人機一體化FMS系統(tǒng)的探討

1引言
        隨著市場競爭的日趨激烈，各企業(yè)都在想方設(shè)法適應瞬息萬變的市場需求，而制造手段的落后往往是阻礙企業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。在改造傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的過程中，人們已經(jīng)認識到采用FMS是一種縮短產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品市場競爭力的行之有效的辦法。
        我國從引進第一條 FMS生產(chǎn)線到現(xiàn)在已有十多年的歷史，而我國自行研制成功 FMS也有近十年的歷史。但到目前為止，成功應用 FMS的企業(yè)卻屈指可數(shù)，之所以造成這種局面，主要是FMS投資大，大多數(shù)企業(yè)難以承受。然而，企業(yè)確實需要以先進制造技術(shù)來改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，于是出現(xiàn)了準FMS(P—FMS)、經(jīng)濟型FMS等新的生產(chǎn)模式。但這些新的生產(chǎn)模式往往是以去持 FMS的部分功能為代價，例如去掉FMS中的刀具流系統(tǒng)，或者儲運系統(tǒng)等等，而沒有將人的因素考慮進去。
        如何將入團環(huán)在 FMS之內(nèi)，充分發(fā)揮人的因素，形成人機一體化的FMS系統(tǒng)，是一項急待研究的課題。雖然人機一體化系統(tǒng)在自動化程度上與FMS相比有所差異。但在功能上和信息的集成上應該說差別不大，綜合我國的具體國情，人機一體化 FMS系統(tǒng)在我國改造傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中將有著廣泛的應用前景。
        目前，我國學術(shù)界在對相關(guān)領(lǐng)域的研究中緊跟國際發(fā)展趨勢，這無疑是需要的。但我們更應看到我國目前企業(yè)的實際情況，應結(jié)合中國的國情，研究一些低成本、高效率的生產(chǎn)組織模式，為國有大中型企業(yè)盡快走出困境提供相應的技術(shù)支持。研究人機一體化 FMS系統(tǒng)就是為了達到達一目的。
       所謂人機一體化 FMS系統(tǒng)就是將人與系統(tǒng)有機結(jié)合，充分發(fā)揮人的優(yōu)勢，待條件成熟后再向全自動化的 FMS系統(tǒng)過渡。針對 FMS的特點，人機一體化FMS系統(tǒng)應從以下幾個方面進行研究。
2人機一體化 FMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
         P一FMS和經(jīng)濟型FMS系統(tǒng)一般沒有將刀具與儲運加以考慮，同時也沒有將人的因素考慮進去。其原因是目前還沒有一套完全適用的人機協(xié)同的FMS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，因而不知如何將人有機地溶入到系統(tǒng)中。人機一體化FMS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就是代表整個FMS系統(tǒng)各個方面的多視圖、多層次的模型的集合，將人的作用貫穿到整個系統(tǒng)，即從“需求定義”一“設(shè)計說明”一“實施描述”，每個階段都有適應其需求的模型，而這些模型中均提出了人的作用。
         根據(jù)該體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成的人機一體化 FMS系統(tǒng)，在功能和信息的集成等方面可以說與全自動化的 FMS相差無幾，而僅由于人工的參與，在信息采集速度上會有所降低。
         3人機一體化 FMS系統(tǒng)單元技術(shù)
         眾所周知，F(xiàn)MS系統(tǒng)一般由運行控制系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、刀具流系統(tǒng)、工件運輸系統(tǒng)、檢測監(jiān)控系統(tǒng)以及儲運系統(tǒng)等組成，在運行控制系統(tǒng)的控制下各分系統(tǒng)自動、協(xié)調(diào)地工作。
          這里所講的單元技術(shù)的研究并不是說如何實現(xiàn)這些分系統(tǒng)，而是如何實現(xiàn)在人參與的條件下，使這些分系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作，即人機協(xié)同因素。要確定在系統(tǒng)中哪些是以人為主完成的任務，哪些是以計算機和機器完成的任務，哪些是人機合作完成的任務，這就是人機一體化FMS系統(tǒng)單元技術(shù)研究的內(nèi)容。為此，人機一體化 FMS系統(tǒng)單元技術(shù)應解決的問題如下：
3．1刀具流系統(tǒng)人機協(xié)同
         在刀具流系統(tǒng)中，由于換刀機器人造價昂貴，要求定位精度高，所以在實施FMS時，很多情況下都去掉了刀具流系統(tǒng)。然而在 FMS中刀具流系統(tǒng)是一個重要的分系統(tǒng)，刀具信息的不完整性將直接影響運行控制系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度。利用人來代替換刀機器人，不僅能節(jié)約大量投資，而且也能充分發(fā)揮人工換刀定位準確這一優(yōu)勢，并能確保刀具信息的完整性。
         例如，在一組加工設(shè)備旁建立一個刀庫，并由一臺微機作為虛報換刀機器人和刀具管理站，通過網(wǎng)絡與工作站相連接，從而可將刀庫中所有刀具的位置以及刀具參數(shù)錄入到相應的刀具信息庫。當系統(tǒng)運行時，該機實時顯示系統(tǒng)換刀請求信息，由人工完成相應的換刀動作，換刀之后人工鍵入確認信息上報系統(tǒng)。
3.2工件流系統(tǒng)人機協(xié)同
           工件流系統(tǒng)與實際加工系統(tǒng)有著密切的關(guān)系。如采用自動小車交換工件，要求加工設(shè)備必須具備雙工作臺。這不僅給加工設(shè)備提出了更高的要求。同時使用自動牽引小車(AGV)一般還需建立相應的托盤緩沖站。由此可見，隨著工件流系統(tǒng)的自動化程度的增強，將大幅度增加資金的投入。根據(jù)FMS的實際運行情況統(tǒng)計，AGV的故障率較高，一旦出現(xiàn)故障就是系統(tǒng)致命故障，嚴重影響系統(tǒng)的正常運行。
          例如，在人機一體化 FMS系統(tǒng)中，工件流系統(tǒng)采用人工控制的以電瓶車為基型的運輸小車，完全可達到所要求的通信能力。小車上可安裝相應的顯示裝置，實時顯示對送取零件的站點和順序，操作者可根據(jù)這些顯示來完成工件的傳達。
3．3檢測監(jiān)控的入機協(xié)同
           在 FMS系統(tǒng)中檢測監(jiān)控是對加工產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵，一般采用的方法是利用傳感器與儀器儀表。但經(jīng)常出現(xiàn)虛報、漏報的現(xiàn)象，甚至現(xiàn)在有人提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡的方法也未完全解決這一缺陷，因此也就一直未能進入實用階段。
          人機一體化FMS系統(tǒng)中的檢測監(jiān)控系統(tǒng)，可充分利用機器定量感知精確度高和人對復雜現(xiàn)象定性感知能力強的特點，以在線和離線兼顧的方法提高系統(tǒng)信息感知的全面性、可靠性、多維性、準確性，達到提高整個檢測檢控系統(tǒng)的可控性和可用性。
          例如，在加工過程中利用人的定性感，對己明顯報廢的工件可立即停止機床加工，不需等待該零件加工結(jié)束后通過測量才將信息上報，再由運行控制系統(tǒng)來判斷該零件是否合格這樣一個漫長的過程，而是采用該機床所屬的工作站通過人機界面直接將報廢信息上報運控系統(tǒng)。
3．4運行控制的人機協(xié)同
            運行控制系統(tǒng)是 FMS中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。它完成系統(tǒng)內(nèi)部各分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)與控制等功能。一般情況下，運行控制系統(tǒng)在某些參數(shù)設(shè)完后，將在較理想狀態(tài)下運行，一旦系統(tǒng)發(fā)生意外，系統(tǒng)將處于“休眠”狀態(tài)，要重新“喚醒”，往往需重新啟動系統(tǒng)，這給實際應用帶來了一定的困難。人機一體化 FMS系統(tǒng)中的運行控制系統(tǒng)可利用人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過對機器、環(huán)境所感知信息進行綜合處理、判斷、決策。向執(zhí)行系統(tǒng)下達指令或向機器智能決策系統(tǒng)提供必要信息。機器智能決策系統(tǒng)可根據(jù)這些綜合信息進行復雜數(shù)據(jù)處理和嚴密的邏輯推理，向人提供相應的執(zhí)行信息，也可自動作出必要的決策，驅(qū)動控制系統(tǒng)或執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行有關(guān)的任務操作。同時也可解決原來對生產(chǎn)計劃變更、機床負載、急件插入以及故障處理等再調(diào)度的諸多難題。
        例如，在加工過程中出現(xiàn)報廢、機床出現(xiàn)故障等異常時，系統(tǒng)將提示是否追加產(chǎn)品、變更生產(chǎn)計劃、延長交貨期、采用加班等信息。此時人就可根據(jù)這些提示信息進行判斷、決策，系統(tǒng)將根據(jù)人的參與，進行相應的邏輯推理，并提供相應的執(zhí)行信息。若人提供的信息不完全，系統(tǒng)將再次提示，經(jīng)過如此一個人機協(xié)同的過程來確保系統(tǒng)正常運行。
4人機一體化FMS系統(tǒng)接口技術(shù)
          從上述單元技術(shù)介紹中可以清楚地看到，人機一體化 FMS系統(tǒng)與全自動化的 FMS相比在接口上有著較大的差異。全自動 FMS系統(tǒng)中各分系統(tǒng)之間的接口，一般都是采用相互約定的協(xié)議來完成，不需人工參與。例如，加工過程中需將中央刀庫的某號刀送到加工中心的某個刀位上，其完成過程是系統(tǒng)將換刀命令下達到刀具流分系統(tǒng)，由該分系統(tǒng)的控制軟件命令換刀機器人完成相應的工作。而在人機一體化 FMS系統(tǒng)中，同樣一個命令其完成過程就不一樣了。由于沒有換刀機器人，因此就只能將換刀信息顯示在該分系統(tǒng)的控制終端上，由人替代換刀機器人完成相應的換刀動作。為了能達到及時完成換刀過程，避免人忽略終端顯示信息，因此接口界面不僅要求友好，易操作，同時還需具有聲光提示。接口的設(shè)計還需考慮到系統(tǒng)的可擴充性。
5結(jié)束語
          人機一體化 FMS系統(tǒng)的研究，充分結(jié)合了我國當前的國情，對企業(yè)改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式將起到很大的幫助，同時對國防系統(tǒng)研制和加速武器裝備更新?lián)Q代具有重要作用。