基于Anylogic的FMS的仿真系統(tǒng)研究

丁曉飛，林崗

（河海大學(xué)，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和多品種、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing system，F(xiàn)MS）已越來越受到人們的重視。FMS是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的新的制造系統(tǒng)，F(xiàn)MS涉及的領(lǐng)域包括機(jī)床、電子技術(shù)、液壓傳動(dòng)、機(jī)器人技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及系統(tǒng)工程等，它是一種集多種高新技術(shù)于一體的現(xiàn)代化制造系統(tǒng)。FMS是由數(shù)控加工設(shè)備、物流儲(chǔ)運(yùn)裝置和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)化制造系統(tǒng)［1］。

但FMS是一項(xiàng)投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的高新技術(shù)，要充分發(fā)揮FMS的潛在優(yōu)勢(shì)，就必須在FMS的設(shè)計(jì)規(guī)劃階段對(duì)其全面深入地分析研究，在運(yùn)行階段，也需要正確的計(jì)劃安排。仿真技術(shù)是使FMS實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要工具［2］。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門新興的高技術(shù)，其方法學(xué)建立在計(jì)算機(jī)能力的基礎(chǔ)之上［3］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域及其作用也越來越大。尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，計(jì)算機(jī)仿真一直是不可缺少的工具，它在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品品質(zhì)等方面發(fā)揮了巨大作用［4-6］。

1 FMS的仿真模型

要進(jìn)行FMS的仿真分析，首先要建立FMS模型。

由兩臺(tái)普通車床，一臺(tái)銑床，一臺(tái)數(shù)控車床，一個(gè)機(jī)械手，零件通過皮帶傳輸。制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真包括三個(gè)基本要素:制造系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)，聯(lián)系它們的有三個(gè)基本的活動(dòng):模型建立、仿真模型建立、仿真實(shí)驗(yàn)［7］。

2 Anylogic在FMS中的應(yīng)用

此次運(yùn)用Anylogic建模語言對(duì)FMS進(jìn)行仿真，此建模工具已經(jīng)成功應(yīng)用于對(duì)大規(guī)模和復(fù)雜系統(tǒng)的建模。Anylogic是一種創(chuàng)新建模工具，它是基于過去十年內(nèi)建模科學(xué)和信息技術(shù)中出現(xiàn)的最新進(jìn)展而創(chuàng)建的。Anylogic建模具有以下優(yōu)點(diǎn)［8］:

1）更快速的創(chuàng)建可視化的，靈活的，可擴(kuò)展的，可復(fù)用的活動(dòng)對(duì)象，這些活動(dòng)對(duì)象可是為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象或自定義對(duì)象也可以是Java對(duì)象。

2）通過使用多重建模方法，能夠更精確地建模和捕捉更多的事件，并針對(duì)你所面臨的特定問題對(duì)這些事件進(jìn)行聯(lián)合和調(diào)整。

3）在建模環(huán)境中可以直接使用一組優(yōu)秀的分析和優(yōu)化工具。

4）輕松有效地將Anylogic開放式體系結(jié)構(gòu)模型與辦公或企業(yè)軟件，包括電子表格，數(shù)據(jù)庫ERP和CRM系統(tǒng)等集成起來，或?qū)⒛Ｐ椭苯忧度氲綄?shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境中。

5）當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，通過對(duì)模型進(jìn)行有效地維護(hù)，增長了模型的壽命周期。

此次Anylogic需要仿真所涉及的領(lǐng)域如圖1:

圖1 零件加工的流程圖及其仿真

此次應(yīng)用2臺(tái)機(jī)床A，B對(duì)零件進(jìn)行粗車外圓，然后鉆端面孔，加快零件的生產(chǎn)率，也使機(jī)床得到合理的利用，然后利用臥式機(jī)床在外圓面銑鍵槽，接著用數(shù)控車床對(duì)零件進(jìn)行半精加工，提高精度，零件到達(dá)各機(jī)床都是通過皮帶傳輸?shù)模詈笸ㄟ^機(jī)器手把加工好的零件拿出。此次應(yīng)用Anylogic對(duì)機(jī)床A，機(jī)床B，機(jī)床C進(jìn)行仿真，得出機(jī)床A，B，C在機(jī)床A發(fā)生故障前和故障后各機(jī)床的利用率，最后采用柱圖表現(xiàn)出來。

圖2是一個(gè)車床的Anylogic模型，里面包含delay模塊和queue模塊，

對(duì)station設(shè)置參數(shù)rate值為0.5，queue值為2。

當(dāng)傳送帶無法接受實(shí)體時(shí)，機(jī)床應(yīng)該停止工作，這一情況稱為阻塞，此次在車床中加入阻塞能力，對(duì)delay模塊和queue模塊進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)置。

圖2 車床模型

對(duì)delay模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中onExit（離開時(shí)）那一串代碼通過queue.size（）得到隊(duì)列的當(dāng)前大小，然后將此大小與隊(duì)列容量比較;隊(duì)列容量屬性通過get_capacity（）函數(shù)得到。加一代表當(dāng)前正離開Delay對(duì)象的實(shí)體。離開時(shí)，采用函數(shù) if（queue.size（）+1==queue.get_capacity（））{block（）;}。

對(duì)queue模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其中onExit（離開時(shí)）那一串代碼表示當(dāng)有實(shí)體離開隊(duì)列時(shí)，解除對(duì)Delay對(duì)象的阻塞且此時(shí)隊(duì)列中出現(xiàn)空位。離開時(shí)，采用函數(shù)delay.unblock（）;。

下面是零件的加工過程模型，如圖3所示。

圖3 應(yīng)用Anylogic的加工過程的流程模型

其中source為數(shù)據(jù)源，傳達(dá)數(shù)據(jù);conveyor為傳動(dòng)帶，傳輸零件;machineA和machineB為加工車床;machineC為銑床;CNC lathes為數(shù)控機(jī)床;robot為機(jī)器人;IsMachineAIdle為一個(gè)選擇模塊，是用來選擇是否機(jī)床A空閑，如空閑則選擇機(jī)床A，如處于加工狀態(tài)，則選擇機(jī)床B;Isentitycompletion是一個(gè)選擇模塊，到來導(dǎo)向零件的選擇，已經(jīng)加工好的零件從上方傳送帶出來，沒加工好的零件從下方工作臺(tái)出來，重新回到機(jī)床加工;此工序加工完成后進(jìn)入任務(wù)隊(duì)列對(duì)象queue中，該對(duì)象對(duì)加工的任務(wù)進(jìn)行排序，同時(shí)將任務(wù)隊(duì)列送到下一個(gè)機(jī)器進(jìn)行下一個(gè)工序的加工;此工序沒有完成的零件將通過隊(duì)列對(duì)象Uncompletionentityqueue重新輸送入機(jī)床進(jìn)行加工，知道相關(guān)的工序完成為止，最后通過機(jī)器人將加工好的零件放置在指定位置。

3 仿真分析

此次應(yīng)用Anylogic軟件進(jìn)行分析，有2臺(tái)普通車床，一臺(tái)銑床，一臺(tái)數(shù)控車床，還有一個(gè)機(jī)械手。在粗加工時(shí)采用2臺(tái)機(jī)床分擔(dān)加工任務(wù)，既加快了零件的生產(chǎn)，又提高了機(jī)床的利用率，避免是機(jī)床處于空閑的狀態(tài)，使后面的加工工序能夠持續(xù)不斷的完成，避免等待浪費(fèi)時(shí)間。這是某一時(shí)刻機(jī)床A不發(fā)生故障，機(jī)床A，B，C利用率的截圖，如圖4所示。

圖4 機(jī)床A，B，C某時(shí)刻的利用率截圖

當(dāng)所有工件加工完畢后系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)，最終利用率如表1

表1 機(jī)床A無故障各機(jī)床利用率仿真最終結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)中機(jī)床利用率普遍較高，機(jī)床得到了合理利用。當(dāng)考慮機(jī)床A發(fā)生故障時(shí)，設(shè)定平均無故障時(shí)間MTTF為指數(shù)分布，均值為3 h，機(jī)床的平均修復(fù)時(shí)間MTTR為0.25 h，運(yùn)行系統(tǒng)，結(jié)果如表2

表2 機(jī)床A有故障各機(jī)床利用率仿真最終結(jié)果

從結(jié)果可以看出，由于機(jī)床A發(fā)生故障，導(dǎo)致機(jī)床A的利用率急劇下降，整個(gè)系統(tǒng)機(jī)床利用變的極為不平衡，這樣也就導(dǎo)致零件加工率下降，機(jī)床負(fù)擔(dān)的增加，成本升高。機(jī)床的檢修和保養(yǎng)時(shí)期對(duì)工廠的產(chǎn)能影響很大，所以對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障仿真，可以大大提高生產(chǎn)能力。

4 結(jié)語

FMS是由統(tǒng)一的加工系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及物料系統(tǒng)連接起來上網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)，能在運(yùn)行的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)多品種工件的加工，并且具有一定管理功能的制造系統(tǒng)［9］。此次運(yùn)用Anylogic對(duì)FMS進(jìn)行仿真，可以將各種模塊集成起來，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的FMS仿真環(huán)境。這種方法使互操作性和可重用性在模型和仿真中得到了提高，節(jié)省了投資成本，并易于發(fā)現(xiàn)沖突、死鎖等對(duì)象的發(fā)生，提高了FMS的可靠性［10］。

［1］徐杜，蔣永平，張憲民.柔性制造系統(tǒng)原理與實(shí)踐［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］鄧子瓊，李小寧，何沛仁，等.柔性制造系統(tǒng)建模及仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1993.

［3］劉延林，陳心昭柔性制造自動(dòng)化概論［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001.

［4］張福潤，徐鴻本，劉延林，等.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001.

［5］http://baike.baidu.com/view/239632.htm.

［6］ http://wenku.baidu.com/view/efb65909763231126edb117c.html.

［7］http://baike.baidu.com/view/1370493.htm.

［8］http://zh.wikipedia.org/zh-cn/AnyLogic.

［9］M.C.Lee，S.J.Go，M.H.Lee etal.A robust trajectory tracking control of polishing robot based on CAMA adata.Robotics and Computer Integrated Manufacturing（2001）17:177-183.

［10］G.H.Ma＆ S.B.Chen.Modeling and controling the FMS of a welding robot.Int J Adv Manuf Technol（2007）34:1214–1223.