基于柔性制造系统的理论及其应用的研究
基于柔性制造系统的理论及其应用的研究
艾文广
（哈尔滨商业大学 轻工学院工业工程系 哈尔滨150028）
摘要：对系统制造系统的原理及其应用进行研究，结合柔性制造系统的三大子系统（加工系统、物流系统、信息系统）的特点以及Petri网模型；对FMS进行系统分析和评价，综合考虑FMS中的潜在因素。
关键词：Petri网；系统分析；系统评价；潜在因素
Abstract: Principles and Applications of system manufacturing system, the combination of three major subsystems of the flexible manufacturing system (processing systems, logistics systems, information systems) the characteristics of the Petri net model; system analysis and evaluation of FMS, consideringfactors FMS potential.
Keywords: Petri nets; systems analysis; systematic reviews; potential factors
引言：
FMS最初是在20世纪60年代由英国Molins公司的雇员Theo williamson 提出来的。1965年Molins公司取得了该项发明的专利。当时，称此方案为“系统24”，是指系统可在无人的情况下工作24小时【1】。由于FMS兼顾了生产率和灵活性，所以具有生命力，经过几个阶段的发展，FMS在美国和其他包括东欧在内的工业化国家得到了广泛的应用。迄今为止，真正形成规模FMS并不多。但FMS的构想和思路得到了充分的承认，特别是对一些原来采用大批量自动化生产进行生产的离散型金属制品企业来说，如果想在保证质量的前提下提高利润和生产率。FMS是一种很好的选择。
正文：
柔性制造系统的一般组成
1.1 加工系统
1.1.1 加工系统的功能
加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件。并能自动的更换工件和刀具，一般由若干台对指定工件进行相对应加工方式的计算机数控加工机床（CNC）和所使用的刀具构成【2】。
1.1.2 FMS中的决定性因素
FMS中的的决定性因素一般包括：
（1）加工设备 决定FMS的加工能力。
（2）待加工工件族 决定FMS里的加工中心所需要的功率、加工尺寸范围 和精度。
1.2 物流系统
1.2.1 物流系统的功能
物流系统的功能通常为对原材料、半成品以及成员进行输送和储存，合理的物 流储运系统可以大大减少物流的运送时间，提高整个系统的柔性和效率【3】。
1.2.2 物流系统的组成
物流系统的组成部分有：
输送系统 建立各加工系统设备之间的自动化联系。
储存系统 具有自动存取功能、可以调节加工节拍的差异。
操作系统 建立加工系统同物流系统和储存系统之间的自动化联 系 。
1.3 信息系统
1.3.1 信息系统的任务
信息系统的任务是组织和指挥制造流程，并对制造流程进行控制和监视；向FMS的加工系统、物流系统（储存系统、输送系统及操作系统）提供全部控制信息，保证安全运行。
1.3.2 信息系统的功能
信息系统的功能包括：（1）过程控制系统进行加工系统及物流系统的制动控制。
过程监控系统进行在线状态数据自动采集和自动 处理【4】。
1.3.3 信息系统的核心
信息系统的核心是一个分布式数据库管理系统和控制系统，整个系统采用分级控制结构，即FMS中的信息由多级计算机进行处理和控制【5】。
柔性制造系统的工作原理
2.1 柔性系统的模型和和原理框图
2.1.1 柔性制造系统的加工流程
柔性制造系统的加工流程：机床的加工程序识别装置根据送来的工件及加工程序编码，选择加工所需的加工程序、并进行检验【6】。全部加工完毕后，由装卸及运输系统送入成品库，同时把加工质量、数量信息送到监视和记录装置，随行夹具被送到夹具库。
2.1.2 柔性制造系统改变加工产品的方式
当需要改变加工产品时，只要改变传输给信息系统的生产计划信息、技术信息和加工程序，整个系统即能迅速、自动地按照新要求来完成新产品的加工【7】。
FMS的生产计划调度与控制系统的框架
柔性系统的生产计划调度与控制理论在柔性制造系统（FMS）的运行管理中起着核心作用【8】。
3.1.1 从时间方面来看
单元控制器的计划展望期（或称规划时间范围）从旬（周）到数小时或分钟，在这段时间内，FMS生产计划调度和控制系统不断对制造资源所面临的多种选择做出判断、决断、决策【3】。
FMS计划调度与控制各阶段的决策点是相互影响的，即一个决策点的求解方案将影响与它相关的其它决策点的求解。因此，明确FMS计划展望期内的决策点，是研究FMS生长调度问题的先决条件。
3.1.2 从空间层次结构看
FMS计划调度和控制分四个层次，即FMS作业计划（或称FMS生产作业计划）、FMS静态调度、FMS系统资源管理，其结构见下图：
3.1.3 FMS运行管理者的优化目标
常见目标：（1）一定时间周期内系统的产出最高【9】。
加工一组工件时系统占用的加工场地最小。
尽量满足任务的优先级及交货期。
系统生产所花费的成本最少。
系统内设备的利用率最高【10】。
关键（瓶颈）设备的利用率最高。
系统内的在制品最少。
加工单个工件时通过的时间最短。
FMS中过程监控与诊断系统
4.1 FMS加工过程的实时监控
FMS是自动化的机械制造系统【11】，对系统的稳定性与可靠性有很高的要求。加工过程是一个过程，为保证加工过程的连续进行。必须对加工过程进行实时的监视和控制。
4.1.1 FMS的价格过程及监控具有的特性：
其过程及监控具有的特性：（1）离散性与断续性【12】。
缓变性与突变性【13】。
随机性与趋向性。
模糊性。
单一性与复杂性。
多层次性。
上述特性决定了FMS加工过程实时监控系统必须有很强的数据采集、数据分析与处理和控制能力，另外还能建立完整的监控数据库并实施信息传递的网络化。
4.1.2 FMS加工过程的实时监控的包括部分：
FMS加工过程的实时监控包括的两部分：
（1）加工过程的监控 对加工中心、刀具、机器人、运输小车等的监控【8】。
（2）工件监控 对工件加工精度的检测与控制。
4.1.3 FMS加工过程的实现监控系统所具有的要求
主要要求包括：（1)实现在线采样。
数据处理多功能化。
可自动进行状态评价及故障诊断。
及时反馈控制功能。
4.1.4 监控系统研究的问题
监控系统主要研究的问题有：
（1）最佳监控信号的类别、个数。
最适合的预处理方法。
多功能、多用途组合传感器的研制。
新型自动检测系统的研制。
专家系统、人工智能理论在监控体系中的实现。
数据采集与处理系统中诸多问题的解决。
4.2 FMS故障诊断专家系统
FMS是一个由机械控制计算机、电子、信息系统设备等组成的复杂网络系统，它包括加工系统、工件流子系统、刀具流子系统和质量检测子系统等，这样复杂的系统在运行过程中不可避免地会出现硬件故障、软件故障、信息传输故障。
4.2.1 FMS中故障的主要表现形式
FMS中故障的主要表现形式有两类：
FMS各子系统、器件、元件的位置、运动关系或运动不正常【15】。
经FMS生产的工件加工质量不符合要求。
4.2.2 FMS故障诊断的主要过程
FMS故障诊断可以概括为以下几个过程：
故障诊断 当系统的功能不正常时，能够检测到故障信号。
故障分离 系统发生意外后，根据各种现象快速确定故障源。
故障排除 排除或容错故障使系统继续进行。
故障评定 对故障发生的位置、频度及对系统的影响进行统计分析。
4.2.3 FMS的故障诊断的特点
由于FMS的复杂性及随机性，其故障诊断呈如下一些特点：
1）系统的行为、状态与部件之间存在明显的、复杂的关联性。
系统的故障具有并发性与相继性。
系统故障影响速度，具有快速性【16】。
系统故障的处理要求在线进行。
故障源的隐藏性。
要求对故障进行超前预报。
FMS的物料输送与储运系统
FMS的物料系统主要包括以下三个方面：
原材料、半成品、成品所构成的工件流。
刀具、夹具所构成的刀具流。
托盘、辅助材料、备件的所构成的配套流。
5.1 物料的输送与控制系统
在FMS中，自动化物流系统执行搬运的机构，目前比较实用的主要有三种：有轨输送系统（传送带、RGV);无轨输送系统(AGV);机器人传送系统。
物流存储设备主要有：自动化仓库（包括堆垛机）、托盘站和刀具库。
5.1.1 物流控制系统的主要部分
物流控制系统主要包括以下四个部分：
上下料站控制系统。
物料识别控制系统。
自动物料运输设备控制系统【1】。
自动化仓库控制系统。
5.1.2 有轨输送系统（RGV)
有轨输送系统主要是指有轨运输车（RGV--Rail Guilded Vehicle),用于直线往返输送物料。
5.1.2.1 有轨运输车的工作方式
有轨运输车有三种工作方式：
在线工作方式：运输车接受上位计算机的指令工作。
离线自动工作方式：可利用操作面板上的键盘来编制工件输送程序，然后按启动按钮，使其按所编程序运行。
手动工作方式:有轨运输车沿轨道方向有较高的定位精度要求（一般为0.2mm),通常采用光电码盘检测反馈的半闭环伺服驱动系统。
5.1.2.1 有轨小车的特点：
有轨小车的加速过程和移动速度都比较快，适合搬运重型工件。
轨道固定，行走平稳，停车时定位精度较高，输送距离大。
控制系统相当于无轨小车来说简单许多，因而制造成本较低，便于推广应用。
控制技术相当成熟，可靠性比无轨小车好。
缺点是一旦将轨道铺设好，就不便改动；另外转弯的角度不能太小。轨道一般宜采用直线布置。
5.1.3 无轨输送系统（AGV)
无轨输送系统即无轨运输自动导向小车（AGV--Automatic Guide Vehicle),AGV系统是目前自动化物流系统中具有较大优势和潜力的搬运设备，是高技术密集型产品【14】。
5.1.3.1 柔性制造系统中的AGV所具有的功能
在柔性制造系统中，AGV具有以下功能：
把工件、刀具和夹具传送到加工、排序和装配站，以及从加工、排序、装配站传送工件。
把毛坯输送到加工单元。
从系统把加工完成的工件输送到装配地点。
把工件、刀具和夹具输送到自动存储和检索系统（ASRS)、以及从自动存储和检索系统把工件、刀具和夹具输送到其它地方。
传送废屑箱。
把托盘自动升、降到加工和排序站里的短程运输及些上的记录位置，进行装卸工作。
5.1.3.2 无轨小车的特点
FMS中的无轨小车应具备的特点：
1）配置灵活。
2）由于不设输送轨道等固定式设备，因此不占用车间地面及空间，使机床性好，便于机床的管理和维修。
可保证物料分配及输送的优化，使用数量最小的托板。减少产品损坏和物流噪音【17】。
使托板和其它物料储存库简化，并远离加工设备区。
AGV能以低速运行，一般在10~70m/min范围内运行
缺点是制造成本较高，技术难度较大。
5.1.4 输送带输送系统
输送带的传动装置带动工件（或随行夹具）向前，在将要达到要求位置时，减速慢行使工件准确到要求位置【18】。
传送装置有机械的、液压的和气动的。输送行程较短时，一般多采用机械的传动装置，行程较长时常采用液压的传动装置。
5.1.4.1 输送带的常见输送类型
按物料输送的路线可将工件输送类型概括为两种类型【19】：直线式输送和环形输送。
5.1.4.2 托盘交换装置：
为了将带有工件的托盘从输送线或输送小车送上机床，在机床前还必须设置往复式或回转式的托盘交换装置。
5.1.5 工业机器人系统
工业机器人有执行机构、控制系统、驱动装置以及位置检测机构等几个部分组成。
5.1.5.1 机器人的分类
机器人的分类有很多种，可以按机器人的系统功能、驱动方式以及机器人的结构形式进行分类。
1）按系统功能分类：
专用机器人
通用机器人
示数再现式机器人
按驱动方式分类：
气压传动机器人
液压传动机器人
电力传动机器人
按结构形式分类：
直角坐标系机器人
圆柱坐标系机器人
球坐标系机器人
关节机器人
5.1.5.2 机器人的性能特征
机器人的性能特征影响机器人的工作效率和可靠性，通常可考虑如下几个方面：
1）自由度
工作空间
提取重要度
运动速度
位置精度
5.2 自动存储与检索系统
自动化存储与检索系统，通常称为ASRS。它与机器人、AGV和传输线等其它设备连接，以提高加工单元和FMS的生产能力【20】。
5.2 .1 自动存储与检索系统的组成部分
对大多数工件来说，可将自动化存储与检索系统视为库房工具，用以跟踪纪录材料和工件的输入、存储与工件、刀具和夹具，必要时随时对它们进行检索【21】。因此，自动储存与检索系统的组成部分可分为以下几个部分：
工件装卸站
托盘缓冲站
自动化仓库： a.堆垛机 b.自动化立体仓库
自动化仓库的计算机控制
自动化仓库的认证检测系统
5.2.2 刀具流支持系统
刀具流支持系统在FMS中占有重要地位，其主要职能是负责刀具的运输、存储和管理，适时地向加工单元提供所需的刀具，监控管理刀具的使用、及时取走以报废或耐用度已耗尽的刀具，在保证正常生产的同时，最大程度地降低刀具成本【22】。
5.2.2.1 刀具管理系统的组成
典型的FMS刀具管理系统通常的组成成分：
刀库系统
刀具预调站
刀具装卸站
刀具交换装置
管理控制刀具的计算机系统
5.2.2.2 刀具的交换
FMS中刀具的交换通常包括以下三个内容：
（1）加工机床刀具库与工作主轴之间的刀具交换【23】
刀具装卸站、中央刀床以及加工机床之间的刀具交换
运载工具、刀架和机床、刀库之间的刀具交换
Petri在FMS建模中的应用
6.1 Petri网在FMS建模中的应用
经典Petri网理论与FMS的应用存在一定的距离，所以要准确地对FMS建模，势必需要对Petri网进行一定的改进和扩充，而且几乎所有的Petri网的扩充形式都被应用到FMS建模中。
6.1.1 赋时Petri网
赋时Petri网由于将时间因素引入了网模型，因此在CAE中可为FMS性能评价提供依据，用于CAE又可为研究FMS的实时调度策略创造条件[24]。
6.1.2 着色Petri网
着色Petri网用于FMS建模可以有效地解决由FMS自身规模庞大、关系复杂、运作方式灵活等具体特点而引发的模型复杂问题[25]。
用引入控制机制的Petri网为FMS建模大多数是为了满足在线/离线控制的需要；如：提出一种带外部输入的Petri网模型。
6.2 Petri网在FMS分析中的应用
FMS系统的设计、实现过程一般看来是极其复杂的，由于FMS所具有的耗资大、风险大、技术密集程度大的显著特点，因此在运行和实施FMS之前，需要通过模型对系统中的构成要素及其整体静态/动态加以分析，以便于决策者对系统方案进行评价和修正。
Petri网具有如下几个特性:
Petri的结构特性 结构活性、可控性、守恒性、一致性、可恢复性。
Petri的行为特性 可达性、有界性、活性、可覆盖性、保持性和公平性。
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