【正文】 自動(dòng)生產(chǎn)線在柔性程度高的時(shí)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(shí)候，它在性能上接近大批量生產(chǎn)用的自動(dòng)生產(chǎn)線。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”。同年，美國的懷特這種柔性自動(dòng)化設(shè)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(dòng)生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動(dòng)線?！　?976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)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)?！　?0年代末期，F(xiàn)MS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(jìn)入實(shí)用階段，其中由3～5臺(tái)設(shè)備組成的FMS最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。這種自動(dòng)化和無人化車間，是向?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成的自動(dòng)化工廠邁出的重要一步。FMS系統(tǒng)在我國的發(fā)展比較晚，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在1984年開始研制FMS，比國外晚了整整17年。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。因此21世紀(jì)初在我國FMS開始全面流行[4]。因?yàn)樵诒ＷC質(zhì)量的前提下，原來一些采用大批量自動(dòng)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(diǎn)。 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(jì)算機(jī)有效地控制柔性制造系統(tǒng)。信息系統(tǒng)：信息系統(tǒng)是指通過電子計(jì)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(yùn)輸過程中所需各種信息，實(shí)現(xiàn)分級(jí)控制運(yùn)輸設(shè)備或機(jī)床的系統(tǒng)。自動(dòng)加工系統(tǒng)：自動(dòng)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(tái)或數(shù)臺(tái)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]。因此，研究FMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是企業(yè)研究的一個(gè)重點(diǎn)。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)。因此，F(xiàn)MS是在計(jì)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(gè)有反饋的回路，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的過程。因此，它的發(fā)展已經(jīng)成為了一個(gè)企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。為了解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法滿足社會(huì)對畢業(yè)生的要求這一問題，南京理工大學(xué)自動(dòng)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。最后將設(shè)計(jì)成果應(yīng)用于系統(tǒng)，完成了FMS的綜合調(diào)試。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)。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。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(diǎn)介紹。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。設(shè)計(jì)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。改進(jìn)了堆垛機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對堆垛機(jī)的快速定位和更好的速度控制。將設(shè)計(jì)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(yùn)行，得到了滿意的控制效果。對本文工作進(jìn)行總結(jié)，提出了進(jìn)一步研究的方向。為了讓學(xué)生能夠接觸工業(yè)現(xiàn)場的真實(shí)設(shè)備，認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等重要知識(shí)，我校自動(dòng)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。本課題是基于該綜合平臺(tái)，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(tái)的功能，改善系統(tǒng)的控制性能和調(diào)度策略。該立體倉庫由4層6列立體貨架，1臺(tái)巷道有軌堆垛機(jī)以及一套出入庫輸送設(shè)備組成。 自動(dòng)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(gè)輸入電壓AC220V50Hz最大速度30m/min單位載重2Kg控制方式運(yùn)動(dòng)控制器+交流伺服電機(jī)運(yùn)行模式可獨(dú)立運(yùn)行或遠(yuǎn)程監(jiān)控自動(dòng)化立體倉庫的主驅(qū)動(dòng)采用運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。 立體倉庫控制結(jié)構(gòu)圖 堆垛機(jī)堆垛機(jī)是自動(dòng)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(dòng)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)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)。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(yùn)行，并完成存取貨物的任務(wù)；堆垛機(jī)有手動(dòng)、自動(dòng)操作方式；還可實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警及故障處理。l 先進(jìn)性：“運(yùn)動(dòng)控制器+交流伺服電機(jī)”的方式是主驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。l 可擴(kuò)展性：堆垛機(jī)采用X、Y、Z三自由度模式。Y方向采用鏈條鏈輪傳動(dòng)形式，配以蝸輪蝸桿減速機(jī)，使用一個(gè)750W交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 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(jì)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。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(shí)現(xiàn)通訊。 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)。皮帶輸送線利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，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(jì)調(diào)速范圍內(nèi)的連續(xù)任意調(diào)節(jié)。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(dòng)。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控制系統(tǒng)選用一臺(tái)以ARM7內(nèi)核芯片磁導(dǎo)引AGV小車。 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(shí)驗(yàn)等教學(xué)研究工作。用戶可利用運(yùn)動(dòng)控制器提供的底層運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、控制及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的教學(xué)實(shí)踐，可利用CNC（Computer Numerical Control：計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床）系統(tǒng)平臺(tái)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)。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：。該電信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)的主軸電機(jī)。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(chǔ)作業(yè)、加工和控制功能。 系統(tǒng)倉儲(chǔ)任務(wù)界面 入庫操作入庫的順序是：由中央控制臺(tái)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(hào)，該信號(hào)傳送至控制終端。物品被送至入貨臺(tái)，光電傳感器采集信號(hào)發(fā)出指令控制電機(jī)，貨物運(yùn)至入貨臺(tái)，漫反射傳感器接受到的指令使得皮帶停止并驅(qū)動(dòng)堆垛機(jī)，堆垛機(jī)收到指令，至入庫臺(tái)取貨物。取到貨物之后，堆垛機(jī)上面的傳感器便可以檢測到信號(hào)，然后堆垛機(jī)開始運(yùn)行，運(yùn)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。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。然后傳感器接收到信號(hào)，發(fā)出信號(hào)使得電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，將貨物運(yùn)出。 移庫操作移庫模塊功能可以實(shí)現(xiàn)在庫存中將一個(gè)貨位的物品運(yùn)送到另外一個(gè)空貨位上。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。本文研究平臺(tái)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。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。調(diào)庫的程序設(shè)計(jì)與移庫相似，區(qū)別就是調(diào)庫是把兩個(gè)貨位上的物品進(jìn)行交換。再將貨位B上面的物品搬運(yùn)到貨位C上面。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)。 AGV取貨功能AGV小車也稱自動(dòng)導(dǎo)向小車（Automated Guide Vehicle）是一種由計(jì)算機(jī)控制并完成運(yùn)輸任務(wù)的工具。本系統(tǒng)的AGV小車內(nèi)部安裝驅(qū)動(dòng)程序，便可啟動(dòng)。當(dāng)次品出庫后，小車到出庫線的機(jī)械手臂處，由機(jī)械手臂將托盤吸住，放置到小車上面。AGV小車底部安裝了兩臺(tái)電機(jī)，由電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。固高FMS系統(tǒng)集光、機(jī)、電、氣以及計(jì)算機(jī)信息技術(shù)為一體，在功能和結(jié)構(gòu)方面都具有模塊化設(shè)計(jì)思想和可開發(fā)性。下面概括地列出原系統(tǒng)有待改進(jìn)的方面，并提出改進(jìn)的思路和方法。對該設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，添加復(fù)合作業(yè)任務(wù)，加入一鍵入/出庫作業(yè)和揀選作業(yè)。對于揀選作業(yè)任務(wù)，可以把它抽象為TSP模型，TSP問題是如何在最短走過所有的城市。堆垛機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)此任務(wù)單完成揀選作業(yè)。因?yàn)槎讯鈾C(jī)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所有的倉儲(chǔ)作業(yè)最終都是通過堆垛機(jī)來完成，所以對堆垛機(jī)系統(tǒng)的改進(jìn)，可以提高系統(tǒng)的效率。本文研究了堆垛機(jī)的高精度定位，對堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，建立速度控制模型，利用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。比較參數(shù)不同時(shí)的仿真圖，可以得出對運(yùn)動(dòng)控制器可設(shè)置的一組最優(yōu)PID參數(shù)，對實(shí)際操作時(shí)有效的控制堆垛機(jī)的速度具有實(shí)際指導(dǎo)意義。合理的倉庫信息管理系統(tǒng)應(yīng)該包括入庫信息管理系統(tǒng)，出庫信息管理系統(tǒng)，庫存信息管理系統(tǒng)和信息報(bào)表模塊。 小結(jié)本章介紹了固高FMS系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，包括自動(dòng)化立體倉庫、堆垛機(jī)、輸送線等。3 立體倉庫調(diào)度算法的研究TSP問題[8]是指一個(gè)商人欲到n個(gè)城市推銷商品，每兩個(gè)城市i和j之間的距離為，如何選一條路徑使商人走遍所有城市后回至起點(diǎn)且所走路徑最短。當(dāng)=時(shí)稱為對稱TSP。旅行商問題是典型的非多項(xiàng)式時(shí)間可解難題(Nphard Problem)，許多領(lǐng)域的優(yōu)化問題都可歸結(jié)為旅行商問題。使 ()取得最小值即可。本章就是基于TSP模型尋找最優(yōu)調(diào)度算法，使路徑最短。揀選作業(yè)，是指堆垛機(jī)接到指令后，根據(jù)生成的任務(wù)單來執(zhí)行任務(wù)，對于任務(wù)單上的所有的貨位，堆垛機(jī)要全部走一遍，且每個(gè)貨位不重復(fù)遍歷。堆垛機(jī)從起點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)取貨路徑到需揀選作業(yè)的倉位執(zhí)行作業(yè)，完成任務(wù)后回終點(diǎn)。 自動(dòng)化立體倉庫簡介自動(dòng)化立體倉庫(AS/RS系統(tǒng))又稱高層貨架或立庫[9]，它是在電子計(jì)算機(jī)控制管理下，通過堆垛運(yùn)輸車進(jìn)行存儲(chǔ)保管，對貨物進(jìn)行分類、包裝、分揀、配送、存盤等功能操作的。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)化立體倉庫有多種分類方式[10]：按貨物存取形式，可以分為單元貨架式、移動(dòng)貨架式和揀選貨架式；按建筑形式[11]，可以分為整體式和分離式；按貨架構(gòu)造形式可分為單元貨位式、貫通式、水平循環(huán)式和垂直旋轉(zhuǎn)式倉庫；按作用，可以分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫。其組成如下：l 貨架。貨架一般有固定貨架和旋轉(zhuǎn)貨架兩種，其中旋轉(zhuǎn)貨架還配有升降臺(tái)。堆垛機(jī)又稱為搬運(yùn)車，其形式多種多樣。l 出庫臺(tái)和入庫臺(tái)。因此出、入庫站臺(tái)是臨時(shí)儲(chǔ)存物料，以便交接或轉(zhuǎn)載的裝置。主要包括傳送帶輸送機(jī)、機(jī)動(dòng)輥道和鏈傳動(dòng)輸送機(jī)。l 貨物自動(dòng)分揀系統(tǒng)。l 控制系統(tǒng)。管理計(jì)算機(jī)承擔(dān)著重要的倉儲(chǔ)管理、在線控制和離線控制等功能。管理系統(tǒng)可以分為單臺(tái)PLC控制、各單臺(tái)機(jī)械聯(lián)網(wǎng)控制、集中控制、分離式控制和分布式控制等。我國自70年代開始進(jìn)行立體倉庫的研究工作，80年代在全國建立了50多座立體倉庫。自動(dòng)化物流系統(tǒng)在90年代后進(jìn)入了迅猛發(fā)展的時(shí)期，并且伴隨著多家企業(yè)、科研院校以及高等院校的開發(fā)研究，自動(dòng)化立體倉庫也得到了很快的發(fā)展。但是由于當(dāng)時(shí)是以單機(jī)為主，因此水平還不高。山東大學(xué)的田國會(huì)教授提出的多起點(diǎn)最近點(diǎn)搜索算法[17]和結(jié)合Hopfield網(wǎng)絡(luò)[18]模型的遺傳算法應(yīng)用在自動(dòng)化立體倉庫的揀選路徑問題方面，優(yōu)化了揀選路徑。我國自動(dòng)化倉庫現(xiàn)在正處于不斷的發(fā)展和完善階段。提高了貨物的存取效率。 幾種常用的現(xiàn)代調(diào)度算法 調(diào)度策略調(diào)度策略是如何安排合理的出入庫任務(wù)的順序，來減少出入庫作業(yè)的時(shí)間，提高貨物的出入庫效率。l 先來先服務(wù)策略先來先服務(wù)FIFO(First In First Out)策略是物流作業(yè)中一種最基本的策略。在利用先來先服務(wù)策略的時(shí)候，堆垛機(jī)總是先執(zhí)行任務(wù)隊(duì)列里面最靠前的任務(wù)。l 短任務(wù)優(yōu)先調(diào)度策略短任務(wù)優(yōu)先調(diào)度策略就是對作業(yè)時(shí)間短的任務(wù)，優(yōu)先進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列，因此，堆垛機(jī)總是被任務(wù)隊(duì)列中的最短任務(wù)所占用。l 高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度策略最短空閑時(shí)間優(yōu)先策略就是一種比較常用的高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度策略。任務(wù)的空閑時(shí)間=任務(wù)相對截止時(shí)間－(出庫任務(wù)所需執(zhí)行時(shí)間估算出庫任務(wù)預(yù)計(jì)完成時(shí)刻的安全系數(shù))。靜態(tài)優(yōu)先權(quán)是指任務(wù)的優(yōu)先權(quán)是在任務(wù)進(jìn)入進(jìn)程后就被計(jì)算好的，并且該優(yōu)先權(quán)的值是固定的；動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)是指任務(wù)的優(yōu)先權(quán)不固定，可變化。l 高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度策略高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度策略[25]是把前面策略的動(dòng)態(tài)優(yōu)先權(quán)的計(jì)算拿到該策略中的每個(gè)作業(yè)中，并確保每個(gè)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)隨著等待時(shí)間的增加的時(shí)候并以速率a提高，這樣就能夠保證每個(gè)作業(yè)都會(huì)得到響應(yīng)。 幾種現(xiàn)代調(diào)度算法介紹本文主要研究三種常用的現(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。遺傳算法與傳統(tǒng)算法的不同之處在于它并不依賴于梯度信息，而是通過模擬自然界中的種群進(jìn)化的過程來搜索最優(yōu)解?！吧镞M(jìn)化”和“自然選擇”是兩個(gè)非常重要的概念，生物進(jìn)化是指具有共同祖先的物種的親緣關(guān)系彼此更接近；自然選擇的概念是達(dá)爾文進(jìn)化論的關(guān)鍵，“適者生存，不適者淘汰”。在進(jìn)化的過程中，有性生殖的重要作用是保證后代的基因混合與重組。Whitley通過一種新的重組算子，提高了求解TSP問題時(shí)應(yīng)用到遺傳算法的效率[30]。遺傳算法中常用的操作有：選擇，交叉，變異三個(gè)算子。一個(gè)完整的遺傳算法的步驟如下[32]：step1 針對討論模型進(jìn)行編碼，并確定長度為n的二進(jìn)制串，即染色體；step2 產(chǎn)生初始種群POP(1)，確定種群規(guī)模N，以及交叉概率和變異概率，~[26]；step3 選擇適應(yīng)度函數(shù)，并計(jì)算每個(gè)染色體的適應(yīng)值；