面向生產系統(tǒng)規(guī)劃的數(shù)字化工廠仿真應用研究_付百川

1、 專論與綜述 Review MPF 完成仿真和分析。生產系統(tǒng)仿真與分析應由委托方和 實施方共同進行，如果實施方為委托方提供充分的應 則可由委托方自行完成。 用培訓， 三類仿真的目的不同，因此關注的仿真結果也不 同， 分述如下。 1 ） 工廠布局仿真： 本質上屬于靜態(tài)的仿真， 解決工 廠外部效果；生產系統(tǒng)的內外部物流路線與空間安排 是否合理；車間內部和生產線上的空間布局是否存在 明顯問題等。因此仿真分析的重點在于考察外部總體 景觀；內外部的物流通道尺寸；車間內部各類空間尺 寸； 生產線上各工位的操作空間和緩存空間等。 2 ） 工藝流程仿真： 屬于動態(tài)仿真， 可驗證工藝流程 在時序上的合理性，因此

2、仿真分析的重點在于生產系 生產資源和人員的利用率； 預 統(tǒng)不同環(huán)節(jié)的能力平衡； 定工藝的產能； 給定時 間 段 內 的 投入 /產出比 ； 生產 系 給定生產計劃的合理性驗證等。 統(tǒng)的改進潛能； 3 ） 操作過程仿真： 屬于動態(tài)仿真， 可用于驗證生產 線 上 各 工 位 內 部 的 操 作 過 程 在時 間 和 空 間上 的 合 理 性； 驗證各類共用生產資源 （如行車） 的預定運行方案 是否合理；各類操作人員的操作空間和姿態(tài)是否符合 人機工效學標準等。因此仿真分析的側重點在于考察 預定操作過程的動態(tài)干涉和碰撞情況；分析設備和人 員的動態(tài)操作空間； 分析生產資源運行可行性 （碰撞、 干涉等 ）

3、 ； 分析操作人員的姿態(tài)和空間； 為真實操作工 藝提供三維作業(yè)指導。 改善建議。 操作過程仿真：以底盤裝配線以及整機裝配線為 建模對象，在三維環(huán)境下對典型工位的裝配工藝進行 人機裝配仿真， 對裝配作業(yè)順序、 作業(yè)路徑、 作業(yè)時間、 作業(yè)質量控制點等進行驗證與優(yōu)化，創(chuàng)建與優(yōu)化作業(yè) 指導書。 全部仿真工期約為 3 個月。 3.2 實施過程與結果 3.2.1 實施方案制定 首先是理解徐重新廠的生產工藝，甲方提供了多 重資料， 生產工藝設計說明書、 設備清單與說明書、 廠 區(qū)與車間內布局圖等。方案制定人員在理解這些資料 制定 需求規(guī)格說明書 、 項目總體計劃說 的基礎上， 明書 、 詳細設計說明書 ，

4、 經與甲方人員確定后定稿。 3.2.2 數(shù)據(jù)準備 依據(jù) 2.3 節(jié)關于數(shù)據(jù)準備的規(guī)定，在徐重廠工藝 部的協(xié)助下完成了布局、 物流、 裝配線仿真的所有數(shù)據(jù) 準備。 3.2.3 布局仿真 布 局仿 真 使 用 上 海 江 衡 /上 海 交 大 聯(lián) 合 研 發(fā) 的 VR-Layout 布局軟件。首先是 3D 建模， 主要分為廠區(qū) 外景建模、 設備與工裝建模與處理、 產品模型處理 3 部 分。表 3 為外景模型。 表 3 布局仿真中的外景建模 布 局 園區(qū)外景 園區(qū)構造 地理環(huán)境 外觀建筑 東面 南面 西面 廠房 6 個廠房 內 容 3 3.1 數(shù)字化工廠仿真實例 案例簡介 徐工集團徐州重型機械廠的新

5、征地項目，對應生 產系統(tǒng)將生產各類起重機械， 包含下料、 結構件、 裝配、 涂裝四大環(huán)節(jié)， 分布在 5 個 聯(lián) 合 廠 房 中 ， 共有約 30 條 加工線。生產系統(tǒng)仿真的目標如下。 布局仿真：根據(jù)新廠區(qū)平面圖以及車間工藝布局 規(guī)劃，在三維環(huán)境中對園區(qū)以及車間生產線布局方案 進行仿真和評估，為甲方新廠區(qū)的規(guī)劃提供全新的評 估和分析手段。對新廠區(qū)園區(qū)以及車間生產資源進行 三維數(shù)字建模，提供三維交互式設備與工裝的布局仿 真， 輸出動畫， 最終成果可以全面 、 真實展示出工廠規(guī) 劃的立體效果。 物流仿真： 根據(jù)甲方現(xiàn)有的物流規(guī)劃， 通過物流過 程邏輯建模， 對方案進行仿真分析與評估、 為優(yōu)化物流 提

6、供建議。 采用物流仿真軟件完成結構件車間、 裝配車 間的物流過程建模， 包括車間內部、 車間之間、 以及公 司內各供貨地點到生產線上的物流，要求能夠清楚顯 示零件的外形、 尺寸和顏色等變化， 通過仿真分析是否 存在通道堵塞、 節(jié)拍不平衡、 尋找瓶頸等狀況， 并提供 安全通道、 交通要道、 人行道、 綠化景觀、 停 車場、 產品展示區(qū)、 調試場、 園區(qū)圍墻 東臨高新路， 南 側 放亭河 、 西側重型路、 北 面楊山路 調試辦公室、 加油站、 底盤檢測線 、 東面餐 廳、 東大門 景觀帶 、 科技大樓 、 綜合辦公樓 、 2 個大門 計量樓 、 配電樓 、 餐廳 、 氣 站、 西大門 下料車間 、

7、 第二聯(lián)合廠房 、 第三聯(lián)合廠房、 整機涂裝車間 、 整 機裝 配 車 間 、 試制 裝 配 車間 以下為設備和工裝建模情況。 設備： 6 個車間， 150 類設備。 產品： 4 橋整車與組成零部件 、 5 橋整車與零件 、 3 橋、 7 橋外形。 物料： 下料車間 15 種， 裝配車間 30 種。 工裝： 固定式工位器具 53 種、 移動式工位器具 22 種、 采購工位器 具 11 種 、 底 盤 工 位 器 具 25 種 、 其他 7 種、 綜合 12 種， 共 130 種。 此外還有 3 種型號的汽車起重機產品的 全 部 3D 模型， 該模型原為 PRO/E 中建立的模型， 經簡化、 顏

8、色 MPF 2012 年 7 月 第 15 卷 第 7 期 11 MPF 專論與綜述 Review 設置和紋理貼圖處理獲得布局仿真所需模型。 圖 3a 為廠區(qū)布局與物流路線示意，圖 3b 為廠區(qū) 外觀仿真。 圖 4 為中噸位起重機裝配線布局仿真截圖。 包含了除人員以外的所有生產要素，緩沖區(qū)的零部件 數(shù)目完全符合實際工藝的規(guī)定。 a.布局與物流路線示意 圖3 b.廠區(qū)外景仿真 廠區(qū)外觀布局仿真 物流仿真的結果也將作為徐重廠今后修改工藝、 新 比。 產品混線生產時的仿真與分析工具。 3.2.5 操作工藝仿真 操作工藝仿真主要使用 DELMIA/DPM 軟件完成， 此外還使用了 DMSP/DMVA

9、對部分零部件的裝配公差 進行簡單分析。 主要對大噸位起重機的整機裝配線和底盤裝配線 的裝配工藝進行了仿真。仿真校驗了裝配線不同工位 之間的操作時間平衡；驗證了工位上操作過程的空間 安全性、 干涉安全性； 分析了操作 人 員 的 操 作 姿 態(tài) 、 操 作空間、 操作視野等人機工程學指標。 對部分部件的裝 配公差進行了分析，目的在于分析裝配操作順序對于 裝配公差的影響，進而分析裝配過程中的某些配合是 否容易完成。 圖 6a 為大噸位起重機整車裝配線的各工 位操作時間對比； 圖 6b 為大噸位起重機伸臂吊裝過程 的操作空間分析； 圖 6c 為底盤某部件安裝時的視野分 析； 圖 6d 為伸臂減速器裝

10、配公差分析。 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 2 3 4 工位 5 圖 4 中噸位起重機裝配線布局 物流仿真 物流仿真使用 DELMIAL/QUEST 軟件，工作分為 3 階段： 生產線物流建模 ； 物 流 仿 真 與分 析 ； 方案改進 與優(yōu)化。表 4 為完成的物流仿真生產線總匯。 表 4 物流仿真生產線工作總匯 裝配車間 中噸位裝配線 中噸位伸臂裝配線 中噸位轉臺裝配線 大噸位底盤裝配線 結構車間 中噸位車架結構線 中噸位伸臂結構線 下料車間 精等大件加工線 激光大件加工線 火焰大件加工線 精等中件加工線 薄板加工線 3.2.4 6 7 a.整機裝配線的

11、工位操作時間對比 仿真發(fā)現(xiàn)原方案在一些車間共用資源上的設置和 運行方案存在問題，將導致部分工位對于共用資源的 需求無法滿足，圖 5 顯示中噸位起重機裝配線生產線 的轉臺工位由于行車使用需求無法滿足導致其成為瓶 頸工位。 后測試了幾個不同的行車方案解決了問題。 b.伸臂吊裝作業(yè)空間分析 c.操作中的人員視野分析 d.操作順序對過程公差影響分析 圖6 裝配線操作過程仿真與分析 3.3 圖5 中噸位起重機裝配線 此外還仿真了部分生產線的最大產能，校驗是否 可滿足設計目標；對于部分生產線的投入產出比進行 了分析， 改進了一些工藝步驟的細節(jié)、 減小了投入產出 實施結果討論 徐重新廠區(qū)生產線系統(tǒng)仿真實際花

12、費了 4 個月時 間， 完成了全部廠區(qū)外景、 車間內部所有生產線的生產 狀態(tài)布局仿真與分析，為廠領導和工藝技術部技術人 員分析和校驗布局方案提供了支持；完成了全部關鍵 12 MPF 2012 年 7 月 第 15 卷 第 7 期 專論與綜述 Review MPF 生產線的工藝流程分析，為工藝技術部驗證和改進工 藝方案提供了直接支持；完成了大噸位起重的整機和 底盤生產線裝配工藝分析，為驗證裝配操作工藝提供 了驗證和改進手段。 此外仿真工程為今后徐重新廠的二期建設、新產 品混線生產、產能增加時的分析與優(yōu)化等新需求提供 了一個可靠平臺，徐重技術人員可依托該平臺完成新 的仿真工程。 在上述實施中，感覺

13、工作量最大的是操作過程仿 真，操作人員的動作設置是瓶頸之一。此外 DELMIA/DPM 軟 件 對 多 人 同 時完成 一條 生產 線 的 操 作 過 程 仿真支持較差， 這也是實施時間延長的原因之一。 展成為數(shù)字化工廠的必要組成部分，其作用將不僅僅 是仿真， 而是實際生產過程管理與控制的組成部分。 參考文獻： 1 Wolfgang Kühn. Digital factory - simulation enhancing the product and production engineering processC. Proceedings of the 2006 （38th ）Wi

14、nter Simulation Conference: 1898-1906. 2 Hasse Nylund, Kai Salminen, Paul Andersson. Digital virtual holons - an approach to digital manufacturing systems J. Manufacturing Systems and Technologies for the New Fron tier, 2008, Part 3, 103-106. 3 U Bracht, T Masurat . The digital factory between visio

15、n and realitsysJ. Computers in Industry, 2005. 5, 56 （4 ） : 325-333. 4 J E Muelaner, P G Maropoulos. Integrated dimensional varia tion management in the digital factorys C. Proceedings of DET 2011,7th International Conference on Digital Enterprise Technology, Athens, Greece, 2011: 39-46. 5 F Arndt.

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17、12-17. 7 Wolfgang Kühn. Digital Factory- Integration of simulation enhancing the product and production process towards opera tive control and optimizationsJ. International Journal of Sim ulation, 2008, 7 （7 ） : 27-39. 基金項目：國家自然科學基金項目 （51075274， 51075264 ） 收稿日期：2012-03-23 4 結語 本文在充分理解數(shù)字化工廠概念的基礎

18、上，研究 數(shù)字化工廠仿真工程的實施問題。根據(jù)大量的實施經 驗提出了數(shù)字化工廠仿真的實施目標與實施流程。并 對這個實施流程中的各步驟工作內容和要點進行了探 討。結合徐州重型機械有限公司新廠區(qū)生產系統(tǒng)仿真 實施過程實例對上述實施流程進行了驗證，結果表明 本文提出的數(shù)字化工廠仿真實施流程能夠保證仿真實 施進度與質量，仿真工程的實施對于發(fā)現(xiàn)生產系統(tǒng)設 計中的問題、 改進生產系統(tǒng)設計方案等具有直接作用， 同時也為今后的生產工藝改變等需求提供一個仿真和 分析平臺。 本文的數(shù)字化工廠仿真還僅限于工藝布局、工藝 流程和操作過程三方面的仿真，隨著數(shù)字化工廠仿真 技術和工具的發(fā)展，今后仿真將進一步滲透到數(shù)字化 工廠的更多環(huán)節(jié)；此外目前的仿真系統(tǒng)與實際生產過 程還未集成， 因此只能用于工藝的驗證和改進， 隨著以 MES 技術和物聯(lián)網技術的發(fā)展和應用， 仿真系統(tǒng)將發(fā) 佐敦集團頂尖粉末涂料工廠落戶中國 全球領先的涂料、 油漆及粉末涂料供應商佐敦集團近日宣布， 佐敦旗下一座全新的世界級粉末涂料工廠及區(qū)域研發(fā)中心在中國 正式揭幕。新工廠位于江蘇省張家港市， 占地面積 13 萬 m2， 配備世界一流設施， 可實現(xiàn)高