生產線三維仿真系統(tǒng)可行性報告.doc

知識水壩（豆丁網(wǎng)pologoogle）傾心為您整理（雙擊刪除）生產線三維仿真系統(tǒng)可行性報告1. 背景和意義現(xiàn)代生產中企業(yè)自動化程度提高，生產系統(tǒng)日漸復雜，生產速度日漸加快，因此在設計系統(tǒng)的時候需要面臨很多問題：如何在對操作人員進行培訓時減少風險、節(jié)約成本和提高培訓效率，如何驗證生產大綱以及復雜設備的控制邏輯等。這些問題采用傳統(tǒng)的培訓方法和規(guī)劃方法難以解決，在復雜生產線系統(tǒng)的培訓和規(guī)劃上，要找到技術性與經(jīng)濟性的最佳結合點，就需要借助于一種新的技術系統(tǒng)仿真技術來解決。使用仿真系統(tǒng)，在一個類似游戲的人機界面上，通過操作虛擬場景中，與現(xiàn)實操作相對應的操作設備，模擬還原現(xiàn)場操作，從而看到虛擬的逼真實際生產過程中系統(tǒng)設備運轉的全動作過程，看到生產現(xiàn)場中各輸送、存儲設備和升降機、切割機等設備的狀態(tài)，以及系統(tǒng)中發(fā)生阻塞和瓶頸的位置和情況；可以改變參數(shù)輸入，通過模擬生產情況及波動對系統(tǒng)造成的沖擊，對系統(tǒng)的堵塞有著形象和直觀的解決方案；一方面能夠精確真實模擬生產線的空間布置、運行情況，驗證生產線產能、節(jié)拍、存儲等規(guī)劃設計要素的合理性，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的瓶頸和對方案進行優(yōu)化，使生產線布局更合理有效；另一方面，能夠預測生產線的性能、制造成本、可制造性，從而更經(jīng)濟有效地、靈活地組織制造生產，使資源得到合理配置，從而提高整個生產線生產效率，培訓員工的設備操作能力以及生產宏觀掌控能力。當前，系統(tǒng)仿真技術已成為分析、研究各種復雜系統(tǒng)的重要工具。國際工程公司已將其作為常用的規(guī)劃設計和分析手段，運用到生產線仿真培訓和運行分析中。而在國內，對此技術的應用還基本處于起步階段，無論是在生產線仿真培訓還是運行管理方面，大多數(shù)鋼鐵企業(yè)、汽車企業(yè)和工程公司基本還是依賴傳統(tǒng)的方式。因此，生產線仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)具有很強的現(xiàn)實意義。2. 可行性分析生產線進行仿真通常需經(jīng)過三個步驟：建立生產線三維仿真場景；仿真模型參數(shù)設置和仿真流程控制；仿真模型的運行、驗證與結果分析。其中，建立正確的生產系統(tǒng)仿真模型，并且確定各組成要素以及表征這些要素的狀態(tài)變量和參數(shù)之間的數(shù)學邏輯關系，是整個仿真過程能夠正確進行并獲得符合實際情況的仿真結果的基礎。生產線仿真系統(tǒng)包括三個基本的過程：建立三維場景模型、建立仿真模型和仿真試驗。下面就這三個方面的可行性進行分析。 1、建立三維場景模型建立仿真系統(tǒng)首先要對生產線的各個部分進行三維造型，并根據(jù)所建立的模型構建生產線的三維模型庫，從三維模型庫中調用相應模型組成生產線總體模型。在這里，首先定義系統(tǒng)中所需要的物理對象，而定義對象前要先定義它所屬的類，建立系統(tǒng)所需要的對象類庫，并將對象類庫中的對象和三維模型庫中的模型關聯(lián)起來。對象類庫中每個類都具有特定的屬性，這些屬性都是通過采集數(shù)據(jù)得到的。如要建立車間的某機器類，首先要構建該機器的三維模型，再設定其相關屬性，如機器加工所需的零部件、加工時間、所產生的成品等。結合生產系統(tǒng)的實際情況，運用面向對象技術進行系統(tǒng)仿真建模，可以將線仿真的對象類分成三大類：物理類，構建設備建立生產場景；信息、控制類，包括工藝規(guī)劃、生產線運行過程控制、物流控制；服務類，包括生產計劃、統(tǒng)計等，通過物理對象類的建立，構建仿真物理模型。如圖1是冷軋廠鍍鋅分廠的一個工序的三維場景示意圖。圖1 冷軋廠鍍鋅分廠的一個工序的三維場景示意圖建立三維場景模型現(xiàn)在已經(jīng)具備成熟的建模方法和建模軟件，通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)如紋理、標識、聲音等，加上精確的生產線圖紙可以建立精確的擬真的場景，甚至廠房中的光源效果也能精確的建模出來。比較流行的建模軟件有max，maya，creator等，對于大數(shù)據(jù)量的建模需求，采用creator進行建模會達到更流暢的運行速度。 2、建立三維仿真模型三維場景模型展示的僅僅是靜態(tài)的信息，工藝流程動態(tài)仿真利用所建立的三維場景，根據(jù)生產工藝的要求，按照工廠的實際情況對整條線的生產情況進行三維動態(tài)仿真。布局設計階段建立的對象類只描述自身的特征和行為，對象之間并不能通訊；而仿真模型的建立階段通過描述對象之間的相互關系來進行系統(tǒng)建模，實現(xiàn)系統(tǒng)中的物流、信息流和控制流的傳遞。通過定義對象類之間的相互關系來建立設備間的邏輯關系，從而建立仿真系統(tǒng)的邏輯模型。設備間的邏輯關系控制著設備的行為以及零件在設備間的流轉和成品的產生，通過邏輯模型的建立，對已經(jīng)布局好的線的工作流程進行定義，使生產線上一個個松散的設備組成一個有機的生產系統(tǒng)。仿真邏輯模型即用物理模型展示隨時間的變化系統(tǒng)的不同狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)包括各設備的加工運作和狀態(tài)，與零件相關的事件以及零件在系統(tǒng)中流轉的過程，通過系統(tǒng)不同狀態(tài)的展示來控制仿真模型的行為。生產仿真模型是實際生產系統(tǒng)的一個映射，實際生產系統(tǒng)中的約束條件抽象為仿真模型的約束條件，這些約束必須在邏輯模型中得以體現(xiàn)。邏輯模型建立中主要構建了系統(tǒng)的信息、控制類，從而建立合理的工藝規(guī)劃，生產線運行過程控制、物流控制。如圖2是冷軋廠鍍鋅分廠開卷工序準備示意圖。圖2 冷軋廠鍍鋅分廠開卷工序準備示意圖要實現(xiàn)這部分仿真，關鍵是對生產線上的所有操作流程、連鎖效應、操作面板動作、設備相應及其詳細參數(shù)進行精確的采集和計算，形成完整的操作及響應手冊。將這些手冊中的參數(shù)和場景中的對象模型映射起來，再進行程序設計時，進行邏輯關系的推演和計算，再用三維仿真引擎實時輸出繪制結果。常用的仿真引擎有virtools，vega和osg。virtools具備極強的擴展功能和編程接口，考慮到系統(tǒng)的后續(xù)開發(fā)，可采用這種引擎。 3、生產線的仿真試驗對仿真模型驗證分析、修改模型參數(shù)的循環(huán)過程即優(yōu)化，這一階段主要涉及到系統(tǒng)的服務類。在建立仿真模型時，已確定了仿真系統(tǒng)的目標變量和決策變量。制造系統(tǒng)經(jīng)足夠時間的仿真運行后，可生成評價生產線的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以文本或圖表方式顯示，通過和生產線的操作人員和相關設計人員進行系統(tǒng)評價，依據(jù)評價結果，可以選擇合理的參數(shù)方案進行可變的生產規(guī)劃。這些數(shù)據(jù)有：設備的利用率；產品產量；加工成本；工人操作成本；運輸、廢料消耗分析等。 要進行這部分仿真，需要一套詳細的生產線評價工具和培訓考核指標系統(tǒng)。再編制程序時將這部分數(shù)據(jù)作為衡量指標，實時輸出結果并對培訓者的操作結果進行評價和建議。3. 仿真系統(tǒng)能達到的目標和功能該仿真系統(tǒng)的總體目標是: 采用3d建模模擬生產環(huán)境,并對操作過程進行實時的模擬,使無操作經(jīng)驗的從業(yè)人員,無須在實際操作的情況下,只通過計算機系統(tǒng),便可學習了解到生產的操作過程。同時對生產線的后續(xù)規(guī)劃設計提供多種方案展示。在目前的生產線培訓過程中存在以下缺點： 現(xiàn)場實際培訓存在操作故障風險，由于誤操作可能帶來的斷帶，停機。 受訓者不能頻繁操作，需要等待受訓機會，自由度非常低，一年才1-2次機會，也許由于名額有限還無法受訓。 培訓效果的考評難度大，無法實際考核受訓者的知識掌握程度，還只能停留在書面理論考試，無法實際模擬。 整體可視化效果差，在操作室操作后不具備整體展示效果。針對以上缺點，仿真系統(tǒng)可以達到以下目標： 達到逼真的的三維效果，紋理和現(xiàn)實一致。 操作面板進行和現(xiàn)實一致的可視化，對操作室的人