生产过程仿真技术

生产过程仿真技术虚拟制造•基本思想是在产品制造过程的上游－设计阶段就进行对产品制造全过程的虚拟集成，将全阶段可能出现的问题解决在这一阶段，通过设计的最优化达到产品的一次性制造成功。•虚拟制造系统是各制造功能的虚拟集成，它的可视化集成范围包括与设计相关的各项子系统的功能，如用户支持、工程分析、材料选用、工艺计划、工装分析、快速原型，甚至包括制造企业全部功能（如计划、操作、控制）的集成。先进制造技术•条件–TQCS–计算机技术、计算机网络技术、信息处理技术等•发展–80年代初，以信息集成为核心的计算机集成制造系统(CIMS，ComputerIntegratedManufacturingSystem)–80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，CocurrentEngineering)技术–90年代，出现了–虚拟制造(VM，VirtualManufacturing)–精益生产(LP，LeanProduction)–敏捷制造(AM，AgileManufacturing)–虚拟企业(VE，VirtualEnterprise)等新概念。实例•波音777，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年。•PerotSystemTeam利用DenebRobotics开发的QUEST及IGRIP设计与实施一条生产线，在所有设备订货之前，对生产线的运动学、动力学、加工能力等各方面进行了分析与比较，使生产线的实施周期从传统的24个月缩短到9.5个月。•Chrycler公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。国外应用•在美国，NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床NationalAdvancedManufacturingTestbed,NAMT)，波音公司与麦道公司联手建立了MDA(MechanicalDesignAutomation)，•在德国，Darmstatt技术大学Fraunhofer计算机图形研究所，•加拿大的Waterloo大学，比利时的虚拟现实协会等均先后成立了研究机构，开展虚拟制造技术的研究。•虚拟制造的定义•佛罗里达大学GloriaJ.Wiens的定义：虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程。其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。着眼于结果•美国空军Wright实验室的定义是“虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层制造设计和生产决策与控制。该定义着眼于手段。•马里兰大学EdwardLin&etc给出的，“虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。着眼于环境虚拟制造的主要特点•产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改；还可将已开发的产品(部件)存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降低成本；•可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时间和误差，从而使产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。虚拟制造分类•按照与生产各个阶段的关系–以设计为核心的虚拟制造(DesignCenteredVM)，DFX技术–以生产为核心的虚拟制造(ProductionCenteredVM)–以控制为中心的虚拟制造(ControlCenteredVM)•三类VM之间的关系虚拟制造研究难点•产品、工艺规划及生产系统的信息模型•可制造性评价方法–包括各工艺步骤的处理时间，生产成本和质量的估计等•制造系统布局、生产计划和调度规划•分布式环境–牵涉到公司合作，信息共享，信息安全性等•统一的集成框架和体系。虚拟制造的产品生产•可制造性•可生产性•可合作性•虚拟制造•虚拟生产•虚拟企业虚拟制造平台•基于产品技术复合化的产品设计与分析，除了几何造型与特征造型等环境外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析环境等；•基于仿真的零部件制造设计与分析，包括工艺生成优化、工具设计优化、刀位轨迹优化、控制代码优化等；•基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验—虚拟加工、虚拟机器人等；•材料加工成形仿真，包括产品设计，加工成形过程温度场、应力场、流动场的分析，加工工艺优化等；•产品虚拟装配，根据产品设计的形状特征，精度特征，三维真实地模拟产品的装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。虚拟生产平台•虚拟生产环境布局•虚拟设备集成•虚拟计划与调度虚拟企业平台•虚拟企业协同工作环境–支持异地设计、异地装配、异地测试的环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传送、过程控制、人机交互等环境。•虚拟企业动态组合及运行支持环境，特别是INTERNET与INTRANET下的系统集成与任务协调环境。基于PDM的虚拟制造平台集成•支持虚拟制造的产品数据模型•基于产品数据管理(PDM)的虚拟制造集成技术•基于PDM的产品开发过程集成三类仿真模型•产品模型–是所有活动的目的和中心•制造系统模型–产品开发必须要考虑的约束•开发过程（包括设计、加工、装配、测试等）模型–是产品开发的使能器，也是对产品开发活动进行管理和控制的基础三类仿真应用•(1)以产品模型为中心的仿真–包括产品的静态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配性分析。在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品本身的仿真，如CAE、DFA等，是仿真技术在制造业应用的基本方面。•(2)以制造系统模型为中心的仿真–包括对于复杂制造装备（如加工中心、机器人等）的仿真、对于复杂制造系统（柔性制造车间的设计和运行）的仿真。仿真的目的在于，确定设备能力和运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。•(3)以开发过程模型为中心的仿真–包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。产品的开发大致包括设计和制造两个阶段。在设计阶段，产品的性能和成本就基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要性，以及设计过程中多学科协作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和仿真越来越受到人们的重视。仿真的目的在于缩短周期，降低成本。制造过程是仿真应用的传统方面，制造过程的仿真必须把产品模型和制造系统模型结合起来加以考虑，但它不仅仅是两者的简单相加，还需考虑控制策略、库存能力、负载能力等方面的问题。生产过程仿真技术研究意义•是虚拟制造的关键技术之一•是在生产过程模型中融入仿真技术，用计算机模拟实际生产过程，在实际生产开始之前优化资源配置和工艺过程•根据产品的工艺特征，生产场地，加工设备等信息，三维真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产动态过程进行模拟，统计相应评价参数，对生产环境的布局进行优化•评估和优化生产过程，评价–不同的工艺方案–资源需求规划–生产计划等•主要目标是评价可生产性,减少系统运行成本和维护费用生产过程仿真理论基础•离散事件仿真•Petri网建模方法•通过给出实际生产系统或假设的生产系统的动态的三维模型，在计算机中再现实际生产系统的设备、工人和分析生产物流与逻辑顺序的其它相关因素•生产线的设计需根据主导产品的类型、产量、加工工艺等系统特性选择加工设备、物流设备以及各种辅助设备,结合车间空间的结构特点对这些设备进行空间配置,并充分考虑设备之间在空间位置上的协调性,以确保整个系统的畅通和自动化.目标•生产过程仿真技术解决的是如何生产产品的问题，而不是产品本身的问题。•生产过程仿真的目的是在实际生产开始之前优化现有的资源配置，降低生产成本，缩短生产周期，或为实际生产系统中将要发生的改动或投资提供量化、直观的分析和依据与实际生产系统的关系•约束条件转化–如生产班次安排、设备故障率等•可信程度–输出结果与实际生产结果的比较来验证•指导–利用模型的输出结果去指导实际的生产实施传统手工生产线的设计过程•确定生产节拍•确定各工序所需的加工设备数,计算设备负荷系数•工序同期化•计算所需作业人数•确定生产线节拍性质,选择运输方式和物流系统•进行平面布局设计•编制标准计划图表传统设计存在的问题•注重局部，忽略全局•动态特性表述困难•以手工为主，以二维为主•与实际问题差距大生产线虚拟设计集成架构初步前期规划•确定生产节拍•确定各工序所需的加工设备数•计算设备负荷系数•工序同期化•计算所需作业人数•确定生产线节拍性质•选择运输方式和物流系统等。•由相应程序完成二三维几何建模•二维建模–实现生产线中各模型在仿真运行时的操作控制–仿真控制语言SCL的图形表现•三维建模–可逼真地反映生产线–产品及其加工部位–设备–逻辑表示•保证二维和三维模型的一致规划生产线系统•按照零件加工的工艺内容,通过工序的优化组合,确定机床和其他设备,实现生产线系统的初步规划;再根据产品产量的要求,确定生产线的节拍。优化生产线系统布局•根据工厂空间、计划生产能力和零件加工所需工序,初步快速交互地确定多种生产线布局方案,或验证已设计好的方案的空间。确定生产能力•通过仿真,验证现有的和预计新的生产系统在当前的运转条件下的生产能力以及生产线是否能够完成要求的年产量,如果不能,修改运行参数。确定运作方式•能够帮助确定是否按ＪＩＴ模式或建立仓库模式来运作;是否可以去除某些设备;是否有必要在总装线处设立存储仓库(会增加总的代价)。仿真能容易地比较这些附加的费用和由于备用件的缺乏而造成的总装线怠工损失两者的利弊。优化关键参数•通过仿真查找瓶颈工序,减少节拍时间以提高产量或工件的加工频率,确定各种机床的数量;通过成本分析,研究改善影响生产的一些环节是否能提高生产能力,优化各工位的库存量。还要优化生产线的特征值,这包括机床的加工时间、可靠性参数和缓冲区的设置。机床加工时间的分配是否均匀,缓冲区设计是否合理。确定物料管理和存放•通过仿真优化传送带的尺寸和速度,优化起重机构、自动导向小车以及驱动车的数目和任务分配。确定物料存放情况分散或集中的优劣。确定库存和警戒线•通过仿真确定在总装线仓库中的子装配零件的数量,或生产线缓冲站中的零件数量。优化人力资源•通过仿真可以估算出必要的操作工人数,优化技术人员和技术工人在各岗位的分配。确定换班方式•通过仿真研究一些或全部生产线加班对产量的影响,可以根据每小时的平均工作量或一段时间内的产品的产量计算出总产量,从而提供换班方式的依据。预测设备故障•对生产中的实际故障率进行统计建模,计入生产线中进行仿真,找出故障率对仿真结果的影响,估算在线和离线情况下预防性维修的代价以及预防性维修的频率及其可靠度,以指导生产线的设计。确定生产周期•通过仿真确定产品的生产周期,以确定定单和库存,最终实现准确交货时间,对问题定单提出警告。控制策略•利用各种控制策略确定批量大小、看板数量和库存水平。生产过程仿真建模过程制造系统布局•定义首先按照生产线的布局图建立各个基本建模实体:缓冲站、装料站、机床、卸料站、辅助设备等;物料运输实体:传送带、工人、自动导向小车(ＡＧＶ)或机械手、托盘等;控制器:工人管理器、ＡＧＶ控制器。按相互关系将模型实体连接起来。逻辑关系定义•将如下的各种逻辑关系或参数与特定的实体相关联:•———机床工件加工节拍、班次;•———缓冲策略;•———ＡＧＶ运动策略;•———控制器控制策略;•———装卸站的相关策略;•———机床的相关策略及故障率和维修率。Petri网•资源(Resource)–系统中发生变化所涉及的与系统状态有关的因素，称为资源。包括原材料、半成品、