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

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（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（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。

柔性制造系统的构建与应用柔性制造系统是一种集成了多种自动化技术和软件系统的生产方式，它的目的是在不同的生产需求下实现灵活快速的生产，提高生产效率和产品质量。

柔性制造系统的核心技术是数据通信和控制系统，这两个技术的发展使得柔性制造系统得以实现。

一、柔性制造系统的构建技术1. 自动化技术自动化技术是构建柔性制造系统的基础，包括传感器、执行器、机器视觉、机器人等技术。

传感器是获取生产环境信息的装置，通过传感器可以实现物料的自动化处理和产品的质量检验。

执行器包括液压、气动、电动等，它们负责生产过程中的运动和加工。

机器视觉是利用计算机技术完成对物体视觉的感知和理解，可以用于生产过程中的检测和测量。

机器人是最重要和最复杂的一类自动化设备，可以完成许多重复性和复杂工作，提高生产效率和质量。

2. 控制系统控制系统是柔性制造系统中最为关键的部分，控制系统的功能是控制生产过程中各个环节的运行，使整个生产过程实现自动化和灵活性。

控制系统包括硬件和软件两部分，硬件包括PLC、仪表、传感器等，软件包括控制程序、HMI等。

控制系统的设计需要考虑到生产过程的各项要素，包括生产工艺、设备的运行方式、物料流等。

3. 智能算法柔性制造系统需要处理的生产变量和外界环境都是不确定的，这就需要引入智能算法来实现优化控制和管理。

其中包括人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法等技术。

这些算法不仅可以优化生产系统的运行，还可以实现智能化管理和决策。

二、柔性制造系统的应用柔性制造系统的应用领域非常广泛，涵盖了各行各业的生产制造领域。

下面针对几个行业进行介绍。

1. 汽车制造柔性制造系统在汽车制造领域的应用相对成熟，例如汽车装配线、涂装线等。

汽车装配线是一种高度自动化的生产方式，可以根据订单类型对生产流程进行组合，实现灵活生产。

涂装线是通过自动化技术和工艺控制技术实现油漆涂装过程的自动化。

这些柔性制造系统的应用使汽车制造业实现了高效率、高质量、低成本的生产。

柔性制造系统组成柔性制造系统（FMS）是一种集成了计算机控制技术、自动化技术、信息技术和生产技术的生产模式。

它包括计算机控制的生产设备集成在一起，通过自动化程度高、柔性性强、信息化程度高的技术手段实现生产工艺的灵活高效。

柔性制造系统能够进行多品种、小批量的生产，并可以快速调整生产的生产能力和生产计划。

下面是柔性制造系统组成的详细介绍。

一、计算机控制系统计算机控制系统是指通过计算机进行生产流程控制的系统。

它包括计算机硬件、软件等基础设施，具有数据采集、处理、传输等功能。

计算机控制可以对生产过程进行实时在线监控，同时实现对生产工艺的在线管理和控制。

二、生产设备生产设备是柔性制造系统的核心组成部分。

它包括各种生产设备，如数控加工中心、机器人、自动装卸系统、搬运机器人等。

这些设备通过计算机集成在一起，形成生产线，能够实现高效、自动的生产。

三、工作站工作站是指生产作业的工作场所，包括机器操作员、手动装配人员等.在柔性制造系统中，工作站可以采用自动化技术，实现部分和全自动操作，从而确保生产过程高效、准确、稳定。

四、机器人机器人是柔性制造系统的重要组成部分，可以根据程序控制实现自动化操作。

在生产过程中，机器人可以代替人手完成复杂的生产任务，从而提高生产效率并降低生产成本。

五、自动化运输系统自动化运输系统是指通过计算机控制的自动化运输设备，如AGV、立体仓库等。

这些设备能够自动地搬运半成品和成品，并在不同的工作站之间进行自动运输。

六、信息系统信息系统是柔性制造系统的关键组成部分。

它包括生产计划编制系统、生产执行系统、质量管理系统等。

信息系统通过对生产数据的采集、分析和处理，可以实现生产和生产管理的有效控制。

七、生产计划编制系统生产计划编制系统是柔性制造系统中的一个核心部分，它可以采用人工、电脑或者是两者结合的制定生产计划方法来确定各个生产环节的制造流程和生产计划，并在计划期间进行跟踪控制，及时的调整生产进度，确保生产计划能够按照计划时间完成。

柔性制造系统的设计与优化随着科技的不断发展，人们对于生产效率及制造设备的要求也越来越高，而在这样的背景下，柔性制造系统应运而生。

柔性制造系统是一种能够在短时间内适应不同生产任务的制造系统，它能够适应生产线上的产品变化、生产工艺的变化以及产量的变化，从而实现高效率的制造。

下面，我们将探讨柔性制造系统的设计与优化。

一、柔性制造系统的设计1. 系统结构设计在柔性制造系统的设计中，系统结构设计是非常重要的一步。

柔性制造系统的基本结构通常被分为三个层次：控制层、执行层和制造层。

控制层是整个柔性制造系统的控制中心，它通过上位机来控制整个制造系统的生产过程。

执行层负责机器人的控制和操作，控制层和执行层之间通过总线进行数据传递和通信。

制造层则是物流系统和工厂环境的综合体，负责材料的输送和仓储管理等工作。

2. 设备选择与布局设计设备的选择是柔性制造系统设计中的一个关键环节。

选择合适的设备可以提高生产效率和生产质量。

在设备选择上，首先要考虑设备的稳定性和可靠性，其次是设备的生产速度和生产能力。

同时，在实际生产过程中，还需根据产品的特点和生产工艺的特点来选择合适的设备。

在柔性制造系统的布局中，需要考虑设备间的运输和传递，同时还需要考虑设备的排布位置是否符合生产流程和生产计划。

合理的设备排布可以提高生产效率和生产质量，同时还可以减少人力和物力资源的浪费。

3. 操作系统设计柔性制造系统的操作系统是整个系统的核心，它通过编写代码，来完成自动化生产过程中的控制和管理。

操作系统设计需要考虑到系统的可靠性、实时性和功能性。

实时性：柔性制造系统的操作需要实时响应，所以操作系统设计需要保证系统的实时性，来保障整个生产过程的顺利运行。

功能性：操作系统需要具备多种功能，可以操作和管理不同的设备和机器人，可以进行生产计划的制定和调整。

可靠性：操作系统需要具备高度的可靠性，来保障整个制造系统的稳定运行。

二、柔性制造系统的优化1. 运行效率优化柔性制造系统的运行效率优化是提高制造效率和生产质量的一个重要环节。

柔性制造系统柔性制造／⾃动化物流系统⽅案⼀、概述随着科学技术的迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之增加，⽽产品的市场寿命⽇益缩短，更新换代加速，中、⼩批量⽣产占有越来越重要的地位。

⾯临这—新的局⾯，必须⼤幅度提⾼制造柔性和⽣产效率，缩短⽣产周期，保证产品质量，降低能耗，从⽽降低⽣产成本，以获得更好的经济效益。

柔性制造系统正是在这种形势下应运⽽⽣的。

柔性制造系统是由数控加⼯设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的⾃动化制造系统。

它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或⽣产环境的变化迅速进⾏调整，以适宜于多品种、中⼩批量⽣产。

它通过简单地改变软件的⽅法能够制造出多种零件中任何⼀种零件。

系统主要由⼋个单元模块组成：⾃动化⽴体仓库、码垛机单元CCD形状识别单元；柔性制造加⼯单元；上下料搬运机器⼈单元；CCD⼯件尺⼨检测及颜⾊识别单元；⽓动分拣及条码打印扫描检测单元；⾃动化输送线系统单元；⽓动分拣搬运机器⼈单元。

所有模块单元通过⼯业总线控制联接。

即还包含系统总控单元。

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通过该系统，使学⽣可通过实验了解柔性制造系统的基本组成和基本原理，为学⽣提供⼀个开放性的，创新性的和可参与性的实验平台，让学⽣全⾯掌握机电⼀体化技术的应⽤开发和集成技术，帮助学⽣从系统整体⾓度去认识系统各组成部分，从⽽掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理。

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