1、2023年1月17日星期二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，Computer Integrated
2、Manufacturing System)80年代末，以过程集成为核心的并行工程(CE，Cocurrent Engineering)技术 90年代，出现了 虚拟制造(VM，Virtual Manufacturing)精益生产(LP，Lean Production)敏捷制造(AM，Agile Manufacturing)虚拟企业(VE，Virtual Enterprise)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。Perot System Team利用Deneb Robotics开发的QUEST及IG
3、RIP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(National Institute of Standards and Technology)正在建立虚拟制造环境(称之为国家先进制造测试床National Advanced Manufacturing Testbed,NAMT)，波音公司与麦道公司联手建立了MDA(M
4、echanical Design Automation)，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Gloria J.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Edward
5、Lin&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
6、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 (DesignCentered VM)，DFX技术 以生产为核心的虚拟制造 (ProductionCentered VM)以控制为中心的虚拟制造 (ControlCentered VM)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
7、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
8、 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)
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、向小车()或机械手、托盘等;控制器:工人管理器、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;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、产品、人员、工具、设备、数据及信息。库所(Place)资源按其在系统中的作用分类，每一类存放一处，则该处抽象为一个库所，又称P元素，库所不仅是一个场所，而且表示该场所存放的资源。变迁(Transition)资源的消耗、使用及产生对应
18、于库所的变化，网论中称之为变迁，又称T元素。Petri网的运行 Petri网的运行 由在网中标记的数目和分布情况来控制。标记留驻在位置里，控制着变迁节的运行。一个Petri网是由变迁节的引发(firing)来运行的。一个变迁节的引发，即是从它的各个输入位置移走标记，而将产生的新的标记分配到它的各个输出位置中。一个变迁节只有当它使能(Enabled)时才可以引发。当一个变迁节的每一个输入位置里的标记的个数不少于从这个输入位置到变迁节的弧的条数时，称这个变迁节是使能的Petri网的变迁规则Petri网的重要性质Petri网的本原 事件 条件Petri网建模实例Petri网的分析方法 可达树法 简约
19、分析法 关联矩阵法系统仿真服务 设置仿真时钟,运行于所建立的生产线。系统仿真时所见的是实际生产线的动态运行过程的复现,可能存在的问题可以得到真实的反映,如运行中的生产线瓶颈。仿真结果评价 制造系统在足够时间的仿真运行后,可以产生能评价生产线的数据,这些数据以文本或图表方式显示,辅助设计人员进行系统评价。数据类型有:机床、等设备利用率;产品的产量;加工成本;工人操作成本;运输、废料消耗分析。面向对象的生产线建模 5种基本对象类生产线类 生产线的基类,并将派生出包括设备类在内的其它子类设备类 生产线中的各种设备 设备类属于生产线制造环境中执行加工任务的对象,在生产线中有有形的实体与之对应,与产品类
20、不同的是它的几何外形对于生产线的设计研究至关重要.因此,设备类中的常用设备,如卧式加工中心、立式加工中心、测量机、立体仓库等的三维模型应尽可能精确地反映其几何外形.为此,设备类的三维模型库可以利用CAD专业工程软件,如3DStudioMax,ProEngineer,I-Deas等制作,并保存为VRML(virtual reality modeling language)格式.产品类 生产线中各种待加工产品 产品类属于生产线制造环境中的被加工对象,在生产线中有有形的实体与之对应,虽然其几何外形对于研究加工部位的仿真问题很重要,但在生产线的设计研究中,其工艺信息是解决设备配置问题的关键.因此,产品
21、类虽然需要同时建立二维和三维模型,但只须提取其轮廓信息,而不必精确显示几何外形.控制类 逻辑对象类,其主要功能是设计控制策略和选择决策规则,从而对系统进行动态调度 在控制类的二维模型中,设置由仿真控制语言SCL(simulation control language)编写的脚本程序,控制生产线中各模型的仿真运行.事件类 提供仿真运行和实验必要的功能和机制,定义各种可能出现的系统事件信息.它可以是系统中故障事件的开始或结束,也可以是系统中一个实体的产生、消失或属性值的改变.设置用于记录系统事件的格式列表建立对象模型库 生产线的制造环境是由制造生产过程所必需的基本生产要素,如加工中心、工件、运输小
22、车、仓库、传送带、缓冲站等构成.生产线的可视化设计,实际上就是要实现这些要素的可视化建模,因此应首先建立一个针对以上各对象类的模型库,以备在生产线的可视化建模时调用.为使生产线的制造环境更加逼真,将模型库中的模型分为二维和三维两种.生产线可视化建模 用户可以采用交互方式从模型库中点取所需的模型,放置到窗口中,然后设置模型的属性,进行适当的调整;也可以通过开发前置处理程序,生成生产线的规划设计信息,如所选设备类型、数量、布局位置、朝向等,并按格式保存在相应数据库中;然后利用系统的Init初始化程序读取数据库中的这些信息,生成所需生产线的可视化模型.为保证二维和三维模型的一致性,生产线的二维和三维
23、建模过程是同步进行的,即无论采用哪种建模方式,一种模式下的操作会实时反映在另一模式下生产过程仿真软件 专用软件 DENEB(delmia)的Quest Simple+铸造过程仿真软件Procast 开发工具 WorldToolKit Open Inventor 通用软件 Envision Vega MultiGenCreator ADAMS SolidWorks Matlib的SimulinkSIMULINK SIMULINK是MathWorks公司开发的又一个产生重大影响的软件产品。SIMULINK 总是由模块库、模型构造及分析指令、演示程序等三部分组成。SIMULINK的发展 在工程实际中
24、，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。1990年，Math Works软件公司为MATLAB提供了新的控制系统模型图输入与仿真工具，并命名为SIMULAB，该工具很快就在控制工程界获得了广泛的认可，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段。但因其名字与当时比较著名的软件SIMULA类似，所以1992年正式将该软件更名为SIMULINK。SIMULINK的出现，给控制系统分析与设计带来了福音。顾名思义，该软件的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件可以利用鼠标在模型窗
25、口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。SIMULINK的模块库SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear（非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块）SIMULINK简单模型的建立及模型特点1、简单模型的建立 （1）建立模型窗口 （2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口 （3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型2
26、、模型的特点 在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。v SIMULINK是MATLAB的一个扩展软件，它是基于模型化图型输入的仿真环境。v 模型化图型输入使得用户可以把更多的精力投入到模型的构建上来，只要 熟悉各功能模块库中各子模块的功能，并可将它们组合成需要的控制模型，掌握SIMULINK解法器的设置，就可使仿真正常运行。SIMULINK的优点 Block library实例Source LibrarySignal Generator
