（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)，新能源，新材料正在以極快的速度形成巨大的產(chǎn)業(yè)能力以及市場，產(chǎn)業(yè)鏈將被分工重組，整個工業(yè)生產(chǎn)體系將進(jìn)入一個新的水平，工業(yè)4.0時代的產(chǎn)物即將體現(xiàn)在我們的生活中，具有“人-機(jī)”“機(jī)-機(jī)”相互通信能力的信息物理融合系統(tǒng)必將普遍應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。工業(yè)4.0提出的智能制造是面向產(chǎn)品全生命周期，實現(xiàn)泛在感知條件下的信息化制造，工業(yè)4.0的三大主題之一“智能工廠”也將成為未來成產(chǎn)的潮流，人們對于物質(zhì)文化的需求日益增長，也要求著制造業(yè)再次升級[1]。然而傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)設(shè)備等卻限制著制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，如何加快人才培養(yǎng)，傳遞先進(jìn)的生產(chǎn)概念已經(jīng)成為深化改革、促進(jìn)社會生產(chǎn)力發(fā)展亟待解決的問題。目前，高校普遍與企業(yè)建立合作培養(yǎng)人才的關(guān)系，學(xué)生通過到企業(yè)觀察實習(xí)，將理論與實際結(jié)合起來，但是學(xué)生對于大型生產(chǎn)流水線的學(xué)習(xí)難免走馬觀花，導(dǎo)致對生產(chǎn)流程、工序設(shè)計以及生產(chǎn)線的實際生產(chǎn)問題如誤工、誤時等無從知曉。同時，高校自身受資金和場地限制，很難提供完整的實踐實驗條件。

所以如今，通過建立適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠砟M大型生產(chǎn)過程已經(jīng)成為一種有效的實驗方式，從建設(shè)規(guī)模來看，主要有大規(guī)模試驗平臺模型，中小型仿真模型和軟件仿真模型，綜合考察資金與演示的直觀性，在教學(xué)中，多采用中小型仿真模型，以小型的實物模型作為模擬對象，構(gòu)成一個小型的實驗教學(xué)平臺[2]。因此，可以建立一種以慧魚模型為基礎(chǔ)的生產(chǎn)線雙向仿真實驗平臺，滿足對學(xué)生的教學(xué)培養(yǎng)要求。

1 研究現(xiàn)狀

對于生產(chǎn)流水線的軟件仿真部分，綜合考量3dmax，SolidWorks，F(xiàn)lexSim等動畫仿真軟件，基于FlexSim能進(jìn)行生產(chǎn)流程、生產(chǎn)元素、生產(chǎn)執(zhí)行人以及生產(chǎn)時間等的參數(shù)設(shè)置，更接近實際生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)過程，采用FlexSim進(jìn)行仿真。FlexSim是由美國FlexSim公司開發(fā)，是工程師、管理者和決策人對提出的“關(guān)于操作、流程、動態(tài)系統(tǒng)的方案”進(jìn)行試驗、評估、視覺化的工具，可以用來對離散系統(tǒng)進(jìn)行建模，系統(tǒng)根據(jù)特定事件發(fā)生的結(jié)果在離散時間點(diǎn)改變狀態(tài)。于FlexSim的應(yīng)用的研究主要在物流系統(tǒng)的設(shè)計以及車間生產(chǎn)安排等方面，東南大學(xué)自動化研究所的張衛(wèi)德就提出了基于FlexSim的生產(chǎn)線仿真和應(yīng)用[3]，武漢理工大學(xué)的肖鋒則是提出一種基于FlexSim的碼頭的仿真[4]。

對于生產(chǎn)流水線模型的實物模型部分，慧魚創(chuàng)意組合模型作為一種工程技術(shù)類拼裝模型，是創(chuàng)新教育和創(chuàng)新實驗的優(yōu)良載體。國內(nèi)針對如何將慧魚創(chuàng)意組合模型更好的應(yīng)用在高校教學(xué)中進(jìn)行了進(jìn)一步的探究，東北大學(xué)的牛藝靜提出利用VC++為編程軟件，開發(fā)慧魚模擬軟件[5]，慧魚創(chuàng)意組合更多的被利用在高校創(chuàng)新教育上，通過構(gòu)建或模擬現(xiàn)實發(fā)揮創(chuàng)意來完成模型組建，其中華南理工大學(xué)的周述璋就介紹了基于慧魚模型的創(chuàng)新實例[6]。

總之，目前慧魚創(chuàng)意組合模型越來越多的被高校用來作為培養(yǎng)高校學(xué)生創(chuàng)新能力的教具，也有研究探究了慧魚創(chuàng)意組合模型的仿真控制，而FlexSim主要用來仿真物流系統(tǒng)等的運(yùn)作，本文則采用二者去模擬現(xiàn)如今的自動生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

本文在對制造業(yè)生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)特點(diǎn)和方針原則進(jìn)行學(xué)習(xí)分析后，得出按工位建模的思想。按照車間工位的特點(diǎn)，設(shè)計了一條生產(chǎn)流水線為范例來進(jìn)行模擬，用以說明如何基于FlexSim和慧魚模型進(jìn)行生產(chǎn)流水線的雙向仿真。生產(chǎn)流水線雙向仿真系統(tǒng)模型主要包括實體模型部分和仿真控制部分兩個部分，在PC端FlexSim軟件完成仿真模型的建立，并映射在慧魚模型上完成流水線生產(chǎn)仿真的運(yùn)程，當(dāng)工件模型在慧魚模型上模擬加工過程時，由傳感器收集工件模型的運(yùn)動信息，并反饋到PC端用于數(shù)據(jù)分析，從而實現(xiàn)雙向仿真。

為了完成生產(chǎn)流水線雙向仿真系統(tǒng)模型的構(gòu)建，主要包括三個方面，設(shè)計一條試驗仿真的生產(chǎn)線，基于FlexSim對流水線生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真以及對流水線生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2.2 試驗仿真的生產(chǎn)流水線的設(shè)計

以銑、鉆兩道工序生產(chǎn)為示例設(shè)計一個串聯(lián)物流系統(tǒng)，銑床和鉆床按工藝順序依次排列，用自動運(yùn)輸裝置和其他輔助設(shè)置將其連接起來并依次進(jìn)行加工，以電氣裝置作為控制裝置，使整個系統(tǒng)按照規(guī)定的程序和節(jié)拍進(jìn)行工作。整個生產(chǎn)流水線實物模型由慧魚創(chuàng)意組合模型搭建而成，用來說明本項目的所能實現(xiàn)的功能。

圖2 加工流程圖

生產(chǎn)線工藝流程為：工件從上料口由傳送帶到銑床工位，銑床進(jìn)行預(yù)設(shè)加工過程，加工完成后再經(jīng)由傳送帶運(yùn)送到鉆床工位，鉆床完成預(yù)設(shè)的加工，最后工件被傳送到下料口。

由于仿真的目的是為了展示效果以及對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，故此對生產(chǎn)流水線模型進(jìn)行簡化，銑床、鉆床的運(yùn)動主要有工作臺的橫向進(jìn)給、縱向進(jìn)給、回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，主軸沿立柱的進(jìn)給運(yùn)動以及主軸自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，現(xiàn)將機(jī)床的運(yùn)動簡化為（x,y,z）維度上的運(yùn)動，主要包括工件的橫向進(jìn)給，工作臺的縱向進(jìn)給，沿立柱的升降運(yùn)動，以及刀具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，用以表現(xiàn)鉆床，銑床的加工功能。

圖3 生產(chǎn)流水線實物工程圖

2.3 基于FlexSim對流水線生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真

FlexSim軟件能夠進(jìn)行離散時間系統(tǒng)建模，每一個對象都有一個坐標(biāo)（x,y,z）速度（x,y,z）旋轉(zhuǎn)以及一個動態(tài)行為（時間）對象可以創(chuàng)建、刪除，而且可以彼此嵌套移動，它們都有自己的功能或繼承來自其他對象的功能。FlexSim允許用戶建立自己的模擬對象來滿足使用需求，故可首先在SolidWorks建立鉆床、銑床的模型，再由FlexSim導(dǎo)入3D模型，并拉取發(fā)生器等，構(gòu)建生產(chǎn)流水線模型。

圖4 生產(chǎn)流水線仿真模型

建立一個完整的物流仿真系統(tǒng)，需要對系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，包括工藝流程、時間、作業(yè)單位等。工藝流程為待加工的工件由上料口進(jìn)入生產(chǎn)流水線進(jìn)行加工，再經(jīng)傳送帶運(yùn)送到加工位，檢測到到達(dá)加工位后，刀具開始運(yùn)動到加工位，工件開始加工，加工完成后由下料口離開。由于實際加工過程是人為操作的，在模型中無法表示，因此采用定時器模擬加工過程所消耗的時間，電機(jī)速度亦為設(shè)定值。由于模擬生產(chǎn)流水線為自動化生產(chǎn)，無操作人員，作業(yè)單位為兩臺機(jī)床。

2.4 對流水線生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控

慧魚創(chuàng)意組合模型可采用LLWIM3.0和PLC作為編程控制，但是LLWIM3.0其表達(dá)效果僅為功能模塊的拖動，不能實現(xiàn)可視化監(jiān)控，而FlexSim的資料，圖像和結(jié)果都可以與其他軟件公用，主要通過從Excel表讀取資料和輸出資料?；诒疚牡难芯磕康模裀LC作為FlexSim與慧魚創(chuàng)意組合模型的中介，從而FlexSim能通過PLC完成與基于慧魚創(chuàng)意組合模型搭建的實物模型之間的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)通過PLC將收集的實時數(shù)據(jù)傳給FlexSim，同時將實際模型運(yùn)行狀態(tài)反映在FlexSim仿真平臺上。

結(jié)合系統(tǒng)的實際需求，采用FX1N-60MR-001為實現(xiàn)控制模塊的PLC，控制規(guī)模為60點(diǎn)，36點(diǎn)輸入，24點(diǎn)輸出，繼電器輸出，運(yùn)算快速，基本指令能達(dá)到0.55～0.7μs，從而保證雙向仿真的節(jié)拍有序進(jìn)行。

圖5 數(shù)據(jù)處理過程

具體的數(shù)據(jù)處理過程主要包括PLC數(shù)據(jù)的采集以及FlexSim數(shù)據(jù)的調(diào)用，將數(shù)據(jù)庫作為PLC和FlexSim的中介。創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫后，可以將PLC中的外部控制數(shù)據(jù)等會保存到對應(yīng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫變量中，然后通過WinCC的全局 C 腳本動作觸發(fā)程序，周期性地通過內(nèi)部變量采集與PLC相關(guān)的外部變量的值，通過編程語言實現(xiàn)內(nèi)部變量和外部變量的雙向賦值，而FlexSim可通過ODBC接口訪問數(shù)據(jù)庫，過程為：創(chuàng)建數(shù)據(jù)源名稱→在FlexSim腳本中利用dbopen命令打開相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫→對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。最后完整實現(xiàn)FlexSim對于慧魚模型運(yùn)作過程的動畫仿真，同時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)作為PLC命令的判斷條件之一，通過判斷判斷條件是否成立，完成對慧魚模型相應(yīng)的控制。

圖6 I/O定義口

在程序設(shè)計上，對多個接觸式傳感器、光電傳感器、電機(jī)編號并確定對應(yīng)的PLC接口，傳感器接收的信號經(jīng)由PLC存至數(shù)據(jù)庫，反映在FlexSim上的模型，再由程序?qū)Ρ扰袛嗝恳徊焦ば蚴欠窭^續(xù)，從而PLC控制慧魚模型停止工作或是繼續(xù)工作。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

圖7 運(yùn)行過程圖

仿真過程為：首先在FlexSim中確定相應(yīng)的參數(shù)值，裝置啟動后，基于FlexSim搭建的生產(chǎn)流水線仿真模型的工作動畫和基于慧魚創(chuàng)新組合模型搭建的生產(chǎn)流水線模型開始同步運(yùn)作，慧魚模型的實際運(yùn)作狀態(tài)被實時反饋在FlexSim的動畫仿真演示上，當(dāng)收集的數(shù)據(jù)表示慧魚模型實際工作與預(yù)設(shè)工序不同時，在FlexSim上顯示模型的運(yùn)作狀態(tài)，彈框警示工序出錯，同時相應(yīng)數(shù)據(jù)被調(diào)用，PLC執(zhí)行相應(yīng)的慧魚模型停止工作同時紅燈警示的命令。

在得到幾組數(shù)據(jù)后，使用ExpertFit來分析得到最佳的概率分布函數(shù)以及相對應(yīng)的參數(shù)值,創(chuàng)建一個新項目→選擇分析類型→進(jìn)入數(shù)據(jù)分析界面→導(dǎo)入數(shù)據(jù)→選擇最佳概率分布函數(shù)→比較選擇概率分布函數(shù)→確定正態(tài)部分函數(shù)的參數(shù)，可通過數(shù)據(jù)分析過程得到數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及最優(yōu)的參數(shù)。如果需要對生產(chǎn)流水線進(jìn)行重新設(shè)計，慧魚創(chuàng)意組合模型可以重新拆裝，而PLC程序也可以在計算機(jī)上編輯，修改程序。

圖8 仿真運(yùn)行圖

4 結(jié)論

本文利用慧魚創(chuàng)意組合模型對實際的生產(chǎn)流水線進(jìn)行仿真，同時在FlexSim搭建平臺并通過交互式信息終端采集信息的方法，保證實時、準(zhǔn)確、全面對流水線生產(chǎn)進(jìn)行信息采集，便可以在仿真系統(tǒng)中實時觀察到流水線三維模型的運(yùn)行情況，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)故障時，能在監(jiān)控里面實時顯示相關(guān)工件信息，方便及時發(fā)現(xiàn)問題，快速解決故障。能普及智能化生產(chǎn)流水線的概念，預(yù)先加強(qiáng)學(xué)生對于制造業(yè)升級的意識，并進(jìn)行一定的時間培養(yǎng)，利于與企業(yè)工作的接軌，適應(yīng)如今提倡的提高高校學(xué)生動手能力，為企業(yè)以及學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域培養(yǎng)人才的要求。對各種先進(jìn)制造模式，如精益生產(chǎn)、敏捷制造、并行工程等的研究有一定實踐意義。

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