基于IDEF0的柴油机曲轴柔性制造系统模型的研究

申江波，杨顺，胡尚举

（西安建筑科技大学机电工程学院，西安710055）

基于IDEF0的柴油机曲轴柔性制造系统模型的研究

申江波，杨顺，胡尚举

（西安建筑科技大学机电工程学院，西安710055）

提出了一种基于IDEF0的柔性制造系统（FMS）建模方法，它能够全面而清楚地描述FMS的数据流、物料流以及功能活动之间的联系，可以保证设计的规范性和可靠性。以柴油机曲轴加工工艺过程为实例阐述了FMS模型的构建过程，并用IDEF0方法建立了系统的控制模型和功能模型图。采用IDEF0方法进行曲轴FMS功能描述，能够满足这一复杂的系统分析与设计的要求。

柴油机曲轴柔性制造系统IDEF0

1 引言

曲轴是发动机上一个重要的零部件，它在工作时要承受很大的扭矩，以及大小和方向都在变化的弯曲力。曲轴的工作情况决定了曲轴的结构，进而也决定了曲轴制造工艺的复杂性。以计算机技术和柔性制造技术相结合的柔性制系统（Flexible Manufacturing System，FMS）能很好地满足市场对多品种、中小批量产品的个性化需求，但对复杂零件加工工艺过程的FMS系统的功能描述及其构建过程成为一个亟待解决的难题，而IDEF0方法是以结构化分析和设计技术(Structured Analysis and Design Technique，SADT)为基础发展起来的一种系统菜单式表达工具。用图形化与结构化的方式严谨地将一个系统的功能、信息和对象间的相关性表示出来，让使用者通过图形便可清楚地了解、掌握系统的运作方式，以及实现功能所需的各项资源，并为系统建构者与使用者提供一种交流与讨论的一致性标准化语言。可见，IDEF0法能为FMS的功能描述提供新的思路。

2 IDEF0建模方法

IDEF方法是20世纪80年代初美国空军在ICAM(Integrated Computer Aided Manufactur-ing)项目上发展起来的，最初由3种方法组成：功能建模(IDEF0)、信息建模(IDEF1)和动态建模(IDEF2)，以后又逐渐发展出数据建模(IDEF1X)、过程描述获取方法(IDEF3)、面向对象的设计(OO设计)方法(IDEF4)等。IDEF0的基本内容是SADT的活动模型方法，它以图解的形式来描述制造过程的特性。IDEF0把一个系统分解成若干活动，每项活动对应着一组输入信息和输出信息。用方框图可以方便地表达这些输入、输出信息以及某一活动的控制数据和实现机制。IDEF0基本功能见图1。IDEF0对系统活动的表示方法与软件工程中的系统分析方法相一致，用IDEF0方法建立系统功能模型有利于软件系统的开发。IDEF0是我国实现CIMS工程时推荐使用的建立系统功能模型的方法[1~2]。

图1 IDEF0基本功能图

3 柴油机曲轴的工艺

柴油机曲轴大致有3部分组成：（1）曲轴前端（小头）；（2）由连杆轴颈、曲柄臂及主轴颈组成的曲拐；（3）曲轴后端（法兰）。按照曲轴加工步骤，可分为粗加工和精加工2部分。

1）曲轴粗加工工艺

曲轴粗加工工艺采用AVL新工艺，工艺流程见图2。加工工艺中，采用复合加工数控机床引入了“一次装卡，全部完工”的概念。该FMS车铣中心集成了双主轴车削中心，五轴加工中心，深孔镗、铣、钻和三坐标功能于一身，在一台具有双主轴的车铣复合加工中心上可以对曲轴进行完全加工，加工后的曲轴可直接转入精加工工序。

图2 曲轴粗加工工艺流程

2）曲轴精加工工艺

在曲轴精加工方面，则采用工序集成的CBN数控磨床，即一次装夹可完成磨削曲轴全部主轴颈和连杆轴颈的所有工序，此类磨床一般配有双砂轮头架。图3中给出了曲轴的精加工工艺流程。

图3 曲轴精加工工艺流程

4 柴油机曲轴FMS的组成与特点

4.1 系统组成

曲轴柔性制造系统由数控加工设备、物料储运系统和信息控制系统3部分组成，如图4所示。

图4 曲轴FMS的系统构成

1）加工子系统

根据曲轴工艺要求，曲轴FMS加工子系统主要是由2台复合数控加工中心（数控复合粗加工中心和数控复合磨床）、与之相配的工业机器人、自动气压夹具、数控清洗机、检测装配设备组成。

2）物流子系统

物流子系统用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作，包括各种传送机构、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机、工件装卸站、工件存储工位、刀具输入输出站、刀库等。物流子系统在计算机的控制下自动完成刀具和工件的输送工作。曲轴FMS系统由全自动立体仓库、工件出入托盘站、上下料机械手臂、2条输送带和编码系统组成。

3）信息子系统

计算机控制系统用以处理柔性制造系统的各种信息，输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息、实现各子系统之间的信息联系，对系统进行管理，确保系统的正常工作。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统，其中单元级控制系统（单元控制器）是柔性制造系统的核心。本系统操作单元由复合数控加工中心系统、数控精磨系统、仓储管理系统、堆垛控制系统组成。系统集成软件由设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件组成[3]。

4.2 系统布局

在加工发动机曲轴时，其加工工艺主要是铣面、钻孔、铣外颈等几个主要加工工序，其工序比较单纯，因此机床布置必须要以形成有序的排列、简化物流管理为原则来进行。在布置机床的同时还要考虑物料输送路线。由于零件较大，须采用传送带传送，机床布置宜采取直线布置。另外，在机床布置时还应考虑成品、在制品、外购件仓库的布置，工件装卡的准备区，刀具、夹具保养保管区及中心管理室的位置[4]。该系统布局如图5所示。

图5 柴油机曲轴FMS系统布局

5 柴油机曲轴FMS的系统建模

5.1 FMS系统控制建模

曲轴的柔性制造系统是一个大型的、复杂的、离散事情的动态系统，由于采用了高度柔性的加工设备，零件的加工路径可随加工刀具在加工中心的配置而改变。加工路线约束的降低使生产更灵活、高效，但相应的动态调度更加复杂。同时由于系统中存在着一些不可预见的事情或随机事情，如机器故障、紧急作业计划、作业计划的缩减等，更增添了调度的复杂性。针对FMS的优越性及其调度的复杂性，FMS建模时采用IDEF0建模法，将其抽象为一个离散事情的动态系统，对其信息加以概括和描述，具体地确定模型结构和参数。

通过以上分析，针对曲轴FMS的功能建模，通过活动的不断分解和细化，各活动之间的关系及整个系统的信息得到充分表达[5]，如图6所示。

图6 柴油机曲轴FMS控制功能模型

从图中可以看出，动态调度过程是由系统状态驱动的，不同的系统状态对应不同的调度过程，零件的加工工艺路线和作业计划是调度过程必须满足的约束。

5.2 FMS系统功能建模

根据曲轴粗加工的AVL新工艺，采用IDEF0方法构建FMS功能模型的步骤如下：（1）数据采集；（2）选择范围、观点及目的；（3）建立内外关系图；（4）画出顶层图；（5）建立一系列图形；（6）写文字说明；（7）模型评审。该柴油机曲轴FMS功能模型图如图7所示。

6 总结

IDEF0用严格的自顶向下方式构造系统的功能模型，从描述系统概念与需求入手，以系统功能的详尽描述结束。IDEF0图可以使人们全面地描述和理解整个系统，适合于大型复杂信息系统的功能模型建立。采用IDEF0方法建模的柔性系统正好解决了曲轴加工复杂性的关键问题，最大限度地提高了生产率，节约了制造成本和周期，也能很好地适应工艺、工序、系统扩展、市场和其他方面的各种柔性，这样为我们产品的多样化发展做好了充分的准备。

1陈禹六.IDEF建模分析和设计方法[M].北京：清华大学出版社，1999.

2 ANG C L,Gray R.IDEF0Modeling for Project Risk Assessment.Computer in Industry,1993, 22(1):31-45.

图7 柴油机曲轴FMS的IDEF0功能建模图

3刘延林，陈心昭.柔性制造自动化概论[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

4陈弈，周跃华.箱体柔性(FMS)制造系统探讨[J].交通部上海船舶运输科学研究所学报，2004， 27(2)：128-133.

5柏志彬，马云富.基于准柔性制造系统的车间生产计划和调度方法[J].兵工自动化，2003，22(3)：14-16.

FMS of Diesel Crankshaft Model Construction Based on the IDEF0Method

Shen Jiangbo,Yang Shun,Hu Shangju
(Dept.of Electrical and Mechanical Engineering,Xi＇an University of Architecture& Technology,Xi＇an,710055,China)

A method of constructing FMS model based on the IDEF0 is proposed.The method can comprehensively and clearly describes FMS data flow,material flow and relationship betw een function activities and may guarantee the standardization and reliability of design.The process of building a FMS model is explained by taking diesel crankshaft machining process as an example,and the IDEF0 is applied to establish the controlling and function models of FMS.Using IDEF0 to describe the function of crankshaft FMS could m eet the requirements of analysis and design of such intricate system.

dieselengine,crankshaft,FMS,IDEF0

来稿日期：2009-02-24基金项目：西安市科技计划项目（CXY08015），陕西省教育厅自然科学研究项目（08JK330）。

申江波（1983－），男，在读研究生，主要研究方向为计算机集成制造系统。