重慶川儀自動化股份有限公司 李煥 蔣婉瑩 肖宇亮

FMS柔性制造系統(tǒng)所涉及的工藝基礎較為復雜，在系統(tǒng)初始階段需要按照成組的加工對象確認工藝過程，詳細設計、建模與仿真，并且由計算機控制，自動調(diào)整并實現(xiàn)多品種工件、中小批量的高效生產(chǎn)。FMS柔性制造系統(tǒng)與自動化、計算機、數(shù)控、物流、刀具等多個技術點相關，系統(tǒng)設計投入規(guī)模較大，風險較高。FlexSim軟件是柔性制造系統(tǒng)進行生產(chǎn)線仿真的最佳選擇，面向對象的仿真環(huán)境，能夠在設計階段建立離散事件流程過程，大大降低FMS柔性制造系統(tǒng)的設計風險，已經(jīng)得到廣泛的應用。基于此，文章以FMS柔性制造生產(chǎn)線項目為案例，對生產(chǎn)線仿真進行分析展示，明確FlexSim軟件在生產(chǎn)線仿真環(huán)境中的仿真過程及方法，提出通過配合CI MCO等其他集成軟件，能夠進行FlexSim軟件的功能補充，對FMS柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)線設計產(chǎn)生參考作用。

由于FMS柔性制造生產(chǎn)線的復雜性和隨機性，往往應用數(shù)學解析方法無法針對整個生產(chǎn)線的特征進行建模，進而無法對柔性制造生產(chǎn)線的生產(chǎn)物流進行計算和優(yōu)化。以FlexSim軟件為代表的仿真軟件，通過其高效運作等特點在機械加工領域得到普遍應用，同時，能夠在生產(chǎn)線加工工藝、生產(chǎn)調(diào)度、流程控制、運行效率等方面進行功能擴展，進而達到全面仿真的主要目的[1]。對于規(guī)模達到每批次200～2000件工件的中小批量生產(chǎn)來講，采用FMS柔性制造系統(tǒng)是相對經(jīng)濟的工藝選擇，能夠綜合地提升生產(chǎn)效益。

1 FMS柔性制造生產(chǎn)線設計

1.1 柔性制造生產(chǎn)線構成

根據(jù)生產(chǎn)線加工工藝及加工特點，F(xiàn)MS柔性制造生產(chǎn)線設計采取流水線布局方式，按照工藝路線進行布局，盡可能將相鄰工序安排為鄰近位置。自動加工系統(tǒng)以成組技術為基礎，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或多臺數(shù)控機床、專用機床等設計上，供料系統(tǒng)由傳送帶、軌道轉盤及機械手等運輸裝置完成刀具和工件供給與傳送，同時，經(jīng)由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元、立體倉庫、自動化引導車、工件儲存站、單元控制系統(tǒng)進行有效管理。

1.2 柔性制造生產(chǎn)線的通訊系統(tǒng)設計

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、總線設備和用于總線設備間與總線控制器進行連接的電纜。網(wǎng)絡拓撲為主干上分出樹杈型結構，主干為遠程總線，分兩層通信結構，第一層為總線主站，采用INTERBUS總線350型網(wǎng)關接口模塊、INTERBUS本地總線模塊、8個數(shù)字輸入和8個數(shù)字輸出、電壓24伏，第二層為總線分站，每個分站包含耦合器模塊和數(shù)字輸入、輸出模塊，總線采取導軌安裝方式進行安裝，模塊間相鄰安裝。INTERBUS通信軟件設置與INTERBUS總線組態(tài)、編程均在PCWORX中進行[2]。

1.3 柔性制造生產(chǎn)線控制流程設計

柔性制造生產(chǎn)線接受生產(chǎn)任務后，進行加工判斷，在加工條件不予滿足的同時，進行相應加工條件的準備，在加工條件滿足生產(chǎn)任務后，保證生產(chǎn)線機床與自動化引導車間保持正常通訊，呼叫自動化引導車完成生產(chǎn)線上料和下料，進行加工自動供料準備。

1.4 柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設計

采用工業(yè)PC機作為柔性制造生產(chǎn)線控制系統(tǒng)上位機，直接發(fā)出操控命令，通過以太網(wǎng)與數(shù)控車床和自動引導車的控制系統(tǒng)相連接，通過數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)柔性制造生產(chǎn)線的通訊系統(tǒng)相應通訊功能后，獲取控制系統(tǒng)主控單元、自動化生產(chǎn)線技術加工單元工作狀態(tài)、參數(shù)等相應數(shù)據(jù)信息，通過統(tǒng)計分析后形成報表文件[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物料搬運小車、PLC等構成，最大的特點是綜合性和系統(tǒng)性。其中，PLC由主控單元配置基于Microsoft Windows應用軟件的EtherNet/IP Scanner仿真器功能，數(shù)控加工中心及AGV物料搬運小車運動控制系統(tǒng)配置計算機EtherNet/IP Adapter協(xié)議配置手冊功能，上位機通過以太網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)交換機實現(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，擬定計劃并收集和整理數(shù)據(jù)。其中，結構參數(shù)用來描述車江平面布局、設備組成、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系；邏輯參數(shù)用來描述流程和作業(yè)間的邏輯關系；動態(tài)參數(shù)用來描述動態(tài)變化的參數(shù)等。參數(shù)設置后，F(xiàn)lexSim模型建立以生產(chǎn)車間的實際生產(chǎn)線為設計依據(jù)，按照生產(chǎn)線中各個設施的具體位置，將與設施對應的FlexSim實體放置在模型對應位置，通過調(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，并運行。

2.2 仿真結果輸出與分析

根據(jù)生產(chǎn)車間的工藝流程，建模對象主要包括：發(fā)生器1個、27個暫存區(qū)、27個處理器、7個叉車、3個貨架、1個交通信號燈，運行FlexSim模型后導出仿真報告。通過對仿真結果的輸出報告進行分析及數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)lexSim仿真報告如表1所示，將仿真報告各設備及暫存區(qū)的數(shù)據(jù)進行正確排序，以此尋找到空閑的設備、產(chǎn)品積壓較為嚴重的暫存區(qū)，通過上述內(nèi)容確定車間生產(chǎn)線的設備閑置情況和生產(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存不足或流程設計不夠科學，或裝配線不平衡造成。（2）當處理器需要在同一時刻在制產(chǎn)品時，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)的對象容納平均物品數(shù)、對象中停留平均時間均顯示為零，由此可以判斷，這些緩存區(qū)并未達到有效的緩存作用，緩存區(qū)出現(xiàn)嚴重的積壓情況，應予以裁撤。（4）各搬運工具及計算機關鍵字運算符函數(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，各搬運工具產(chǎn)生過高的空閑率，說明各搬運工具被利用的概率并不高，并不需要大量搬運工具，可以對搬運工具予以裁撤或調(diào)度[4]。

表1 FlexSim仿真報告Tab.1 FlexSim simulation report

3 CIMCO軟件仿真

CIMCO軟件是DNC解決方案的領導者，憑借其出色的靈活性、兼容性、可擴展性與可靠性，能夠提供一套包括數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)通訊、數(shù)控程序編輯與仿真、程序管理系統(tǒng)、數(shù)控機床監(jiān)控等諸多模塊的數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)完全解決方案，可以對NC程序實施全壽命周期管理，針對加工程序，CIMCO軟件從創(chuàng)建、編輯、校對、審核、試切、定型、歸檔、使用直至刪除，均可生成詳細記錄，實施嚴格的流程管理，可以實現(xiàn)逆向查詢處理[5]。

4 Process Control過程控制仿真

Process Control在生產(chǎn)過程中的工藝程序控制理念采用配置文件方式實現(xiàn)，在控制過程的設計、開發(fā)和測試過程中，能夠在不連接實際設備的前提下，通過配套測試工具進行流程仿真。FMS柔性制造生產(chǎn)線的過程控制模型涉及到程序、刀具、庫存控制，同時需要應用三坐標接口和調(diào)刀儀接口等模塊。

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

5 數(shù)字孿生運維仿真

數(shù)字孿生（Digita Twin）是一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的映射系統(tǒng)，在進行實際應用的過程中，可以充分利用物理模型、更新傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成仿真過程。數(shù)字孿生可以在賽博空間內(nèi)對FMS柔性制造生產(chǎn)線進行模擬和仿真，并且可以將真實參數(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、測試并優(yōu)化產(chǎn)品、工藝流程和設備，締結新的業(yè)務模式[7]。

FMS柔性制造生產(chǎn)線在完成設計后，需要進行運維仿真，通過數(shù)字孿生技術，可以持續(xù)進行運維模擬操作，通過預測裝備或系統(tǒng)的健康狀況、使用壽命及任務執(zhí)行情況進行數(shù)據(jù)評估和監(jiān)控，其三維維護系統(tǒng)解決方案主要通過數(shù)字化應用實現(xiàn)，覆蓋運維全環(huán)節(jié)[8]。

6 結語

為了保證制造生產(chǎn)的平穩(wěn)發(fā)展，培育出新的經(jīng)濟增長點，從而實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)的有效改善，降低作業(yè)成本目標，利用FMS柔性制造生產(chǎn)線這一大型、復雜的離散動態(tài)系統(tǒng)可以為制造車間生產(chǎn)線優(yōu)化提供較為科學的方案。文章通過FlexSim軟件進行FMS柔性制造生產(chǎn)線的技術研究，通過該軟件的應用，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，能夠為多品種工件、中小批量的高效生產(chǎn)的實際運行提供理論參數(shù)，促使FMS柔性制造生產(chǎn)線的實際系統(tǒng)，在設計上滿足設計要求?，F(xiàn)階段，科技飛速進步，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軟件進行FMS柔性制造生產(chǎn)線的仿真，同時需要將其他的工藝、流程和運維仿真技術融合使用，以此提升多維度仿真效果，提升FMS柔性制造生產(chǎn)線的設計精度。

引用

[1] 李雯,楊春霞,王博.基于Flexsim的制造車間生產(chǎn)線仿真優(yōu)化研究[J].太原科技大學學報,2019,40(6):482-486.

[2] 閆華,黎麗榮,萬飛,等.基于排隊論的智能倉庫機器人數(shù)量需求分析[J].兵器裝備工程學報,2020,41(3):102-105.

[3] 楊艷芳,楊秒,舒亮,等.考慮工序剛性約束的自動化裝配生產(chǎn)線多目標優(yōu)化研究[J].機械工程學報,2020,56(7):181-192.

[4] 趙小松,趙舒萌,劉娜,等.考慮疲勞和恢復的混流裝配線平衡問題[J].系統(tǒng)工程學報,2020,35(2):265-275.

[5] 郭偉飛,雷琦,宋豫川,等.基于虛擬零部件的零等待約束復雜產(chǎn)品綜合調(diào)度算法[J].機械工程學報,2020,56(4):246-257.

[6] 周炳海,費芊然.考慮能耗的混流裝配線物料配送多目標調(diào)度方法[J].東北大學學報(自然科學版),2020,41(2):258-264.

[7] 鄭巧仙,肖暉,李明.多約束裝配線平衡問題的知識驅動系統(tǒng)控制啟發(fā)式算法[J].湖北大學學報(自然科學版),2022,44(2):190-200.

[8] 董方方,金棟,趙曉敏,等.基于Udwadia-Kalaba方法的全向移動機器人軌跡跟蹤控制[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2022,45 (1):7-12.