基于固高FMS的控制系统设计硕士学位论文.docx
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基于固高FMS的控制系统设计硕士学位论文
学位论文
基于固高FMS的控制系统设计
申请学位级别硕士专业名称控制理论与控制工程
学位授予单位和日期南京理工大学
答辩委员会主席
评阅人
注1：
注明《国际十进分类法UDC》的类号。
声明
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。
与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名：
年月日
学位论文使用授权声明
南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。
对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。
研究生签名：
年月日
摘要
柔性制造系统（FMS）是一套以计算机控制为核心的、可以完成生产、加工和储存等工作的自动化系统。
随着科学技术的发展，FMS被广泛地应用于制造业当中。
为了让学生能够接触工业现场的设备，认识工业现场设备的组织形式和控制形式，实验室购置了一套固高公司的FMS系统，本文主要基于该设备的硬件系统，对部分控制模块和系统管理软件进行研究和改进。
本文主要工作包括以下几个方面：
⑴作业调度方面：
设计开发了立体仓库管理系统中的复杂作业功能，包括一键入/出库作业，拣选作业功能，可以一次完成多个连续的仓储任务，提高了仓储效率。
⑵算法方面：
对于系统新增的拣选作业，将其抽象为典型的TSP问题，并利用三种现代优化调度算法对该问题进行仿真研究，结果表明蚁群算法调度效果最好。
运用蚁群算法得到拣选作业单，节省了系统拣选作业的时间。
⑶系统控制方面：
基于MATLAB软件平台，对堆垛机速度控制系统进行了仿真研究，分析了PID调节器各参数对速度性能的影响，得到了理论上的较好参数。
⑷监控管理方面：
设计了系统数据库，实现了报表的查询打印功能，并对系统的监控界面进行改进设计。
关键词：
FMS，自动化立体仓库，蚁群算法，堆垛机控制系统
Abstract
FlexibleManufacturingSystems（FMS）istheautomationsystemcoredoncomputercontrol,whichcanbeemployedtoaccomplishmultipletaskssuchasproduction,processing,storageoftheproductsandsoon.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,FMSiswidelyappliedinmanufacture.Inordertomakestudentsfacileunderstandandthencomprehendtheorganizationandcontrolmodusofrealindustrialequipment,asetofFMSsystemfromGugaocompanyhasbeenintroducedheretoshowhowitworks.Basedonthehardwareofthesystem,thisthesisfocusesontheresearchonanalyzingandsubstantiallyimprovingthestorageofcurrentinputestimationalgorithm.Themaincontentsofthethesisareasfollows:
（1）Jobscheduling:
ThecomplexjobschedulingfunctionofManagementSystemwasdesigned,whichincludessomeautomationtaskandthepickingfunction.Itcanalsocompletethemultipletasksatthesametimeandgreatlyimprovetheefficiencyofthesystem.
（2）Algorithmofthesystem:
ThenewselectingfunctionisabstractedasatypicalTSPproblem.Threemodernschedulingalgorithmsareusedinthesimulationresearchofthisproblem.Theresultsshowthatthesimulationresearchofantcolonyalgorithmschedulingisthebest.Byusingantcolonyalgorithmmethod,thelistofthechosenhomeworkassignmentsisobtainedandthetimeisalsosavedinthepicking（selectingprocess）ofthesystem.
（3）Controlsystem:
basedonsoftwareplatformofMATLAB,thesimulationanalysisforstackerspeedcontrolsystemasbeencarriedout.Meanwhile,thestudyofPIDadjustorparametersontheperformanceofspeedhasbeenperformedandthetheoreticaloptimizationhasbeenachieved.
（4）Monitoringandmanagementsystem:
thedatabaseofthesystemhasbeendesigned,theinquiryandprintfunctionofreportsisachieved,andthemonitorsysteminterfaceisimproved.
Keywords:
FMS,AutomatedMulti-layeredStorehouse,TheAntColonyAlgorithm,StackerControlSystem
1绪论
1.1柔性制造系统概述
柔性制造系统（FlexibleManufacturingSystem，简称FMS），由物料自动储运系统和计算机信息控制系统组合成的整体。
它能够适应加工对象不断变换的机械制造自动化系统，因为它由统一的一组数字控制加工设备、信息控制系统和物料储运系统组成[1]。
柔性制造系统具有部分生产管理和加工制造的功能，能够进行机械加工、装配和质量检验、毛坯制造等，可以有效地提高企业的生产和管理效益。
80年代中期使用的FMS，基本上只是用于切削加工，少部分应用于冲压和焊接，而现在的FMS已经成为了在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。
柔性制造系统能够高效、高质量地进行多种零件的加工，一般可以从以下三个方面对它进行描述[1]：
●是一个计算机控制的生产系统；
●系统采用半独立的NC（NumericalControl）机床；
●这些机床通过物料输送系统联成一体。
柔性制造是在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。
柔性制造系统有以下三种类型[2]：
●柔性制造单元
柔性制造单元（FlexibleManufactureCell，简称FMC）是由一台或数台数控机床构成的加工中心构成的加工单元。
该单元可以通过自动换刀具来加工不同的产品。
柔性制造单元的设备具有较大的柔性，不过加工和人员柔性低。
可以很好地加工形状复杂但工序简单，小批量，工时较长的零件。
●柔性制造系统
柔性制造系统是以加工中心或数控机床为基础，另外配备合适的传送物料装置而组成的生产系统。
柔性制造系统适合加工工序多，形状复杂，大批量的零件。
其加工和物料传送柔性大，但人员柔性较低。
该系统能在不停机的状况下，通过计算机自动地控制不同品种产品的加工。
●柔性自动生产线
柔性自动生产线是联接多台专用机床，再配备合适的自动运送装置而组成的自动生产线。
它可以加工较大批量规格不同的零件。
柔性自动生产线在柔性程度高的时候可以接近于批量小、品种多生产用的柔性制造系统，柔性程度低的时候，它在性能上接近大批量生产用的自动生产线。
1.2柔性制造系统国内外发展现状
自1954年第一台数字控制铣床在美国麻省理工学院诞生以来，机械加工行业从单台数控机床的应用逐渐发展为具有加工中心、柔性制造单元的柔性制造系统和计算机集成的制造系统，实践表明自动化系统得到了迅速发展[3]。
1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的FMS基本概念，研制了“系统24”。
其主要设备是六台模块化结构的多任务序数控机床，目的是在无人看管的条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。
同年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。
这种柔性自动化设备适于在少品种、大批量的生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。
日本，前苏联和德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了FMS的研制工作。
1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元，为发展FMS提供了重要的依据。
柔性制造单元一般由1～2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。
70年代末期，FMS在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期的FMS进入实用阶段，其中由3～5台设备组成的FMS最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。
1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。
这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。
与此同时，还出现了若干仅具有FMS基本特征，但自动化程度不很完善的经济型FMS，使FMS的设计思想和技术成就得到普及应用。
FMS系统在我国的发展比较晚，据统计，我国在1984年开始研制FMS，比国外晚了整整17年。
国家机电部“七五”重点科技项目的支持和国家863高技术发展计划在自动化领域的发展使得FMS得到极大的重视和发展。
从此我国对于FMS的研究，进入了自主开发与少部分进口相结合的阶段。
1988年北京机床研究所完全自行开发的为天津减速机厂配套提供的加工减速机座JCS-FMS-2FMSFMS，也是我国从此开始具有自主开发FMS系统的实力的象征。
因此21世纪初在我国FMS开始全面流行[4]。
今天，真正成规模的FMS并不多，但FMS的构想已经得到了大家的肯定。
因为在保证质量的前提下，原来一些采用大批量自动化生产线的金属制品企业已经开始提高了利润和生产率，这也是FMS的优点。
FMS兼顾了生产率和灵活性，因此它具有生命力，从而得到了广泛的使用。
1.3柔性制造系统的基本组成
就机械制造业的柔性制造系统而言，其基本组成部分有：
软件系统：
软件系统是必不可少的组成部分，它可以保证计算机有效地控制柔性制造系统。
主要包括系统规划、系统监督、设计和生产控制等部分。
信息系统：
信息系统是指通过电子计算机或其它控制装置如液压、气压装置等，收集、处理、反馈加工和运输过程中所需各种信息，实现分级控制运输设备或机床的系统。
物流系统：
物流系统是柔性制造系统的主要组成部分，它由多种运输装置如传送带、轨道-转盘以及机械手等构成，可以实现对工件、刀具等的供给与传送。
自动加工系统：
自动加工系统是把材料相同，重量、外形、工艺、尺寸大致相似的零件集中在一起，利用成组技术（GT-GroupTechnology，揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术），用一台或数台数控机床或专用机床等进行设备加工的系统[5]。
FMS是一类复杂的实时系统，也是一个多层次、多结构的集成化复杂系统。
因此，研究FMS的系统结构也是企业研究的一个重点。
柔性制造系统的信息网络模型可以分为五层[1]：
●计划层：
包括产品设计、工艺设计、库存管理和生产计划等，属于工厂一级；
●管理层：
包括作业计划、在制品及毛坯管理、工具管理和工艺系统分析等，这
是属于车间和系统的管理级；
●单元层：
包括分布式数控、运输系统和加工系统的协调，数据采集和工况等，
这是系统控制级；
●设备控制层：
指设备的控制级，主要包括各机器人控制、机床数控、仓储控制
和运输等；
●动作执行层：
通过伺服系统的控制命令来控制机械运动，或者是通过传感器采
集到的信号来控制数据等。
FMS中有基本数据、控制数据和状态数据这三种不同类型的数据。
在系统运行的过程中，这些数据相互联系，包括数据联系、决策联系和组织联系等。
因此，FMS是在计算机的管理下，通过这三种联系，将制造过程的信息流构成一个有反馈的回路，最终实现自动控制的过程。
1.4本文研究内容及组织结构
先进的FMS系统可以加速资金周转，自动化管理物流，降低劳动强度。
因此，它的发展已经成为了一个企业现代化的重要标志。
一个好的FMS控制系统需要综合多种先进的计算机技术，包括专家系统、智能传感器技术、模糊控制技术、神经网络技术等，才能更好的发挥FMS的优势。
为了解决传统实验设备无法满足社会对毕业生的要求这一问题，南京理工大学自动化学院购买了一套固高公司的FMS系统用于教学研究。
本文主要基于原设备硬件系统，对部分控制模块和系统管理软件进行研究和改进设计，具体包括堆垛机控制系统、立体仓库调度算法、作业管理系统等。
最后将设计成果应用于系统，完成了FMS的综合调试。
本文共分为六章，结构安排如下：
第一章绪论。
对柔性制造系统的基本概念、发展现状和研究意义进行了全面综述，介绍了本文的研究内容和组织结构。
第二章固高FMS介绍及系统改进方向。
详细介绍了固高FMS的整体结构和各功能组件的技术参数；描述了系统的所有功能；针对原系统存在的不足，提出了系统改进的方向。
第三章立体仓库调度算法的研究。
对常用的调度策略和三种现代优化调度算法：
遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法进行了重点介绍。
基于TSP（TravelingSalesmanProblem）模型，利用MATLAB软件实现了上述三种调度算法仿真。
分析仿真结果，得到了适于本系统的最优调度算法。
第四章FMS主要功能模块的设计。
设计添加了复合作业功能，并应用蚁群算法得到拣选作业的任务单。
针对原系统对数据处理过于简单的问题，设计了ACCESS数据库，增加了查询打印报表功能。
改进了堆垛机控制系统，实现了对堆垛机的快速定位和更好的速度控制。
第五章FMS的综合运行。
将设计的控制模块、系统管理软件模块、调度算法模块应用于固高FMS，并进行系统的综合运行，得到了满意的控制效果。
第六章总结与展望。
对本文工作进行总结，提出了进一步研究的方向。
2固高FMS介绍及系统改进方向
目前，传统的实验设备已经无法满足社会对毕业生在知识的广度和深度方面的要求。
为了让学生能够接触工业现场的真实设备，认识设备的组织形式和控制形式，掌握制造工业的先进运动控制技术和数控技术等重要知识，我校自动化学院购进了一套深圳固高科技有限公司研制的FMS设备。
该系统集光、机、电、气以及计算机信息技术为一体，具可开发性。
本课题是基于该综合平台，对物流、控制、总线等相关技术进行研究，进一步开发系统平台的功能，改善系统的控制性能和调度策略。
图2.1为固高FMS平面布局示意图，系统硬件结构如图2.2所示。
图2.1FMS系统平面布局示意图
图2.2系统硬件结构图
2.1系统硬件介绍
2.1.1自动化立体仓库
自动化立体仓库由机械、电气、控制和管理系统等组成，它涵盖了运动控制技术、PLC控制技术、检测技术、数据库技术和网络技术等现代物流技术，是实现制造自动化和物流自动化系统的必备子系统。
该立体仓库由4层×6列立体货架，1台巷道有轨堆垛机以及一套出入库输送设备组成。
自动化立体仓库仓位编码规定：
从左到右，从下到上。
相关参数如表2.1所示。
表2.1自动化立体仓库的相关参数
名称
规格
仓库尺寸
180mm×120mm×120mm
仓库数量
4层6格24个
输入电压
AC220V50Hz
最大速度
30m/min
单位载重
2Kg
控制方式
运动控制器+交流伺服电机
运行模式
可独立运行或远程监控
自动化立体仓库的主驱动采用运动控制器+交流伺服电机方式，具有噪音低、速度快、定位精度高等特点。
专用的运动控制器的核心是高性能的DSP和FPGA技术，核心的控制部件为固高公司研制的精密嵌入式四轴运动控制器。
立体仓库控制结构如图2.3所示。
图2.3立体仓库控制结构图
2.1.2堆垛机
堆垛机是自动化立体仓库的核心部分，堆垛机必须具有严格的技术要求，这样自动化立体仓库的优越性才能够通过其表现出来。
堆垛机具有三大机构：
运行机构、起升机构、货叉伸缩机构。
堆垛机的高精度定位、速度控制采用先进的变频技术和双闭环控制系统。
运行起升机构采用旋转编码器和光电定位伸叉。
系统中提供：
安全保护、程序双层保护和电器闭锁的安全功能；上位机下达的指令通过PLC控制系统来进而控制堆垛机的运行，并完成存取货物的任务；堆垛机有手动、自动操作方式；还可实现故障报警及故障处理。
堆垛机的特性：
●安全性：
硬件限位、软件限位和碰撞缓冲挡块三层保护保证了设备的安全运行。
●先进性：
“运动控制器+交流伺服电机”的方式是主驱动所采用的，它保证了堆
垛机具有定位精度高、速度快、噪音低的特点。
堆垛机内置的运动控制器可实现运动控制轴的多轴协调控制，远远优于“PLC+变频器控制”的方式。
●可扩展性：
堆垛机采用X、Y、Z三自由度模式。
X方向采用齿轮齿条传动形式，
配以行星齿轮减速器，使用750W交流伺服电机驱动。
Y方向采用链条链轮传动形式，配以蜗轮蜗杆减速机，使用一个750W交流伺服电机驱动。
Z方向采用三级货叉伸出形式，货叉可以上升或下降，来实现双向取出或放置货物。
2.1.3微型输送线
该输送线是由表面氧化铝型材和进口的防滑皮带设计制造，线体可以按要求组合成各种输送路径，如单线往返或U型线。
输送线的控制方式为“PLC+电机减速控制”。
其核心控制系统是西门子S7-200PLC和ProfiBus-DPEM277通讯模块相结合，组态后可以和ProfibusMaster实现通讯，输送线控制结构如图2.4所示。
系统通过PLC处理流水线各个光电开关的采集信号，以及对流水线和机器人运行逻辑控制，可以按要求添加按位或者检测行程开关等。
图2.4混合式流水线控制系统的结构
输送线主要包括皮带式输送线、倍速链输送线和90度转角机。
皮带输送线主要以普通布带、胶布带、尼龙平胶带、PVC（防静电）输送带和防静电尼龙基网带为输送介质媒体，一般用于电子产品或其它小型产品的装配、调试、送料等生产工艺需求。
皮带输送线利用马达驱动，可采用电磁调速或变频调速方式进行线体速度在设计调速范围内的连续任意调节。
本系统中的皮带在线安装了3个欧姆龙光电感应开关，当托盘经过这些开关的时候，光电感应开关可以检测到信号，并反馈给系统，然后根据中央控制计算机设定的虚拟工位停留的时间控制皮带线停下。
90度转角机的作用是在生产流水线之间中转托盘，采用转角气缸和单相AC220V交流电机驱动。
2.1.4AGV输送系统
自动导引车辆（AutomatedGuidedVehicle，简称AGV）是一种无人操纵的自动化运输设备，它能承载一定的重量在出发地和目的地之间进行自主驾驶、自动运行，是自动化物流运输系统、柔性生产组织系统的核心装置[6]。
系统中的AGV是沿着铺设好的磁导线行走的，在行走过程中通过车底部的传感器来感知路线，小车也可以部分替代输送线来进行输送任务。
AGV具有三色声光报警功能，它在运行中遇到障碍物时将自动停车，当障碍物消失时，能自动恢复运转。
AGV控制系统选用一台以ARM7内核芯片磁导引AGV小车。
2.1.5上下料机械臂
该系统的机械手臂为两自由度的机械手臂，可以实现在输送线进行出库入库操作时对特定产品的抓取操作。
2.1.6雕刻机
雕刻机是集雕、刻、铣、削为一体的多功能机床，既可作为通用雕刻设备，采用CAD/CAM技术进行雕刻加工和雕刻工艺实验等教学研究工作。
也可作为开放式数控设备平台使用。
用户可利用运动控制器提供的底层运动函数库进行电机运动规划、控制及运动控制系统设计方面的教学实践，可利用CNC（ComputerNumericalControl：
计算机数字控制机床）系统平台进行开放式数控系统的开发和数控技术的研究和教学。
雕刻机通过计算机来进行控制，其硬件包括以下部分：
●雕刻机主机，雕刻机是该系统的重要部分，雕刻机上面安装的刀具可以对产品
完成图形雕刻的功能。
机床主要规格：
最大车削直径
=220mm，标准切削直径
=150mm，横向最大行程（X轴）：
20~110mm，纵向最大行程（Z轴）：
480mm，前后顶尖间最大距离：
600mm，快速进给Z：
15m/min，X：
12m/min，主轴转速60~60000r/min，主轴电机功率：
7.46Kw。
●自动控制柜，可以完成对雕刻机的驱动功能，它内部的PLC可以完成将控制流
信号转化为电信号。
该电信号可以驱动雕刻机内置的三轴步进电机以及控制刀具高速运转的主轴电机。
●控制PC，这个是雕刻机所有指令的下达中心，它包含控制雕刻机的软件以及雕
刻的图形和文字等等，负责对雕刻机进行控制。
●辅助工具，有夹具以及清洁刷等。
雕刻机加工过程如图2.5所示。
图2.5雕刻机加工过程
2.2系统功能
系统的功能主要有仓储作业、加工和控制功能。
原系统的控制界面如图2.6所示，从图中可以看出系统能够实现的功能，下面作详细介绍。
图2.6系统仓储任务界面
2.2.1入库操作
入库的顺序是：
由中央控制台发出入库指令，物品被送至传送带，传送带上的光电传感器采集信号，该信号传送至控制终端。
控制终端通过总线把信号传递给主控PLC控制电机运动，最终控制传送带的运行[7]。
物品被送至入货台，光电传感器采集信号发出指令控制电机，货物运至入货台，漫反射传感器接受到的指令使得皮带停止并驱动堆垛机，堆垛机收到指令，至入库台取货物。
堆垛机行至入库台，伸出货叉，将托盘托起后收回。
取到货物之后，堆垛机上面的传感器便可以检测到信号，然后堆垛机开始运行，运行至指定货位后，伸出货叉，将货物放到指定货位
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