制造系統(tǒng)建模與仿真在工業(yè)工程中的應(yīng)用-0713020

制造系統(tǒng)建模與仿真在工業(yè)工程中的應(yīng)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(yīng)用。關(guān)鍵詞：制造系統(tǒng)；建模與仿真；企業(yè)優(yōu)化；仿真應(yīng)用系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的含義系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是以相像原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型參加已有或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行探討、分析、設(shè)計、加工生產(chǎn)、試驗、運行、評估、維護(hù)、和報廢(全生命周期)活動的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。仿真科學(xué)和技術(shù)的通用性和戰(zhàn)略性仿真的通用性表現(xiàn)在一切基礎(chǔ)學(xué)科(如物理、化學(xué)、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(shù)，可以說探討困難巨系統(tǒng)采納仿真技術(shù)是唯一的途徑。正如宋健院士所說：“系統(tǒng)仿真是科學(xué)試驗的利器。國內(nèi)仿真技術(shù)發(fā)展在我國仿真技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)從軍工走向國民經(jīng)濟(jì)。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(shù)只是用計算機(jī)來求解方程，為了實時性，大都采納電子模擬計算機(jī)?，F(xiàn)在的仿真技術(shù)已經(jīng)融合了信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)、限制技術(shù)和高性能的計算技術(shù)，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(wù)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(shù)構(gòu)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(shè)國家級探討經(jīng)濟(jì)模型的仿真試驗室。仿真技術(shù)，一方面反映了我國仿真技術(shù)和仿真技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的現(xiàn)狀，另一方面，又對我國仿真技術(shù)今后的發(fā)展方向產(chǎn)生了指導(dǎo)作用。近年來，我國仿真技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展是非常迅猛的。仿真技術(shù)的發(fā)展，使人感到震驚。探討天文、地理、宇宙進(jìn)化論等等，要依靠仿真，幾乎沒有哪個領(lǐng)域能離開仿真技術(shù)。凡是能寫成方程的都要進(jìn)行仿真。故應(yīng)激勵仿真界的科技人員發(fā)揮聰慧才智，搞好仿真技術(shù)。仿真技術(shù)的廣度、深度、高度的提高，正反映了我國仿真技術(shù)和應(yīng)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(shù)已經(jīng)在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的一些困難巨系統(tǒng)探討建設(shè)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(jī)仿真技術(shù)作為一門高新技術(shù)，其方法學(xué)建立在計算機(jī)實力的基礎(chǔ)之上。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)也得到快速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)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(jī)仿真始終是不行缺少的工具，它可優(yōu)化企業(yè)結(jié)構(gòu)、組織和生產(chǎn)的各個方面。當(dāng)今的制造系統(tǒng)是集現(xiàn)代機(jī)械制造、計算機(jī)科學(xué)和管理工程于一體的綜合應(yīng)用，由于它技術(shù)困難、投資巨大，采納建立實體系統(tǒng)進(jìn)行探討明顯是不合理的。所以在制造系統(tǒng)的設(shè)計階段，通過仿真可以選擇系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)和配置方案，以保證系統(tǒng)既能完成預(yù)定的設(shè)計要求又能獲得很好的經(jīng)濟(jì)性、柔性和牢靠性，又能有效防止較大的經(jīng)濟(jì)損失；在制造過程階段，通過仿真可以預(yù)料系統(tǒng)在不同調(diào)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(jì)效益。在仿真中，建模是關(guān)鍵。模型是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)，仿真是模型在計算機(jī)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(chǔ)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(shè)計、制造和測試)過程模型。它們之間的關(guān)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(jìn)行管理和限制的基礎(chǔ)。當(dāng)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(jìn)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(shè)計起先就涉及到產(chǎn)品的概念設(shè)計到消亡整個產(chǎn)品生命周期里的全部因素，包括質(zhì)量、成本、作業(yè)調(diào)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(zhuǎn)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(fù)載實力等。隨著并行工程的應(yīng)用，使得人們將留意力從單純的制造過程轉(zhuǎn)移到設(shè)計過程方面來，更加留意設(shè)計過程和制造過程的一體化。仿真技術(shù)的應(yīng)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(shè)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(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和CAD、CAM、STEP、MRPII等計算機(jī)協(xié)助設(shè)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(shè)計、工藝、供銷和管理部門之間，在各車間以及各生產(chǎn)設(shè)備之間，在集團(tuán)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(chǔ)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(diào)，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(yīng)用在從產(chǎn)品的設(shè)計到制造以至測試維護(hù)的整個生命周期中，計算機(jī)仿真技術(shù)貫穿始終(見表1)。表1計算機(jī)仿真在整個產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用階段計算機(jī)仿真的應(yīng)用概念設(shè)計產(chǎn)品動力學(xué)分析（如：應(yīng)力分析、強(qiáng)度分析）產(chǎn)品運動學(xué)仿真（如：機(jī)構(gòu)之間的連接與碰撞）具體設(shè)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(shè)計（布局、設(shè)備選擇）生產(chǎn)設(shè)計及作業(yè)調(diào)度制定各級限制器設(shè)計故障處理測試測試用仿真器培訓(xùn)/維護(hù)訓(xùn)練用仿真器銷售供應(yīng)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(yīng)力、強(qiáng)度等力學(xué)特性；產(chǎn)品的動態(tài)特性主要指產(chǎn)品運動時，機(jī)構(gòu)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(shù)分析和經(jīng)濟(jì)分析。技術(shù)分析依據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求及實際的生產(chǎn)環(huán)境對可制造性進(jìn)行全面分析；經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)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(jì)性進(jìn)行評價。(3)產(chǎn)品的可裝配性分析(DFA)。DFA分析裝拆可能性，進(jìn)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(jī)器人的仿真。加工過程仿真(MPS)：由Nc代碼驅(qū)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(shè)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(qū)動；(3)零件加工過程具有三維實時動畫功能，當(dāng)發(fā)覺碰撞時，會發(fā)出報警。機(jī)器人的仿真：隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人在制造系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于機(jī)器人是一種綜合了機(jī)、電、液的困難動態(tài)系統(tǒng)，使得只有通過計算機(jī)仿真來模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，才能揭示機(jī)構(gòu)的合理運動方案及有效的限制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計、制造以及運行過程中的問題。機(jī)器人仿真技術(shù)大致可分為以下幾類：(1)針對制造系統(tǒng)中機(jī)器人的應(yīng)用開展的探討，如柔性制造系統(tǒng)或計算機(jī)集成制造系統(tǒng)中機(jī)器人的仿真問題；(2)針對機(jī)器人操作手本身的特性進(jìn)行的仿真探討，如運動學(xué)仿真、動力學(xué)仿真、軌跡規(guī)劃和碰撞檢驗等問題；(3)機(jī)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(zhuǎn)換成機(jī)器人限制程序去驅(qū)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(diào)度和限制。就仿真技術(shù)在生產(chǎn)管理中的應(yīng)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(shè)計和調(diào)度；(3)用于庫存管理。下面將這三個方面介紹仿真技術(shù)的應(yīng)用。計算機(jī)仿真在生產(chǎn)管理限制策略中的應(yīng)用用于生產(chǎn)管理限制策略的仿真包括確定有關(guān)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(yù)料，綜合考慮生產(chǎn)設(shè)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(zhǔn)時生產(chǎn)；③LOC：面對負(fù)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(biāo)的比較一般包括產(chǎn)量、生產(chǎn)率等。計算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計中的應(yīng)用一般可以把車間的設(shè)計過程分為兩個主要階段：初步設(shè)計階段和具體設(shè)計階段。初步設(shè)計階段的任務(wù)是探討用戶的需求，然后由此確定初步設(shè)計方案。具體設(shè)計階段的主要任務(wù)是在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，提出對車間各個組成單元的詳盡而完整的描述，使設(shè)計結(jié)果能夠達(dá)到進(jìn)行試驗和投產(chǎn)決策的程度，具體來說即確定設(shè)備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)、車間布局等。而仿真技術(shù)則主要用于方案的評價和選擇。具體來說：在初步設(shè)計階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟(jì)效益分析算法，運行依據(jù)初步設(shè)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(zhì)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(shè)計階段，運用仿真技術(shù)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(shè)備是否能夠得到充分的利用?②負(fù)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(yīng)?④新車間的整體布局是否能夠滿足生產(chǎn)調(diào)度的要求?⑤是否具有肯定的可重構(gòu)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(jī)仿真在制造車間運行中的應(yīng)用FMS中的調(diào)度問題可以定義為安排和協(xié)調(diào)可獲得的生產(chǎn)資源，如加工機(jī)器、自動引導(dǎo)運輸工具(AGV)、機(jī)器人以及加班的時間等，以滿足指定的目標(biāo)。這些目標(biāo)可以是滿足交貨日期、產(chǎn)量達(dá)到最大，機(jī)器的利用率達(dá)到最高，或上述目標(biāo)的組合。FMS中的調(diào)度過程包括：①選擇進(jìn)人FMS的工件；②為工件加工選擇加工路途；③選擇在機(jī)器上進(jìn)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(diào)度問題進(jìn)行分析和評價。計算機(jī)仿真在庫存管理中的應(yīng)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(zhì)，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(jī)仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)過程可分為概念設(shè)計、具體設(shè)計、評審和再設(shè)計等階段。每一階段又可進(jìn)一步細(xì)分，如具體設(shè)計可分為總體CAD、零部件CAD、計算機(jī)協(xié)助工程、可制造性設(shè)計、可裝配性設(shè)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(biāo)包括進(jìn)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(jī)仿真在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用產(chǎn)品價值鏈上商業(yè)伙伴間的合作和協(xié)調(diào)是虛擬企業(yè)的核心概念之一，因此供應(yīng)鏈管理是其探討和開發(fā)的主要焦點。供應(yīng)鏈管理涉及到整個產(chǎn)品價值鏈上事務(wù)過程的集成，包括供應(yīng)商、制造商、銷售商