生產(chǎn)過程仿真技術(shù).ppt

1、1,生產(chǎn)過程仿真技術(shù),2,虛擬制造,基本思想是在產(chǎn)品制造過程的上游設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行對產(chǎn)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(shè)計(jì)的最優(yōu)化達(dá)到產(chǎn)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(shè)計(jì)相關(guān)的各項(xiàng)子系統(tǒng)的功能，如用戶支持、工程分析、材料選用、工藝計(jì)劃、工裝分析、快速原型，甚至包括制造企業(yè)全部功能（如計(jì)劃、操作、控制）的集成。,3,先進(jìn)制造技術(shù),條件 TQCS 計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等 發(fā)展 80年代初，以信息集成為核心的計(jì)算機(jī)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(shù) 90年代，出現(xiàn)了 虛擬制造(VM，Virtual Manufacturing) 精益生產(chǎn)(LP，Lean Production) 敏捷制造(AM，Agile Manufacturing) 虛擬企業(yè)(VE，Virtual Enterprise)等新概念。,4,實(shí)例,波音777，其整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時(shí)間縮短到5年。 Perot System Team利用Deneb Robotics開發(fā)的QUEST及IGRI

3、P設(shè)計(jì)與實(shí)施一條生產(chǎn)線，在所有設(shè)備訂貨之前，對生產(chǎn)線的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、加工能力等各方面進(jìn)行了分析與比較，使生產(chǎn)線的實(shí)施周期從傳統(tǒng)的24個(gè)月縮短到9.5個(gè)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(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設(shè)計(jì)缺陷，縮短了研制周期。,5,國外應(yīng)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(jìn)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(shù)大學(xué)Fraunhofer計(jì)算機(jī)圖形研究所， 加拿大的Waterloo大學(xué)，比利時(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)協(xié)會等均先后成立了研究機(jī)構(gòu)，開展虛擬制造技術(shù)的研究。,6,虛擬制造的定義,佛羅里達(dá)大學(xué)Gloria J.Wiens的定義：虛擬制造是這樣一個(gè)概念，即與實(shí)際一樣在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行制造過程。其中虛擬模型是在實(shí)際制造之前用于對產(chǎn)品的功能及可制造性的潛在問題進(jìn)行預(yù)測。著眼于結(jié)果 美國空軍Wright實(shí)驗(yàn)室的定義是“虛擬制造是仿真、建模和分析技術(shù)及工具的綜合應(yīng)用，以增強(qiáng)各層制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)決策與控制。該定義著眼于手段。 馬里蘭

5、大學(xué)Edward Lin再根據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)量的要求,確定生產(chǎn)線的節(jié)拍。,28,優(yōu)化生產(chǎn)線系統(tǒng)布局,根據(jù)工廠空間、計(jì)劃生產(chǎn)能力和零件加工所需工序,初步快速交互地確定多種生產(chǎn)線布局方案,或驗(yàn)證已設(shè)計(jì)好的方案的空間。,29,確定生產(chǎn)能力,通過仿真,驗(yàn)證現(xiàn)有的和預(yù)計(jì)新的生產(chǎn)系統(tǒng)在當(dāng)前的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的生產(chǎn)能力以及生產(chǎn)線是否能夠完成要求的年產(chǎn)量,如果不能,修改運(yùn)行參數(shù)。,30,確定運(yùn)作方式,能夠幫助確定是否按模式或建立倉庫模式來運(yùn)作;是否可以去除某些設(shè)備;是否有必要在總裝線處設(shè)立存儲倉庫(會增加總的代價(jià))。仿真能容易地比較這些附加的費(fèi)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(guān)鍵參數(shù),通過

6、仿真查找瓶頸工序,減少節(jié)拍時(shí)間以提高產(chǎn)量或工件的加工頻率,確定各種機(jī)床的數(shù)量;通過成本分析,研究改善影響生產(chǎn)的一些環(huán)節(jié)是否能提高生產(chǎn)能力,優(yōu)化各工位的庫存量。還要優(yōu)化生產(chǎn)線的特征值,這包括機(jī)床的加工時(shí)間、可靠性參數(shù)和緩沖區(qū)的設(shè)置。機(jī)床加工時(shí)間的分配是否均勻,緩沖區(qū)設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)、自動導(dǎo)向小車以及驅(qū)動車的數(shù)目和任務(wù)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(chǎn)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(shù)人員和技

7、術(shù)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(chǎn)線加班對產(chǎn)量的影響,可以根據(jù)每小時(shí)的平均工作量或一段時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)品的產(chǎn)量計(jì)算出總產(chǎn)量,從而提供換班方式的依據(jù)。,36,預(yù)測設(shè)備故障,對生產(chǎn)中的實(shí)際故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模,計(jì)入生產(chǎn)線中進(jìn)行仿真,找出故障率對仿真結(jié)果的影響,估算在線和離線情況下預(yù)防性維修的代價(jià)以及預(yù)防性維修的頻率及其可靠度,以指導(dǎo)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)。,37,確定生產(chǎn)周期,通過仿真確定產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,以確定定單和庫存,最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確交貨時(shí)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(chǎn)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(chǎn)線的布局圖建立各個(gè)基本建模實(shí)體:緩沖站、裝料站、機(jī)床、卸料站、輔助設(shè)備等;物料運(yùn)輸實(shí)體:傳送帶、工人、自動導(dǎo)向小車()或機(jī)械手、托盤等;控制器:工人管理器、控制器。按相互關(guān)系將模型實(shí)體連接起來。,41,邏輯關(guān)系定義,將如下的各種邏輯關(guān)系或參數(shù)與特定的實(shí)體相關(guān)聯(lián): 機(jī)床工件加工節(jié)拍、班次; 緩沖策略; 運(yùn)動策略; 控制器控制策略; 裝卸站的相關(guān)策略; 機(jī)床的相關(guān)策略及故障率和維修率。,42,Petri網(wǎng),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(guān)的因素，稱為資源。包括原材料、半成品、產(chǎn)品、人員、工具、設(shè)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(gè)庫所，又稱P元素，庫所不僅是一個(gè)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(chǎn)生對應(yīng)于庫所的變化，網(wǎng)論中稱之為變遷，又稱T元素。,43,44,Petri網(wǎng)的運(yùn)行,Petri網(wǎng)的運(yùn)行 由在網(wǎng)中標(biāo)記的數(shù)目和分布情況來控制。 標(biāo)記留駐在位置里，控制著變遷節(jié)的運(yùn)行。 一個(gè)Petri網(wǎng)是由變遷節(jié)的引發(fā)(firing)來運(yùn)行的。一個(gè)變遷節(jié)的引發(fā)，即是從它的各個(gè)輸入位置移走標(biāo)記，而將產(chǎn)生的新的標(biāo)記分配到它的各個(gè)輸出位置中。 一個(gè)變遷節(jié)只有當(dāng)它使能(Enabled)時(shí)才可以引發(fā)。當(dāng)一個(gè)變遷節(jié)的每一個(gè)輸入位置里的標(biāo)記的個(gè)數(shù)不少于從這個(gè)

10、輸入位置到變遷節(jié)的弧的條數(shù)時(shí)，稱這個(gè)變遷節(jié)是使能的,45,Petri網(wǎng)的變遷規(guī)則,46,Petri網(wǎng)的重要性質(zhì),47,Petri網(wǎng)的本原,事件 條件,48,Petri網(wǎng)建模實(shí)例,49,50,Petri網(wǎng)的分析方法,可達(dá)樹法 簡約分析法 關(guān)聯(lián)矩陣法,51,系統(tǒng)仿真服務(wù),設(shè)置仿真時(shí)鐘,運(yùn)行于所建立的生產(chǎn)線。系統(tǒng)仿真時(shí)所見的是實(shí)際生產(chǎn)線的動態(tài)運(yùn)行過程的復(fù)現(xiàn),可能存在的問題可以得到真實(shí)的反映,如運(yùn)行中的生產(chǎn)線瓶頸。,52,仿真結(jié)果評價(jià),制造系統(tǒng)在足夠時(shí)間的仿真運(yùn)行后,可以產(chǎn)生能評價(jià)生產(chǎn)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(shè)計(jì)人員進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)。數(shù)據(jù)類型有: 機(jī)床、等設(shè)備利用率; 產(chǎn)品的產(chǎn)量; 加

11、工成本; 工人操作成本; 運(yùn)輸、廢料消耗分析。,53,面向?qū)ο蟮纳a(chǎn)線建模,5種基本對象類,54,生產(chǎn)線類,生產(chǎn)線的基類,并將派生出包括設(shè)備類在內(nèi)的其它子類,55,設(shè)備類,生產(chǎn)線中的各種設(shè)備 設(shè)備類屬于生產(chǎn)線制造環(huán)境中執(zhí)行加工任務(wù)的對象,在生產(chǎn)線中有有形的實(shí)體與之對應(yīng),與產(chǎn)品類不同的是它的幾何外形對于生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要.因此,設(shè)備類中的常用設(shè)備,如臥式加工中心、立式加工中心、測量機(jī)、立體倉庫等的三維模型應(yīng)盡可能精確地反映其幾何外形.為此,設(shè)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(chǎn)品類,生產(chǎn)線中各種待加工產(chǎn)品 產(chǎn)品類屬于生產(chǎn)線制造環(huán)境中的被加工對象,在生產(chǎn)線中有有形的實(shí)體與之對應(yīng),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(chǎn)線的設(shè)計(jì)研究中,其工藝信息是解決設(shè)備配置問題的關(guān)鍵.因此,產(chǎn)品類雖然需要同時(shí)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(shè)計(jì)控制策略和選擇決策規(guī)則,從而對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)度 在控制類的二維模型中,設(shè)置由仿真控制語言SCL(simulation control language)編寫的腳本程序,控制生產(chǎn)線中各模型的仿

13、真運(yùn)行.,58,事件類,提供仿真運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)必要的功能和機(jī)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(jié)束,也可以是系統(tǒng)中一個(gè)實(shí)體的產(chǎn)生、消失或?qū)傩灾档母淖? 設(shè)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(chǎn)線的制造環(huán)境是由制造生產(chǎn)過程所必需的基本生產(chǎn)要素,如加工中心、工件、運(yùn)輸小車、倉庫、傳送帶、緩沖站等構(gòu)成.生產(chǎn)線的可視化設(shè)計(jì),實(shí)際上就是要實(shí)現(xiàn)這些要素的可視化建模,因此應(yīng)首先建立一個(gè)針對以上各對象類的模型庫,以備在生產(chǎn)線的可視化建模時(shí)調(diào)用.為使生產(chǎn)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(chǎn)線可視化建模,用戶可以采用交互方式從模型庫中

14、點(diǎn)取所需的模型,放置到窗口中,然后設(shè)置模型的屬性,進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;也可以通過開發(fā)前置處理程序,生成生產(chǎn)線的規(guī)劃設(shè)計(jì)信息,如所選設(shè)備類型、數(shù)量、布局位置、朝向等,并按格式保存在相應(yīng)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(chǎn)線的可視化模型.為保證二維和三維模型的一致性,生產(chǎn)線的二維和三維建模過程是同步進(jìn)行的,即無論采用哪種建模方式,一種模式下的操作會實(shí)時(shí)反映在另一模式下,61,生產(chǎn)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(gè)產(chǎn)生重大影響的軟件產(chǎn)品。 SIMULINK 總是由模塊庫、模型構(gòu)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(shí)際中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，則很難準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，對其進(jìn)行進(jìn)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(rèn)可，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段。但因其名字與當(dāng)時(shí)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(shè)計(jì)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(gè)主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標(biāo)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(jìn)行仿真和分析。,64,SIMULINK的模塊庫,SIMILINK模塊庫按功能進(jìn)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(xué)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(diǎn),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(fù)制到模型窗口 （3）對模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型 2、模型的特點(diǎn) 在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進(jìn)行仿真具有像做實(shí)驗(yàn)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(gòu)建上層母系統(tǒng)。