【文章內(nèi)容簡介】 ............. 57 6 總結(jié)與展望 ............................................................................................. 59 總結(jié) ............................................................................................................................ 59 展望 ............................................................................................................................ 59 致 謝 ..................................................................................................... 61 參考文獻 ..................................................................................................... 63 碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 1 1 緒論 柔性制造系 統(tǒng) 概述 柔性制造系 統(tǒng) （ Flexible Manufacturing System， 簡稱 FMS），由物料自 動儲運系統(tǒng)和 計 算機信息控制系 統(tǒng)組 合成的整體。它能 夠適應 加工 對 象不 斷變換 的機械制 造自 動 化系 統(tǒng) ，因 為 它 由統(tǒng) 一的一 組數(shù) 字控制加 工設備、 信息控制系 統(tǒng) 和物料 儲運系統(tǒng)組 成 [1]。柔性制造系 統(tǒng) 具有部分生 產(chǎn) 管理和加工制造的功能，能 夠進 行機械加工、 裝配 和 質(zhì)量檢驗 、毛坯制造等，可以有效地提高企 業(yè) 的生 產(chǎn) 和管理效益。 80 年代中期使用的 FMS，基本上只是用于切削加工，少部分 應 用于 沖壓 和焊接，而 現(xiàn) 在的 FMS 已 經(jīng) 成 為 了在批量切削加工中以先 進 的自 動 化和高水平的柔性 為 目 標 的制造系 統(tǒng) 。 柔性制造系 統(tǒng) 能 夠高效 、高 質(zhì) 量地 進 行多種零件的加工，一般可以 從 以下三 個 方面對 它 進 行描述 [1]： ? 是一個計算機控制的生產(chǎn)系統(tǒng)； ? 系 統(tǒng)采 用半 獨 立的 NC(Numerical Control)機床； ? 這 些機床通 過 物料 輸 送系 統(tǒng)聯(lián) 成一體。 柔性制造是在 計 算機支持下，能 適應 加工 對 象 變 化的制造系 統(tǒng) 。柔性制造系 統(tǒng)有 以下三 種類 型 [2]： ? 柔性制造 單 元 柔性制造 單 元（ Flexible Manufacture Cell， 簡稱 FMC）是由一臺或 數(shù)臺數(shù) 控機床構(gòu)成的加工中心構(gòu)成的加工 單 元。 該單 元可以通 過 自 動換 刀具 來 加工不同的 產(chǎn) 品。柔性制造 單 元的 設備 具有 較 大的柔性，不 過 加工和人 員 柔性低?？梢院芎玫丶庸ば?狀 復 雜 但工序 簡單 ，小批量，工 時較長 的零件。 ? 柔性制造系 統(tǒng) 柔性制造系 統(tǒng) 是以加工中心或 數(shù) 控機床 為 基 礎 ，另外配 備 合適的 傳 送物料 裝 置 而組成的生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 。柔性制造系 統(tǒng)適 合加工工序多，形 狀 復 雜， 大批量的零件。其加工和物料 傳 送柔性大，但人 員 柔性 較 低。 該 系 統(tǒng) 能在不停機的 狀況 下，通 過計 算機自 動 地控制不同品種 產(chǎn) 品的加工。 ? 柔性自 動 生 產(chǎn)線 柔性自 動 生 產(chǎn)線是聯(lián) 接多 臺專用 機床，再配 備 合適的自 動運 送 裝 置 而組 成的自 動 生產(chǎn)線。 它可以加工 較 大批 量規(guī) 格不同的零件。柔性自 動 生 產(chǎn)線 在柔性程度高的 時 候可以接近于批量小、品種多生 產(chǎn) 用的柔性制造系 統(tǒng) ，柔性程度低的 時 候，它在性能上接近大批量生 產(chǎn) 用的自 動 生 產(chǎn)線。 1 緒論 碩士論文 2 柔性 制造系統(tǒng) 國內(nèi) 外 發(fā) 展 現(xiàn)狀 自 1954 年第 一臺數(shù) 字控制 銑 床在美 國麻 省理工 學 院 誕 生以 來 ，機械加工行 業(yè)從單臺數(shù) 控機床的 應用逐漸發(fā) 展 為 具有加工中心、柔性制造 單 元的柔性制造系 統(tǒng) 和 計 算機集成的制造系 統(tǒng) ， 實踐表 明自 動 化系 統(tǒng) 得到了迅速 發(fā) 展 [3]。 1967 年，英 國莫 林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的 FMS 基本概念，研制了 “ 系 統(tǒng)24” 。其主要 設備 是六臺模 塊 化 結(jié) 構(gòu)的多任 務 序 數(shù) 控機床，目的是在 無 人看管的 條 件下，實現(xiàn)晝 夜 24 小 時連續(xù) 加工，但最 終 由于 經(jīng)濟 和技 術(shù) 上的困 難 而未全部建成。同年，美國 的懷特 森斯特 蘭 公司建成 Omniline I系 統(tǒng) ， 它由八臺加工中心和 兩 臺多 軸 鉆 床 組 成，工件被 裝 在托 盤 上的 夾 具中，按固定 順 序以一定 節(jié) 拍在各機床 間傳 送和 進 行加工。 這 種柔性 自 動 化 設備 適于在少品種、大批量的生 產(chǎn) 中使用，在形式上與 傳統(tǒng) 的 自 動 生 產(chǎn)線 相似，所以也叫柔性自 動線。 日本，前 蘇聯(lián) 和德 國 等也都在 60 年代末至 70 年代初，先后開 展了 FMS 的研制工作。 1976 年，日 本發(fā) 那科公司展出了由加工中心和 工業(yè) 機器人 組 成的 柔性 制造 單 元 ， 為發(fā) 展 FMS 提供了重要的依據(jù)。柔性制造 單 元一般由 1～ 2 臺數(shù) 控機床與物料 傳 送 裝 置 組成，有 獨 立的工件 儲 存站和 單 元控制系 統(tǒng) ，能在機床上自 動裝 卸工件，甚至自 動檢測 工件，可 實現(xiàn) 有限工序的 連續(xù) 生 產(chǎn) ，適于多品種小批量生 產(chǎn)應 用。 70 年代末期 ， FMS 在技 術(shù) 上和 數(shù) 量上都有 較 大 發(fā) 展， 80 年代初期的 FMS 進 入 實 用階 段，其中由 3～ 5 臺 設備組 成的 FMS 最多，但也有 規(guī) 模更 龐 大的系 統(tǒng) 投入使用。 1982年，日 本發(fā) 那科公司建成自 動 化 電 機加工 車間 ，由 60 個 柔性制造 單 元 （ 包括 50 個工業(yè)機器人）和一 個立 體 倉庫組 成，另 有兩 臺自 動引導 臺 車傳 送毛坯和工件，此外 還 有一 個無 人化 電 機 裝配車間 ，它 們 都能 連續(xù) 24 小 時運轉(zhuǎn) 。 這 種自 動 化和 無 人化 車間 ，是向 實現(xiàn)計 算機集成的自 動 化工廠 邁 出的重要一步。與此同 時，還 出 現(xiàn)了 若干 僅 具有 FMS 基本特征，但自 動 化程度不很完善的 經(jīng)濟 型 FMS，使 FMS 的 設計 思想和技 術(shù) 成就得到普及 應 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 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 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 入了自 主 開發(fā) 與少部分 進 口 相結(jié)合 的 階 段。 1988 年 北京機床研究所完全自行 開發(fā) 的 為 天津減 速機廠配套提供的加工 減 速機座 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 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 提高了碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 3 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 運輸設備 或機床的系 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 則分類 成 組，同組 事物能 夠 采用同一方法 進 行 處 理，以便提高效益的技術(shù) ），用一臺或 數(shù)臺數(shù) 控機床或 專用 機床等 進 行 設備 加工的系 統(tǒng) [5]。 FMS 是一類復雜的實時系統(tǒng)，也是一個多層次、多結(jié)構(gòu)的集成化復雜系統(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)絡模型可以分為五層 [1]： ? 計劃層：包括產(chǎn)品設計、工藝設計、庫存管理和生產(chǎn)計劃等，屬于工廠 一級； ? 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； ? 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； ? 設備控制層：指設備的控制級，主要包括各機器人控制、機床數(shù)控、倉儲控制 和運輸?shù)龋? ? 動作執(zhí)行層：通過伺服系統(tǒng)的控制命令來控制機械運動，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， FMS 是在計算機的管理下，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 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 度。因此，它1 緒論 碩士論文 4 的發(fā) 展已 經(jīng) 成 為 了一 個 企 業(yè)現(xiàn) 代化的重 要標 志。一 個 好的 FMS 控制系 統(tǒng) 需要 綜 合多種先 進 的 計 算機技 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 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，南京理工大學自動化學院購買了一套固高公司的 FMS 系統(tǒng)用于教學研 究。 本文主要基于原 設備 硬件系 統(tǒng) ， 對 部分控制模 塊和 系 統(tǒng)管 理 軟 件 進 行研究和改 進設計 ，具體包括堆垛機控制系 統(tǒng)、 立體 倉庫調(diào) 度算法、作 業(yè) 管理系 統(tǒng)等 。最后 將設計成 果 應 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 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 方向。 詳細 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 行了重 點 介 紹 ?；?TSP（ 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 主要功能模塊的設計。設計添加了復合作業(yè)功能，并應用蟻群算法得到揀選作業(yè)的任務單。針對原系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理過于簡單的問題，設計了 ACCESS 數(shù)據(jù)庫，增加了查詢打印報表功能。改進了堆垛機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對堆垛機的快速定位和更好的速度控制。 第五章 FMS 的綜 合 運 行。 將設計 的控制模 塊 、系 統(tǒng)管 理 軟 件模 塊 、 調(diào) 度算法模 塊應 用于固高 FMS，并 進 行系 統(tǒng)