)動所采用的，它保證了堆垛機(jī)具有定位精度高、速度快、噪音低的特點。堆垛機(jī)內(nèi)置的運動控制器可實現(xiàn)運動控制軸的多軸協(xié)調(diào)控制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于“PLC+變頻器控制”的方式。l 可擴(kuò)展性：堆垛機(jī)采用X、Y、Z三自由度模式。X方向采用齒輪齒條傳動形式，配以行星齒輪減速器，使用750W交流伺服電機(jī)驅(qū)動。Y方向采用鏈條鏈輪傳動形式，配以蝸輪蝸桿減速機(jī)，使用一個750W交流伺服電機(jī)驅(qū)動。Z方向采用三級貨叉伸出形式，貨叉可以上升或下降，來實現(xiàn)雙向取出或放置貨物。 微型輸送線該輸送線是由表面氧化鋁型材和進(jìn)口的防滑皮帶設(shè)計制造，線體可以按要求組合成各種輸送路徑，如單線往返或U型線。輸送線的控制方式為“PLC+電機(jī)減速控制”。其核心控制系統(tǒng)是西門子S7200 PLC和ProfiBusDP EM277通訊模塊相結(jié)合，組態(tài)后可以和Profibus Master實現(xiàn)通訊。系統(tǒng)通過PLC處理流水線各個光電開關(guān)的采集信號，以及對流水線和機(jī)器人運行邏輯控制，可以按要求添加按位或者檢測行程開關(guān)等。 混合式流水線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輸送線主要包括皮帶式輸送線、倍速鏈輸送線和90度轉(zhuǎn)角機(jī)。皮帶輸送線主要以普通布帶、膠布帶、尼龍平膠帶、PVC(防靜電)輸送帶和防靜電尼龍基網(wǎng)帶為輸送介質(zhì)媒體，一般用于電子產(chǎn)品或其它小型產(chǎn)品的裝配、調(diào)試、送料等生產(chǎn)工藝需求。皮帶輸送線利用馬達(dá)驅(qū)動，可采用電磁調(diào)速或變頻調(diào)速方式進(jìn)行線體速度在設(shè)計調(diào)速范圍內(nèi)的連續(xù)任意調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)中的皮帶在線安裝了3個歐姆龍光電感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)托盤經(jīng)過這些開關(guān)的時候，光電感應(yīng)開關(guān)可以檢測到信號，并反饋給系統(tǒng)，然后根據(jù)中央控制計算機(jī)設(shè)定的虛擬工位停留的時間控制皮帶線停下。90度轉(zhuǎn)角機(jī)的作用是在生產(chǎn)流水線之間中轉(zhuǎn)托盤，采用轉(zhuǎn)角氣缸和單相AC220V交流電機(jī)驅(qū)動。 AGV輸送系統(tǒng)自動導(dǎo)引車輛(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)是一種無人操縱的自動化運輸設(shè)備，它能承載一定的重量在出發(fā)地和目的地之間進(jìn)行自主駕駛、自動運行，是自動化物流運輸系統(tǒng)、柔性生產(chǎn)組織系統(tǒng)的核心裝置[6]。系統(tǒng)中的AGV是沿著鋪設(shè)好的磁導(dǎo)線行走的，在行走過程中通過車底部的傳感器來感知路線，小車也可以部分替代輸送線來進(jìn)行輸送任務(wù)。AGV具有三色聲光報警功能，它在運行中遇到障礙物時將自動停車，當(dāng)障礙物消失時，能自動恢復(fù)運轉(zhuǎn)。AGV控制系統(tǒng)選用一臺以ARM7內(nèi)核芯片磁導(dǎo)引AGV小車。 上下料機(jī)械臂該系統(tǒng)的機(jī)械手臂為兩自由度的機(jī)械手臂，可以實現(xiàn)在輸送線進(jìn)行出庫入庫操作時對特定產(chǎn)品的抓取操作。 雕刻機(jī)雕刻機(jī)是集雕、刻、銑、削為一體的多功能機(jī)床，既可作為通用雕刻設(shè)備，采用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行雕刻加工和雕刻工藝實驗等教學(xué)研究工作。也可作為開放式數(shù)控設(shè)備平臺使用。用戶可利用運動控制器提供的底層運動函數(shù)庫進(jìn)行電機(jī)運動規(guī)劃、控制及運動控制系統(tǒng)設(shè)計方面的教學(xué)實踐，可利用CNC（Computer Numerical Control：計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床）系統(tǒng)平臺進(jìn)行開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和數(shù)控技術(shù)的研究和教學(xué)。雕刻機(jī)通過計算機(jī)來進(jìn)行控制，其硬件包括以下部分：l 雕刻機(jī)主機(jī)，雕刻機(jī)是該系統(tǒng)的重要部分，雕刻機(jī)上面安裝的刀具可以對產(chǎn)品完成圖形雕刻的功能。機(jī)床主要規(guī)格：最大車削直徑=220mm，標(biāo)準(zhǔn)切削直徑=150mm，橫向最大行程(X軸)：20~110mm，縱向最大行程(Z軸)：480mm，前后頂尖間最大距離：600mm，快速進(jìn)給Z：15m/min，X：12m/min，主軸轉(zhuǎn)速60~60000r/min，主軸電機(jī)功率：。l 自動控制柜，可以完成對雕刻機(jī)的驅(qū)動功能，它內(nèi)部的PLC可以完成將控制流信號轉(zhuǎn)化為電信號。該電信號可以驅(qū)動雕刻機(jī)內(nèi)置的三軸步進(jìn)電機(jī)以及控制刀具高速運轉(zhuǎn)的主軸電機(jī)。l 控制PC，這個是雕刻機(jī)所有指令的下達(dá)中心，它包含控制雕刻機(jī)的軟件以及雕刻的圖形和文字等等，負(fù)責(zé)對雕刻機(jī)進(jìn)行控制。l 輔助工具，有夾具以及清潔刷等。 雕刻機(jī)加工過程 系統(tǒng)功能系統(tǒng)的功能主要有倉儲作業(yè)、加工和控制功能。，從圖中可以看出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，下面作詳細(xì)介紹。 系統(tǒng)倉儲任務(wù)界面 入庫操作入庫的順序是：由中央控制臺發(fā)出入庫指令，物品被送至傳送帶，傳送帶上的光電傳感器采集信號，該信號傳送至控制終端。控制終端通過總線把信號傳遞給主控PLC控制電機(jī)運動，最終控制傳送帶的運行[7]。物品被送至入貨臺，光電傳感器采集信號發(fā)出指令控制電機(jī)，貨物運至入貨臺，漫反射傳感器接受到的指令使得皮帶停止并驅(qū)動堆垛機(jī)，堆垛機(jī)收到指令，至入庫臺取貨物。堆垛機(jī)行至入庫臺，伸出貨叉，將托盤托起后收回。取到貨物之后，堆垛機(jī)上面的傳感器便可以檢測到信號，然后堆垛機(jī)開始運行，運行至指定貨位后，伸出貨叉，將貨物放到指定貨位后，收回貨叉，從而完成指定入庫操作。 出庫操作出庫操作和入庫操作的順序是相反的。首先堆垛機(jī)收到指令后，到目的倉位取貨，伸出貨叉，將貨物取出后收回貨叉。取貨后堆垛機(jī)上的傳感器便可檢測到信號，然后堆垛機(jī)開始運行，運行至出庫臺后，將貨物放到出庫臺后，收回貨叉并收回。然后傳感器接收到信號，發(fā)出信號使得電動機(jī)帶動皮帶轉(zhuǎn)動，將貨物運出。最后同樣的光電傳感器，采集信號來發(fā)出指令控制電機(jī)使得皮帶停止。 移庫操作移庫模塊功能可以實現(xiàn)在庫存中將一個貨位的物品運送到另外一個空貨位上。移庫操作適用于以下幾種情況：當(dāng)對存貨區(qū)域進(jìn)行整理時，由于空貨位太多，將貨物集中放置；對貨物進(jìn)行分類整理時，對貨物進(jìn)行生產(chǎn)日期篩選，生產(chǎn)日期早的貨物靠近出庫臺放置，以防物品過期，這個在現(xiàn)實生活中經(jīng)常遇到。用戶可以根據(jù)自己的需要，對需要進(jìn)行移庫的貨物進(jìn)行選址。移庫操作基本都是發(fā)生在一個巷道內(nèi)。本文研究平臺中的立體倉庫是I型倉庫，可以滿足不同用戶對移庫操作的要求。 調(diào)庫功能調(diào)庫模塊可以實現(xiàn)倉庫中兩個不同貨位上物品的位置轉(zhuǎn)換。功能與移庫類似，可以滿足不同用戶對不同類型貨物的出庫要求。這樣做有利于管理，可增加倉庫的庫存能力，避免物品因過期而浪費。調(diào)庫的程序設(shè)計與移庫相似，區(qū)別就是調(diào)庫是把兩個貨位上的物品進(jìn)行交換。運行的時候需要借助于另外一個空貨位，先把一個貨位A的物品搬運到空貨位B上面，然后再將另外一個貨位C上的貨物移至A上面。再將貨位B上面的物品搬運到貨位C上面。 雕刻功能雕刻模塊的功能是控制雕刻機(jī)的雕刻，在模塊上面可以雕刻成用戶所需要的產(chǎn)品。該加工設(shè)備選用的是固高公司的數(shù)控機(jī)床和傳統(tǒng)的機(jī)械雕刻系統(tǒng)。它采用傳統(tǒng)的切削式加工方法進(jìn)行雕刻。 AGV取貨功能AGV小車也稱自動導(dǎo)向小車（Automated Guide Vehicle）是一種由計算機(jī)控制并完成運輸任務(wù)的工具。主要由車架、蓄電池（充電裝置）、電氣系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、自動認(rèn)址和精確停位系統(tǒng)、自動導(dǎo)向系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)等組成。本系統(tǒng)的AGV小車內(nèi)部安裝驅(qū)動程序，便可啟