制造系統(tǒng)建模與仿真在工業(yè)工程中的應用-0713020

制造系統(tǒng)建模與仿真在工業(yè)工程中的應用0713020工業(yè)工程劉鵬[摘要]介紹了企業(yè)發(fā)展和建模的必要性和必定性，分析了制造系統(tǒng)的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中的作用及意義，具體地論述了制造系統(tǒng)的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中的具體應用。關鍵詞：制造系統(tǒng)；建模與仿真；企業(yè)優(yōu)化；仿真應用系統(tǒng)建模與仿真技術的含義系統(tǒng)建模與仿真技術是以相像原理、模型理論、系統(tǒng)技術、信息技術以及建模與仿真應用領域的有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統(tǒng)、與應用相關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型參加已有或設想的系統(tǒng)進行探討、分析、設計、加工生產(chǎn)、試驗、運行、評估、維護、和報廢(全生命周期)活動的一門多學科的綜合性技術。仿真科學和技術的通用性和戰(zhàn)略性仿真的通用性表現(xiàn)在一切基礎學科(如物理、化學、天文?)都可以通過仿真來探討；并可以極大地提高探討的平安性。仿真的戰(zhàn)略性表現(xiàn)在一切困難巨系統(tǒng)的探討都離不開仿真技術，可以說探討困難巨系統(tǒng)采納仿真技術是唯一的途徑。正如宋健院士所說：“系統(tǒng)仿真是科學試驗的利器。國內(nèi)仿真技術發(fā)展在我國仿真技術經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)從軍工走向國民經(jīng)濟。已經(jīng)從工程走向非工程；已經(jīng)從確定的小系統(tǒng)走向不確定的困難巨系統(tǒng)。最初的仿真技術只是用計算機來求解方程，為了實時性，大都采納電子模擬計算機?，F(xiàn)在的仿真技術已經(jīng)融合了信息技術、網(wǎng)絡技術、系統(tǒng)技術、限制技術和高性能的計算技術，以完全嶄新的面貌出現(xiàn)在我們的面前。現(xiàn)在，擺在我們仿真工作者面前的任務是：在虛擬世界與真實世界之間架起一座橋梁；通過仿真技術構筑起一個平臺，來勾畫出創(chuàng)新型國家的輪廓，例如，國家正投入幾個億，來建設國家級探討經(jīng)濟模型的仿真試驗室。仿真技術，一方面反映了我國仿真技術和仿真技術應用發(fā)展的現(xiàn)狀，另一方面，又對我國仿真技術今后的發(fā)展方向產(chǎn)生了指導作用。近年來，我國仿真技術及其應用的發(fā)展是非常迅猛的。仿真技術的發(fā)展，使人感到震驚。探討天文、地理、宇宙進化論等等，要依靠仿真，幾乎沒有哪個領域能離開仿真技術。凡是能寫成方程的都要進行仿真。故應激勵仿真界的科技人員發(fā)揮聰慧才智，搞好仿真技術。仿真技術的廣度、深度、高度的提高，正反映了我國仿真技術和應用的發(fā)展。例如，“面對困難性地理問題的虛擬研討廳體系探討”，“困難系統(tǒng)建模中的幾個問題”等都是有代表性的好文章，反映了我國仿真技術已經(jīng)在軍事和國民經(jīng)濟的一些困難巨系統(tǒng)探討建設中發(fā)揮越來越重要的作用。1、制造系統(tǒng)的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中的作用及意義計算機仿真技術作為一門高新技術，其方法學建立在計算機實力的基礎之上。隨著計算機技術的發(fā)展，仿真技術也得到快速的發(fā)展，其應用領域及其作用也越來越大。尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模困難系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中，計算機仿真始終是不行缺少的工具，它可優(yōu)化企業(yè)結構、組織和生產(chǎn)的各個方面。當今的制造系統(tǒng)是集現(xiàn)代機械制造、計算機科學和管理工程于一體的綜合應用，由于它技術困難、投資巨大，采納建立實體系統(tǒng)進行探討明顯是不合理的。所以在制造系統(tǒng)的設計階段，通過仿真可以選擇系統(tǒng)的最佳結構和配置方案，以保證系統(tǒng)既能完成預定的設計要求又能獲得很好的經(jīng)濟性、柔性和牢靠性，又能有效防止較大的經(jīng)濟損失；在制造過程階段，通過仿真可以預料系統(tǒng)在不同調度下的性能，以確定合理的、高效的作業(yè)安排，找出系統(tǒng)的“瓶頸”環(huán)節(jié)，從而能充分發(fā)揮制造系統(tǒng)的生產(chǎn)實力，提高經(jīng)濟效益。在仿真中，建模是關鍵。模型是進行仿真的基礎，仿真是模型在計算機上的運行?；谶@種緣由，我們在分析產(chǎn)品制造中所涉及的模型，以模型分類為基礎描述仿真的內(nèi)容。就產(chǎn)品制造中所涉及的模型大致可分為三類：產(chǎn)品模型、制造系統(tǒng)模型和開發(fā)(包括設計、制造和測試)過程模型。它們之間的關系是：產(chǎn)品模型是全部活動的目的和中心，制造系統(tǒng)模型則是產(chǎn)品開發(fā)受到的各種約束，開發(fā)模型是產(chǎn)品開發(fā)的使能器，也是對產(chǎn)品開發(fā)活動進行管理和限制的基礎。當今，產(chǎn)品模型已從二維工程圖到三維實體幾何造型。針對三維產(chǎn)品集成定義模型，人們可以對產(chǎn)品進行物理性能、可制造性、可裝配性等方面的仿真。通過引入并行工程，使得產(chǎn)品自設計起先就涉及到產(chǎn)品的概念設計到消亡整個產(chǎn)品生命周期里的全部因素，包括質量、成本、作業(yè)調度和用戶需求。開發(fā)過程的仿真已從起初的加工對象在加工過程的仿真轉移到對整個制造過程的建模和仿真，仿真內(nèi)容包括限制策略、庫存水平、負載實力等。隨著并行工程的應用，使得人們將留意力從單純的制造過程轉移到設計過程方面來，更加留意設計過程和制造過程的一體化。仿真技術的應用正是以這三類模型為中心綻開的。以產(chǎn)品模型為中心的仿真包括：產(chǎn)品的靜態(tài)、動態(tài)性能分析；產(chǎn)品的可制造性和可裝配性分析。以制造系統(tǒng)模型為中心的仿真包括：對于困難制造裝備的仿真；對于困難制造系統(tǒng)的仿真。以開發(fā)過程模型為中心的仿真包括：設計過程的仿真和制造過程的仿真。以上三個方面的仿真是相互聯(lián)系、相互影響的，有時在內(nèi)容上也會交替重疊。通過系統(tǒng)的建模與仿真，實現(xiàn)信息共享，借助于現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡技術和CAD、CAM、STEP、MRPII等計算機協(xié)助設計、制造及管理軟件系統(tǒng)，可高效率地在一個制造企業(yè)的設計、工藝、供銷和管理部門之間，在各車間以及各生產(chǎn)設備之間，在集團內(nèi)的各企業(yè)之間乃至企業(yè)與用戶之間充分地、剛好地溝通各類信息，并在此基礎上保證企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)、各部門的高度協(xié)調，以確保企業(yè)實現(xiàn)最優(yōu)整體效益。2、制造系統(tǒng)的建模與仿真在企業(yè)中對優(yōu)化企業(yè)資源具體應用在從產(chǎn)品的設計到制造以至測試維護的整個生命周期中，計算機仿真技術貫穿始終(見表1)。表1計算機仿真在整個產(chǎn)品生命周期中的應用階段計算機仿真的應用概念設計產(chǎn)品動力學分析（如：應力分析、強度分析）產(chǎn)品運動學仿真（如：機構之間的連接與碰撞）具體設計刀具軌跡仿真加工過程的仿真裝配仿真加工制造制造車間設計（布局、設備選擇）生產(chǎn)設計及作業(yè)調度制定各級限制器設計故障處理測試測試用仿真器培訓/維護訓練用仿真器銷售供應銷售鏈仿真器2.1面對產(chǎn)品的仿真面對產(chǎn)品的仿真主要包括以下三個方面：(1)產(chǎn)品的靜態(tài)、動態(tài)性能的分析。產(chǎn)品的靜態(tài)特性主要指應力、強度等力學特性；產(chǎn)品的動態(tài)特性主要指產(chǎn)品運動時，機構之間的連接與碰撞；(2)產(chǎn)品的可制造性分析(DFM)。DFM包括技術分析和經(jīng)濟分析。技術分析依據(jù)產(chǎn)品技術要求及實際的生產(chǎn)環(huán)境對可制造性進行全面分析；經(jīng)濟分析進行費用分析，依據(jù)反饋時間、成本等因素，對零件加工的經(jīng)濟性進行評價。(3)產(chǎn)品的可裝配性分析(DFA)。DFA分析裝拆可能性，進行碰撞干涉檢驗，擬定出合理的裝配工藝路途，并直觀顯示裝配過程和裝配到位后的干涉、碰撞問題。2.2面對制造工藝和裝備的仿真面對制造工藝和裝備的仿真主要指對加工中心加工過程的仿真和機器人的仿真。加工過程仿真(MPS)：由Nc代碼驅動，主要用于檢驗Nc代碼，并檢驗裝夾等因素引起的碰撞干涉現(xiàn)象。其具體功能包括：(1)仿真加工設備及加工對象在加工過程中的運動及狀態(tài)；(2)加工過程仿真的每一步均由NC代碼驅動；(3)零件加工過程具有三維實時動畫功能，當發(fā)覺碰撞時，會發(fā)出報警。機器人的仿真：隨著機器人技術的快速發(fā)展，機器人在制造系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。然而由于機器人是一種綜合了機、電、液的困難動態(tài)系統(tǒng)，使得只有通過計算機仿真來模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，才能揭示機構的合理運動方案及有效的限制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題。機器人仿真技術大致可分為以下幾類：(1)針對制造系統(tǒng)中機器人的應用開展的探討，如柔性制造系統(tǒng)或計算機集成制造系統(tǒng)中機器人的仿真問題；(2)針對機器人操作手本身的特性進行的仿真探討，如運動學仿真、動力學仿真、軌跡規(guī)劃和碰撞檢驗等問題；(3)機器人離線編程系統(tǒng)的探討，如利用仿真生成滿足的運動方案自動轉換成機器人限制程序去驅動限制器動作。2.3面對生產(chǎn)管理的仿真生產(chǎn)管理的基本功能是安排、調度和限制。就仿真技術在生產(chǎn)管理中的應用來說，大致有以下三個方面：(1)確定生產(chǎn)管理限制策略；(2)用于車間層的設計和調度；(3)用于庫存管理。下面將這三個方面介紹仿真技術的應用。計算機仿真在生產(chǎn)管理限制策略中的應用用于生產(chǎn)管理限制策略的仿真包括確定有關參數(shù)以及用于不同限制策略之間的比較。比較常見的限制策略有：①MRP：這是一種“推”式的限制策略，通過需求預料，綜合考慮生產(chǎn)設備實力、原材料可用量和庫存量來制定生產(chǎn)安排；②KANBAN(看板)：這是一種“拉”式的限制策略，依據(jù)訂單來制定生產(chǎn)安排，即準時生產(chǎn)；③LOC：面對負載實力的限制策略。依據(jù)庫存水平來限制生產(chǎn)過程；④DBR：面對瓶頸的限制策略。依據(jù)生產(chǎn)過程中的瓶頸環(huán)節(jié)來限制整個流程。衡量指標的比較一般包括產(chǎn)量、生產(chǎn)率等。計算機仿真在制造車間設計中的應用一般可以把車間的設計過程分為兩個主要階段：初步設計階段和具體設計階段。初步設計階段的任務是探討用戶的需求，然后由此確定初步設計方案。具體設計階段的主要任務是在初步設計的基礎上，提出對車間各個組成單元的詳盡而完整的描述，使設計結果能夠達到進行試驗和投產(chǎn)決策的程度，具體來說即確定設備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)、車間布局等。而仿真技術則主要用于方案的評價和選擇。具體來說：在初步設計階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟效益分析算法，運行依據(jù)初步設計方案所建立的仿真模型，給出以下評價信息：①新車間中生產(chǎn)的產(chǎn)品類型和數(shù)量能否滿足用戶要求?②產(chǎn)品的質量和精度是否能夠滿足要求?③新車間的效率和投資回收率是否合理?在具體設計階段，運用仿真技術可以對候選方案的以下方面做出評價：①在制造主要零件時，車間中主要加工設備是否能夠得到充分的利用?②負載是否比較平衡?③物料處理系統(tǒng)是否能夠和車間的柔性程度相適應?④新車間的整體布局是否能夠滿足生產(chǎn)調度的要求?⑤是否具有肯定的可重構實力?⑥在發(fā)生故障時，車間生產(chǎn)系統(tǒng)是否能夠維持肯定程度的生產(chǎn)實力?計算機仿真在制造車間運行中的應用FMS中的調度問題可以定義為安排和協(xié)調可獲得的生產(chǎn)資源，如加工機器、自動引導運輸工具(AGV)、機器人以及加班的時間等，以滿足指定的目標。這些目標可以是滿足交貨日期、產(chǎn)量達到最大，機器的利用率達到最高，或上述目標的組合。FMS中的調度過程包括：①選擇進人FMS的工件；②為工件加工選擇加工路途；③選擇在機器上進行加工的工作；④為AGV選擇派遣規(guī)則。仿真方法主要就以上方面對調度問題進行分析和評價。計算機仿真在庫存管理中的應用在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中，庫存子系統(tǒng)起著重要的作用。依據(jù)庫存材料在生產(chǎn)線中作用分，可分為在線倉庫和中心倉庫。按庫存材料性質，可分為原材料及外購件庫、在制品庫、成品庫和修理備件及工具庫。庫存限制的目的在于，使庫存投資最少，且要滿足生產(chǎn)和銷售的要求。對于庫存管理的仿真包括：①確定訂貨策略；②確定訂貨點和訂貨批量；③確定倉庫的分布；④確定平安庫存水平。2.4面對制造企業(yè)其它環(huán)節(jié)的仿真計算機仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應用產(chǎn)品開發(fā)過程可分為概念設計、具體設計、評審和再設計等階段。每一階段又可進一步細分，如具體設計可分為總體CAD、零部件CAD、計算機協(xié)助工程、可制造性設計、可裝配性設計等。為了削減產(chǎn)品開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，須要將上述過程所用的各種工具集成起來，以實現(xiàn)并行作業(yè)。產(chǎn)品開發(fā)過程仿真就是用于模擬上述各種可行方案，從中選擇集成的最優(yōu)方案。仿真的指標包括進度、資源、成本等。清華高校開發(fā)了產(chǎn)品開發(fā)過程的建模和仿真工具，作為并行工程實施的支撐軟件之一。計算機仿真在供應鏈中的應用產(chǎn)品價值鏈上商業(yè)伙伴間的合作和協(xié)調是虛擬企業(yè)的核心概念之一，因此供應鏈管理是其探討和開發(fā)的主要焦點。供應鏈管理涉及到整個產(chǎn)品價值鏈上事務過程的集成，包括供應商、制造商、銷售商