第五章-自动化制造系统各分系统设计

第五章-自动化制造系统各分系统设计.第一页，共76页。第一节加工设备的选择第二节工件储运及管理系统方案设计第三节刀具储运及管理系统方案设计第四节作业计划与调度系统设计第五节检测与监控系统设计第二页，共76页。第一节加工设备选择合理地选择加工设备，可以使企业在满足使用要求的前提下，减少购买投资、维护和运行费用，满足加工要求以及提高设备的利用率。通常可以按照加工设备选择的内容与原则进行技术可行性分析，进一步地可以把加工设备选择作为一个综合决策问题，通过分析与建模，对其进行多目标优化。第三页，共76页。一、自动化制造系统对加工设备的要求(一)工序集中

工序集中是自动化制造系统中加工设备最重要的特点之一。由于柔性制造系统是高度自动化的制造系统，价格昂贵，因此要求加工工位的数目应尽量少，并能接近满负荷运转.(二)质量

在选择设备时所涉及的质量是一种广义的质量，包括：①所制造的产品满足用户期望值的程度。②满足设备使用者对设备功能的基本要求。第四页，共76页。(三)生产率生产率是根据自动化制造系统的设计产量、利润和市场等因素决定的。高的生产率一般都会使生产成本降低，但有时也会使产品质量下降，甚至使系统的柔性降低。(四)柔性如果环境条件的变化不频繁，则会过高的柔性造成浪费。(五)成本在满足其它要求的前提下，应按成本最低的原则选择设备。在考虑成本问题时，不仅要考虑设备的购置成本，也需综合考虑运行、维护、培训等方面的成本。(六)易控制性要能实现动态调度、资源共享、提高效率，就必须在各机床之间建立必要的接口和标准，以便准确及时地实现数据通讯与交换，使整个系统能协调地工作。第五页，共76页。二、选择加工设备的内容和原则自动化制造系统的加工设备通常为数控机床，重点讨论数控机床选择的内容与原则。(一)选择加工设备的类型 加工设备的类型通常在总体设计中确定，主要考虑解决生产“瓶颈”的需要，被加工对象的加工工艺，设备的最佳加工对象和范围、生产率、价格、机床配置形式等多种影响因素。(二)选择加工设备的规格数控机床最主要的规格为工作台尺寸与承载能力，工件的最大回转和加工直径，行程范围和主轴电动机功率等，主要根据选定零件族的典型零件或零件尺寸范围进行选择。第六页，共76页。1)工作台一般应选择比典型零件稍大一些的工作台面，以便留出安装夹具所需的空间，同时工件小于工作台时，一般不会发生工件与机床换刀空间干涉及其在工作台回转时与护罩件干涉等问题。2)三个直线坐标的行程范围加工中心的工作台面尺寸和三个直线坐标行程都有一定的比例关系。3)主轴电动机功率与转矩根据典型零件毛坯余量的大小，所要求的切削力，要求达到的加工精度，能配置什么样的刀具等因素综合考虑。4)转速范围当需要高速切削或超低速切削时，还应关注主轴的转速范围是否满足要求。第七页，共76页。5)最大工件直径对于回转类零件，应考虑最大直径和长度，通常受到主轴孔径、床身长度、床身上最大工件回转直径和最大加工直径的限制。6)其它技术参数包括切削进给速度、数控轴数和联动轴数等均应满足典型工件加工要求。但增加坐标数，机床的价格会大幅度增加。(三)选择加工设备的精度机床的精度等级主要根据典型零件关键部位加工精度的要求来确定，以加工中心为例，应考虑以下问题。第八页，共76页。1)定位精度与重复定位精度定位精度与重复定位精度是最主要的指标，它们综合反映了各运动零部件的综合精度。2)铣圆精度3)其它精度指标根据实际需要还应考虑其它精度指标。4)应注意有关验收的问题应注意验收采用的标准，不同标准的评定方法测出的精度数值不同，其允差指标也就不同5)工步间(在线)检测装置第九页，共76页。(四)选择数控系统选择数控系统时应遵循以下原则：1)选择数控系统时考虑与外部支持软件相适应2)根据数控机床的使用指标选择数控系统在可供选择的数控系统中，它们的性能高低差别很大。应根据需要选择，不能片面追求高指标，以免造成浪费。3)根据性能要求选择数控系统功能4)同一个自动化制造系统中各台加工设备的控制系统尽可能一致，以方便使用与维护。第十页，共76页。(五)选择刀具型式、自动换刀装置及机床刀库1)尽量选用结构简单和可靠性高的自动换刀装置（ATC），选择ATC主要考虑的是换刀时间与故障率。2)机床刀库的容量以满足一个独立的复杂加工程序对刀具的需要为原则。根据使用经验；立式加工中心上选用20把左右刀具容量的刀库，在卧式加工中心上选用40把左右刀具容量的刀库基本上能满足需要。3)选用刀具预调仪4)慎重选择刀柄、刀具及附件第十一页，共76页。(六)选择特殊订货项目选择时应注意以下问题：1)注意配套性如果价格不高，对使用带来很多方便的，也应尽量选用。2)自动交换工作台选择是否选择自动交换工作台主要取决于该机床是否进入自动物料流系统。3)回转工作台的联动通常卧式加工中心均配置数控回转工作台，以便在一次装卡下就能进行多面加工。4)在不同机床上通用的附件，应从全局的角度考虑，以实用、经济为目的。第十二页，共76页。(七)技术服务通常应考虑如下问题：1)一定期限的免费保修。2)供货方应能提供长期迅速的维修服务，最好就近有培训和售后服务点。3)在现场进行程序编制人员和操作人员的操作培训以及机械和电气维修人员的保养与维修培训。4)在供贷方培训中心对程序编制人员、操作人员、维修人员进一步的技术培训。5)供贷方协助对典型工件作工艺分析，进行加工可行性工艺试验以及承担成套技术服务，包括工艺装备设计、程序编制、安装调试、试切工件，直至全面投入生产。第十三页，共76页。第二节工件储运及管理系统方案设计自动化制造系统，特别是柔性制造系统的工件储运及管理系统对制造系统的生产效率、复杂程度、投资大小、系统运行可靠性等影响很大，方案设计时应进行多方案分析论证。下面讨论其中的几个主要问题。第十四页，共76页。(一)输送型式选择选择输送型式时主要考虑自动化制造系统的规模、输送功能的柔性、易控制性和投资等因素。直线型一般适用于小型的自动化制造系统。直线型和环型输送方式的柔性是有限的，输送柔性最大的是网型和树型，但它们的控制系统比较复杂。从已运行的自动化制造系统如柔性制造系统FMS来看，环型输送型式应用最多，其次是直线型。从发展情况看，随着各种自动导向车的研制和应用，网型和树型的应用会逐渐增多，特别适合于中、小批量多品种生产的自动化制造系统。第十五页，共76页。(二)工件输送设备的选择几种常用工件输送设备的适用范围见表5—2。除了表中所列的设备外，搬运机器人常用于转运工件及输送回转体工件和刀具。同时由于搬运机器人工作的灵活性强，具有视觉和触觉能力，以及工作精度高等一系列优点，近年来在自动化制造系统中应用越来越广。值得指出的是，近年来自动导向小车(AGV)开始广泛应用于自动化制造系统的实际工作，它具有以下几个方面的优点：第十六页，共76页。1)较高的柔性很容易改变、修正和扩充AGV的移动路线。2)实时监视和控制控制计算机可以实时地对AGV进行监视与控制。当作业计划改变时，可以很方便地重新安排小车路线或为紧急需要服务。3)安全可靠AGV通常由微处理器控制，能与控制器通讯，防止碰撞，能低速运行，定位精度高，具有安全保护装置等。4)维护方便。第十七页，共76页。选用AGV时主要考虑以下指标：①外形尺寸(一般长度从750～2500mm，宽450～150mm，高550～650mm)；②载重量(50—2000kg，选择载重量时除了工件重量外还应考虑托盘和夹具的重量)；③运行速度(10—70m/min)；④转弯半径；⑤蓄电池的电压以及每两次充电之间的平均寿命；⑥安全设备是否有安全杠、警报扬声器及警告灯。全速行驶时的紧急刹车距离；⑦载物平台的结构；⑧控制方式；⑨定位方式；⑩兼容的控制计算机类型。第十八页，共76页。(一)仓库形式的选择自动化仓库一般分为立体库和平面库两类。除了大型工件往往采用平面库外，一般工件常用立体库。平面库是在车间输送平面内的布局形式，通常有直线型和环型两种。立体仓库由存放货架、自动存取的搬运设备和输入输出站组成。所使用的自动存取搬运设备为堆垛式起重机。第十九页，共76页。(二)立体仓库布局形式的选择立体仓库布局形式的选择主要与仓库的存储数量、进出库频率、系统的总体布局、外部设备以及存放物料的规格等有关。立体仓库的几种布局形式及适用范围见图5—2。三、工件储运管理系统功能自动化制造系统的工件储运管理系统的功能主要包括：对工件物流系统各部分的控制，控制信息的处理和对AGV及自动化仓库的管理。作为管理系统，应具备信息存贮和处理等方面的功能，如与上层的信息交换，数据库的维护、统计、查询及报表处理的功能等。第二十页，共76页。(一)物流系统的控制一般来说，工件物流系统由自动化仓库、物料识别装置、物料运输系统和上下料站组成。其中主要部分是自动化仓库和运输系统，它们通常由专业厂提供。相应的控制装置不需用户设计，用户只需通过通信接口，对其动作进行控制并接收反馈信息。物流系统的控制功能体系如图5—3所示。第二十一页，共76页。图5-3物料系统控制功能物料系统控制功能自动化仓库控制物料识别控制物料运输系统上下料站控制入库的处理出库的处理与AGV交换零件堆垛起重机控制报警处理接受的工作缓冲的位置传送的工作方向控制伺服运转控制检测控制装卸工件控制安全控制充电控制物料进入控制物料取出控制故障检测及控制第二十二页，共76页。(二)AGV的管理AGV系统管理的目的，就是确保系统可靠运行，最大限度地提高物料通过量，使系统生产效率达到最高水平。1)交通管制在多车系统中，为了避免车辆之间的碰撞，系统必须具备交通管制功能。当前最广泛流行的AGV交通管制采用区间控制法。2)车辆调度车辆调度的目的就是使AGV系统实现最大物料通过量的目标。3)系统监控为了保证系统的正常运行，避免因故障等原因造成损坏，需对AGV系统进行监控。目前实现监视可有两个途径：定位器面板和工业摄像机。第二十三页，共76页。(三)自动化仓库的管理自动化仓库的管理除了实现控制功能以及有关信息的输入与预处理外，还应具备下列主要功能：1．帐目管理2．库存管理为了满足生产的需要，仓库库存货物应有一定的数量，库存量太多，会造成资金积压及管理费用增加；库存量太少，则会影响正常生产。第二十四页，共76页。3．货位管理货位管理是计算机管理系统的一个重要功能。出、入库的货位应按照一定的原则来分配。货物的存放方式有：1)定货位存放方式2)自由货位存放方式

出库原则是人先出，先出零散，尽量腾出货位。除遵循上述原则外，还与工艺要求密切相关。第二十五页，共76页。3)划分区域随机存放方式对于品种较多或每个品种要求存放货物规格大小不同时可用这种方式。这是前面两种存放方式混合应用。4)信息跟踪的数据管理由于同一物品在原料、半成品、成品状态有不同的要求，应按不同品种处理。第二十六页，共76页。第三节刀具储运及管理系统方案设计刀具自动储运及管理系统是自动化制造系统的一个重要组成部份。通过对各种自动化制造系统的分析，人们发现刀具系统的投资和可靠性应是应充分考虑的两个因素。在典型的加工系统中，安装刀具、更换刀具和装夹工件的非生产性时间通常大于实际切削时间。因此最优管理自动化制造系统中的刀具对提高系统总体效率起着不可忽视的重要作用。第二十七页，共76页。一、刀具储存策略有两种主流形式：一、是只在机床上配置一定容量的刀库，这种配置形式的缺点是每台机床的刀库存刀容量有限，当自动化制造系统加工的工件种类增加时，加工机床经常不得不停下来更换刀具，因而不能有效并长时间地连续生产。二、是除了机床刀库外设置独立的中央刀库，采用换刀机器人或刀具输送系统(有时，刀具输送、工件输送和工具输送可以共用一套输送系统)。为若干台加工机床进行刀具交换服务。采用这种形式的设计，中央刀库容量可以增大。第二十八页，共76页。二、刀具管理系统构成(一)刀具管理系统的设备构成一个典型的、具有自动刀具供给系统的刀具管理系统的设备构成如图5—8所示。它由刀具准备车间(室)、刀具供给系统和刀具输送系统等三部分组成。刀具准备车间(室)：包括存放暂时不用的刀具、刀柄及附件的部件库、条形码打印机、刀具装卸站、刀具刃磨设备、刀具颈调仪等。刀具供给系统：包括条形码阅读器、刀具进出站和中央刀库等部分。刀具运输系统：包括装卸刀具机械手、传送链(或运送小车)等刀具输送装置。第二十九页，共76页。(二)刀具管理系统的功能构成刀具管理系统的功能可分为四个部分，如图5—9所示。(三)刀具管理系统软件构成刀具管理系统软件构成如图5—10所示，它主要描述软件模块的组成及与外部软件的关系。第三十页，共76页。图５－９刀具管理系统功能构成刀具信息管理刀具计划管理在线刀具静态管理在线刀具动态管理＊刀具数据库＊刀具初始化＊统计报表……＊刀具需求计划＊刀具采购计划＊刀具准备计划＊刀具下线计划＊刀具进出线管理＊机床刀库配置＊刀具状态管理＊刀具寿命管理＊刀具实时调度＊刀具实时监控＊紧急情况处理……刀具管理系统功能第三十一页，共76页。图５－１０刀具管理系统软件构成条形码阅读机数据采集模块刀具信息管理模块刀具准备管理模块在线刀具静态管理模块在线刀具动态管理模块数据库刀具管理系统刀具预调数据采集模块CAPP采购管理系统生产调度管理系统机床控制器刀具输送检测模块第三十二页，共76页。三、刀具管理系统功能设计(一)刀具信息管理1．刀具信息刀具信息主要有以下几类：1)刀具编码信息2)刀具基本属性3)刀具组件结构参数4)刀具切削参数5)刀具补偿信息这是由刀具预调仪在预调后产生的刀具补偿信息.6)刀具实时位置信息7)刀具实时状态信息第三十三页，共76页。2．刀具信息管理功能(1)刀具数据库维护1)数据库权限管理。2)数据库备份。3)数据库修改。4)数据库维护。(2)刀具初始化(3)刀具预调数据采集与处理(4)统计、查询、报表生成第三十四页，共76页。(二)刀具计划管理刀具计划管理的目的是保证刀具的正常供应。1．刀具需求计划2．刀具采购计划刀具采购需求计划主要包括：1)现有刀具的寿命将到期，且已列入刀具需求计划的刀具，作出采购安排。2)因刀具破损需补充。3)列入近期需求计划的刀具缺件。3．刀具准备计划4．刀具下线计划第三十五页，共76页。(三)在线刀具静态管理1．刀具进出线管理2．机床刀库配置3．刀具状态管理4．刀具寿命管理第三十六页，共76页。(四)在线刀具动态管理1．刀具实时调度在加工作业计划中插入临时性作业时，要求同时提出加工该零件所需的刀具，完成加：过程中刀具信息的功能处理。2．刀具实时监控主要有刀具破损监控、磨损监控和刀具寿命监控。实现刀具寿命监控的必要条件CNC系统应具有刀具使用时间累计的功能，并作为刀具数据记录中的一项。3．紧急情况处理保证机床在出现刀具破损等突发事件时，能最快地恢复正常加工。第三十七页，共76页。

20世纪初，调度问题在制造业得到了重视。调度理论研究的开始于Johnson，目前共有20000多篇关于调度问题的文献发表，其中包括Muth、王凌等九篇专著。近20年来，关于遗传算法、模拟退火算法、神经网络算法、模糊数学、学习推理等方面的研究十分活跃，已成为理论与应用研究的热点之一，它们被称为计算智能技术。(ComputationalIntelligence,CI)。本课题研究的算法涉及上述多种计算方法。不同于人工智能(ArtificialIntelligence,AI)，计算智能依赖于数值而不是知识，正是由于使用了计算智能技术才使机器智商(MachineIntelligenceQuotient,MIQ)成为可能。第四节作业计划与调度系统设计第三十八页，共76页。车间调度数学模型建立基于遗传算法的静态作业车间调度研究大规模动态作业车间调度的研究应用实例与分析第三十九页，共76页。一、车间调度建模

车间调度问题的研究主要集中在建模和算法设计两个方面。本节主要研究了调度复杂性、有关调度建模中的调度问题数学描述、调度算法中用到的调度规则与调度指标等基本理论。为后续基于遗传算法和混合启发式算法的作业车间调度问题的建模和算法设计作基础。第四十页，共76页。（一）、调度的计算复杂性

算法对时间和空间的需求量称为算法的时间复杂性和空间复杂性。问题的时间复杂性是指求解该问题的所有算法中时间复杂性最小的算法的时间复杂性，问题的空间复杂性的定义与此相似。按照问题的难易程度，可将问题分为P类、NP类和NP完全类。车间调度问题的复杂性可表示为问题规模为n×m（n为工件数；m为加工设备数）的函数，对于10×10的调度问题，其解空间2.35×1092,用一台每秒可执行百万次的计算机约需7.6×1078年才能找到最优解。因此，用穷举法来解决大规模的车间调度问题是不切合实际的。第四十一页，共76页。（二）、车间调度的数学描述（1）工件集P={P1,P2,...,Pn}，其中Pi为第i个工件，i=1,2,...,n；（2）机器集M={ml,m2,...,mm}，其中mj为第j号机器,j=1,2,...,m；（3）工序序列集OP={op1,op2,...,opn},opi={opi1,opi2,...,opim}为工件Pi的工序序列。OpIk为第i个工件在第k道工序使用的机器号。opik=0表示工件Pi在第k道工序不加工,k=1,2,...,m；（4）每个工件使用每台机器的时间矩阵T，tij∈T为工件Pi使用机器mj的时间。当tij=0时表示工件Pi不使用机器mj。

第四十二页，共76页。（5）某些组装件Pi（i=1,2,…,t）在某个工序需组合加工，即零件Pi1(i1=1,2,…,t)的第j1道工序与零件Pi2(i2=1,2,…,t)的第j2道工序同在机器Mk上加工，且ti1j1=ti2j2（6）零件可以开始加工的最早开工时间为ri(i=1,2,…,N)。第四十三页，共76页。约束条件 1．优先顺序约束（三）、约束条件与动态问题第四十四页，共76页。2．加工约束条件①某一时刻一台设备只能加工一个零件②同一零件在某时刻只能在一台设备上加工；③零件的工序一旦开工，必须完成；④每个零件必须在上道工序完成后，才能进入下道工序；⑤允许零件在工序间等待，允许设备闲置；⑥存在组合工序，即某零件的一工序与另一零件的某工序在某一时刻在同一设备上，同时开工、完工。

第四十五页，共76页。动态问题：

（1）设备状态（2）急件插入、零件废返（3）工作日历第四十六页，共76页。

本课题使用了EDD（交货期最早）规则、优先权规则、利用率最低规则以及启发式规则。（四）、车间调度规则与性能指标第四十七页，共76页。二、基于遗传算法的静态作业车间调度研究

GA是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型,它是由美国Michigan大学的J.Holland教授于1975年首先提出的.其主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换,搜索不依赖于梯度信息.它尤其适用于传统搜索方法难于解决的复杂和非线形问题,可广泛用于组合优化、机器学习、自适应控制、规划设计等领域,是21世纪有关智能计算中的关键技术之一.（一）、遗传算法（GeneticAlgorithm）简介第四十八页，共76页。（二）、作业车间调度问题的遗传算法

定义为一个五元组GA=(C,F,PO,O,Par),式中C表示个体染色体的编码方法；F表示个体的适应度评价函数；PO表示问题的初始解群；O表示一组基本的遗传操作，包括选择算子、交叉算子和变异算子；Par表示遗传算法的参数，包括群体规模N、交叉概率PC和变异概率。第四十九页，共76页。

对于大多数企业来讲，工艺路线相对固定，因此在本课题中，采用了基于工序的编码方式。该调度编码为工序的序列，每个基因代表一道工序。1. 基因编码第五十页，共76页。

以完工时间最小和关键设备利用率最大为目标的多目标调度问题，其适应度函数如下：f（x）＝w1×a（x）－w2×b（x）注：该式表达目标间的逻辑关系，在程序中需对a（x）、b（x）的量纲进行统一。

2. 适应度函数第五十一页，共76页。第五十二页，共76页。三、大规模动态作业车间调度的研究

船舶柴油机的生产属于大规模离散生产类型 ①产品品种多，规格多变； ②设备种类多，且加工范围较广； ③生产管理难度大，生产周期长； ④产品各部件之间的时序约束关系和成套性要求严 格，约束条件复杂多变； ⑤存在各种动态问题。（一）、船舶柴油机的生产特点第五十三页，共76页。（二）、作业计划建模与算法设计

提出了分层网络计划的生产计划模型，并且给出一种新的基于启发式算法的作