第五章柔性制造系统的建模设计柔性制造系统的结构及主
《智能制造加工技术》第5章 柔性制造技术
3. FMS的优点及效益
1、柔性制造能力强； 2、设备利用率高； 3、减少了设备成本与占地面积； 4、减少了直接生产工人，提高了劳动生产率； 5、减少了在制品数量，提高了对市场的反应能力； 6、产品质量得以提高； 7、FMS可以逐步地实现实施计划。
5.1.1 FMS的物料管理
物料的储运系统是柔性制造系统中的一个重要组成部分。一个工件从毛坯
堆跺机
图示为双柱式堆跺机是一种 可在自动立体仓库高层货架巷 道轨道上穿梭行走,并堆高层 货架的物料仓位存取物品的专 用起重设备。为刚性起见,通 常采用框架结构。堆跺机通常 由行走机构、升降机构、货台 与装卸托盘、框架、导向机构、 控制系统和安全保护装置等组 成。
自动化仓库的计算机控制
自动化仓库的含义包括仓库管理自动化和入库、出库的作业自动化。仓库管 理自动化包括对货箱、账目、货格及其他信息管理的自动化，入库、出库的作 业自动化包括货箱或物料的自动识别、自动认址、货格状态的自动检测以及堆 垛机动作的自动控制。
3、柔性制造系统（FMS）
包括2台以上的CNC、FMM或FMC组成，其控制与管理功能比 FMC强，规模比FMC大，对数据管理和通信网络要求高。
4、柔性制造生产线（FML）
其加工设备在采用通用数控机床的同时，更多地采用数控组合 机床，如数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机 床等，工件输送线多为单线、固定，柔性较低、专用性强、生产率 高，相当于数控化的自动生产线，一般用于少品种、中大批量生产、 可以说，FML相当于专用FMS。
3.FMS的发展状况 FMS是先进制造技术的一部分，在欧美、日本、俄罗斯 有较大的发展；
1985年世界各国已投入运行的FMS有500多套，88年近 800套，90年超过1000套，目前约共有4000多套FMS在 运行；
柔性制造系统架构的设计与实现
柔性制造系统架构的设计与实现柔性制造系统（FMS）是一种具有高度自适应性、智能化和可重构性的制造系统。
它通过灵活、可变和交互式的生产过程，在具有动态变化的市场环境下实现了高质量、高效率的生产。
随着企业对生产加工环节的要求不断提高，FMS也在不断发展。
本文将就柔性制造系统架构的设计与实现进行探讨，并对其优点及未来发展进行分析。
一、柔性制造系统架构FMS架构是指生产过程中各个组成单元间的关系和交互方式。
它包含了FMS 的功能、组成部分和连接方式，同时也对系统的性能、效率和可靠性有重要影响。
目前主流的FMS架构包括以下几种：1.中央控制型FMS架构中央控制型FMS架构是传统的FMS架构，其所有的生产设备都由中央控制器控制。
它采用统一的计划和调度方式，能够保证整个生产过程的稳定性和一致性。
但是，由于生产单元之间直接交互性差，生产设备缺乏灵活性，难以适应市场快速变化的要求。
2.分散控制型FMS架构分散控制型FMS架构是一种较新的FMS架构，其特点是各生产单元之间可以直接交互，生产设备之间具有良好的灵活性。
控制层次分散，每个生产单元都配备了控制器，它们通过网络进行通信和协作。
这种架构具有优良的适应能力和快速反应能力，但由于各生产单元之间缺乏统一计划和协调，因此要求系统的智能化程度较高。
3.混合控制型FMS架构混合控制型FMS架构结合了中央控制型和分散控制型的优点，使得生产单元之间既有直接交互的能力，又能通过集中控制器进行协调和规划。
它具有灵活性和稳定性的平衡，适应性强，同时使得整个系统可以更好地实现资源的共享和生产成本的优化。
二、柔性制造系统实现FMS的实现需要多学科知识相互配合，包括机械设计、电子技术、自动控制、计算机技术等。
其中，控制是整个FMS的核心。
FMS的控制方式可以按照控制单元的不同划分为三种：集中控制、分散控制和混合控制。
FMS实现的另一个难点是数据采集和处理。
传感器和执行器是FMS数据采集和控制的重要组成部分。
柔性制造系统的建模与仿真研究
柔性制造系统的建模与仿真研究柔性制造系统（FMS）是一种能够适应不同生产需求的灵活生产系统。
在当前快速变化的市场环境下，柔性制造系统的建模与仿真研究具有重要意义。
本文将介绍柔性制造系统的概念和特点，探讨建模与仿真的方法，并讨论柔性制造系统建模与仿真研究的应用和未来发展趋势。
柔性制造系统是一种多功能生产系统，能够适应不同产品的生产需求。
其特点包括高度灵活性、自适应性和多功能性。
柔性制造系统可以根据生产任务的不同，通过调整设备、工艺和流程来完成各种生产任务。
这种灵活性使得柔性制造系统成为当前企业提高生产效率和应对市场变化的重要工具。
在柔性制造系统的研究中，建模与仿真是一种重要的方法。
建模是指将实际系统抽象为数学或逻辑模型的过程，而仿真是指通过计算机模拟实际系统的运行过程，并进行性能评估。
建模与仿真能够帮助研究人员分析生产系统的结构和运行规律，评估不同策略的性能，优化系统的设计和运行参数。
在柔性制造系统的建模过程中，需要考虑多个因素，例如设备、工艺、流程和资源等。
首先，需要对柔性制造系统的结构进行建模。
这包括对设备和工作站的建模，描述其类型、数量、功能和连接关系。
其次，需要对生产流程进行建模，包括物料流和信息流。
这可以通过流程图、Petri网和时序图等方法进行描述。
此外，还可以考虑资源分配和调度问题，以优化生产效率和资源利用率。
在柔性制造系统的仿真过程中，需要考虑不同层次的仿真模型。
首先，可以采用离散事件仿真方法，对柔性制造系统进行整体仿真。
这可以帮助研究人员了解系统的整体性能和效果。
其次，可以采用物理仿真方法，对柔性制造系统的具体设备、工艺和流程进行仿真。
这可以帮助研究人员研究系统的局部性能，并优化系统的设计和运行参数。
柔性制造系统的建模与仿真研究在实际应用中具有重要意义。
首先，建模与仿真可以帮助企业优化生产系统的设计和运行参数，提高生产效率和产品质量。
其次，建模与仿真可以用于系统的规划和决策，帮助企业预测市场需求和优化资源分配。
柔性制造系统组成部分
柔性制造系统（FMS）是一种生产方法，旨在轻松适应所生产产品的类型和数量的变化。
机器和计算机系统可以配置为制造各种零件并处理不断变化的生产水平。
柔性制造系统能够在工作站上同时处理各种不同的零件样式，并且可以根据不断变化的需求模式调整生产量，因此之所以称为FMS是灵活的。
下文介绍柔性制造系统三个基本部分。
柔性制造系统三个基本部分工作站：在当今的应用中，这些工作站通常是计算机数控（CNC）机床，对零件系列进行机加工操作。
柔性制造系统正在与其他类型的加工设备一起设计，包括检查站，装配厂和钣金压力机。
各种工作站是：加工中心、装卸站、装配工位、检查站、锻造站、钣金加工等。
在FMS中使用的加工或装配设备取决于工作的完成的类型由该系统。
在为加工操作而设计的系统中，加工工位的主要类型是CNC机床。
在某些加工系统中，执行的操作类型集中在特定类别中，例如铣削或车削。
对于铣削，可以使用特殊的铣刨机模块以达到比加工中心更高的生产水平。
铣削模块可以是垂直主轴，水平主轴或多主轴。
用于车削操作。
特殊车削模块在传统的车削中，工件相对于固定在机床中的刀具旋转，并沿平行于工件旋转轴的方向进给。
大多数FMS上制造的零件通常是非旋转的；但是，它们可能需要按其加工顺序进行一些车削。
对于这些情况，将零件在FMS上的整个加工过程中都固定在托盘固定装置中，并设计了旋转模块以使单点工具围绕工件旋转。
自动化的物料搬运和存储系统：各种自动化的物料搬运系统用于在加工站之间运输工作部件和子部件，有时将存储功能整合到一起。
自动化物料搬运和存储系统的各种功能是：工作站之间工作部件的随机和独立移动、处理各种工作部件配置、临时存放、方便地装卸工作零件、兼容计算机控制。
处理系统的功能。
FMS中的物料处理和存储系统执行以下功能：工作站之间工作部件的随机，独立移动。
这意味着部件必须能够从系统中的任何计算机移动到任何其他计算机。
为不同的零件提供各种路由选择，并在某些站点繁忙时进行机器替换。
单元五柔性制造系统(FMS)及应用
单元五柔性制造系统（FMS）及应用5． 1 产教结合型柔性制造系统5．1．1、产教结合型FMS系统的组成产教结合型FMS系统由控制分系统、信息分系统和底层设备分系统构成。
整个FMS系统，在网络、数据库及CORBA的基础上，建成了一个以计算机控制技术和通信技术为支持的、以两台数控加工设备为基本的生产单位、集成化信息管理与系统总控系统为中枢的计算机控制自动化制造系统。
图5–1为产教结合型FMS的总体框架，它几乎概括了一个自动化车间生产的所有基本活动。
1. 产教结合型FMS总体结构的逻辑模型产教结合型FMS系统是由计算机对制造过程进行监测和控制的自动化系统，即计算机过程监测和控制系统。
参照图5-2所示的ISO制造企业层次模型，其中“企业”对应最高层级，“设备”对应最低层级，同时考虑到纯递阶控制的先天缺陷，因此设计的产教结合型FMS系统是一个多级递阶分布控制的模式，如图5-3。
图5-1 FMS的总体框架图5-2 ISO制造企业层次模型FMS信息及数据管理详细计划调度仿真单元控制单元控制单元控制单元控制机床机器人运输系统装卸站其它。
也可以是以上重复项目。
企业、车间层单元层设备层制造过程图5-3 FMS总体结构逻辑模型2.产教结合型FMS系统的平面布置产教结合型FMS系统平面布置如图5-4。
图5-4 FMS系统平面布置图图5-5 产教结合型FMS 现场照片3. 产教结合型FMS 控制系统的设计特点 （1）软件结构产教结合型FMS 采用如图5-6所示的模块化积木式软件结构，为控制系统的软件开发提供多层次的开放性。
图5-6 FMS 的开放式软件结构其特点主要有：1） 相对应用过程的独立性。
系统的控制功能不仅仅局限于制造领域，它也应该为装配或辅助工装准备等领域提供过程控制。
2） 相对控制层次的独立性，系统可用于任何一个递阶控制层次上。
任务对象标准通讯接口总控系统开发环境对象数据库存取通讯任务1任务2对象A 对象E 对象D 对象C对象B通讯层应用开发层应用层总控系统造总统制控系配总统装控系操作系统图形用户界面数据库编程语言系统开发层3）相对制造环境的独立性，系统适用于多种制造环境。
柔性制造系统的建模设计
根据实际生产情况和突发状况，实时调整生产计划和调度安排。
调度系统开发
利用信息技术和自动化技术，开发高效、智能的生产调度系统。
06 柔性制造系统的未来发展 与挑战
未来发展趋势
智能化
绿色环保
随着人工智能和机器学习技术的不断 发展，柔性制造系统将更加智能化， 能够自主完成更复杂的生产任务。
生产过程优化
通过柔性制造系统实现对 生产过程的优化，提高生 产效率和产品质量。
03 柔性制造系统的建模方法
建模的基本原则
完整性
模型应完整地反映柔性制造系统的所 有相关要素，包括硬件、软件、人员 和环境等。
准确性
模型应准确地描述柔性制造系统的运 行状态和性能，以便进行有效的分析 和优化。
可扩展性
模型应具备可扩展性，以便适应未来 柔性制造系统的发展和变化。
通过合理安排设备和工位的相对位置，减 少物料搬运距离和时间。
设备布局再设计
设备布局仿真与优化
通过重新设计设备布局，实现紧凑、有序 和高效的生产环境。
利用计算机仿真技术对调整后的设备布局 进行模拟和优化。
生产调度优化
生产计划制定
根据市场需求、产品特性和生产能力制定合理的生产计划。
调度算法选择
选择适合生产环境和需求的调度算法，如遗传算法、模拟退火算法等。
通过实验和仿真，优化工艺参数以提 高生产效率。
设计步骤与流程
选择合适的设备
根据工艺流程和生产需求，选择合适的制造设备和检测设备。
布局规划
合理规划设备布局，确保生产流畅，提高工作效率。
设计步骤与流程
选择控制系统
根据系统需求，选择合适的控制系统，如PLC、工业PC等。
柔性制造系统的设计和实现
柔性制造系统的设计和实现随着制造业的不断发展，工业生产方式也在不断改进。
传统的生产线模式因为生产过程不灵活，很难应对市场需求变化，生产效率低下等问题逐渐被淘汰。
柔性制造系统应运而生，它是一种高度灵活的制造方式，可以有效提高生产效率，降低生产成本，满足多变的市场需求。
本文将详细介绍柔性制造系统的设计和实现方法。
一、柔性制造系统的基本概念柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）是指利用计算机控制和自动化技术，在相对较短的时间内生产多种不同型号、不同规格、不同批量的产品的一种生产系统。
柔性制造系统就是把各种设备和机器工具，通过工艺和计算机技术，组合成一个灵活的生产线系统。
它具有生产线自动化程度高、运行效率高、生产周期短、适应性强等优点。
二、柔性制造系统设计的基本步骤1、柔性制造系统的需求分析首先，我们需要根据生产的具体要求分析制造产品的特点、生产要求、规格、交付周期、市场需求等因素，确定出所需要的柔性制造系统的功能。
2、柔性制造系统的设计根据上述需求分析的结果，设计柔性制造系统所需要的各种设备和机器工具、自动化控制系统、计算机数据系统、布局和运行流程等，并建立各个部分之间的联络机制，形成整个柔性制造系统。
3、柔性制造系统的测试与调试在完成柔性制造系统的设计之后，为了确保其稳定性和正常运行，需要进行完善的测试和调试工作。
这样就能发现并解决柔性制造系统可能存在的故障和问题。
4、系统的实施与改进柔性制造系统的实施需要从学习系统的使用，到向生产线工作人员传递使用经验和知识。
同时，还需要根据企业生产情况和市场需求不断改进柔性制造系统，提高其运行效率和灵活性。
三、柔性制造系统的实现关键技术1、自动化控制技术柔性制造系统的自动化控制技术是关键技术之一。
自动化控制系统可以实现设备和生产线的自动化控制，能够适应多样化的生产流程和工况要求。
2、集成化计算机信息技术在柔性制造系统中，计算机信息技术是必不可少的。
柔性制造系统简介
三、FMC与FMS的区别
35
四、柔性制造系统特点
◆以GT(成组技术）为基础
生产零件的品种由4至100种不等（20--30种居多） 生产零件的批量由40至2000件不等（50--200件居多） 大部分加工对象为相似零件（个别例外）
◆具有较大柔性
可加工多种零件 没有固定的生产节拍 故障可容（一台机床出现故障，其它机床可进行拟补）
5
•
•
更直观的定义是：“柔性制造系统是至少由两台数 控机床，一套物料运输系统（从装载到卸载具有高 度自动化）和一套计算机控制系统所组成的制造自 动化系统。它采用简单改变软件的方法便能制造出 某些部件中的任何零件”。 综上所述，各种定义的描述方法虽然有所不同，但 都反映了FMS应具备以下特点： 1) 两台以上的数控机床或加工中心以及其他加 工设备，包括测量机、清洗机、动平衡机、 各种特种加工设备等； 2) 一套能自动装卸的运输系统，包括刀具储运 和工件及原材料储运。具体结构可采用传输 带、有轨小车、无轨小车、搬运机器人、上 下料托盘站等； 3) 一套计算机控制系统及信息通信网络。
（6）作业计划与调度
12
二、柔性制造系统的适用范围
10000
大
1000
刚性自动线 专用机床 柔性制造生产线
100
生产率提高
零 件 批 量
柔性增大
柔性制造系统
10
柔性制造单元 数控机床通用机床
0 10 100 1000
小
少
零件品种数
多
13
1-3 柔性制造系统的结构和分类
一、FMS的结构
信 息 流
工夹具站
1717主刀头换刀机构工作台控制面工作台底座立式加工中心1818卧式加工中心1919立卧转换五面体加工中心2020数控铣床数控车床212122装配设备装配设备装配工业机器人螺钉自动装配机器人222233检测设备检测设备232344输送装置输送装置242455交换装置交换装置252566装卸站装卸站262677保管装置保管装置自动化立体仓库272788信息管理及控制装置信息管理及控制装置2828cadcapp工艺路线车间控制器单元控制器dnc控制器计划需求管理cnc机床1nc程序管理nc程序生产计划计划完成情况生产计划系统cnc机床n物料管理工装工具管理计划完工管理设备管理质量管理综合查询机床运行状态erp292999辅助设备辅助设备3030随着微电子技术计算机技术通信技术机械随着微电子技术计算机技术通信技术机械与控制设备的发展也促使柔性制造技术日臻成熟与控制设备的发展也促使柔性制造技术日臻成熟如今如今fmsfms已成为各工业化国家机械制造自动化的研制已成为各工业化国家机械制造自动化的研制发展重点发展重点按规模大小分类的柔性制造系统柔性自动生产线fml柔性制造工厂fmf柔性制造单元fmc柔性制造系统fms3131fmcfmc由由1122台数控机床台数控机床或加工中心或加工中心构成的加构成的加工单元并具有不同工单元并具有不同形式的刀具交换和工形式的刀具交换和工件的装卸输送及储件的装卸输送及储存功能
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（3）加工过程中的浪费； （4）库存是费；
（5）搬运的浪费；
（6）动作的浪费；
（7）窝工是浪费。
3.精良生产的运行模式 精良生产运行：拉取模式、准时制原则与看板反馈控 制 1）拉取模式 精良生产的基本思想：杜绝浪费。 精良生产的组织管理——实施拉取模式 ， 定单——生产 后道工序——前道工序
2）准双机床单向调动 有若干道工序，都在两台机床（M1、M2）上加工，顺序相同，先M1 后M2 ， 调动的结果是得到最大的流通时间为最小的调度序列。
调度结果： （4 6 5 3 1 2）
3.三机床单向调度
1) 方法： 三机床单向调度转变为双机床的单向调度 若满足条件： 第二台机床上的加工时间不大于第一台机床或第三台 机床上的加工时间；
2）多行机床等面积布局
b.多行等面积机床布局模型：
n1 n
min cijfij(xixj yiyj) i1ji1
xi xj yi yj 1
i = 1,2 …, n-1
i = 1,2 …, n
xi，yi 0
i = 1,2 …, n
3）多行机床不等面积布局 a.机床布局
3）b.多行不等面积机床布局模型：
在准确的时间、 准确的地点
提供准确的数量 与质量的物品
—— 给准确需要的人 3）看板
看板：信息传递的模板——信息流———推动生产 信息载体 卡片 网络与显示屏
看板的作用分为5类： 生产看板 供应看板 采购看板 转包看板
及辅助看板。
生产看板
供应看板
1）不附加任何条件的调度： 调度规则：工序时间短的向前排，
工序号 1 2 3 4 5 6
工序时间长的向后排；
加工时间 4 7 1 6 2 3
调度结果：（3，5，6，1，4，2）
2）附加交货期限的调度： 调度规则：交货时间短的向前排，
交货时间长的向后排。
工序号 1 2 3 4 5 6 加工时间 1 1 2 5 1 3 交货日期 6 3 8 14 9 3 调度结果：（6，2，1，3，5，4）
2) 步骤：1）用第一台机床与第三台机床上的加工时 间分别加上第二台机床上的加工时间，构造虚拟机床；
2）按双机床单向调度。 3）校核进度是否出现明显的延误。
3）三机床单向调度示例：
有n道工序，在三机床上加工，单向， M1 ， M2 ，M3，调度排序。
4） 进度表： 1）M1 按调度序列累加M1 的时间； 2） M2按调度序列累加M1 +M2 的时间； 3）M3按调度序列以M1 +M2 + M3比较与累加时间。
第五章柔性制造系统的建模设计柔性制造系统的结构及主
5.2 资源规划模型 概念：资源规划就是依据生产规模确定生产系统中各类设备的台、套数 。 简单模型：
N
m th
Tc
60
tw Tc Tf
w ts
m t
5.3 机床布局模型 机床布局 —— 输送链，有四种方式
5.3 机床布局模型
1. 机床布局的目标：以输送费用为最小确定机床的分布与布局； 2. 模型：1）单行机床排列；a.机床沿一条线排列； b. 机床的朝向
一致。
3. c. 参数：n cij fij
d.单行机床布局模型：
n1 n
min
cij fij xi xj
i1 ji1
x i x j 1 /2 li lj d ij
i = 1,2 …, n-1
j = i+1, …, n
xi 0
i = 1,2 …, n
2) 多行机床等面积布局 a.机床布局方式
5.5精良生产 1. 精良生产的产生原因和原理
一战以后，大批量生产方式代替单件生产。一辆汽车耗用成本仅为单件的1/3。 二战以后，日本经济萧条 ，用一种新的生产方式来与大批量生产抗衡 ，在汽车 的车身制造的换模技术上，发明快速的移动式上模与撤模技术，产生精良生产
2. 精良生产对浪费的定义
（1）修复次品是浪费； （2）过量生产是浪费；
n1 n
min cijfij(xixj yiyj) i1ji1
xixj M ij z1 2(lilj)dihj
y i yj M (1 zi) j1 2(b i b j) d ivj
zij1zij 0
xi，yi 0
5.4 调度模型 零件在机床中的传送方式 单向
双向
1.单机床上的多道工序的调度模型