浅谈析基于FMS的机电一体化教学培训系统开发

黄豆豆

　　论文关键词：柔性制造系统；作业计划与调度；教学培训

　　论文摘要：基于FMS技术开发了模块化机电一体化教学培训系统，该系统有助于加深学生对机电一体化系统概念的理解，掌握车间柔性制造的方法，最后以作业计划与调度教学研究性、综合性实验为例，论述了该系统在培养学生理论与实践相结合的能力，提高学生学习兴趣和积极性的重要作用。

    为使机械设计制造及其自动化专业学生在学习过程中，有机会将所学到的各门专业课的知识综合性地应用到接近于生产实际的过程中，为他们走上工作岗位后应用这种新的理念打下基础，学院除了建立适合于现代教学法模式的几个独立的专业实验室外，筹建了一个开放式自动化综合实验室。在这个综合实验室中，我们开发了一套完全接近于生产实际的模块化柔性制造系统，由省部共同投资。实验室的开放性主要体现在两个方面:一是系统组成具有开放性，系统中不同生产厂家的设备可相互兼容，便于以后扩展;二是实验室资源具有开放性，实验室可面向校内外各种层次的学生或培训学员，做到资源共享，扩大受益面。

　　1  FMS系统组成

    柔性制造系统机电一体化训练设备，包含一条闭环柔性输送装置和六自由度并联加工中心(加工站)、三自由度数控雕刻机及其控制系统、四自由度上料检测站及其控制系统、搬运站、安装站、安装搬运站、智能分类站、现场总线、多层次立体原料库及其控制系统、多层立体成品库及其控制系统、自动化输送线及变频调速控制系统、PLC数据采集及物料监控系统、系统监控及管理控制软件。

    工业控制计算机通过运动控制卡发送位置信号给旋转立体上料库电机驱动器，电机驱动器驱动步进电机旋转一定角度，实现零件位置对准，同时设置检测开关，通过PLC采集至计算机，判断托盘上相应位置是否存在零件。自动上料机器人将待加工物料送至加工位置后，系统驱动锁紧装置进行物料定位固定，上位机按指定程序控制六自由度并联机器人，进行零件前序的加工。在主界面中点击数控雕刻机控制按钮，进人数控雕刻机控制界面，三自由度数控雕刻机主要实现对工件端面的雕刻，通过用户编制G代码也可以用软件将模型转化为G代码，然后通过计算机的串口将G代码传到雕刻机，雕刻机执行G代码。

　　零件前序加工完毕后，计算机控制零件搬运机器人将加工完的零件搬运至下一工序的加工位置。

　　在主界面中点击立体仓库状态按钮，进人立体仓库状态界面。立体仓库状态是用来实时显示立体仓库仓位的占用情况，系统实时检测各个仓位的状态，然后系统给码垛机发指令决定码垛机下一次将装配的成品放人哪个仓位，操作者通过观察状态位的图标情况，操作者就可以知道哪个仓位是否为空，并且知道各个仓位物件的重量，通过生产统计还可以知道立体仓库一共有多少个成品，每一类成品的个数及总重量。

　　2系统特点

    (1)包含多种关键技术及单元，使学生了解更多的知识;机器人技术;物流仓储自动控制系统;立体仓库;自动输送线;自动码垛机;物流仓储管理和监控LC控制系统;传感器技术;计算机网络通信技术和现场总线技术;计算机控制;网络化视频监控技术;数据库技术;多轴运动控制器;气动技术;步进电机及驱动;伺服电机及驱动;VC,VB等高级语言编程。

    (2)结合机电教学，编制了的实验指导书，包含多个实验:为了方便教学实际使用，我们为系统提供了专门实验指导书，其内容涵盖机械、控制、机器人示教、插补、自动装配、码垛等多项实验，供本科生、专科生和研究生专业选开，教师也可以根据实际情况，在实验指导书的基础上增开设计性、综合性实验。

    (3)交互式图形化操作界面:系统控制软件采用WINDOWS操作系统，具有交互式和图形化特点，操作简单易学，自动化程度高，使教师和学生在很短的时间之内就可以掌握对系统的操作。

    (4)丰富的状态反馈功能:通过计算机与各单元及传感器的通讯，将系统中各环节的状态显示在操作界面上，使操作者通过计算机随时了解系统各环节的工况、状态、运行数据，掌握系统运行状态。

    (5)完善的生产及物料存储统计功能:根据现代柔性制造系统的特点及仓储物流的发展动向，不但在工作过程和原理上仿真实际生产过程，而且开发了生产及物料存储数据库，根据系统的运行随时记录和分析生产和存储数据。

    (6)开放式系统结构:为了增强学生的参与性，系统采用了开放式结构，提供了完善的控制功能动态链接库和二次开发函数，不用了解底层复杂的时序和操作过程，只需要在VC或VB中简单的几行代码，学生即可开发出自己的运动或控制功能，激发学生的学习兴趣。

    (7)网络化视频监控:系统提供网络化视频监控模块，使操作者在操作系统的同时，也可通过电脑屏幕实时观看系统的实际运行状况。同时对于有条件的学校，可将控制计算机与校园网相连解，使更多的学生和老师通过网络观看现场实验过程，提高系统利用率，也可实现远程教学。

　　3如何应用FMS进行本科实验教学

    由于近年来高校的扩招，学生人数大幅上升，而大型实验设备台套数少;而且大型实验设备的实验通常包括编程、上机、结果分析等，需要的时间较长。因此，大型设备开设的实验不能简单的照搬其它实验教学的模式。我们分别探索了以下几种模式:

　　3. 1开设综合设计性实验

    本中心老师提出项目申请，参加学校实验室设备管理处组织的“工程实践”和机电工程学院组织的“机电一体化实训中心”项目。这些项目结合指导老师的科研项目，通过双向选择接受学校相关专业本科三年级以上的学生参加。学生分为2-4人一组;在教师的指导下，首先查阅文献和学习FMS的有关知识，编制程序，上机测试;实验的内容根据项目的研究内容而定，一般涉及多种设备;实验时间根据老师和学生双方商定，实行弹性制，不拘泥于课堂安排的时间。由于学生人数少，在实验过程中可以做到师生面对面的随时交流。

    例如:作业计划与调度教学实验。
    “作业计划与调度教学实验”的内容是让学生根据给定的加工工件信息，设计一个单件小批量零件加工的“作业计划与调度”的仿真系统，使目标函数“最长流程时间”的值最小，然后对仿真结果进行验证。实验的目标是:使学生加深对“作业计划与调度”概念的理解，掌握车间调度的方法，培养学生理论与实践相结合的能力，提高学生的学习兴趣和积极性。实验系统要具备以下功能:

    (1)提供一个很好的、有代表性的研究对象，也就是使学生知道他们是在那个车间、那个环境为加工那些工件设计“作业计划与调度”的方案;

    (2)提供一个很好的仿真环境及工具，用来建立仿真模型，使学生形象直观地看到车间调度的运行过程;

    (3)提供实现“作业计划与调度”的算法和软件开发环境，使学生了解并掌握该算法的原理，并在仿真环境中实现算法，得到仿真结果;

    (4)提供一个真实环境，如FMS车间或可真正运行的FMS车间模型，在此环境中对上面得到的仿真结果进行验证。

    针对“FMS教学实验系统”只讨论一种特殊情况，即最长流程时间Fmax的计算先讨论n/m/P/Fmax问题，目标函数是使最长流程时间最短。最长流程时间又称作加工周期，它是从第一个工件在第一台机器开始加工时算起，到最后一个工件在最后一台机器上完成加工时为止所经过的时间，由于假设所有工件的到达时间都为零(Ri,I=1 ,2 ,3，…,n)，所以Fmax等于排在末位加工的工件在车间的停留时间，也等于一批工件的最长完工时间C max 。

    设n个工件的加工顺序为S=(S1 ,.S2 , ……，,Sn)，其中Si为排第i位加工的工件的代号。以CK(Si)表示工件Si在机器Mk上的完工时间，Pk表示工件Si在Mk上的加工时间，K=1,2,3,……,m；i=1 ,2, ……,n,

    式(1)是一个递推公式，当由式(1)得出Cm(sn)时，Fmax、就求得了。在熟悉以上公式之后，可以直接在加工时间矩阵上从左向右计算完工时间。对于某一工作地，在给定的一段时间内，顺次决定下一个被加工的工件。

　　3. 2开设选修课

    由于学习FMS的有关知识，需要学生们具有一定的专业知识;而且大型设备一般只有一套设备，要面向学生人数众多的本科生开设实验课有一定的难度。因此，我们首先开设了FMS的选修课。在讲授FMS技术的理论知识的基础上，开设FMS的上机实验课，学生分为3 -5人一组。由于课堂讲授FMS的时间有限，加之是选修课;因此，在实验课之前，面对设备再介绍一次设备的原理、结构和用途等，以加深学生的印象;然后指导学生编制程序、适当的上机操作，辅导学生处理实验结果。

　　3. 3为本科毕业设计提供实验

    本科生的毕业论文是进行专业基本技能培养的重要环节，同时也是培养学生创造性思维方法、提高动手和解决问题能力的不可缺少的过程。参加本科毕业论文的学生，有充分的时间利用所掌握的专业基础知识，解决具体的问题;因此毕业论文是本科生学习和掌握大型实验设备的一个非常好的机会。

　　4 FMS进行本科教学的体会和希望

　　4. 1   FMS进行本科教学的效果

    通过上述三种方式向本科生开放大型实验设备，对学生选择专业有一定的帮助，也增加了学生参加推荐免试研究生和就业等的竞争力。例如，一名机电学院的学生参加了“FMS研究”项目后，对数控技术有关知识和应用有了一定的了解和兴趣，报考研究生时选择数控技术专业。另一名机电学院的学生参加“开放式数控系统的研究”，学习了切削图形设计、数控雕刻机及其控制系统等一系列操作，在老师的指导下自己操作选择刀具和切削参数，观察不同的切削过程，加深了所学的理论知识，熟悉了作业计划与调度的原理、立体仓库的基本操作;该生通过面试后顺利地被华中科技大学录取为研究生。

    近年来为了适应地方经济和社会发展的需要，拓宽人才培养领域，在开设综合性实验项目和选修课时，也接受其他学院的学生。学生结束项目后，对所参加的研究工作非常有兴趣。

    相比较而言，综合设计性实验效果明显好于选修课的实验。前者由于有充分的时间，我们摒弃了传统的验证实验的模式，采取了“双向互动”，教师以更多的精力启发学生的创造力，调动其主动性和积极性，发挥他们运用所学的知识去解决实际问题。对这种实验模式，学生表现出极大的兴趣。这种实验教学模式，不仅拓展了学生现代科学技能的理论和知识;在实验方法，应用技能方面也得到了提高，为他们今后走上社会，服务于社会，缩短理论与实践的差距奠定了良好的基础。

　　4. 2存在的问题

    通过参加上述教学实验活动，我们也发现仍有一些问题急待解决。实现大型实验设备的本科教学，需要一批技术水平高，有责任心和敬业精神的技术人员，并有相应的政策或办法加强大型实验设备管理和使用。一方面需要制定激励老师开展实验教学工作的政策，充分调动在岗老师的积极性;另一方面，要加强实验室老师的进修和业务培训，因为实验老师的业务水平将直接影响到实验教学质量和科研水平。

    在科学和教育飞速发展的今天，协作和资源共享对大型实验设备的使用提出了新的要求。通过开展上述本科生的教学实验活动，扩大了对学生能力培养的范围，提高学生的实验技能，激发他们的创新思维，促进教学质量的提高，达到高校素质教育的目的。此外，也提高了大型实验设备的使用效率，提高了教师的学术水平和专业技能。