基于FMS柔性制造生產(chǎn)線仿真技術(shù)

重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司 李煥 蔣婉瑩 肖宇亮

FMS柔性制造系統(tǒng)所涉及的工藝基礎(chǔ)較為復(fù)雜，在系統(tǒng)初始階段需要按照成組的加工對(duì)象確認(rèn)工藝過(guò)程，詳細(xì)設(shè)計(jì)、建模與仿真，并且由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)調(diào)整并實(shí)現(xiàn)多品種工件、中小批量的高效生產(chǎn)。FMS柔性制造系統(tǒng)與自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、物流、刀具等多個(gè)技術(shù)點(diǎn)相關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)投入規(guī)模較大，風(fēng)險(xiǎn)較高。FlexSim軟件是柔性制造系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)線仿真的最佳選擇，面向?qū)ο蟮姆抡姝h(huán)境，能夠在設(shè)計(jì)階段建立離散事件流程過(guò)程，大大降低FMS柔性制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。基于此，文章以FMS柔性制造生產(chǎn)線項(xiàng)目為案例，對(duì)生產(chǎn)線仿真進(jìn)行分析展示，明確FlexSim軟件在生產(chǎn)線仿真環(huán)境中的仿真過(guò)程及方法，提出通過(guò)配合CI MCO等其他集成軟件，能夠進(jìn)行FlexSim軟件的功能補(bǔ)充，對(duì)FMS柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)生參考作用。

由于FMS柔性制造生產(chǎn)線的復(fù)雜性和隨機(jī)性，往往應(yīng)用數(shù)學(xué)解析方法無(wú)法針對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的特征進(jìn)行建模，進(jìn)而無(wú)法對(duì)柔性制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)物流進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。以FlexSim軟件為代表的仿真軟件，通過(guò)其高效運(yùn)作等特點(diǎn)在機(jī)械加工領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，同時(shí)，能夠在生產(chǎn)線加工工藝、生產(chǎn)調(diào)度、流程控制、運(yùn)行效率等方面進(jìn)行功能擴(kuò)展，進(jìn)而達(dá)到全面仿真的主要目的[1]。對(duì)于規(guī)模達(dá)到每批次200～2000件工件的中小批量生產(chǎn)來(lái)講，采用FMS柔性制造系統(tǒng)是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的工藝選擇，能夠綜合地提升生產(chǎn)效益。

1 FMS柔性制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

1.1 柔性制造生產(chǎn)線構(gòu)成

根據(jù)生產(chǎn)線加工工藝及加工特點(diǎn)，F(xiàn)MS柔性制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)采取流水線布局方式，按照工藝路線進(jìn)行布局，盡可能將相鄰工序安排為鄰近位置。自動(dòng)加工系統(tǒng)以成組技術(shù)為基礎(chǔ)，將形狀并不完全一致、重量大體相似、工藝大致相同的零件集中在一臺(tái)或多臺(tái)數(shù)控機(jī)床、專用機(jī)床等設(shè)計(jì)上，供料系統(tǒng)由傳送帶、軌道轉(zhuǎn)盤及機(jī)械手等運(yùn)輸裝置完成刀具和工件供給與傳送，同時(shí)，經(jīng)由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元、立體倉(cāng)庫(kù)、自動(dòng)化引導(dǎo)車、工件儲(chǔ)存站、單元控制系統(tǒng)進(jìn)行有效管理。

1.2 柔性制造生產(chǎn)線的通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柔性制造生產(chǎn)線的通訊系統(tǒng)由三部分組成，分別是總線控制器、總線設(shè)備和用于總線設(shè)備間與總線控制器進(jìn)行連接的電纜。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇橹鞲缮戏殖鰳滂拘徒Y(jié)構(gòu)，主干為遠(yuǎn)程總線，分兩層通信結(jié)構(gòu)，第一層為總線主站，采用INTERBUS總線350型網(wǎng)關(guān)接口模塊、INTERBUS本地總線模塊、8個(gè)數(shù)字輸入和8個(gè)數(shù)字輸出、電壓24伏，第二層為總線分站，每個(gè)分站包含耦合器模塊和數(shù)字輸入、輸出模塊，總線采取導(dǎo)軌安裝方式進(jìn)行安裝，模塊間相鄰安裝。INTERBUS通信軟件設(shè)置與INTERBUS總線組態(tài)、編程均在PCWORX中進(jìn)行[2]。

1.3 柔性制造生產(chǎn)線控制流程設(shè)計(jì)

柔性制造生產(chǎn)線接受生產(chǎn)任務(wù)后，進(jìn)行加工判斷，在加工條件不予滿足的同時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)加工條件的準(zhǔn)備，在加工條件滿足生產(chǎn)任務(wù)后，保證生產(chǎn)線機(jī)床與自動(dòng)化引導(dǎo)車間保持正常通訊，呼叫自動(dòng)化引導(dǎo)車完成生產(chǎn)線上料和下料，進(jìn)行加工自動(dòng)供料準(zhǔn)備。

1.4 柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用工業(yè)PC機(jī)作為柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)上位機(jī)，直接發(fā)出操控命令，通過(guò)以太網(wǎng)與數(shù)控車床和自動(dòng)引導(dǎo)車的控制系統(tǒng)相連接，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)柔性制造生產(chǎn)線的通訊系統(tǒng)相應(yīng)通訊功能后，獲取控制系統(tǒng)主控單元、自動(dòng)化生產(chǎn)線技術(shù)加工單元工作狀態(tài)、參數(shù)等相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后形成報(bào)表文件[3]。

2 FMS建模與仿真

2.1 FlexSim建模與仿真

FMS柔性制造生產(chǎn)線主要由數(shù)控加工中心、AGV物料搬運(yùn)小車、PLC等構(gòu)成，最大的特點(diǎn)是綜合性和系統(tǒng)性。其中，PLC由主控單元配置基于Microsoft Windows應(yīng)用軟件的EtherNet/IP Scanner仿真器功能，數(shù)控加工中心及AGV物料搬運(yùn)小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配置計(jì)算機(jī)EtherNet/IP Adapter協(xié)議配置手冊(cè)功能，上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)交換功能。

在明確規(guī)定邊界和組成部分后，確定FlexSim建模與仿真的目標(biāo)，擬定計(jì)劃并收集和整理數(shù)據(jù)。其中，結(jié)構(gòu)參數(shù)用來(lái)描述車江平面布局、設(shè)備組成、工件形狀和工件尺寸等靜態(tài)參數(shù)；工藝參數(shù)主要描述工藝流程和流程間關(guān)系；邏輯參數(shù)用來(lái)描述流程和作業(yè)間的邏輯關(guān)系；動(dòng)態(tài)參數(shù)用來(lái)描述動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)等。參數(shù)設(shè)置后，F(xiàn)lexSim模型建立以生產(chǎn)車間的實(shí)際生產(chǎn)線為設(shè)計(jì)依據(jù)，按照生產(chǎn)線中各個(gè)設(shè)施的具體位置，將與設(shè)施對(duì)應(yīng)的FlexSim實(shí)體放置在模型對(duì)應(yīng)位置，通過(guò)調(diào)整具體尺寸、位置和角度促使其正確顯示在視圖背景上，建立布局模型和仿真模型，并運(yùn)行。

2.2 仿真結(jié)果輸出與分析

根據(jù)生產(chǎn)車間的工藝流程，建模對(duì)象主要包括：發(fā)生器1個(gè)、27個(gè)暫存區(qū)、27個(gè)處理器、7個(gè)叉車、3個(gè)貨架、1個(gè)交通信號(hào)燈，運(yùn)行FlexSim模型后導(dǎo)出仿真報(bào)告。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的輸出報(bào)告進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)lexSim仿真報(bào)告如表1所示，將仿真報(bào)告各設(shè)備及暫存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行正確排序，以此尋找到空閑的設(shè)備、產(chǎn)品積壓較為嚴(yán)重的暫存區(qū)，通過(guò)上述內(nèi)容確定車間生產(chǎn)線的設(shè)備閑置情況和生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)。

從表1中可以看出：（1）從系統(tǒng)優(yōu)化角度看，仿真中各工序間存在擁堵，這種情況可能由線邊庫(kù)存不足或流程設(shè)計(jì)不夠科學(xué)，或裝配線不平衡造成。（2）當(dāng)處理器需要在同一時(shí)刻在制產(chǎn)品時(shí)，70%的處理器處于工作狀態(tài)，30%的處理器處于空間狀態(tài)，由此可以判斷，該車工藝流程間缺乏連續(xù)性。（3）一部分緩存區(qū)的對(duì)象容納平均物品數(shù)、對(duì)象中停留平均時(shí)間均顯示為零，由此可以判斷，這些緩存區(qū)并未達(dá)到有效的緩存作用，緩存區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的積壓情況，應(yīng)予以裁撤。（4）各搬運(yùn)工具及計(jì)算機(jī)關(guān)鍵字運(yùn)算符函數(shù)的空閑率分別為74%、87.5%、85%、87.1%、86.1%、87.5%、94%，由此可以判斷，各搬運(yùn)工具產(chǎn)生過(guò)高的空閑率，說(shuō)明各搬運(yùn)工具被利用的概率并不高，并不需要大量搬運(yùn)工具，可以對(duì)搬運(yùn)工具予以裁撤或調(diào)度[4]。

表1 FlexSim仿真報(bào)告Tab.1 FlexSim simulation report

3 CIMCO軟件仿真

CIMCO軟件是DNC解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者，憑借其出色的靈活性、兼容性、可擴(kuò)展性與可靠性，能夠提供一套包括數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通訊、數(shù)控程序編輯與仿真、程序管理系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床監(jiān)控等諸多模塊的數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)完全解決方案，可以對(duì)NC程序?qū)嵤┤珘勖芷诠芾?，針?duì)加工程序，CIMCO軟件從創(chuàng)建、編輯、校對(duì)、審核、試切、定型、歸檔、使用直至刪除，均可生成詳細(xì)記錄，實(shí)施嚴(yán)格的流程管理，可以實(shí)現(xiàn)逆向查詢處理[5]。

4 Process Control過(guò)程控制仿真

Process Control在生產(chǎn)過(guò)程中的工藝程序控制理念采用配置文件方式實(shí)現(xiàn)，在控制過(guò)程的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，能夠在不連接實(shí)際設(shè)備的前提下，通過(guò)配套測(cè)試工具進(jìn)行流程仿真。FMS柔性制造生產(chǎn)線的過(guò)程控制模型涉及到程序、刀具、庫(kù)存控制，同時(shí)需要應(yīng)用三坐標(biāo)接口和調(diào)刀儀接口等模塊。

FMS柔性制造生產(chǎn)線在每個(gè)單元流程的流程點(diǎn)用數(shù)字進(jìn)行流程點(diǎn)定義，基于不同命令的輸入，以此跳轉(zhuǎn)流程點(diǎn)，在進(jìn)行配置的同時(shí)采取ccmfig.Xml執(zhí)行配置，將in-dex設(shè)置為流程點(diǎn)，通過(guò)單元流程模擬器進(jìn)行單元流程模擬仿真[6]。

5 數(shù)字孿生運(yùn)維仿真

數(shù)字孿生（Digita Twin）是一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的映射系統(tǒng)，在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，可以充分利用物理模型、更新傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成仿真過(guò)程。數(shù)字孿生可以在賽博空間內(nèi)對(duì)FMS柔性制造生產(chǎn)線進(jìn)行模擬和仿真，并且可以將真實(shí)參數(shù)回傳，能夠幫助FMS柔性制造生產(chǎn)線大幅度提升創(chuàng)新速度和生產(chǎn)產(chǎn)能，可以完全虛擬環(huán)境內(nèi)模擬、測(cè)試并優(yōu)化產(chǎn)品、工藝流程和設(shè)備，締結(jié)新的業(yè)務(wù)模式[7]。

FMS柔性制造生產(chǎn)線在完成設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行運(yùn)維仿真，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以持續(xù)進(jìn)行運(yùn)維模擬操作，通過(guò)預(yù)測(cè)裝備或系統(tǒng)的健康狀況、使用壽命及任務(wù)執(zhí)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估和監(jiān)控，其三維維護(hù)系統(tǒng)解決方案主要通過(guò)數(shù)字化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，覆蓋運(yùn)維全環(huán)節(jié)[8]。

6 結(jié)語(yǔ)

為了保證制造生產(chǎn)的平穩(wěn)發(fā)展，培育出新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)制造環(huán)節(jié)的有效改善，降低作業(yè)成本目標(biāo)，利用FMS柔性制造生產(chǎn)線這一大型、復(fù)雜的離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以為制造車間生產(chǎn)線優(yōu)化提供較為科學(xué)的方案。文章通過(guò)FlexSim軟件進(jìn)行FMS柔性制造生產(chǎn)線的技術(shù)研究，通過(guò)該軟件的應(yīng)用，可以得到用FMS柔性制造生產(chǎn)線在制造和管理上不同要求的數(shù)據(jù)信息，能夠?yàn)槎嗥贩N工件、中小批量的高效生產(chǎn)的實(shí)際運(yùn)行提供理論參數(shù)，促使FMS柔性制造生產(chǎn)線的實(shí)際系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)階段，科技飛速進(jìn)步，F(xiàn)MS柔性制造生產(chǎn)線已經(jīng)不再局限于采用較為單一的FlexSim軟件進(jìn)行FMS柔性制造生產(chǎn)線的仿真，同時(shí)需要將其他的工藝、流程和運(yùn)維仿真技術(shù)融合使用，以此提升多維度仿真效果，提升FMS柔性制造生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)精度。

引用

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