基于Flexsim的柔性制造系统仿真平台的设计与实施

1 引 言
柔 性 制 造 系 统 ( Flexible M anufacturing System , FM S)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 ,它包括数控机床 、加工 中心等 ,也可为柔性制造单元 ,可以根据生产任务或生 产环境的变化迅速进行调整 。适应了当今社会对多品 种 、小批量产品的需求 [ 1 ] 。
2 柔性生产线介绍
2. 1 柔性生产线的组成及功能 本文采用的 FM S系统组成及布局如图 1所示 。
( a)
加工单元 小型数控铣
装配 数控加工 后续处理
废品分拣 回库
表 1 加工时间参数 加工工序 铣削加工 机械手取料 机械手下料 下箱装配 上盖装配 销钉装配 数控车 数控铣 激光雕刻
清洗 (热处理 ) 打标签 图像识别 综合检测 合格品 不合格品
57
表 3 尺寸参数
名 称
分项
尺寸 / cm
生产线
台面宽
75
传送带 立体仓库 (单元格 )
小型数控铣机器人
槽宽 外围宽 深度 宽度 高度 组 、排 、列数
高
14 20 20 16. 5 24 6排 6列 4组 110
臂长
90
传送带
长
684
宽
300
小型铣床Leabharlann Baidu装配器距离
117
下料单元到上盖装配器距离
第 28卷 第 10期 2009年 10月
·计算机技术应用 ·
实验室研究与探索
RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY
Vol. 28 No. 10 Oct. 2009
基于 Flexsim的柔性制造系统仿真平台的设计与实施
闫纪红 a , 王玉燕 a , 雷呈喜 b
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 10期
闫纪红 ,等 :基于 Flexsim 的柔性制造系统仿真平台的设计与实施
Flexsim 仿真建模有下列 5个基本步骤 : (1) 设置布局 。根据建模前设计好的物理系统 , 将对象从“对象库 ”中拖拽到仿真视图窗口中的适当 位置 。 (2) 定义“流 ”。根据对象之间的逻辑关系 ,连接 相应的端口 ,构建仿真模型的逻辑流程 。 (3) 参数设定 。根据每个对象所要描述的物理系 统的特征 ,设定对象的参数 。 (4) 运行模型 。先编译模型 ,然后重新设置并运 行此模型 [ 9 ] 。 (5) 仿真结果分析 。根据输出的仿真结果 ,对系 统方案进行评价 。从仿真目标出发 ,对系统的部分参数 进行修改 ,形成不同的系统方案 。对各个方案进行运 行比较 ,达到优化的目的 [ 10 ] 。
收稿日期 : 2009 - 04 - 29 基金项目 :黑龙江省高等教育学会“十一五 ”规划课题 作者简介 :闫纪红 ( 1972 - ) ,女 ,黑龙江哈尔滨人 ,教授 ,博士生导 师 ,研究方向 :车间过程优化 ,人员柔性 ,智能维护等 。 Tel. : 0451286402972; E2mail: jyan@ hit. edu. cn
时间参数如表 1所示 ,包括各机床的加工时间 、装 配装置时间等 。传送带 、码垛机运输速度参数如表 2 所示 。相关的尺寸参数如立体仓库尺寸 、各加工单元 之间间距以及机器人行走距离等如表 3所示 。
3 基于 Flexsim 的 FM S仿真模型
3. 1 Flexsim 简介
Flexsim 是由美国的 Flexsim Software Production公 司出品 的 , 是 一 款 商 业 化 离 散 事 件 系 统 仿 真 软 件 。 Flexsim 采用面向对象技术 ,并具有三维显示功能 。该 软件提供了原始数据拟合 、输入建模 、图形化的模型构 建 、虚拟现实显示 、运行模型进行仿真试验 、对结果进 行优化 、生成 3D 动画影像文件等功能 ,也提供了与其 他工具软件的接口 [ 7 ] 。 Flexsim 软件的主要优势体现 在建模快捷简单和仿真分析能力强大 [ 8 ] 。 3. 2 Flexsim 仿真建模的基本步骤
(2) 取料 。实际系统中是用堆垛机取放工件 ,本 模型中采用叉车替代堆垛机 ,由于堆垛机有固定路线行 走 ,这里要给叉车设置网络节点使之有固定行走路线 , 此路线是双向的 。其运行速度要设置与堆垛机相同。
(3) 机床 。所有的机床都用同一资源类对象 Pro2 cessor模拟 ,装配装置用 Combiner模拟 ,其加工时间及 机床之间相对位置见表 1～3,小型数控铣的原材料由 单独的 Source生成 ,置于缓冲区 Queue中等待 。
D e sign and Imp lem enta tion of a S im ula tion P la tfo rm fo r FM S U sing F lexsim
YAN J i2honga , WAN G Yu2yana , L E I Cheng2x ib ( a. Department of Industrial Engineering; b. National Experimental Center for M echanical Engineering,
实际中的制造系统是非常复杂的 ,目前有很多情 形都无法仅用数学解析的方法来解决 ,而仿真技术则 给解决这类问题提供了新的手段 。离散事件仿真方法 目前是制造系统的评估工具中用得最广 的方 法 [ 2 ] 。 在传统的仿真方法中 ,通常是用工具 M atlab或者编写 仿真程序进行仿真 ,但是这些只能用于小规模系统的 仿真 ,而且它们忽略了许多要考虑的因素 ,其实这些因
School of M echatronics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: To meet the teaching and experimental requirements of industrial engineering, a simulation p latform was de2 veloped for a flexible manufacturing system at the national experim ental center for mechanical engineering. The specific design scheme and imp lem entation p rocedures were given. Key words: industrial engineering; experim ent teaching; flexible manufacturing system ( FM S) ; Flexsim
该技术对于生产系统的设计 、管理 、控制 、降低企 业投资成本 、获得更大的利润至关重要 。对 FMS进行 虚拟仿真 ,在生产系统设计和规划阶段 ,将系统设计方 案转换成仿真模型 ,在虚拟的环境中完成对生产线的 调试过程 ,评价设计方案的优劣 ,对不合理的设计和规 划进行修正 ;还可以方便地找到当前生产系统中的瓶 颈所在 , 为下一步的改善提供重要的依据 [ 5 ] 。另外 , 通过运行系统仿真模型 ,可以准确地反映系统在有选 择地改变各种参数时的运行效果 ,从而使设计者对规 划与方案的实际效果更加明确 [ 6 ] 。
190
装配器到转角外围距离
250
转角外围到销钉装配器距离
88
液压换向到图像识别单元距离
208
图像识别单元到综合检测单元距离
105
综合检测单元到废品分拣单元距离
38
废品分拣到转角单元距离
164
转角处的标签识别单元
长
26
宽
23
机器人
臂长
70
机器人行走路线到传送带中心距离
120
机器人行走路线到机床距离
87
(哈尔滨工业大学 机电工程学院 a. 工业工程系 , b. 机械工程国家级实验教学示范中心 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
摘 要 :依托于哈尔滨工业大学机械工程国家级实验教学示范中心的柔性生产系统 ,结合工业工程专业 特点 ,设计了基于 Flexsim 的柔性制造系统实验教学平台 。从工业工程专业实验教学要求出发 ,阐述了 该实验系统的设计方案及实施过程 。 关键词 :工业工程 ; 实验教学 ; 柔性制造系统 ; Flexsim 中图分类号 : TB 24 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 7167 (2009) 10 - 0055 - 03
(4) 机器人 。在小型数控铣单元采用机器人 Ro2 bot,负责下箱工件的上料 、加工和下料的取放任务 ;在 废品分拣单元的机器人负责废品分拣 ,合格品和不合 格品的比例定为 9 ∶1;在数控车 、数控铣 、激光雕刻和 装配单元 ,实际系统由机器人取放工件 ,但这一单元比 较大 ,机器人行走距离较长 ( 6 m ) ,由于 Flexsim 软件 的限制 ,我们采用叉车代替 ,同样要设置网络节点 。
该系统主要是进行上盖 、下箱 、销钉的加工 、装配 、 检测和水晶雕刻 ,码垛机从立体仓库中取料至传送带 , 各工序识别加工零件 、进行加工 、装配 ,然后进行清洗 、 热处理 、打标签 、综合检测 、废品分拣 ,最后合格成品回 库形成一个闭环的 FMS,实现了物料流和信息流的自 动化 。 2. 2 相关仿真数据监测
素对实际的生产过程也有很大的影响 [ 3 ] 。虚拟仿真 基于上述问题应运而生 ,虚拟仿真是先进制造技术的 重要组成部分 ,也是评价制造系统优劣常用的工具 ,其 本质是以计算机支持的仿真技术为前提 ,对生产线的 各个单元和生产过程进行统一的建模 ,在虚拟环境中 反映出生产制造全过程 ,通过建模和仿真分析来评价 系统 ,提供系统可行性分析 ,为系统改进提供科学 、合 理的决策依据 [ 4 ] 。
数控车与数控铣之间距离
660
数控铣与激光雕刻机之间距离
600
3. 3 柔性生产系统的 Flexsim 建模与仿真 3. 3. 1 设置布局
根据柔性生产线的实际模型 ,构建仿真模型 ,选择 对象库里的合适对象 ,并拖拽到仿真视图窗口中的适 当位置 。图 2是系统在 Flexsim 中仿真布局的俯视图 。
本文以哈尔滨工业大学机械工程国家级实验教学 示范中心机电一体化柔性系统生产线为背景 ,开发了
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取料到码垛机
加工时间 / s 7 13 12 32 18 8 400 250 200 15 14 8 5 4 16 10
运输机械 传送带 码垛机
表 2 速度参数 运输速度 / (m ·m in - 1 )
3 1. 5
( b)
图 1 FM S系统
图 1 ( a)为系统全局图 ,包括从立体仓库取料到加 工 、装配 、后续加工检测及回库等各个环节 ;图 1 ( b)为 数控车床 、数控铣床 、机器人及激光雕刻机单元 ;另外 , 系统有单独控制台 ,用于整个系统的节拍控制 。
璃库 。模拟原件库中存放托盘和加工装配回库的成 品 ,水晶玻璃库中存放水晶原料和雕刻完毕的成品 。 在本模型中设置 6个仓库 ,比实际多 2个 ,这 2个立体 仓库单独存放 2种成品件 ,其功能与实际系统相同 ,大 小行数列数也与实际系统相同 。每个货架上的迁移实 体均由不同的 Source 生成 ,一个生成托盘 ,其余生成 立方体 (模拟 ) ,用颜色以示区别 ,保证随时都有原料 可取 。
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实 验 室 研 究 与 探 索
第 28卷
基于 Flexsim 的柔性生产系统实验教学平台 。仿真过 程中全面考虑了 FM S中的主要组成部分 ,如数控加工 系统 、物料搬运系统及上下工件系统 、立体仓库 、优化 调度管理 (信息控制 ) 系统等 ,形成较完整的生产系 统 。学生可以基于该平台进行生产过程相关实验设 计 ,以及在该平台上运行仿真模型 ,并对结果进行分 析 ,找出系统存在的问题 ,给出解决问题的方案 ,从而 实现对原系统设计的改进与优化 。