基于Anylogic的FMS的仿真系統研究

丁曉飛，林崗

（河海大學，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著科學技術的發展和多品種、小批量自動化生產的需要，柔性制造系統（flexible manufacturing system，FMS）已越來越受到人們的重視。FMS是20世紀60年代后期發展起來的新的制造系統，FMS涉及的領域包括機床、電子技術、液壓傳動、機器人技術、控制技術、計算機技術及系統工程等，它是一種集多種高新技術于一體的現代化制造系統。FMS是由數控加工設備、物流儲運裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統［1］。

但FMS是一項投資大、風險高的高新技術，要充分發揮FMS的潛在優勢，就必須在FMS的設計規劃階段對其全面深入地分析研究，在運行階段，也需要正確的計劃安排。仿真技術是使FMS實現上述目標的重要工具［2］。計算機仿真技術作為一門新興的高技術，其方法學建立在計算機能力的基礎之上［3］。隨著計算機技術的發展，仿真技術也得到迅速的發展，其應用領域及其作用也越來越大。尤其在航空、航天、國防及其他大規模復雜系統的研制開發過程中，計算機仿真一直是不可缺少的工具，它在減少損失、節約經費、縮短開發周期、提高產品品質等方面發揮了巨大作用［4-6］。

1 FMS的仿真模型

要進行FMS的仿真分析，首先要建立FMS模型。

由兩臺普通車床，一臺銑床，一臺數控車床，一個機械手，零件通過皮帶傳輸。制造系統的計算機仿真包括三個基本要素:制造系統、模型和計算機，聯系它們的有三個基本的活動:模型建立、仿真模型建立、仿真實驗［7］。

2 Anylogic在FMS中的應用

此次運用Anylogic建模語言對FMS進行仿真，此建模工具已經成功應用于對大規模和復雜系統的建模。Anylogic是一種創新建模工具，它是基于過去十年內建模科學和信息技術中出現的最新進展而創建的。Anylogic建模具有以下優點［8］:

1）更快速的創建可視化的，靈活的，可擴展的，可復用的活動對象，這些活動對象可是為標準對象或自定義對象也可以是Java對象。

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，并針對你所面臨的特定問題對這些事件進行聯合和調整。

3）在建模環境中可以直接使用一組優秀的分析和優化工具。

4）輕松有效地將Anylogic開放式體系結構模型與辦公或企業軟件，包括電子表格，數據庫ERP和CRM系統等集成起來，或將模型直接嵌入到實時運行環境中。

5）當現實世界的系統發生變化時，通過對模型進行有效地維護，增長了模型的壽命周期。

此次Anylogic需要仿真所涉及的領域如圖1:

圖1 零件加工的流程圖及其仿真

此次應用2臺機床A，B對零件進行粗車外圓，然后鉆端面孔，加快零件的生產率，也使機床得到合理的利用，然后利用臥式機床在外圓面銑鍵槽，接著用數控車床對零件進行半精加工，提高精度，零件到達各機床都是通過皮帶傳輸的，最后通過機器手把加工好的零件拿出。此次應用Anylogic對機床A，機床B，機床C進行仿真，得出機床A，B，C在機床A發生故障前和故障后各機床的利用率，最后采用柱圖表現出來。

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

對station設置參數rate值為0.5，queue值為2。

當傳送帶無法接受實體時，機床應該停止工作，這一情況稱為阻塞，此次在車床中加入阻塞能力，對delay模塊和queue模塊進行了相關的設置。

圖2 車床模型

對delay模塊參數進行設置，其中onExit（離開時）那一串代碼通過queue.size（）得到隊列的當前大小，然后將此大小與隊列容量比較;隊列容量屬性通過get_capacity（）函數得到。加一代表當前正離開Delay對象的實體。離開時，采用函數 if（queue.size（）+1==queue.get_capacity（））{block（）;}。

對queue模塊參數進行設置，其中onExit（離開時）那一串代碼表示當有實體離開隊列時，解除對Delay對象的阻塞且此時隊列中出現空位。離開時，采用函數delay.unblock（）;。

下面是零件的加工過程模型，如圖3所示。

圖3 應用Anylogic的加工過程的流程模型

其中source為數據源，傳達數據;conveyor為傳動帶，傳輸零件;machineA和machineB為加工車床;machineC為銑床;CNC lathes為數控機床;robot為機器人;IsMachineAIdle為一個選擇模塊，是用來選擇是否機床A空閑，如空閑則選擇機床A，如處于加工狀態，則選擇機床B;Isentitycompletion是一個選擇模塊，到來導向零件的選擇，已經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出來，重新回到機床加工;此工序加工完成后進入任務隊列對象queue中，該對象對加工的任務進行排序，同時將任務隊列送到下一個機器進行下一個工序的加工;此工序沒有完成的零件將通過隊列對象Uncompletionentityqueue重新輸送入機床進行加工，知道相關的工序完成為止，最后通過機器人將加工好的零件放置在指定位置。

3 仿真分析

此次應用Anylogic軟件進行分析，有2臺普通車床，一臺銑床，一臺數控車床，還有一個機械手。在粗加工時采用2臺機床分擔加工任務，既加快了零件的生產，又提高了機床的利用率，避免是機床處于空閑的狀態，使后面的加工工序能夠持續不斷的完成，避免等待浪費時間。這是某一時刻機床A不發生故障，機床A，B，C利用率的截圖，如圖4所示。

圖4 機床A，B，C某時刻的利用率截圖

當所有工件加工完畢后系統自動停止運動，最終利用率如表1

表1 機床A無故障各機床利用率仿真最終結果

從仿真結果可以看出系統中機床利用率普遍較高，機床得到了合理利用。當考慮機床A發生故障時，設定平均無故障時間MTTF為指數分布，均值為3 h，機床的平均修復時間MTTR為0.25 h，運行系統，結果如表2

表2 機床A有故障各機床利用率仿真最終結果

從結果可以看出，由于機床A發生故障，導致機床A的利用率急劇下降，整個系統機床利用變的極為不平衡，這樣也就導致零件加工率下降，機床負擔的增加，成本升高。機床的檢修和保養時期對工廠的產能影響很大，所以對設備進行故障仿真，可以大大提高生產能力。

4 結語

FMS是由統一的加工系統、控制系統以及物料系統連接起來上網復雜系統，能在運行的狀態下實現多品種工件的加工，并且具有一定管理功能的制造系統［9］。此次運用Anylogic對FMS進行仿真，可以將各種模塊集成起來，從而實現復雜的FMS仿真環境。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，節省了投資成本，并易于發現沖突、死鎖等對象的發生，提高了FMS的可靠性［10］。

［1］徐杜，蔣永平，張憲民.柔性制造系統原理與實踐［M］.北京:機械工業出版社，2001.

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

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

［4］張福潤，徐鴻本，劉延林，等.機械制造技術基礎［M］.武漢:華中科技大學出版社，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.