1、计算机辅助设计算机辅助设计与制造计与制造机 械 工 业 出 版 社计算机辅助设计与制造08自动化制造系统第8章第8章 自动化制造系统8.1 自动化制造系统概述8.1自动化制造系统概述8.1.1制造系统的概念、组成及分类1.制造系统的组成 概括地说,制造系统是一个由设备、工具、人等组成的,把原材料转换为成品的复杂动态系统。制造系统可大可小,根据其规模或涵盖的范围,它可以是单机、单元、车间和工厂等几个层次的制造系统。例如,数控机床或加工中心属于单机级的制造系统,而柔性制造系统和自动线属于车间级的制造系统。广义地讲,一个制造系统通常由以下几个部分组成。1)生产设备及其工艺装备。4)人力。3)管理与控
2、制系统。2)物料运储系统(物流系统)。8.1自动化制造系统概述2.制造系统的分类8.1自动化制造系统概述8.1.2自动化制造系统的类型及特点自动化制造系统是指在较少的人工直接或间接干预下,将原材料加工成零件或将零件组装成产品,在制造过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括设备的组织及协调,作业计划与调度,工件和刀具的分配与管理,制造系统环境和工况的监控等。工艺过程涉及范围很广,包括工件的装卸、储存和输送,刀具的装配、调整、输送和更换,工件的切削加工、排屑、清洗和测量,切屑的输送、切削液的净化处理以及零件装配成产品等。自动化制造系统包括刚性制造系统和柔性制造系统。“刚性”的含义是指该生产
3、线只能生产某种或生产工艺相近的某类产品,表现为生产产品的单一性。刚性制造系统包括组合机床、专用机床、刚性自动化生产线等。“柔性”是指生产组织形式和生产产品及工艺的多样性和可变性,具体表现为机床的柔性、产品的柔性、加工的柔性、批量的柔性等。柔性制造系统包括数控机床、加工中心、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、柔性制造线(FML)、柔性装配线(FAL)、计算机集成制造系统(CIMS)等。8.1自动化制造系统概述1.刚性半自动化单机不同的自动化制造系统具有不同的性能特点和不同的适用范围或场合,因此应根据需要选择不同的自动化制造系统。依据制造系统的自动化水平和规模,可以将自动化制造系统分
4、成以下主要类型。除上下料外,机床可以自动地完成单个工艺过程的加工循环,这样的机床称为刚性半自动化单机。这种机床一般是机械或电液复合控制式组合机床和专用机床,可以进行多面、多轴、多刀同时加工。其特点是:加工设备按工件的加工工艺顺序依次排列;切削刀具由人工安装、调整;实行定时强制换刀,如果出现刀具破损、折断,可进行应急换刀。例如,单台组合机床,通用多刀半自动车床,转塔车床等。从复杂程度讲,刚性半自动化单机实现的是加工自动化的最低层次,但是投资少、见效快,适用于产品品种变化范围和生产批量都较大的制造系统。缺点是调整工作量大,加工质量较差,工人的劳动强度也大。8.1自动化制造系统概述2.刚性自动化单机
5、它是在刚性半自动化单机的基础上增加自动上、下料等辅助装置而形成的自动化机床。辅助装置包括自动工件输送、上料,下料、自动夹具、升降装置和转位装置等;切屑处理一般由刮板器和螺旋传送装置完成。这种机床实现的也是单个工艺过程的全部加工循环。这种机床往往需要定做或改装,常用于品种变化很小,但生产批量特别大的场合。主要特点是投资少、见效快,但通用性差,是大量生产最常见的加工装备。8.1自动化制造系统概述3.刚性自动化生产线 刚性自动化生产线,简称刚性自动线,是在多工位生产过程中,用工件输送系统将各种自动化加工设备和辅助设备按一定的顺序连接起来,在控制系统的作用下完成单个零件加工的复杂大系统。它在汽车、拖拉
6、机、轴承等制造业中应用十分广泛。在刚性自动线上,被加工零件以一定的生产节拍,顺序通过各个工作位置,自动完成零件预定的全部加工过程和部分检测过程。因此,与刚性自动化机床(单机)相比,它的结构复杂,任务完成的工序多,所以生产效率也很高,是少品种、大量生产必不可少的加工装备。除此之外,刚性自动生产线还具有可以有效缩短生产周期,取消半成品的中间库存,缩短物料流程,减少生产面积,改善劳动条件,便于管理等优点。它的主要缺点是投资大,系统调整周期长,更换产品不方便。为了消除这些缺点,人们发展了组合机床自动线,可以大幅度缩短建线周期,更换产品后只需更换机床的某些部件即可(例如可更换主轴箱),大大缩短了系统的调
7、整时间,降低了生产成本,并能收到较好的使用效果和经济效果。组合机床自动线主要用于箱体类零件和其他类型非回转体的钻、扩、铰、镗、攻螺纹和铣削等工序的加工。刚性自动化生产线目前正在向刚柔结合的方向发展,开始大量采用数控机床和加工中心等柔性加工设备。8.1自动化制造系统概述4.自动化车间 自动化车间,有文献也称为刚性综合自动化系统。一般情况下,刚性自动线只能完成相同工种(如切削加工)的不同工序任务,而对于其他不同工种(如热处理、装配、检验、涂装等)的工序任务不能完成。自动化车间是指由若干条不同工种的刚性自动线组成的自动化系统,实现加工、热处理、装配、检验和试验等不同工种在相同生产节拍下的连续生产。在
8、各条自动线之间通常设置一定容量的自动储料器(缓存器),以避免局部环节停顿造成全部自动线的停工。它常用于产品单一、批量特别大、而工序内容多的零、部件的自动化制造。这类系统的典型例子是轴承自动化车间,其由车削自动线、热处理自动线、磨削自动线和装配自动线组成。自动化车间结构复杂、投资力度大、建设周期长、更换产品困难,但生产效率极高、加工质量稳定、工人劳动强度低。8.1自动化制造系统概述5.柔性自动化单机 它包括单台数控机床和单台加工中心两种形式。数控机床通过事先编好的数控程序,以数字量形式来自动控制机床的各种机械动作,完成零件的一个工序的自动化循环加工。它是单机自动化的一个重大进展。早期数控机床的控
9、制系统由电子管、半导体晶体管等电子元器件组成,插补运算、控制功能靠硬件实现,称为“硬件数控”,其存在逻辑电路不易改变、体积大、可靠性差等缺点。后来人们采用计算机代替硬件连接电路,实现了软件数控,即计算机数控,具有通用性好、硬件和软件功能强、工作可靠、维修方便等特点。计算机数控也使得机床的自适应控制成为可能,使数控机床能够始终处于最佳工作状态。数控机床常用于零件复杂程度较高、精度较高、品种多变、中小批量的生产场合。8.1自动化制造系统概述6.柔性制造单元 柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell,FMC)是一种小规模的柔性制造系统(Flexible Manufactu
10、ring System,FMS),是柔性制造系统向廉价化及小型化方向发展的一种产物。它由一台数控机床或加工中心所构成,一般配有专门的物料传送装置(如托盘交换器或工业机器人),由单元计算机进行程序编制和分配、负荷平衡和作业计划控制,能在机床上自动装卸工件,甚至自动检测工件,实现有限工序的连续生产。与柔性制造系统相比,柔性制造单元的主要优点是:占地面积小、建立比较简单、投资较小、可靠性较高、使用和维护均较简单。因此,柔性制造单元是柔性制造系统的主要发展方向之一,深受各类企业的欢迎,它适用于多品种、小批量生产。8.1自动化制造系统概述7.柔性制造系统 柔性制造系统(FMS)是一个在中央计算机系统控制
11、与管理下,由两台以上配有自动换刀及自动更换工件托盘的数控设备、输送刀具和工件的物料运储装置组成的制造系统。柔性制造系统通常由若干柔性制造单元子系统组成,其控制、管理功能也比柔性制造单元强,对数据管理与通信网络的要求更高。它具有进行生产负荷平衡调度和实时监控制造过程的功能,以及制造多种零件族的柔性自动化能力。柔性制造系统在设备级的工艺自动化基础上实现了物料流和信息流的自动化,兼有加工制造和部分生产管理两种功能,能综合地提高生产效益。柔性制造系统的工艺范围在不断扩大,包括机械加工、毛坯制造、装配和质量检测等。8.1自动化制造系统概述9.计算机集成制造系统计算机集成制造系统(Computer Int
12、ergrated Manufacturing System,CIMS)是在自动化技术、信息技术和制造技术的基础上,通过计算机及其软件系统,将制造企业全部生产活动(从订单接收、设计和制造到产品交付等所有环节)所需的各种分散的自动化系统有机集成起来,成为适合于多品种、中小批量生产的整体高效益、高柔性的自动化制造系统。它是目前最高级别、涵盖业务范围最广的自动化制造系统,但这并不意味着计算机集成制造系统是完全自动化的制造系统,许多环节工作仍需要大量的人工参与才能完成。事实上,目前计算机集成制造系统的自动化程度甚至比柔性制造系统还要低。计算机集成制造系统强调的主要是业务活动之间信息流的集成和自动化,而不
13、是制造过程中物流的自动化。第8章 自动化制造系统8.2 柔性制造系统8.2柔性制造系统 上节介绍的自动化制造系统中,前四类属于刚性自动化制造系统,以刚性自动化生产线和自动化车间为代表。它们强调了加工的自动化。20世纪3070年代是其发展的鼎盛时期,以后逐步融合柔性自动化技术。而后五类属于柔性自动化制造系统,它们在自动化的基础上强调了柔性和适应性。而后四类是在数控机床和加工中心为代表的柔性自动化单机基础上发展起来的,主要是为了适应市场上多品种中小批量产品的高效生产要求。20世纪80年代是它们发展的鼎盛时期。由于其要求高度自动化和柔性,系统建造投资大,制造效率不甚理想,从而逐渐向柔性和刚性相结合的
14、方向发展,向可重构制造系统(Reconfigurable Manufacturing System,RMS)方向发展。8.2柔性制造系统8.2.1柔性制造系统的基本概念、特点及适用范围1.柔性制造系统的定义 由于柔性制造系统还在不断发展之中,其作为一种新的制造技术的代表,不仅在零件加工而且在毛坯制造、产品装配和质量检测等领域里也得到了越来越广泛的应用,这就决定了柔性制造系统组成和机理的多样性。所以,目前对于柔性制造系统(FMS)的概念还没有统一的定义。表8-2给出了不同标准组织和协会对柔性制造系统的不同定义。8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统2.柔性制造系统的适应范围8.2柔性制造系统8.2
15、.2柔性制造系统的组成及工作原理1.柔性制造系统的组成8.2柔性制造系统2.柔性制造系统的工作原理8.2柔性制造系统8.2.3柔性制造系统的物流系统1.运输设备8.2柔性制造系统(3)工业机器人工业机器人的典型结构8.2柔性制造系统2)工业机器人的坐标形式。工业机器人运动由主构架和手腕完成,主构架一般具有3个自由度,在考虑干涉问题时,为了避开空间障碍可增加自由度数。工业机器人手臂的运动由两种基本运动组成,即手臂伸缩的直线移动和连接关节处的回转运动。对于三自由度工业机器人,根据不同的运动组合,形成四种类型的机器人。直角坐标型(3个直线坐标轴)。圆柱坐标型(2个直线坐标轴和1个回转轴)。球坐标型(
16、1个直线坐标轴和2个回转轴)。关节型(3个回转轴)。图8-7所示为四种类型的工业机器人运动及作业范围示意。8.2柔性制造系统四种类型的工业机器人运动及作业范围示意8.2柔性制造系统(4)托盘交换器1)回转式托盘交换器。两位回转式托盘交换器8.2柔性制造系统2)往复式托盘交换器。六位往复式托盘交换器8.2柔性制造系统2.存储设备(1)自动化立体仓库自动化立体仓库8.2柔性制造系统自动化立体仓库中的堆垛机8.2柔性制造系统(2)装卸工作站 柔性制造系统中的装卸站是工件进出系统的地方。在这里,装卸工作通常采用人工操作完成。柔性制造系统如果采用托盘装夹运送工件,则工件装卸站必须有可与输送小车等托盘运输
17、装置交换托盘的工位。工件装卸站的工位上安装有传感器,与柔性制造系统的管理与控制系统连接,指示工位上是否有托盘。工件装卸站设有工件装卸站终端,也与柔性制造系统的管理与控制系统连接,用于装卸工装卸结束的信息输入,以及要求装卸工装卸的指令输出。8.2柔性制造系统(3)缓冲站 在柔性制造系统的物流系统中,除了必须设置适当的立体仓库和装卸站外,还必须设置各种形式的缓冲存储区来保证系统的柔性,这种缓冲存储区称为缓冲站或缓存站(Buffer)。因为在生产线中会出现偶然的故障,如刀具折断或机床故障,为了不致阻塞工件向其他工位的输送,输送线路中可设置若干个侧回路或多个交叉点的并行物料库以暂时存放故障工位上的工件
18、。因此,在柔性制造系统中,建立适当的托盘缓冲站或托盘缓冲库是非常必要的。托盘缓冲站是托盘在系统中等待下一工序系统加工服务的地方。托盘缓冲站必须有可与输送小车等托盘运输装置进行托盘交换的工位,为了节省地方,可采用高架托盘缓冲区。在托盘缓冲站的每个工位上安装有传感器,可直接与柔性制造系统的管理与控制系统连接。3.物流系统的布局形式8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2.4柔性制造系统举例1.美国沃特宇航公司的机身零件加工柔性制造系统沃特宇航公司的用于飞机机身零件的柔性制造系统8.2柔性制造系统2.日本大隈铁工所的机床零部件加工柔性制造系统大隈铁工所的机床零部件加工柔性制造系统
19、8.2柔性制造系统3.德国斯图加特大学机床与控制技术研究所(ISW)的柔性制造系统德国斯图加特大学ISW开发的柔性制造系统8.2柔性制造系统8.2.5柔性制造系统的特征与传统的制造系统相比,柔性制造系统具有以下特征。1)机床与物流系统的自动化程度高得多,能实现长时间的无人自动连续生产,提高产品质量的一致性。2)柔性制造系统所采用的机床比传统加工系统少得多。柔性制造系统通过信息流与系统规划模块能合理组织加工单元,并采用自动化程度高的数控机床和加工中心,实现工序集中。3)柔性制造系统中机床布局取决于物流系统的布局形式。4)零件的装夹次数少得多,加工时间长得多。多采用模块化夹具,夹具种类少且基准统一
20、。在一次装夹中安排尽可能多的加工操作,这样减少了装夹、调整等辅助时间。5)系统中的信息总量和流量大。柔性制造系统增加了复杂的物流系统,增加了混流加工,需要处理的零件种类多,且它们的批量、交货期、工艺路线都不同。6)系统设计对运行性能影响大,关系到实施的成败。系统实施之前需要借助规划论、排队论等建模技术和计算机仿真技术对多种系统方案下的性能进行充分的论证和分析。第8章 自动化制造系统8.3 自动化制造系统的管理与控制8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.1自动化制造系统的递阶控制结构自动化制造系统是工厂的组成部分之一,其控制与管理须置于工厂的总体控制体系内。计算机集成制造系统(CIMS)是制造
21、工厂,特别是多品种、中小批量生产类型制造工厂实现自动化的主要形式。CIMS的控制体系是以五层递阶控制模式为基础建立起来的,如图8-16所示。8.3自动化制造系统的管理与控制CIMS的五层递阶控制结构8.3自动化制造系统的管理与控制典型柔性制造系统的递阶控制结构8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.2自动化制造系统的信息流模型及特征1.自动化制造系统的信息流模型自动化制造系统的信息网络模型8.3自动化制造系统的管理与控制1)计划层属于工厂级,包括产品设计、工艺设计、生产计划、库存管理等。其信息主要是企业经营战略和经营计划、产品开发等,调控的时间范围可以是几个月到几年。2)管理层属于车间级或系统
22、管理级,包括作业计划、工具管理、在制品及毛坯管理、工艺系统分析等。其信息主要是工作计划与管理,调控的时间范围从几周到几个月。3)单元层属于系统控制级,负担分布式数控、运输系统与加工系统的协调、工况和机床数据采集等。其信息主要是各子系统工作的协同,调控的时间范围可从几小时到几周。单元控制器在自动化制造系统管理与控制中起到承上启下的中枢作用,通常由主控或中央计算机完成。4)控制层属于工作站级,包括机床数控、工业机器人控制、运输和仓库控制等。其信息主要是各子系统和实行单元的执行指令,时间范围可从几分钟到几小时。5)执行层属于设备级,通过伺服系统执行控制指令而产生机械运动,或通过传感器采集数据和监控工
23、况等。其信息是各执行机构的实时控制指令和状态监测数据,时间范围可以从几毫秒到几分钟。8.3自动化制造系统的管理与控制(1)信息流的数据内容1)基础数据。2)控制数据。3)状态数据。2.自动化制造系统的信息流数据及特征要实现自动化制造系统的控制与管理,首先必须了解:在制造过程中有哪些数据需要采集;这些数据怎样产生、流向何处;这些数据之间如何进行处理、交换和利用。1)数据联系。2)决策联系。3)组织联系。8.3自动化制造系统的管理与控制2)时间属性特征。1)信息流的结构化特征。(2)信息流的特征管理和控制信息流程的功能参考模型8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.3作业计划与调度管理1.作业计划
24、编制与调度作业计划编制的基本原则是在系统中尽可能减少随行夹具的情况下提高机床负荷率,并缩短加工任务的通过时间。具有最高优先权的加工任务可以首先加工。在任务安排过程中要检查所需的数控程序,随行夹具和其他基本数据是否都已存在。如果操作员确认所缺的资源能及时获得补给,则此项加工任务可被系统接纳和调度。只要在系统中有空闲的加工能力和物料,那么作业调度过程就应反复运行。在实际投放加工任务时,要再次检查机床的可用度和物料的准备情况。2.刀具需求计划对于已经安排好的加工任务,要编制刀具需求计划,一般采用两种方式。1)计划需求。从数控程序的刀具清单中得到刀具的识别号和每次调用刀具的使用时间。在刀具基本数据库中
25、存放了所有系统中已知刀具的寿命值。由此通过数据的连接,得出了刀具的净需要量,并在屏幕上作出提示,操作者对添置刀具的可能性需作出及时的应答。计划需求一般在作业计划编好后立即进行。2)实际需求。在加工开始之前,考虑到机床刀具的剩余寿命应对需求重新进行核算。刀具的净需求量清单和已在机床刀库中的刀具清单是以刀具装卸清单形式输出的。实际需求计划一般在加工任务开始之前进行。8.3自动化制造系统的管理与控制3.刀具预调在管理计算机上可以连接一台刀具预调仪。从基本数据文件中得到的要调整刀具的理论值输到刀具预调仪,由刀具预调仪测得刀具实际值或者修正值在线传递给管理计算机。在调换刀具时,每一个刀具修正值可由机床控
26、制系统调用。8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.4工件流的管理与控制8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.5刀具流的管理与控制刀具流控制是在中央刀库和机床刀库之间实现有序的刀具交换。在工件到达之前,机床程序将检查刀具情况,明确所需要的加工刀具是否已在机床刀库中,或不在机床刀库而在中央刀库中。对于不在机床刀库而在中央刀库的刀具,则需要机床刀库与中央刀库进行刀具交换,换出机床刀具中本次加工不需要的刀具。由于柔性制造系统加工的工件种类繁多,加工工艺以及加工工序的集成度很高,系统运动时需要的刀具种类和数量是很多的,而且这些刀具频繁地在系统中各机床之间、机床到刀库之间进行交换。另外刀具磨损、破损换
27、新造成的强制性或适应性换刀,使得刀具流的管理和刀具监控变得异常复杂。一个典型的、具有自动刀具供给系统的刀具管理系统的设备构成如图8-21所示。它由刀具准备车间(室)、刀具供给系统和刀具输送装置三部分组成。刀具准备车间包括刀具附件库、条形码打印机、刀具预调仪、刀具装卸站及刀具刃磨设备等;刀具供给系统包括条形码阅读器、刀具进出站和中央刀库等;刀具输送装置包括装卸刀具的机械手、传送链和运输小车。8.3自动化制造系统的管理与控制刀具管理系统除了刀具管理服务之外,还要作为信息源,向实时过程控制系统、生产调度系统、库存管理系统、物料采购和订货系统、刀具装配站、刀具维修站和校准站等部门提供服务。刀具管理系统
28、的设备构成8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.6自动化立体仓库的管理与控制自动化立体仓库系统功能框图8.3自动化制造系统的管理与控制8.3.7加工过程监控8.3自动化制造系统的管理与控制1.刀具监控刀具监控系统的目标是在废品可能产生前检测出刀具的破损和有缺陷的刀具,以免造成机床、工件、夹具的损坏。为此,刀具监控系统必须考虑到柔性制造技术的特殊要求。一个通用的能用于不同机床运行的监控系统是没有的,然而必须提供某些在功能上相互补充的监控系统以满足应用的需求。此外,刀具寿命监视通过CNC系统来得到刀具工作时间(可通过传感器直接或间接地检测刀具状态而得到)。在加工过程中采用监视主轴驱动器的有效功率
29、、加工中的切削力或者采用一些结构振动分析的方法来监视系统的工作过程。随着力测量传感器和超声传感器的应用,不仅可用于测量极限值,而且还可测量破损特征力曲线,这样便有了更可靠和更全面的破损监控功能。2.工件监控工件监控系统包括工件的识别,具有零偏置的工件位置的确定以及加工过程中工件质量的检查。同期望的几何形状间的偏差可通过机床工作区域、接近系统的测量区域或测量机的测量装置来确定。测量探针一般适用于识别工件、探测未加工零件的位置及用来核查下一步加工操作的可能,例如核对一个孔是否适用于接下来进行的螺纹加工操作。在将来,测量机将作为独立的测量单元和完全集成的测量组件而得到广泛应用。为了能够快速和正确地测
30、量,测量机必须要连接到制造系统中,以便能及时交换信息。8.3自动化制造系统的管理与控制3.故障诊断自动化制造系统中完整的加工过程监控包含有故障诊断功能,即对加工中心功能和所有系统部件进行持续监控。在这种情形中,这些智能过程的功能在系统控制单元的过程控制级进行监控,所有发生的故障均被记录入一个诊断文件中,并对此进行评估后在控制面板上报警显示。专家诊断系统将为操作人员提供不断增加的支持,对故障进行模拟研究,实现快速故障诊断,从而找到快速确定和消除故障的可能方法。第8章 自动化制造系统8.4 自动化制造系统的建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真8.4.1自动化制造系统建模与仿真的基本概念1.自动
31、化制造系统建模与仿真的特点分析自动化制造系统通常由多个工位和多台设备构成,通过各工位的一系列加工和操作活动,将输入的实体,如原材料、零件、部件或组件等,转变为成品。与其他类型的系统相比,自动化制造系统的建模与仿真具有以下特点。各工位的加工和操作时间为定值或服从一定分布。输入实体的到达时间和频率为确定值或服从一定分布。实体(如零件)加工和操作的工序路径相对固定。但是,由于冗余、并行设备的存在,实体在系统中流动的路径往往具有一定柔性。这也是采用仿真技术的一个重要原因。加工和操作的对象可能为成批的实体,也可能是单个实体。8.4自动化制造系统建模与仿真 各工位和设备的可靠性、故障停机时间以及班次安排等
32、对自动化制造系统性能会产生重要影响。物料搬运设备的布局及性能参数对自动化制造系统有很大影响。对高度机械化和自动化的制造系统而言,系统中的操作人员通常不是重点考虑因素,但是调度和控制规划对系统性能有显著影响。建模与仿真技术主要关注自动化制造系统的稳态行为和特征,即统计意义上的系统特征。8.4自动化制造系统建模与仿真建模与仿真常用来评价系统设计方案、优化设计参数以及制定系统调度策略等,成为自动化制造系统性能持续改进的决策支持工具。其作用和效果主要体现在:1)为新自动化制造系统或生产线的规划、设计提供技术支持,帮助工程师改进自动化制造系统的物理布局,优化物流系统,从而减少自动化制造系统的占地面积、提
33、高自动化制造系统的运行效率。2)用于评价员工的工作效率、加工设备的运营状况,提出合理的生产规则、决策及算法,以改进生产调度、库存管理和物流系统的效率。3)为仓库、配送中心等物流设施的优化提供技术支持,用来控制和减少在制品数量,降低库存水平,减少库存成本,以实现准时制生产(JIT)或面向订单生产(Make To Order,MTO)。4)仿真技术还能用来发现自动化制造系统的瓶颈工位,寻找影响自动化制造系统性能提升的约束条件,并通过去除瓶颈或消除约束来改善和提高自动化制造系统的性能。8.4自动化制造系统建模与仿真2.自动化制造系统建模与仿真的对象及建模元素8.4自动化制造系统建模与仿真8.4自动化
34、制造系统建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真3.自动化制造系统建模与仿真的主要内容根据仿真功能,可以将仿真技术在自动化制造系统中的应用归结为“设计决策”和“运行决策”两种类型。“设计决策”关注自动化制造系统结构、参数和配置的分析、规划、设计与优化。它可以为下列问题的决策提供技术支持。1)在生产任务一定时,自动化制造系统所需机床、设备、工具以及操作人员的类型和数量。2)在配置给定的前提下,自动化制造系统的生产能力、生产效率和生产效益。3)加工设备或物流系统的类型、结构和参数优化。4)缓冲区(Buffer)及仓库容量的确定。5)企业及车间的最佳布局。8.4自动化制造系统建模与仿真6)生产线(装
35、配线)的平衡分析及优化。7)企业或车间的瓶颈工位分析与改进。8)设备故障统计及维修对系统性能的影响。9)优化产品销售体系,如配送中心选址、数量与规模等,降低销售成本“设计决策”要解决的是自动化制造系统的大问题,需要建立的仿真模型较粗略,很多时候往往借助于数学模型来求解,因此建模快但不准确。“运行决策”关注自动化制造系统运营过程中的生产计划、调度与控制。它可以为以下问题的决策提供技术支持。1)给定生产任务时,制订作业计划、安排作业班次。2)制订采购计划,使采购成本最低。3)优化车间生产控制及调度策略。4)企业制造资源的调度,以提高资源利用率和实现效益最大化。5)设备预防性维修周期的制订与优化。8
36、.4自动化制造系统建模与仿真8.4.2自动化制造系统建模与仿真的基本步骤 自动化制造系统属于离散事件系统。离散事件系统是指只有当在某个离散时间点上有事件发生时,系统状态才会发生改变的系统。也就是说,系统的状态仅与离散的时间点有关,当离散的时间点上有事件发生时,系统状态才发生变化。例如,对于单台机床的加工系统,机床的状态(繁忙、空闲、停机等)只有在零件到达、零件完成、机床故障等事件发生时才会改变。当采用数学模型研究这类离散事件系统的性能时,模型求解大致可有两类方法,即解析法(Analytical Method)和数值法(Numerical Method)。解析法采用数学演绎推理的方法求解模型。例
37、如,采用ABC法8.4自动化制造系统建模与仿真系统试验与模型求解方法之间的关系8.4自动化制造系统建模与仿真系统建模与仿真应用的基本步骤8.4自动化制造系统建模与仿真1)问题描述和需求分析。2)设定研究目标和计划。3)建立系统的数学模型。4)建立仿真模型。5)模型的校核、验证及确认。6)仿真试验方案设计。7)进行仿真试验。8)仿真数据处理及结果分析。9)优化和决策。8.4自动化制造系统建模与仿真8.4.3自动化制造系统的仿真软件介绍1.仿真软件的发展仿真软件已经经历了以下三个阶段的发展。第一代仿真软件,属于语言建模,有以下特点:其模型是一个较为概要的模型;模型的柔性非常大;需要编程知识。代表软
38、件有SLAM、GPSS、SIMULA等。第二代仿真软件,属于参数建模,有以下特点:是一个比较简化的模型;只能对预先定义了的模型对象进行一些简单的控制;用户控制需要用编程实现。代表软件有Arena、Witness等。第三代仿真软件,属于面向对象建模,有以下特点:是一个非常贴近现实的对象模型;软件预先定义了基础对象;通过继承和拷贝基础对象,得到用户定义对象;通过改变属性和灵活的程序控制来完成用户的具体建模;拥有图形化的、面向对象的用户接口。代表软件有:eM-Plant、QUEST。8.4自动化制造系统建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真1.系统的组成与仿真目标某柔性制造系统车间的组成与布局如图
39、8-30所示,有四个加工单元(Cell),加工单元1、2、4分别只有一台机床,加工单元3有一新一旧两台机床(新机床的加工时间为旧机床的80%,即对于同样的加工对象,新机床所需加工时间更短些)。该柔性制造系统加工三种零件(1,2,3),它们的工艺路线各不相同,加工时间(单位为min)服从三角分布,具体数据(加工单元3的加工时间为旧机床的时间)见表8-6。例如,零件1的工艺路线有4个工序:首先在加工单元1的机床上按照三角分布TRIA(6,8,10)进行加工,之后在加工单元2的机床上按照三角分布TRIA(5,8,10)加工,接下来在加工单元3的机床上按照三角分布TRIA(15,20,25)加工,最后
40、在加工单元4的机床上按照三角分布TRIA(8,12,16)进行加工。8.4自动化制造系统建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真2.系统仿真模型的构建用Arena建立该系统的仿真模型。首先利用Arena软件提供的基本构件即模块(Module)定义系统的仿真数据和流程。此外使用CAD图形或其他图形加入仿真动画元素的图像。Arena提供的各种模块存放在项目栏的各种面板里,基本上可以分为两大类:流程图模块(Flowchart Module)和数据模块(Data Module)。流程图模块在仿真模型中用于描述系统的动态过程,可以把流程图模块看成是实体(本例中是零件)流经的节点或者模型起止的过程。Are
41、na提供的流程图模块主要有创建(Create)、清除(Dispose)、处理(Process)、决策(Decide)、赋值(Assign)、记录(Record)、路径(Route)、站(Station)等,采用不同颜色的长方块来表示。数据模块定义各种元素(如实体、资源、队列等)的属性,同样也可以创建整个仿真模型所用的各种变量和表达式。Arena提供的数据模块主要有实体(Entity)、队列(Queue)、资源(Resource)、变量(Variable)、表达式(Expression)、调度(Schedule)、集合(Set)、序列(Sequence)、搬运车(Transporter)、传送带
42、(Conveyor)、距离(Distance)等,在面板里表现为像小电子表格形状的图标。实体不会流经数据模块,同时数据模块也不能拖进模型窗口中,实际上数据模块是隐藏在“场景”系统逻辑的背后,用于定义不同的数值、表达式和条件,即定义仿真模型的数据结构。8.4自动化制造系统建模与仿真对于本例的小型柔性制造系统,其仿真模型的构建主要包括以下内容。(1)采用数据模块定义系统的数据结构1)采用序列(Sequence)模块,定义表8-6中三种零件的工艺路线,零件在不同工序上的加工时间在其中的工步(Step)中赋值。2)为了采用不同于序列模块定义加工时间的方法,可采用表达式(Expression)模块定义加
43、工单元1处的三种零件的不同加工时间。3)采用变量(Variable)模块,定义加工单元3处不同机床的加工时间比例因子。4)采用搬运车(Transporter)模块定义系统中所需的搬运车,包括搬运车的名称、数量(本例为2)、速度(50ft/min)、距离集、初始位置等信息。其中距离集表示搬运车在不同起止站之间的各种距离,采用Distance模块定义,具体数据见表8-7。值得注意的是,要定义所有的运货路径(11种)与空车前往装货地点的所有可能路径(14种),总共25种。5)采用集合(Set)模块定义各个对象:用资源(Resource)集合定义加工单元3处的两台机床,即Cell 3 New和Cell
44、 3 Old;实体类型(Entity Type)集合命名为Entity Types,包括Part 1,Part 2和Part 3三个集合成员,表示该系统中的三种零件类型;实体图形(Entity Picture)集合命名为Part Pictures,包括Picture.Part1,Picture.Part 2,Picture.Part 3,用来表示仿真动画时用不同的图形显示三种零件。8.4自动化制造系统建模与仿真(2)采用流程图模块定义系统的运行逻辑本例中运行逻辑涉及的流程图模块为创建、处理、清除、站、路径、赋值。图8-31所示为该系统仿真模型的逻辑结构,其主要建模过程如下:小型柔性制造系统仿真
45、模型的逻辑结构8.4自动化制造系统建模与仿真1)由于三种不同零件按统一模式(服从指数分布)混合一起到达,故只用一个创建(Create)模块建立零件到达系统的动作,其模块名称为“Create Parts”,并通过赋值(Assign)模块设置零件属性名(用Part Index区分零件种类)、零件比率值(用表达式DISC(0.26,1,0.74,2,1.0,3)确定三种零件的混合比26%、48%、26%,以及三种零件的不同的工艺路线数据。注意工艺路线信息已在数据模块定义,这里只需赋值引用即可。2)采用四个处理模块分别建立四个加工单元的加工逻辑,包括名称、动作、资源、加工时间分布及参数等信息。这四个模
46、块的名称分别为Cell 1 Process、Cell 2 Process、Cell 3 Process、Cell 4 Process(图8-31)。由于加工单元3有两台不同的设备,因此该单元资源设置不同于其他3个加工单元,且资源的处理时间(Delay)的表达式不同。3)用清除(Dispose)模块建立零件加工完毕后离开系统的逻辑,其模块名称为“Dispose of Part”,不用设置其他参数。8.4自动化制造系统建模与仿真4)用工位或站(Station)模块描述系统中各种加工发生以及零件停留的地点(特定区域/场所)。在本例中,零件到达、加工、离开的地点均可看作站,共有6个站。站间的运送是将零
47、件从一个站送到下一个站,运送方式有多种,包括连接(Connect)、路径(Route)、搬运车(Transporter)和传送带(Conveyor)等方式。本例中采用的是搬运车(Transporter)运送方式。5)用Leave 模块和Enter模块建立零件在不同站之间的运送逻辑,在零件离开某站之时用Leave 模块请求搬运车,而在零件进入某站之时用Enter 模块释放搬运车。8.4自动化制造系统建模与仿真(3)采用图形和符号定义仿真模型的动画部分为了增强仿真效果,还需要对模型中的背景及布局、实体、站、队列、资源、运送工具、运送路径等进行图形化和符号化,建立模型的动画部分,它是仿真模型的一个重
48、要组成部分。图8-32所示为该系统仿真模型的动画部分,其主要建模过程及内容如下:1)将AutoCAD的图形文件(DXF格式)引入动画背景,作为系统的车间布局图。2)将各模块的动画部分(站、队列、资源)移至适当的位置,其中队列长度可以改变以适应排队零件数目的多少。3)通过绘图工具定义三种零件的图形,并把所绘制的图形与数据模块中已定义的集合中的零件类型名称(Part 1,Part 2,Part 3)和实体图形名称对应起来,以便仿真运行时直观形象地显示不同零件在系统中的流转状况。本例中采用带颜色并标有数字的圆圈表示不同的零件。4)通过绘图工具定义每个处理模块中所用资源(即加工单元中的机床)的图形。5)类似于实体和资源,也可以定义搬运车的图形。8.4自动化制造系统建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真8.4自动化制造系统建模与仿真第8章 自动化制造系统谢谢
