申江波，楊順，胡尚舉

（西安建筑科技大學機電工程學院，西安710055）

基于IDEF0的柴油機曲軸柔性制造系統(tǒng)模型的研究

申江波，楊順，胡尚舉

（西安建筑科技大學機電工程學院，西安710055）

提出了一種基于IDEF0的柔性制造系統(tǒng)（FMS）建模方法，它能夠全面而清楚地描述FMS的數據流、物料流以及功能活動之間的聯(lián)系，可以保證設計的規(guī)范性和可靠性。以柴油機曲軸加工工藝過程為實例闡述了FMS模型的構建過程，并用IDEF0方法建立了系統(tǒng)的控制模型和功能模型圖。采用IDEF0方法進行曲軸FMS功能描述，能夠滿足這一復雜的系統(tǒng)分析與設計的要求。

柴油機曲軸柔性制造系統(tǒng)IDEF0

1 引言

曲軸是發(fā)動機上一個重要的零部件，它在工作時要承受很大的扭矩，以及大小和方向都在變化的彎曲力。曲軸的工作情況決定了曲軸的結構，進而也決定了曲軸制造工藝的復雜性。以計算機技術和柔性制造技術相結合的柔性制系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）能很好地滿足市場對多品種、中小批量產品的個性化需求，但對復雜零件加工工藝過程的FMS系統(tǒng)的功能描述及其構建過程成為一個亟待解決的難題，而IDEF0方法是以結構化分析和設計技術(Structured Analysis and Design Technique，SADT)為基礎發(fā)展起來的一種系統(tǒng)菜單式表達工具。用圖形化與結構化的方式嚴謹地將一個系統(tǒng)的功能、信息和對象間的相關性表示出來，讓使用者通過圖形便可清楚地了解、掌握系統(tǒng)的運作方式，以及實現(xiàn)功能所需的各項資源，并為系統(tǒng)建構者與使用者提供一種交流與討論的一致性標準化語言。可見，IDEF0法能為FMS的功能描述提供新的思路。

2 IDEF0建模方法

IDEF方法是20世紀80年代初美國空軍在ICAM(Integrated Computer Aided Manufactur-ing)項目上發(fā)展起來的，最初由3種方法組成：功能建模(IDEF0)、信息建模(IDEF1)和動態(tài)建模(IDEF2)，以后又逐漸發(fā)展出數據建模(IDEF1X)、過程描述獲取方法(IDEF3)、面向對象的設計(OO設計)方法(IDEF4)等。IDEF0的基本內容是SADT的活動模型方法，它以圖解的形式來描述制造過程的特性。IDEF0把一個系統(tǒng)分解成若干活動，每項活動對應著一組輸入信息和輸出信息。用方框圖可以方便地表達這些輸入、輸出信息以及某一活動的控制數據和實現(xiàn)機制。IDEF0基本功能見圖1。IDEF0對系統(tǒng)活動的表示方法與軟件工程中的系統(tǒng)分析方法相一致，用IDEF0方法建立系統(tǒng)功能模型有利于軟件系統(tǒng)的開發(fā)。IDEF0是我國實現(xiàn)CIMS工程時推薦使用的建立系統(tǒng)功能模型的方法[1~2]。

圖1 IDEF0基本功能圖

3 柴油機曲軸的工藝

柴油機曲軸大致有3部分組成：（1）曲軸前端（小頭）；（2）由連桿軸頸、曲柄臂及主軸頸組成的曲拐；（3）曲軸后端（法蘭）。按照曲軸加工步驟，可分為粗加工和精加工2部分。

1）曲軸粗加工工藝

曲軸粗加工工藝采用AVL新工藝，工藝流程見圖2。加工工藝中，采用復合加工數控機床引入了“一次裝卡，全部完工”的概念。該FMS車銑中心集成了雙主軸車削中心，五軸加工中心，深孔鏜、銑、鉆和三坐標功能于一身，在一臺具有雙主軸的車銑復合加工中心上可以對曲軸進行完全加工，加工后的曲軸可直接轉入精加工工序。

圖2 曲軸粗加工工藝流程

2）曲軸精加工工藝

在曲軸精加工方面，則采用工序集成的CBN數控磨床，即一次裝夾可完成磨削曲軸全部主軸頸和連桿軸頸的所有工序，此類磨床一般配有雙砂輪頭架。圖3中給出了曲軸的精加工工藝流程。

圖3 曲軸精加工工藝流程

4 柴油機曲軸FMS的組成與特點

4.1 系統(tǒng)組成

曲軸柔性制造系統(tǒng)由數控加工設備、物料儲運系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)3部分組成，如圖4所示。

圖4 曲軸FMS的系統(tǒng)構成

1）加工子系統(tǒng)

根據曲軸工藝要求，曲軸FMS加工子系統(tǒng)主要是由2臺復合數控加工中心（數控復合粗加工中心和數控復合磨床）、與之相配的工業(yè)機器人、自動氣壓夾具、數控清洗機、檢測裝配設備組成。

2）物流子系統(tǒng)

物流子系統(tǒng)用以實現(xiàn)工件及工裝夾具的自動供給和裝卸，以及完成工序間的自動傳送、調運和存貯工作，包括各種傳送機構、自動導引小車、工業(yè)機器人及專用起吊運送機、工件裝卸站、工件存儲工位、刀具輸入輸出站、刀庫等。物流子系統(tǒng)在計算機的控制下自動完成刀具和工件的輸送工作。曲軸FMS系統(tǒng)由全自動立體倉庫、工件出入托盤站、上下料機械手臂、2條輸送帶和編碼系統(tǒng)組成。

3）信息子系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)用以處理柔性制造系統(tǒng)的各種信息，輸出控制CNC機床和物料系統(tǒng)等自動操作所需的信息、實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的信息聯(lián)系，對系統(tǒng)進行管理，確保系統(tǒng)的正常工作。通常采用三級(設備級、工作站級、單元級)分布式計算機控制系統(tǒng)，其中單元級控制系統(tǒng)（單元控制器）是柔性制造系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)操作單元由復合數控加工中心系統(tǒng)、數控精磨系統(tǒng)、倉儲管理系統(tǒng)、堆垛控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)集成軟件由設計規(guī)劃軟件、生產過程分析軟件、生產過程調度軟件、系統(tǒng)管理和監(jiān)控軟件組成[3]。

4.2 系統(tǒng)布局

在加工發(fā)動機曲軸時，其加工工藝主要是銑面、鉆孔、銑外頸等幾個主要加工工序，其工序比較單純，因此機床布置必須要以形成有序的排列、簡化物流管理為原則來進行。在布置機床的同時還要考慮物料輸送路線。由于零件較大，須采用傳送帶傳送，機床布置宜采取直線布置。另外，在機床布置時還應考慮成品、在制品、外購件倉庫的布置，工件裝卡的準備區(qū)，刀具、夾具保養(yǎng)保管區(qū)及中心管理室的位置[4]。該系統(tǒng)布局如圖5所示。

圖5 柴油機曲軸FMS系統(tǒng)布局

5 柴油機曲軸FMS的系統(tǒng)建模

5.1 FMS系統(tǒng)控制建模

曲軸的柔性制造系統(tǒng)是一個大型的、復雜的、離散事情的動態(tài)系統(tǒng)，由于采用了高度柔性的加工設備，零件的加工路徑可隨加工刀具在加工中心的配置而改變。加工路線約束的降低使生產更靈活、高效，但相應的動態(tài)調度更加復雜。同時由于系統(tǒng)中存在著一些不可預見的事情或隨機事情，如機器故障、緊急作業(yè)計劃、作業(yè)計劃的縮減等，更增添了調度的復雜性。針對FMS的優(yōu)越性及其調度的復雜性，F(xiàn)MS建模時采用IDEF0建模法，將其抽象為一個離散事情的動態(tài)系統(tǒng)，對其信息加以概括和描述，具體地確定模型結構和參數。

通過以上分析，針對曲軸FMS的功能建模，通過活動的不斷分解和細化，各活動之間的關系及整個系統(tǒng)的信息得到充分表達[5]，如圖6所示。

圖6 柴油機曲軸FMS控制功能模型

從圖中可以看出，動態(tài)調度過程是由系統(tǒng)狀態(tài)驅動的，不同的系統(tǒng)狀態(tài)對應不同的調度過程，零件的加工工藝路線和作業(yè)計劃是調度過程必須滿足的約束。

5.2 FMS系統(tǒng)功能建模

根據曲軸粗加工的AVL新工藝，采用IDEF0方法構建FMS功能模型的步驟如下：（1）數據采集；（2）選擇范圍、觀點及目的；（3）建立內外關系圖；（4）畫出頂層圖；（5）建立一系列圖形；（6）寫文字說明；（7）模型評審。該柴油機曲軸FMS功能模型圖如圖7所示。

6 總結

IDEF0用嚴格的自頂向下方式構造系統(tǒng)的功能模型，從描述系統(tǒng)概念與需求入手，以系統(tǒng)功能的詳盡描述結束。IDEF0圖可以使人們全面地描述和理解整個系統(tǒng)，適合于大型復雜信息系統(tǒng)的功能模型建立。采用IDEF0方法建模的柔性系統(tǒng)正好解決了曲軸加工復雜性的關鍵問題，最大限度地提高了生產率，節(jié)約了制造成本和周期，也能很好地適應工藝、工序、系統(tǒng)擴展、市場和其他方面的各種柔性，這樣為我們產品的多樣化發(fā)展做好了充分的準備。

1陳禹六.IDEF建模分析和設計方法[M].北京：清華大學出版社，1999.

2 ANG C L,Gray R.IDEF0Modeling for Project Risk Assessment.Computer in Industry,1993, 22(1):31-45.

圖7 柴油機曲軸FMS的IDEF0功能建模圖

3劉延林，陳心昭.柔性制造自動化概論[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

4陳弈，周躍華.箱體柔性(FMS)制造系統(tǒng)探討[J].交通部上海船舶運輸科學研究所學報，2004， 27(2)：128-133.

5柏志彬，馬云富.基于準柔性制造系統(tǒng)的車間生產計劃和調度方法[J].兵工自動化，2003，22(3)：14-16.

FMS of Diesel Crankshaft Model Construction Based on the IDEF0Method

Shen Jiangbo,Yang Shun,Hu Shangju
(Dept.of Electrical and Mechanical Engineering,Xi＇an University of Architecture& Technology,Xi＇an,710055,China)

A method of constructing FMS model based on the IDEF0 is proposed.The method can comprehensively and clearly describes FMS data flow,material flow and relationship betw een function activities and may guarantee the standardization and reliability of design.The process of building a FMS model is explained by taking diesel crankshaft machining process as an example,and the IDEF0 is applied to establish the controlling and function models of FMS.Using IDEF0 to describe the function of crankshaft FMS could m eet the requirements of analysis and design of such intricate system.

dieselengine,crankshaft,FMS,IDEF0

來稿日期：2009-02-24基金項目：西安市科技計劃項目（CXY08015），陜西省教育廳自然科學研究項目（08JK330）。

申江波（1983－），男，在讀研究生，主要研究方向為計算機集成制造系統(tǒng)。