淺議析基于FMS的機電一體化教學(xué)培訓系統開(kāi)發(fā)

論文關(guān)鍵詞：柔性制造系統；作業(yè)計劃與調度；教學(xué)培訓

論文摘要：基于FMS技術(shù)開(kāi)發(fā)了模塊化機電一體化教學(xué)培訓系統，該系統有助于加深學(xué)生對機電一體化系統概念的理解，掌握車(chē)間柔性制造的方法，最后以作業(yè)計劃與調度教學(xué)研究性、綜合性實(shí)驗為例，論述了該系統在培養學(xué)生理論與實(shí)踐相結合的能力，提高學(xué)生學(xué)習興趣和積極性的重要作用。

為使機械設計制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生在學(xué)習過(guò)程中，有機會(huì )將所學(xué)到的各門(mén)專(zhuān)業(yè)課的知識綜合性地應用到接近于生產(chǎn)實(shí)際的過(guò)程中，為他們走上工作崗位后應用這種新的理念打下基礎，學(xué)院除了建立適合于現代教學(xué)法模式的幾個(gè)獨立的專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室外，籌建了一個(gè)開(kāi)放式自動(dòng)化綜合實(shí)驗室。在這個(gè)綜合實(shí)驗室中，我們開(kāi)發(fā)了一套完全接近于生產(chǎn)實(shí)際的模塊化柔性制造系統，由省部共同投資。實(shí)驗室的開(kāi)放性主要體現在兩個(gè)方面:一是系統組成具有開(kāi)放性，系統中不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的設備可相互兼容，便于以后擴展;二是實(shí)驗室資源具有開(kāi)放性，實(shí)驗室可面向校內外各種層次的學(xué)生或培訓學(xué)員，做到資源共享，擴大受益面。

1 FMS系統組成

柔性制造系統機電一體化訓練設備，包含一條閉環(huán)柔性輸送裝置和六自由度并聯(lián)加工中心(加工站)、三自由度數控雕刻機及其控制系統、四自由度上料檢測站及其控制系統、搬運站、安裝站、安裝搬運站、智能分類(lèi)站、現場(chǎng)總線(xiàn)、多層次立體原料庫及其控制系統、多層立體成品庫及其控制系統、自動(dòng)化輸送線(xiàn)及變頻調速控制系統、PLC數據采集及物料監控系統、系統監控及管理控制軟件。

工業(yè)控制計算機通過(guò)運動(dòng)控制卡發(fā)送位置信號給旋轉立體上料庫電機驅動(dòng)器，電機驅動(dòng)器驅動(dòng)步進(jìn)電機旋轉一定角度，實(shí)現零件位置對準，同時(shí)設置檢測開(kāi)關(guān)，通過(guò)PLC采集至計算機，判斷托盤(pán)上相應位置是否存在零件。自動(dòng)上料機器人將待加工物料送至加工位置后，系統驅動(dòng)鎖緊裝置進(jìn)行物料定位固定，上位機按指定程序控制六自由度并聯(lián)機器人，進(jìn)行零件前序的加工。在主界面中點(diǎn)擊數控雕刻機控制按鈕，進(jìn)人數控雕刻機控制界面，三自由度數控雕刻機主要實(shí)現對工件端面的雕刻，通過(guò)用戶(hù)編制G代碼也可以用軟件將模型轉化為G代碼，然后通過(guò)計算機的串口將G代碼傳到雕刻機，雕刻機執行G代碼。

零件前序加工完畢后，計算機控制零件搬運機器人將加工完的零件搬運至下一工序的加工位置。

在主界面中點(diǎn)擊立體倉庫狀態(tài)按鈕，進(jìn)人立體倉庫狀態(tài)界面。立體倉庫狀態(tài)是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示立體倉庫倉位的占用情況，系統實(shí)時(shí)檢測各個(gè)倉位的狀態(tài)，然后系統給碼垛機發(fā)指令決定碼垛機下一次將裝配的成品放人哪個(gè)倉位，操作者通過(guò)觀(guān)察狀態(tài)位的圖標情況，操作者就可以知道哪個(gè)倉位是否為空，并且知道各個(gè)倉位物件的重量，通過(guò)生產(chǎn)統計還可以知道立體倉庫一共有多少個(gè)成品，每一類(lèi)成品的個(gè)數及總重量。

2系統特點(diǎn)

(1)包含多種關(guān)鍵技術(shù)及單元，使學(xué)生了解更多的知識;機器人技術(shù);物流倉儲自動(dòng)控制系統;立體倉庫;自動(dòng)輸送線(xiàn);自動(dòng)碼垛機;物流倉儲管理和監控;PLC控制系統;傳感器技術(shù);計算機網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù);計算機控制;網(wǎng)絡(luò )化視頻監控技術(shù);數據庫技術(shù);多軸運動(dòng)控制器;氣動(dòng)技術(shù);步進(jìn)電機及驅動(dòng);伺服電機及驅動(dòng);VC，VB等高級語(yǔ)言編程。

(2)結合機電教學(xué)，編制了的實(shí)驗指導書(shū)，包含多個(gè)實(shí)驗:為了方便教學(xué)實(shí)際使用，我們?yōu)橄到y提供了專(zhuān)門(mén)實(shí)驗指導書(shū)，其內容涵蓋機械、控制、機器人示教、插補、自動(dòng)裝配、碼垛等多項實(shí)驗，供本科生、專(zhuān)科生和研究生專(zhuān)業(yè)選開(kāi)，教師也可以根據實(shí)際情況，在實(shí)驗指導書(shū)的基礎上增開(kāi)設計性、綜合性實(shí)驗。

(3)交互式圖形化操作界面:系統控制軟件采用WINDOWS操作系統，具有交互式和圖形化特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，自動(dòng)化程度高，使教師和學(xué)生在很短的時(shí)間之內就可以掌握對系統的操作。

(4)豐富的狀態(tài)反饋功能:通過(guò)計算機與各單元及傳感器的通訊，將系統中各環(huán)節的狀態(tài)顯示在操作界面上，使操作者通過(guò)計算機隨時(shí)了解系統各環(huán)節的工況、狀態(tài)、運行數據，掌握系統運行狀態(tài)。

(5)完善的生產(chǎn)及物料存儲統計功能:根據現代柔性制造系統的特點(diǎn)及倉儲物流的發(fā)展動(dòng)向，不但在工作過(guò)程和原理上仿真實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，而且開(kāi)發(fā)了生產(chǎn)及物料存儲數據庫，根據系統的運行隨時(shí)記錄和分析生產(chǎn)和存儲數據。

(6)開(kāi)放式系統結構:為了增強學(xué)生的參與性，系統采用了開(kāi)放式結構，提供了完善的控制功能動(dòng)態(tài)鏈接庫和二次開(kāi)發(fā)函數，不用了解底層復雜的時(shí)序和操作過(guò)程，只需要在VC或VB中簡(jiǎn)單的幾行代碼，學(xué)生即可開(kāi)發(fā)出自己的運動(dòng)或控制功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

(7)網(wǎng)絡(luò )化視頻監控:系統提供網(wǎng)絡(luò )化視頻監控模塊，使操作者在操作系統的同時(shí)，也可通過(guò)電腦屏幕實(shí)時(shí)觀(guān)看系統的實(shí)際運行狀況。同時(shí)對于有條件的學(xué)校，可將控制計算機與校園網(wǎng)相連解，使更多的學(xué)生和老師通過(guò)網(wǎng)絡(luò )觀(guān)看現場(chǎng)實(shí)驗過(guò)程，提高系統利用率，也可實(shí)現遠程教學(xué)。

3如何應用FMS進(jìn)行本科實(shí)驗教學(xué)

由于近年來(lái)高校的擴招，學(xué)生人數大幅上升，而大型實(shí)驗設備臺套數少;而且大型實(shí)驗設備的實(shí)驗通常包括編程、上機、結果分析等，需要的時(shí)間較長(cháng)。因此，大型設備開(kāi)設的實(shí)驗不能簡(jiǎn)單的照搬其它實(shí)驗教學(xué)的模式。我們分別探索了以下幾種模式:

3. 1開(kāi)設綜合設計性實(shí)驗

本中心老師提出項目申請，參加學(xué)校實(shí)驗室設備管理處組織的“工程實(shí)踐”和機電工程學(xué)院組織的“機電一體化實(shí)訓中心”項目。這些項目結合指導老師的科研項目，通過(guò)雙向選擇接受學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科三年級以上的學(xué)生參加。學(xué)生分為2-4人一組;在教師的指導下，首先查閱文獻和學(xué)習FMS的有關(guān)知識，編制程序，上機測試;實(shí)驗的內容根據項目的研究?jì)热荻?，一般涉及多種設備;實(shí)驗時(shí)間根據老師和學(xué)生雙方商定，實(shí)行彈性制，不拘泥于課堂安排的時(shí)間。由于學(xué)生人數少，在實(shí)驗過(guò)程中可以做到師生面對面的隨時(shí)交流。

例如:作業(yè)計劃與調度教學(xué)實(shí)驗。

“作業(yè)計劃與調度教學(xué)實(shí)驗”的內容是讓學(xué)生根據給定的加工工件信息，設計一個(gè)單件小批量零件加工的“作業(yè)計劃與調度”的仿真系統，使目標函數“最長(cháng)流程時(shí)間”的值最小，然后對仿真結果進(jìn)行驗證。實(shí)驗的目標是:使學(xué)生加深對“作業(yè)計劃與調度”概念的理解，掌握車(chē)間調度的方法，培養學(xué)生理論與實(shí)踐相結合的能力，提高學(xué)生的學(xué)習興趣和積極性。實(shí)驗系統要具備以下功能:

(1)提供一個(gè)很好的、有代表性的研究對象，也就是使學(xué)生知道他們是在那個(gè)車(chē)間、那個(gè)環(huán)境為加工那些工件設計“作業(yè)計劃與調度”的方案;

(2)提供一個(gè)很好的仿真環(huán)境及工具，用來(lái)建立仿真模型，使學(xué)生形象直觀(guān)地看到車(chē)間調度的運行過(guò)程;

(3)提供實(shí)現“作業(yè)計劃與調度”的算法和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，使學(xué)生了解并掌握該算法的原理，并在仿真環(huán)境中實(shí)現算法，得到仿真結果;

(4)提供一個(gè)真實(shí)環(huán)境，如FMS車(chē)間或可真正運行的FMS車(chē)間模型，在此環(huán)境中對上面得到的仿真結果進(jìn)行驗證。

針對“FMS教學(xué)實(shí)驗系統”只討論一種特殊情況，即最長(cháng)流程時(shí)間Fmax的計算先討論n/m/P/Fmax問(wèn)題，目標函數是使最長(cháng)流程時(shí)間最短。最長(cháng)流程時(shí)間又稱(chēng)作加工周期，它是從第一個(gè)工件在第一臺機器開(kāi)始加工時(shí)算起，到最后一個(gè)工件在最后一臺機器上完成加工時(shí)為止所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，由于假設所有工件的到達時(shí)間都為零(Ri，I=1 ，2 ，3，…，n)，所以Fmax等于排在末位加工的工件在車(chē)間的停留時(shí)間，也等于一批工件的最長(cháng)完工時(shí)間C max 。

設n個(gè)工件的加工順序為S=(S1 ，.S2 ， ……，，Sn)，其中Si為排第i位加工的工件的代號。以CK(Si)表示工件Si在機器Mk上的完工時(shí)間，Pk表示工件Si在Mk上的加工時(shí)間，K=1，2，3，……，m；i=1 ，2， ……，n，

式(1)是一個(gè)遞推公式，當由式(1)得出Cm(sn)時(shí)，Fmax、就求得了。在熟悉以上公式之后，可以直接在加工時(shí)間矩陣上從左向右計算完工時(shí)間。對于某一工作地，在給定的一段時(shí)間內，順次決定下一個(gè)被加工的工件。

3. 2開(kāi)設選修課

由于學(xué)習FMS的有關(guān)知識，需要學(xué)生們具有一定的專(zhuān)業(yè)知識;而且大型設備一般只有一套設備，要面向學(xué)生人數眾多的本科生開(kāi)設實(shí)驗課有一定的難度。因此，我們首先開(kāi)設了FMS的選修課。在講授FMS技術(shù)的理論知識的基礎上，開(kāi)設FMS的上機實(shí)驗課，學(xué)生分為3 -5人一組。由于課堂講授FMS的時(shí)間有限，加之是選修課;因此，在實(shí)驗課之前，面對設備再介紹一次設備的原理、結構和用途等，以加深學(xué)生的印象;然后指導學(xué)生編制程序、適當的上機操作，輔導學(xué)生處理實(shí)驗結果。

3. 3為本科畢業(yè)設計提供實(shí)驗

本科生的畢業(yè)論文是進(jìn)行專(zhuān)業(yè)基本技能培養的重要環(huán)節，同時(shí)也是培養學(xué)生創(chuàng )造性思維方法、提高動(dòng)手和解決問(wèn)題能力的不可缺少的過(guò)程。參加本科畢業(yè)論文的學(xué)生，有充分的時(shí)間利用所掌握的專(zhuān)業(yè)基礎知識，解決具體的問(wèn)題;因此畢業(yè)論文是本科生學(xué)習和掌握大型實(shí)驗設備的一個(gè)非常好的機會(huì )。

4 FMS進(jìn)行本科教學(xué)的體會(huì )和希望

4. 1 FMS進(jìn)行本科教學(xué)的效果

通過(guò)上述三種方式向本科生開(kāi)放大型實(shí)驗設備，對學(xué)生選擇專(zhuān)業(yè)有一定的幫助，也增加了學(xué)生參加推薦免試研究生和就業(yè)等的競爭力。例如，一名機電學(xué)院的學(xué)生參加了“FMS研究”項目后，對數控技術(shù)有關(guān)知識和應用有了一定的了解和興趣，報考研究生時(shí)選擇數控技術(shù)專(zhuān)業(yè)。另一名機電學(xué)院的學(xué)生參加“開(kāi)放式數控系統的研究”，學(xué)習了切削圖形設計、數控雕刻機及其控制系統等一系列操作，在老師的指導下自己操作選擇刀具和切削參數，觀(guān)察不同的切削過(guò)程，加深了所學(xué)的理論知識，熟悉了作業(yè)計劃與調度的原理、立體倉庫的基本操作;該生通過(guò)面試后順利地被華中科技大學(xué)錄取為研究生。

近年來(lái)為了適應地方經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的需要，拓寬人才培養領(lǐng)域，在開(kāi)設綜合性實(shí)驗項目和選修課時(shí)，也接受其他學(xué)院的學(xué)生。學(xué)生結束項目后，對所參加的研究工作非常有興趣。

相比較而言，綜合設計性實(shí)驗效果明顯好于選修課的實(shí)驗。前者由于有充分的時(shí)間，我們摒棄了傳統的驗證實(shí)驗的模式，采取了“雙向互動(dòng)”，教師以更多的精力啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng )造力，調動(dòng)其主動(dòng)性和積極性，發(fā)揮他們運用所學(xué)的知識去解決實(shí)際問(wèn)題。對這種實(shí)驗模式，學(xué)生表現出極大的興趣。這種實(shí)驗教學(xué)模式，不僅拓展了學(xué)生現代科學(xué)技能的理論和知識;在實(shí)驗方法，應用技能方面也得到了提高，為他們今后走上社會(huì )，服務(wù)于社會(huì )，縮短理論與實(shí)踐的差距奠定了良好的基礎。

4. 2存在的問(wèn)題

通過(guò)參加上述教學(xué)實(shí)驗活動(dòng)，我們也發(fā)現仍有一些問(wèn)題急待解決。實(shí)現大型實(shí)驗設備的本科教學(xué)，需要一批技術(shù)水平高，有責任心和敬業(yè)精神的技術(shù)人員，并有相應的政策或辦法加強大型實(shí)驗設備管理和使用。一方面需要制定激勵老師開(kāi)展實(shí)驗教學(xué)工作的政策，充分調動(dòng)在崗老師的積極性;另一方面，要加強實(shí)驗室老師的進(jìn)修和業(yè)務(wù)培訓，因為實(shí)驗老師的業(yè)務(wù)水平將直接影響到實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量和科研水平。

在科學(xué)和教育飛速發(fā)展的今天，協(xié)作和資源共享對大型實(shí)驗設備的使用提出了新的要求。通過(guò)開(kāi)展上述本科生的教學(xué)實(shí)驗活動(dòng)，擴大了對學(xué)生能力培養的范圍，提高學(xué)生的實(shí)驗技能，激發(fā)他們的創(chuàng )新思維，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，達到高校素質(zhì)教育的目的。此外，也提高了大型實(shí)驗設備的使用效率，提高了教師的學(xué)術(shù)水平和專(zhuān)業(yè)技能。