生產過程仿真技術.ppt

1、1,生產過程仿真技術,2,虛擬制造,基本思想是在產品制造過程的上游設計階段就進行對產品制造全過程的虛擬集成，將全階段可能出現(xiàn)的問題解決在這一階段，通過設計的最優(yōu)化達到產品的一次性制造成功。 虛擬制造系統(tǒng)是各制造功能的虛擬集成，它的可視化集成范圍包括與設計相關的各項子系統(tǒng)的功能，如用戶支持、工程分析、材料選用、工藝計劃、工裝分析、快速原型，甚至包括制造企業(yè)全部功能（如計劃、操作、控制）的集成。,3,先進制造技術,條件 TQCS 計算機技術、計算機網絡技術、信息處理技術等 發(fā)展 80年代初，以信息集成為核心的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS，Computer Integrated Manufactur

2、ing System) 80年代末，以過程集成為核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技術 90年代，出現(xiàn)了 虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing) 精益生產(LP，Lean Production) 敏捷制造(AM，Agile Manufacturing) 虛擬企業(yè)(VE，Virtual Enterprise)等新概念。,4,實例,波音777，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年。 Perot System Team利用Deneb Robotics開發(fā)的QUEST及IGRI

3、P設計與實施一條生產線，在所有設備訂貨之前，對生產線的運動學、動力學、加工能力等各方面進行了分析與比較，使生產線的實施周期從傳統(tǒng)的24個月縮短到9.5個月。 Chrycler公司與IBM合作開發(fā)的虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制，在樣車生產之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設計缺陷，縮短了研制周期。,5,國外應用,在美國，NIST (National Institute of Standards and Technology)正在建立虛擬制造環(huán)境(稱之為國家先進制造測試床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司與麥道公司聯(lián)手建立了MD

4、A(Mechanical Design Automation)， 在德國，Darmstatt技術大學Fraunhofer計算機圖形研究所， 加拿大的Waterloo大學，比利時的虛擬現(xiàn)實協(xié)會等均先后成立了研究機構，開展虛擬制造技術的研究。,6,虛擬制造的定義,佛羅里達大學Gloria J.Wiens的定義：虛擬制造是這樣一個概念，即與實際一樣在計算機上執(zhí)行制造過程。其中虛擬模型是在實際制造之前用于對產品的功能及可制造性的潛在問題進行預測。著眼于結果 美國空軍Wright實驗室的定義是“虛擬制造是仿真、建模和分析技術及工具的綜合應用，以增強各層制造設計和生產決策與控制。該定義著眼于手段。 馬里蘭

5、大學Edward Lin再根據(jù)產品產量的要求,確定生產線的節(jié)拍。,28,優(yōu)化生產線系統(tǒng)布局,根據(jù)工廠空間、計劃生產能力和零件加工所需工序,初步快速交互地確定多種生產線布局方案,或驗證已設計好的方案的空間。,29,確定生產能力,通過仿真,驗證現(xiàn)有的和預計新的生產系統(tǒng)在當前的運轉條件下的生產能力以及生產線是否能夠完成要求的年產量,如果不能,修改運行參數(shù)。,30,確定運作方式,能夠幫助確定是否按模式或建立倉庫模式來運作;是否可以去除某些設備;是否有必要在總裝線處設立存儲倉庫(會增加總的代價)。仿真能容易地比較這些附加的費用和由于備用件的缺乏而造成的總裝線怠工損失兩者的利弊。,31,優(yōu)化關鍵參數(shù),通過

6、仿真查找瓶頸工序,減少節(jié)拍時間以提高產量或工件的加工頻率,確定各種機床的數(shù)量;通過成本分析,研究改善影響生產的一些環(huán)節(jié)是否能提高生產能力,優(yōu)化各工位的庫存量。還要優(yōu)化生產線的特征值,這包括機床的加工時間、可靠性參數(shù)和緩沖區(qū)的設置。機床加工時間的分配是否均勻,緩沖區(qū)設計是否合理。,32,確定物料管理和存放,通過仿真優(yōu)化傳送帶的尺寸和速度,優(yōu)化起重機構、自動導向小車以及驅動車的數(shù)目和任務分配。確定物料存放情況分散或集中的優(yōu)劣。,33,確定庫存和警戒線,通過仿真確定在總裝線倉庫中的子裝配零件的數(shù)量,或生產線緩沖站中的零件數(shù)量。,34,優(yōu)化人力資源,通過仿真可以估算出必要的操作工人數(shù),優(yōu)化技術人員和技

7、術工人在各崗位的分配。,35,確定換班方式,通過仿真研究一些或全部生產線加班對產量的影響,可以根據(jù)每小時的平均工作量或一段時間內的產品的產量計算出總產量,從而提供換班方式的依據(jù)。,36,預測設備故障,對生產中的實際故障率進行統(tǒng)計建模,計入生產線中進行仿真,找出故障率對仿真結果的影響,估算在線和離線情況下預防性維修的代價以及預防性維修的頻率及其可靠度,以指導生產線的設計。,37,確定生產周期,通過仿真確定產品的生產周期,以確定定單和庫存,最終實現(xiàn)準確交貨時間,對問題定單提出警告。,38,控制策略,利用各種控制策略確定批量大小、看板數(shù)量和庫存水平。,39,生產過程仿真建模過程,40,制造系統(tǒng)布局,

8、定義首先按照生產線的布局圖建立各個基本建模實體:緩沖站、裝料站、機床、卸料站、輔助設備等;物料運輸實體:傳送帶、工人、自動導向小車()或機械手、托盤等;控制器:工人管理器、控制器。按相互關系將模型實體連接起來。,41,邏輯關系定義,將如下的各種邏輯關系或參數(shù)與特定的實體相關聯(lián): 機床工件加工節(jié)拍、班次; 緩沖策略; 運動策略; 控制器控制策略; 裝卸站的相關策略; 機床的相關策略及故障率和維修率。,42,Petri網,資源(Resource) 系統(tǒng)中發(fā)生變化所涉及的與系統(tǒng)狀態(tài)有關的因素，稱為資源。包括原材料、半成品、產品、人員、工具、設備、數(shù)據(jù)及信息。 庫所(Place) 資源按其在系統(tǒng)中的作

9、用分類，每一類存放一處，則該處抽象為一個庫所，又稱P元素，庫所不僅是一個場所，而且表示該場所存放的資源。 變遷(Transition) 資源的消耗、使用及產生對應于庫所的變化，網論中稱之為變遷，又稱T元素。,43,44,Petri網的運行,Petri網的運行 由在網中標記的數(shù)目和分布情況來控制。 標記留駐在位置里，控制著變遷節(jié)的運行。 一個Petri網是由變遷節(jié)的引發(fā)(firing)來運行的。一個變遷節(jié)的引發(fā)，即是從它的各個輸入位置移走標記，而將產生的新的標記分配到它的各個輸出位置中。 一個變遷節(jié)只有當它使能(Enabled)時才可以引發(fā)。當一個變遷節(jié)的每一個輸入位置里的標記的個數(shù)不少于從這個

10、輸入位置到變遷節(jié)的弧的條數(shù)時，稱這個變遷節(jié)是使能的,45,Petri網的變遷規(guī)則,46,Petri網的重要性質,47,Petri網的本原,事件 條件,48,Petri網建模實例,49,50,Petri網的分析方法,可達樹法 簡約分析法 關聯(lián)矩陣法,51,系統(tǒng)仿真服務,設置仿真時鐘,運行于所建立的生產線。系統(tǒng)仿真時所見的是實際生產線的動態(tài)運行過程的復現(xiàn),可能存在的問題可以得到真實的反映,如運行中的生產線瓶頸。,52,仿真結果評價,制造系統(tǒng)在足夠時間的仿真運行后,可以產生能評價生產線的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)以文本或圖表方式顯示,輔助設計人員進行系統(tǒng)評價。數(shù)據(jù)類型有: 機床、等設備利用率; 產品的產量; 加

11、工成本; 工人操作成本; 運輸、廢料消耗分析。,53,面向對象的生產線建模,5種基本對象類,54,生產線類,生產線的基類,并將派生出包括設備類在內的其它子類,55,設備類,生產線中的各種設備 設備類屬于生產線制造環(huán)境中執(zhí)行加工任務的對象,在生產線中有有形的實體與之對應,與產品類不同的是它的幾何外形對于生產線的設計研究至關重要.因此,設備類中的常用設備,如臥式加工中心、立式加工中心、測量機、立體倉庫等的三維模型應盡可能精確地反映其幾何外形.為此,設備類的三維模型庫可以利用CAD專業(yè)工程軟件,如3DStudioMax,ProEngineer,I-Deas等制作,并保存為VRML(virtual r

12、eality modeling language)格式.,56,產品類,生產線中各種待加工產品 產品類屬于生產線制造環(huán)境中的被加工對象,在生產線中有有形的實體與之對應,雖然其幾何外形對于研究加工部位的仿真問題很重要,但在生產線的設計研究中,其工藝信息是解決設備配置問題的關鍵.因此,產品類雖然需要同時建立二維和三維模型,但只須提取其輪廓信息,而不必精確顯示幾何外形.,57,控制類,邏輯對象類,其主要功能是設計控制策略和選擇決策規(guī)則,從而對系統(tǒng)進行動態(tài)調度 在控制類的二維模型中,設置由仿真控制語言SCL(simulation control language)編寫的腳本程序,控制生產線中各模型的仿

13、真運行.,58,事件類,提供仿真運行和實驗必要的功能和機制,定義各種可能出現(xiàn)的系統(tǒng)事件信息.它可以是系統(tǒng)中故障事件的開始或結束,也可以是系統(tǒng)中一個實體的產生、消失或屬性值的改變. 設置用于記錄系統(tǒng)事件的格式列表,59,建立對象模型庫,生產線的制造環(huán)境是由制造生產過程所必需的基本生產要素,如加工中心、工件、運輸小車、倉庫、傳送帶、緩沖站等構成.生產線的可視化設計,實際上就是要實現(xiàn)這些要素的可視化建模,因此應首先建立一個針對以上各對象類的模型庫,以備在生產線的可視化建模時調用.為使生產線的制造環(huán)境更加逼真,將模型庫中的模型分為二維和三維兩種.,60,生產線可視化建模,用戶可以采用交互方式從模型庫中

14、點取所需的模型,放置到窗口中,然后設置模型的屬性,進行適當?shù)恼{整;也可以通過開發(fā)前置處理程序,生成生產線的規(guī)劃設計信息,如所選設備類型、數(shù)量、布局位置、朝向等,并按格式保存在相應數(shù)據(jù)庫中;然后利用系統(tǒng)的Init初始化程序讀取數(shù)據(jù)庫中的這些信息,生成所需生產線的可視化模型.為保證二維和三維模型的一致性,生產線的二維和三維建模過程是同步進行的,即無論采用哪種建模方式,一種模式下的操作會實時反映在另一模式下,61,生產過程仿真軟件,專用軟件 DENEB(delmia)的Quest Simple+ 鑄造過程仿真軟件Procast 開發(fā)工具 WorldToolKit Open Inventor,通用軟件

15、 Envision Vega MultiGenCreator ADAMS SolidWorks Matlib的Simulink,62,SIMULINK,SIMULINK是MathWorks公司開發(fā)的又一個產生重大影響的軟件產品。 SIMULINK 總是由模塊庫、模型構造及分析指令、演示程序等三部分組成。,63,SIMULINK的發(fā)展,在工程實際中，控制系統(tǒng)的結構往往很復雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入計算機，對其進行進一步的分析與仿真。 1990年，Math Works軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖輸入與仿真工具，并命名為SIMULAB

16、，該工具很快就在控制工程界獲得了廣泛的認可，使得仿真軟件進入了模型化圖形組態(tài)階段。但因其名字與當時比較著名的軟件SIMULA類似，所以1992年正式將該軟件更名為SIMULINK。 SIMULINK的出現(xiàn)，給控制系統(tǒng)分析與設計帶來了福音。顧名思義，該軟件的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真和分析。,64,SIMULINK的模塊庫,SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫： Continuous（連續(xù)模塊） Discrete（離散模塊） Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊） Math（數(shù)學模塊） Nonlinear（非線性模塊） Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊） Sinks（接收器模塊） Sources（輸入源模塊）,65,SIMULINK簡單模型的建立及模型特點,1、簡單模型的建立 （1）建立模型窗口 （2）將功能模塊由模塊庫窗口復制到模型窗口 （3）對模塊進行連接，從而構成需要的系統(tǒng)模型 2、模型的特點 在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進行仿真具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。 SIMULINK的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構建上層母系統(tǒng)。