基于FMS柔性制造生产线仿真技术

重庆川仪自动化股份有限公司 李焕 蒋婉莹 肖宇亮

FMS柔性制造系统所涉及的工艺基础较为复杂，在系统初始阶段需要按照成组的加工对象确认工艺过程，详细设计、建模与仿真，并且由计算机控制，自动调整并实现多品种工件、中小批量的高效生产。FMS柔性制造系统与自动化、计算机、数控、物流、刀具等多个技术点相关，系统设计投入规模较大，风险较高。FlexSim软件是柔性制造系统进行生产线仿真的最佳选择，面向对象的仿真环境，能够在设计阶段建立离散事件流程过程，大大降低FMS柔性制造系统的设计风险，已经得到广泛的应用。基于此，文章以FMS柔性制造生产线项目为案例，对生产线仿真进行分析展示，明确FlexSim软件在生产线仿真环境中的仿真过程及方法，提出通过配合CI MCO等其他集成软件，能够进行FlexSim软件的功能补充，对FMS柔性制造系统生产线设计产生参考作用。

由于FMS柔性制造生产线的复杂性和随机性，往往应用数学解析方法无法针对整个生产线的特征进行建模，进而无法对柔性制造生产线的生产物流进行计算和优化。以FlexSim软件为代表的仿真软件，通过其高效运作等特点在机械加工领域得到普遍应用，同时，能够在生产线加工工艺、生产调度、流程控制、运行效率等方面进行功能扩展，进而达到全面仿真的主要目的[1]。对于规模达到每批次200～2000件工件的中小批量生产来讲，采用FMS柔性制造系统是相对经济的工艺选择，能够综合地提升生产效益。

1 FMS柔性制造生产线设计

1.1 柔性制造生产线构成

根据生产线加工工艺及加工特点，FMS柔性制造生产线设计采取流水线布局方式，按照工艺路线进行布局，尽可能将相邻工序安排为邻近位置。自动加工系统以成组技术为基础，将形状并不完全一致、重量大体相似、工艺大致相同的零件集中在一台或多台数控机床、专用机床等设计上，供料系统由传送带、轨道转盘及机械手等运输装置完成刀具和工件供给与传送，同时，经由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元、立体仓库、自动化引导车、工件储存站、单元控制系统进行有效管理。

1.2 柔性制造生产线的通讯系统设计

柔性制造生产线的通讯系统由三部分组成，分别是总线控制器、总线设备和用于总线设备间与总线控制器进行连接的电缆。网络拓扑为主干上分出树杈型结构，主干为远程总线，分两层通信结构，第一层为总线主站，采用INTERBUS总线350型网关接口模块、INTERBUS本地总线模块、8个数字输入和8个数字输出、电压24伏，第二层为总线分站，每个分站包含耦合器模块和数字输入、输出模块，总线采取导轨安装方式进行安装，模块间相邻安装。INTERBUS通信软件设置与INTERBUS总线组态、编程均在PCWORX中进行[2]。

1.3 柔性制造生产线控制流程设计

柔性制造生产线接受生产任务后，进行加工判断，在加工条件不予满足的同时，进行相应加工条件的准备，在加工条件满足生产任务后，保证生产线机床与自动化引导车间保持正常通讯，呼叫自动化引导车完成生产线上料和下料，进行加工自动供料准备。

1.4 柔性制造生产线控制系统设计

采用工业PC机作为柔性制造生产线控制系统上位机，直接发出操控命令，通过以太网与数控车床和自动引导车的控制系统相连接，通过数控系统开发柔性制造生产线的通讯系统相应通讯功能后，获取控制系统主控单元、自动化生产线技术加工单元工作状态、参数等相应数据信息，通过统计分析后形成报表文件[3]。

2 FMS建模与仿真

2.1 FlexSim建模与仿真

FMS柔性制造生产线主要由数控加工中心、AGV物料搬运小车、PLC等构成，最大的特点是综合性和系统性。其中，PLC由主控单元配置基于Microsoft Windows应用软件的EtherNet/IP Scanner仿真器功能，数控加工中心及AGV物料搬运小车运动控制系统配置计算机EtherNet/IP Adapter协议配置手册功能，上位机通过以太网与工业以太网交换机实现交换功能。

在明确规定边界和组成部分后，确定FlexSim建模与仿真的目标，拟定计划并收集和整理数据。其中，结构参数用来描述车江平面布局、设备组成、工件形状和工件尺寸等静态参数；工艺参数主要描述工艺流程和流程间关系；逻辑参数用来描述流程和作业间的逻辑关系；动态参数用来描述动态变化的参数等。参数设置后，FlexSim模型建立以生产车间的实际生产线为设计依据，按照生产线中各个设施的具体位置，将与设施对应的FlexSim实体放置在模型对应位置，通过调整具体尺寸、位置和角度促使其正确显示在视图背景上，建立布局模型和仿真模型，并运行。

2.2 仿真结果输出与分析

根据生产车间的工艺流程，建模对象主要包括：发生器1个、27个暂存区、27个处理器、7个叉车、3个货架、1个交通信号灯，运行FlexSim模型后导出仿真报告。通过对仿真结果的输出报告进行分析及数据处理，FlexSim仿真报告如表1所示，将仿真报告各设备及暂存区的数据进行正确排序，以此寻找到空闲的设备、产品积压较为严重的暂存区，通过上述内容确定车间生产线的设备闲置情况和生产薄弱环节。

从表1中可以看出：（1）从系统优化角度看，仿真中各工序间存在拥堵，这种情况可能由线边库存不足或流程设计不够科学，或装配线不平衡造成。（2）当处理器需要在同一时刻在制产品时，70%的处理器处于工作状态，30%的处理器处于空间状态，由此可以判断，该车工艺流程间缺乏连续性。（3）一部分缓存区的对象容纳平均物品数、对象中停留平均时间均显示为零，由此可以判断，这些缓存区并未达到有效的缓存作用，缓存区出现严重的积压情况，应予以裁撤。（4）各搬运工具及计算机关键字运算符函数的空闲率分别为74%、87.5%、85%、87.1%、86.1%、87.5%、94%，由此可以判断，各搬运工具产生过高的空闲率，说明各搬运工具被利用的概率并不高，并不需要大量搬运工具，可以对搬运工具予以裁撤或调度[4]。

表1 FlexSim仿真报告Tab.1 FlexSim simulation report

3 CIMCO软件仿真

CIMCO软件是DNC解决方案的领导者，凭借其出色的灵活性、兼容性、可扩展性与可靠性，能够提供一套包括数控机床联网通讯、数控程序编辑与仿真、程序管理系统、数控机床监控等诸多模块的数控机床联网完全解决方案，可以对NC程序实施全寿命周期管理，针对加工程序，CIMCO软件从创建、编辑、校对、审核、试切、定型、归档、使用直至删除，均可生成详细记录，实施严格的流程管理，可以实现逆向查询处理[5]。

4 Process Control过程控制仿真

Process Control在生产过程中的工艺程序控制理念采用配置文件方式实现，在控制过程的设计、开发和测试过程中，能够在不连接实际设备的前提下，通过配套测试工具进行流程仿真。FMS柔性制造生产线的过程控制模型涉及到程序、刀具、库存控制，同时需要应用三坐标接口和调刀仪接口等模块。

FMS柔性制造生产线在每个单元流程的流程点用数字进行流程点定义，基于不同命令的输入，以此跳转流程点，在进行配置的同时采取ccmfig.Xml执行配置，将in-dex设置为流程点，通过单元流程模拟器进行单元流程模拟仿真[6]。

5 数字孪生运维仿真

数字孪生（Digita Twin）是一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的映射系统，在进行实际应用的过程中，可以充分利用物理模型、更新传感器、运行历史等数据，集成仿真过程。数字孪生可以在赛博空间内对FMS柔性制造生产线进行模拟和仿真，并且可以将真实参数回传，能够帮助FMS柔性制造生产线大幅度提升创新速度和生产产能，可以完全虚拟环境内模拟、测试并优化产品、工艺流程和设备，缔结新的业务模式[7]。

FMS柔性制造生产线在完成设计后，需要进行运维仿真，通过数字孪生技术，可以持续进行运维模拟操作，通过预测装备或系统的健康状况、使用寿命及任务执行情况进行数据评估和监控，其三维维护系统解决方案主要通过数字化应用实现，覆盖运维全环节[8]。

6 结语

为了保证制造生产的平稳发展，培育出新的经济增长点，从而实现制造环节的有效改善，降低作业成本目标，利用FMS柔性制造生产线这一大型、复杂的离散动态系统可以为制造车间生产线优化提供较为科学的方案。文章通过FlexSim软件进行FMS柔性制造生产线的技术研究，通过该软件的应用，可以得到用FMS柔性制造生产线在制造和管理上不同要求的数据信息，能够为多品种工件、中小批量的高效生产的实际运行提供理论参数，促使FMS柔性制造生产线的实际系统，在设计上满足设计要求。现阶段，科技飞速进步，FMS柔性制造生产线已经不再局限于采用较为单一的FlexSim软件进行FMS柔性制造生产线的仿真，同时需要将其他的工艺、流程和运维仿真技术融合使用，以此提升多维度仿真效果，提升FMS柔性制造生产线的设计精度。

引用

[1] 李雯,杨春霞,王博.基于Flexsim的制造车间生产线仿真优化研究[J].太原科技大学学报,2019,40(6):482-486.

[2] 闫华,黎丽荣,万飞,等.基于排队论的智能仓库机器人数量需求分析[J].兵器装备工程学报,2020,41(3):102-105.

[3] 杨艳芳,杨秒,舒亮,等.考虑工序刚性约束的自动化装配生产线多目标优化研究[J].机械工程学报,2020,56(7):181-192.

[4] 赵小松,赵舒萌,刘娜,等.考虑疲劳和恢复的混流装配线平衡问题[J].系统工程学报,2020,35(2):265-275.

[5] 郭伟飞,雷琦,宋豫川,等.基于虚拟零部件的零等待约束复杂产品综合调度算法[J].机械工程学报,2020,56(4):246-257.

[6] 周炳海,费芊然.考虑能耗的混流装配线物料配送多目标调度方法[J].东北大学学报(自然科学版),2020,41(2):258-264.

[7] 郑巧仙,肖晖,李明.多约束装配线平衡问题的知识驱动系统控制启发式算法[J].湖北大学学报(自然科学版),2022,44(2):190-200.

[8] 董方方,金栋,赵晓敏,等.基于Udwadia-Kalaba方法的全向移动机器人轨迹跟踪控制[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2022,45 (1):7-12.