基于固高fms的控制系统设计_硕士学位论文(编辑修改稿)

基于固高fms的控制系统设计_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

............. 57 6 总结与展望 ............................................................................................. 59 总结 ............................................................................................................................ 59 展望 ............................................................................................................................ 59 致 谢 ..................................................................................................... 61 参考文献 ..................................................................................................... 63 硕士论文 基于固高 FMS 的控制系统设计 1 1 绪论 柔性制造系 统 概述 柔性制造系 统 （ Flexible Manufacturing System， 简称 FMS），由物料自 动储运系统和 计 算机信息控制系 统组 合成的整体。 它能 够适应 加工 对 象不 断变换 的机械制 造自 动 化系 统 ，因 为 它 由统 一的一 组数 字控制加 工设备、 信息控制系 统 和物料 储运系统组 成 [1]。 柔性制造系 统 具有部分生 产 管理和加工制造的功能，能 够进 行机械加工、 装配 和 质量检验 、毛坯制造等，可以有效地提高企 业 的生 产 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 应 用于 冲压 和焊接，而 现 在的 FMS 已 经 成 为 了在批量切削加工中以先 进 的自 动 化和高水平的柔性 为 目 标 的制造系 统。 柔性制造系 统 能 够高效 、高 质 量地 进 行多种零件的加工，一般可以 从 以下三 个 方面对 它 进 行描述 [1]：  是一个计算机控制的生产系统；  系 统采 用半 独 立的 NC(Numerical Control)机床；  这 些机床通 过 物料 输 送系 统联 成一体。 柔性制造是在 计 算机支持下，能 适应 加工 对 象 变 化的制造系 统。 柔性制造系 统有 以下三 种类 型 [2]：  柔性制造 单 元 柔性制造 单 元（ Flexible Manufacture Cell， 简称 FMC）是由一台或 数台数 控机床构成的加工中心构成的加工 单 元。 该单 元可以通 过 自 动换 刀具 来 加工不同的 产 品。 柔性制造 单 元的 设备 具有 较 大的柔性，不 过 加工和人 员 柔性低。 可以很好地加工形 状 复 杂 但工序 简单 ，小批量，工 时较长 的零件。  柔性制造系 统 柔性制造系 统 是以加工中心或 数 控机床 为 基 础 ，另外配 备 合适的 传 送物料 装 置 而组成的生 产 系 统。 柔性制造系 统适 合加工工序多，形 状 复 杂， 大批量的零件。 其加工和物料 传 送柔性大，但人 员 柔性 较 低。 该 系 统 能在不停机的 状况 下，通 过计 算机自 动 地控制不同品种 产 品的加工。  柔性自 动 生 产线 柔性自 动 生 产线是联 接多 台专用 机床，再配 备 合适的自 动运 送 装 置 而组 成的自 动 生产线。 它可以加工 较 大批 量规 格不同的零件。 柔性自 动 生 产线 在柔性程度高的 时 候可以接近于批量小、品种多生 产 用的柔性制造系 统 ，柔性程度低的 时 候，它在性能上接近大批量生 产 用的自 动 生 产线。 1 绪论 硕士论文 2 柔性 制造系统 国内 外 发 展 现状 自 1954 年第 一台数 字控制 铣 床在美 国麻 省理工 学 院 诞 生以 来 ，机械加工行 业从单台数 控机床的 应用逐渐发 展 为 具有加工中心、柔性制造 单 元的柔性制造系 统 和 计 算机集成的制造系 统 ， 实践表 明自 动 化系 统 得到了迅速 发 展 [3]。 1967 年，英 国莫 林斯公司首次根据威廉森提出的 FMS 基本概念，研制了 “ 系 统24”。 其主要 设备 是六台模 块 化 结 构的多任 务 序 数 控机床，目的是在 无 人看管的 条 件下，实现昼 夜 24 小 时连续 加工，但最 终 由于 经济 和技 术 上的困 难 而未全部建成。 同年，美国 的怀特 森斯特 兰 公司建成 Omniline I系 统 ， 它由八台加工中心和 两 台多 轴 钻 床 组 成，工件被 装 在托 盘 上的 夹 具中，按固定 顺 序以一定 节 拍在各机床 间传 送和 进 行加工。 这 种柔性 自 动 化 设备 适于在少品种、大批量的生 产 中使用，在形式上与 传统 的 自 动 生 产线 相似，所以也叫柔性自 动线。 日本，前 苏联 和德 国 等也都在 60 年代末至 70 年代初，先后开 展了 FMS 的研制工作。 1976 年，日 本发 那科公司展出了由加工中心和 工业 机器人 组 成的 柔性 制造 单 元 ， 为发 展 FMS 提供了重要的依据。 柔性制造 单 元一般由 1～ 2 台数 控机床与物料 传 送 装 置 组成，有 独 立的工件 储 存站和 单 元控制系 统 ，能在机床上自 动装 卸工件，甚至自 动检测 工件，可 实现 有限工序的 连续 生 产 ，适于多品种小批量生 产应 用。 70 年代末期 ， FMS 在技 术 上和 数 量上都有 较 大 发 展， 80 年代初期的 FMS 进 入 实 用阶 段，其中由 3～ 5 台 设备组 成的 FMS 最多，但也有 规 模更 庞 大的系 统 投入使用。 1982年，日 本发 那科公司建成自 动 化 电 机加工 车间 ，由 60 个 柔性制造 单 元 （ 包括 50 个工业机器人）和一 个立 体 仓库组 成，另 有两 台自 动引导 台 车传 送毛坯和工件，此外 还 有一 个无 人化 电 机 装配车间 ，它 们 都能 连续 24 小 时运转。 这 种自 动 化和 无 人化 车间 ，是向 实现计 算机集成的自 动 化工厂 迈 出的重要一步。 与此同 时，还 出 现了 若干 仅 具有 FMS 基本特征，但自 动 化程度不很完善的 经济 型 FMS，使 FMS 的 设计 思想和技 术 成就得到普及 应 用。 FMS 系 统 在我 国的发 展比 较 晚，据 统计 ，我 国 在 1984 年 开始 研制 FMS，比 国 外晚了整整 17 年。 国 家机 电 部“七五”重 点 科 技项目 的支持和 国 家 863 高技 术发 展 计 划在自 动 化 领 域 的发 展使得 FMS 得到极大的重 视和发 展。 从 此我 国对 于 FMS 的 研究， 进 入了自 主 开发 与少部分 进 口 相结合 的 阶 段。 1988 年 北京机床研究所完全自行 开发 的 为 天津减 速机厂配套提供的加工 减 速机座 JCSFMS2FMS FMS，也是我 国从 此 开始 具有自 主开发 FMS 系 统 的 实 力的象征。 因此 21 世 纪 初在我 国 FMS 开始 全面流行 [4]。 今天，真正成 规 模的 FMS 并不多，但 FMS 的构想已 经 得到了大家的肯定。 因 为 在保 证质 量的前提下 ， 原 来 一些采用大批量自 动 化生 产线 的金 属 制品企 业 已 经开始 提高了硕士论文 基于固高 FMS 的控制系统设计 3 利 润和 生 产 率， 这 也是 FMS 的优 点。 FMS 兼 顾 了生 产 率和 灵 活性，因此它具有生命力，从 而得到了 广泛 的使用。 柔性制造系统 的基本 组 成 就机械制造 业 的柔性制造系 统 而言，其基 本组 成部分有： 软 件系 统 ： 软 件系 统 是必不可少 的组 成部分，它可以保 证计 算机有效地控制柔性制造系 统。 主要包括系 统规 划、系 统监督 、 设计 和生 产 控制等部分。 信息系 统 ：信息系 统 是指通 过电 子 计 算机或其它控制 装 置如液 压 、 气压装 置等，收集、 处 理、 反馈 加工和 运输过 程中所需各种信息， 实现 分 级 控制 运输设备 或机床的系 统。 物流系 统 ：物流系 统 是柔性制造系 统 的主要 组 成部分，它由多种 运输装 置如 传 送 带 、轨 道 转盘 以及机械手等构成，可以 实现对 工件、刀具等的供 给 与 传 送。 自 动 加工系 统 ：自 动 加工系 统 是把材料相同，重量、外形、 工艺 、尺寸大致相似的零件集中在一起，利用成 组 技 术 （ GTGroup Technology， 揭示和利用事物 间 的相似性，按照一定的准 则分类 成 组，同组 事物能 够 采用同一方法 进 行 处 理，以便提高效益的技术 ），用一台或 数台数 控机床或 专用 机床等 进 行 设备 加工的系 统 [5]。 FMS 是一类复杂的实时系统，也是一个多层次、多结构的集成化复杂系统。 因此，研究 FMS 的系统结构也是企业研究的一个重点。 柔性制造系统的信息网络模型可以分为五层 [1]：  计划层：包括产品设计、工艺设计、库存管理和生产计划等，属于工厂 一级；  管理层：包括作业计划、在制品及毛坯管理、工具管理和工艺系统分析等，这 是属于车间和系统的管理级；  单元层：包括分布式数控、运输系统和加工系统的协调，数据采集和工况等， 这是系统控制级；  设备控制层：指设备的控制级，主要包括各机器人控制、机床数控、仓储控制 和运输等；  动作执行层：通过伺服系统的控制命令来控制机械运动，或者是通过传感器采 集到的信号来控制数据等。 FMS 中有基本数据、控制数据和状态数据这三种不同类型的数据。 在系统运行的过程中，这些数据相互联系，包括数据联系、决策联系和组织联系等。 因此， FMS 是在计算机的管理下，通过这三种联系，将制造过程的信息流构成一个有 反馈 的回路，最终实现自动控制的过程。 本文研究 内 容及 组织结 构 先 进 的 FMS 系 统 可以加 速资 金周 转 ，自 动 化管理物流，降 低劳动强 度。 因此，它1 绪论 硕士论文 4 的发 展已 经 成 为 了一 个 企 业现 代化的重 要标 志。 一 个 好的 FMS 控制系 统 需要 综 合多种先 进 的 计 算机技 术 ，包括 专 家系 统 、智 能传 感器技 术 、模糊控制技 术 、神 经 网 络 技 术 等，才能更好的 发挥 FMS 的 优势。 为 了解 决 传统实验设备无法满足社会对毕业生的要求这一问题，南京理工大学自动化学院购买了一套固高公司的 FMS 系统用于教学研 究。 本文主要基于原 设备 硬件系 统 ， 对 部分控制模 块和 系 统管 理 软 件 进 行研究和改 进设计 ，具体包括堆垛机控制系 统、 立体 仓库调 度算法、作 业 管理系 统等。 最后 将设计成 果 应 用于系 统 ，完成了 FMS 的综 合 调试。 本文共分 为 六章， 结 构安排如下： 第一章 绪论。 对 柔性制造系 统 的基本概念、 发 展 现状 和研究意 义进 行了全面 综 述，介 绍 了本文的研究 内 容 和组织结 构。 第二章 固高 FMS 介 绍 及系 统改进 方向。 详细 介 绍 了固高 FMS 的整体结构和各功能组件的技术参数；描述了系统的所有功能；针对原系统存在的不足，提出了系统改进的方向。 第三章 立体 仓库调 度算 法的研究。 对 常用的 调 度策略和三 种现 代优化 调 度算法：遗传 算法、 蚁 群算法和模 拟 退火算法 进 行了重 点 介 绍。 基于 TSP（ Traveling Salesman Problem） 模型，利用 MATLAB 软 件 实现了 上述三种 调 度算法仿真。 分析仿真 结 果，得到了适于本系 统 的最优 调 度算法。 第四章 FMS 主要功能模块的设计。 设计添加了复合作业功能，并应用蚁群算法得到拣选作业的任务单。 针对原系统对数据处理过于简单的问题，设计了 ACCESS 数据库，增加了查询打印报表功能。 改进了堆垛机控制系统，实现了对堆垛机的快速定位和更好的速度控制。 第五章 FMS 的综 合 运 行。 将设计 的控制模 块 、系 统管 理 软 件模 块 、 调 度算法模 块应 用于固高 FMS，并 进 行系 统。