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原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。
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。
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。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，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。
图7 柴油机曲轴FMS的IDEF0功能建模图
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。
