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1、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 Manufacturing Sy
2、stem) 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IGRIP设计与实施一条
3、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(Mechanic
4、al 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 Lin
5、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
6、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
7、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
8、:传送带、工人、自动导向小车()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(T
9、ransition) 资源的消耗、使用及产生对应于库所的变化，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
10、条件,Petri网建模实例,Petri网的分析方法,可达树法 简约分析法 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
11、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
12、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
13、,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
14、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Simulink,SIMULINK,SIMULINK是MathWorks公司开发的又一个产生重大影响的软件产品。 SI
15、MULINK 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，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
16、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、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
