虛擬制造中FMS集成規(guī)劃技術(shù)研究

虛擬制造中FMS集成規(guī)劃技術(shù)研究來源：無線測溫FMS是由加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和信息流系統(tǒng)組成的一種高度自動化和柔性化的制造系統(tǒng)，可實現(xiàn)幾種、幾十種甚至上百種零件的自動混流加工。然而，這種系統(tǒng)的投資較大，設(shè)計規(guī)劃和控制調(diào)度問題相當(dāng)復(fù)雜，系統(tǒng)在正式建立與運行之前，難以對系統(tǒng)的效益和風(fēng)險進行確實而有效的評估。而虛擬制造VM(VirtualManufacturing)技術(shù)建立的FMS集成規(guī)劃系統(tǒng)，可有效地協(xié)調(diào)FMS從設(shè)計到實際各個階段的關(guān)系，在實施方案前就達到系統(tǒng)最優(yōu)化的目的。1虛擬制造虛擬制造是指在計算機上實現(xiàn)與產(chǎn)品全生命周期相關(guān)的所有過程與活動，其本質(zhì)是采用計算機仿真CS(ComputerSimulation)與虛擬現(xiàn)實VR(VirtualReality)技術(shù)，通過虛擬環(huán)境中的三維數(shù)字化模型，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、制造裝配和質(zhì)量檢驗等產(chǎn)品生命周期的全部過程。虛擬制造系統(tǒng)VMS(VirtualManufacturingSystem)是現(xiàn)實制造系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下的映射，因此在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以預(yù)測產(chǎn)品的性能、成本和可制造性，并有助于作出前瞻性的決策和優(yōu)化實施方案，從而更有效、更經(jīng)濟靈活地組織生產(chǎn)，提高決策與控制水平，使工廠和車間的資源得到合理配置，以達到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。按照與生產(chǎn)各個階段的關(guān)系，虛擬制造可分成三種類型：①面向設(shè)計的虛擬制造DVM(Design-CenteredVM)，為設(shè)計人員提供制造相關(guān)信息，以支持產(chǎn)品與過程設(shè)計優(yōu)化：②面向生產(chǎn)的虛擬制造PVM(Production-CenteredVM)，實現(xiàn)制造過程仿真，以支持生產(chǎn)方案評價：③面向控制的虛擬制造CVM(Control-CenteredVM)，對生產(chǎn)過程控制模型進行仿真，以實現(xiàn)實際生產(chǎn)過程優(yōu)化。

圖1面向FMS規(guī)劃的VMS體系結(jié)構(gòu)2虛擬制造中FMS集成規(guī)劃技術(shù)面向FMS規(guī)劃的VMS體系結(jié)構(gòu)由于VMS要處理大量不同類型的產(chǎn)品信息、制造過程的建模以及設(shè)備行為的仿真，其體系結(jié)構(gòu)必須設(shè)計成開放的形式。本文在對VMS中各類建模與仿真任務(wù)的信息獨立性分析的基礎(chǔ)上，提出了面向FMS規(guī)劃的VMS體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)將VMS建模與仿真環(huán)境劃分為7類基本活動模塊：①產(chǎn)品模型定義：根據(jù)實際產(chǎn)品信息并利用仿真服務(wù)模塊來定義開發(fā)產(chǎn)品模型：②設(shè)備模型定義：根據(jù)實際設(shè)備信息并利用仿真服務(wù)模塊來定義開發(fā)設(shè)備模型：③服務(wù)系統(tǒng)：處理各種模型的交互和仿真過程中的基本功能調(diào)用：④虛擬FMS定義：通過利用設(shè)備模型庫和仿真服務(wù)模塊來定義虛擬FMS：⑤控制系統(tǒng)：決定FMS中資源的控制調(diào)度，產(chǎn)生控制機床和操作機床的程序指令：⑥虛擬FMS仿真：將FMS中涉及的模型集成，包括上述產(chǎn)品和設(shè)備模型、控制系統(tǒng)、仿真服務(wù)，并執(zhí)行FMS仿真：⑦備對象發(fā)送消息，獲取有關(guān)機床布局型式的信息以及車間對象的空間數(shù)據(jù)。通過各有關(guān)對象之間的相互作用，F(xiàn)MS單元最終獲得機床布局設(shè)計的所有必要信息，再通過封裝在FMS單元對象中的布局設(shè)計算法完成機床布局的初步設(shè)計，然后將設(shè)計結(jié)果信息如機床坐標(biāo)位置及方位傳遞給機床對象，使機床對象的有關(guān)屬性值得到更新和修改，完成FMS布局的初步設(shè)計。此外，在虛擬FMS的實際生產(chǎn)過程時，系統(tǒng)的運作也是依靠各對象彼此之間的消息傳遞來實現(xiàn)的。FMS集成規(guī)劃系統(tǒng)為了避免以往孤立地解決FMS設(shè)計規(guī)劃和控制調(diào)度中存在的問題，使FMS生命周期內(nèi)各子問題能以一種相互關(guān)聯(lián)、集成和動態(tài)的方式得以解決。本文基于VMS體系結(jié)構(gòu)，為FMS規(guī)劃問題提出了一種具有連貫性集成框架的FMS集成規(guī)劃系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3FMS集成規(guī)劃系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計該階段針對預(yù)完成的生產(chǎn)大綱任務(wù)，以所選設(shè)備成本、加工時間、物流運輸成本為主要約束條件，確定FMS系統(tǒng)的規(guī)模、構(gòu)成和布局，包括機床設(shè)備類型和數(shù)量選擇及布局，物流系統(tǒng)的選擇或設(shè)計、系統(tǒng)布局設(shè)計、有關(guān)輔助設(shè)備的確定等并行設(shè)計過程。選擇各種設(shè)備和確定系統(tǒng)布局方案以及參數(shù)時，可參考已有的設(shè)備模型和布局模型。作業(yè)計劃該階段針對具體生產(chǎn)任務(wù)，以現(xiàn)有加工資源為主要約束條件，進行生產(chǎn)任務(wù)分批、系統(tǒng)資源靜態(tài)分配等，它屬于靜態(tài)調(diào)度，是實施動態(tài)調(diào)度的基礎(chǔ)，并涉及到工件和設(shè)備資源的具體分配。任務(wù)分配時，可參考已有的產(chǎn)品任務(wù)分配模型或調(diào)用分配算法進行計算?？刂普{(diào)度該階段以物流的通暢為主要約束條件，進行調(diào)度策略設(shè)計、調(diào)度規(guī)劃選擇、故障情況下的調(diào)度等。進行調(diào)度策略設(shè)計和規(guī)劃選擇時，可參考調(diào)度規(guī)劃庫和調(diào)度知識庫。IO接口該階段主要完成設(shè)計結(jié)果的輸出(包括系統(tǒng)設(shè)計方案、產(chǎn)品作業(yè)計劃、動態(tài)調(diào)度方案等)、驅(qū)動其他應(yīng)用系統(tǒng)或?qū)嶋H設(shè)備的運行。服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)系統(tǒng)通過信息處理生成可視化實體和生產(chǎn)環(huán)境，輔助產(chǎn)品、設(shè)備、FMS等各類對象的定義和建模以及選擇過程，并通過仿真實際的加工過程，動態(tài)顯示各種設(shè)備的瞬時性能指標(biāo)，為設(shè)計提供了更為直觀的規(guī)劃手段。評估優(yōu)化對各階段的工作進行相應(yīng)評估計算，同時與其它階段的工作進行信息交換，提出優(yōu)化方案，使系統(tǒng)在滿足優(yōu)化目標(biāo)和評價指標(biāo)的情況下實現(xiàn)快速規(guī)劃。利用該系統(tǒng)不但能及時發(fā)現(xiàn)FMS規(guī)劃中的系統(tǒng)配置、布局等方面的靜態(tài)問題，還能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度策略的缺陷，檢測出是否存在“瓶頸”環(huán)節(jié)等，并分析研究系統(tǒng)的動態(tài)特性以及多種因素交互產(chǎn)生的問題，避免了因設(shè)備采購、布局設(shè)計不當(dāng)或調(diào)度控制策略欠佳而影響系統(tǒng)建成后的實際運行效率，從而使系統(tǒng)的設(shè)計和運行更加可靠、有效。3實例分析通過對已知三類零件的加工數(shù)量、工藝路線以及各候選加工設(shè)備完成相應(yīng)工序的時間和成本分析，來設(shè)計規(guī)劃FMS。首先，依據(jù)加工費用最少原則，通過遺傳算法從候選加工設(shè)備中選擇出5臺設(shè)備：然后，依據(jù)運輸成本最少原則，利用基于圖論的最小生成樹算法求得這些設(shè)備在FMS布局中的配置次序：最后，依據(jù)物流通暢原則，利用虛擬的FMS場景，輔助確定其它各種設(shè)備如物料運儲設(shè)備和各種輔助設(shè)備的配置，并考慮它們之間在空間位置上的協(xié)調(diào)性以及車間的實際利用情況，通過比較各種方案來最終確定FMS的布局。該FMS模型可用二維和三維可視化方式建立。其中，二維模型除了可以顯示各設(shè)備的邏輯位置，還能夠通過控制程序操作包括三維模型在內(nèi)的整個系統(tǒng)的運行：三維可視化交互模型通過VRML(VirtualReali-tyModelingLanguage)格式導(dǎo)入，能夠?qū)崿F(xiàn)四維(x、y、z、t)可視化的仿真模式，不但可以通過變換視覺角度，全面考察車間的實際空間利用情況，對初步布局結(jié)果進行評估，還可以在該環(huán)境中反映制造系統(tǒng)的虛擬運作，使系統(tǒng)更加接近真實的生產(chǎn)環(huán)境。通過虛擬實際的加工制造過程，可針對具體的生產(chǎn)任務(wù)，進一步設(shè)定各種參數(shù)，如工人數(shù)量、物流設(shè)備的運動參數(shù)、緩沖站容量以及控制調(diào)度策略，必要時還可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整原系統(tǒng)布局。通過上述分析可以看出，利用VM技術(shù)構(gòu)建的FMS集成規(guī)劃系