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1、制造系统建模与仿真在工业工程中的应用0713020 工业工程 刘鹏 摘要 介绍了企业发展和建模的必要性和必然性，分析了制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的作用及意义，详细地论述了制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的具体应用。 关键词：制造系统； 建模与仿真； 企业优化； 仿真应用系统建模与仿真技术的含义系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术。
2、仿真科学和技术的通用性和战略性 仿真的通用性表现在一切基础学科(如物理、化学、天文)都可以通过仿真来研究；并可以极大地提高研究的安全性。仿真的战略性表现在一切复杂巨系统的研究都离不开仿真技术，可以说研究复杂巨系统采用仿真技术是唯一的途径。正如宋健院士所说：“系统仿真是科学实验的利器。国内仿真技术发展 在我国仿真技术经过半个多世纪的发展，已经从军工走向国民经济。已经从工程走向非工程；已经从确定的小系统走向不确定的复杂巨系统。最初的仿真技术只是用计算机来求解方程，为了实时性，大都采用电子模拟计算机。现在的仿真技术已经融合了信息技术、网络技术、系统技术、控制技术和高性能的计算技术，以完全崭新的面貌出
3、现在我们的面前。 现在，摆在我们仿真工作者面前的任务是：在虚拟世界与真实世界之间架起一座桥梁；通过仿真技术构筑起一个平台，来勾画出创新型国家的轮廓，例如，国家正投入几个亿，来建设国家级研究经济模型的仿真实验室。 仿真技术，一方面反映了我国仿真技术和仿真技术应用发展的现状，另一方面，又对我国仿真技术今后的发展方向产生了指导作用。近年来，我国仿真技术及其应用的发展是十分迅猛的。仿真技术的发展，使人感到震惊。研究天文、地理、宇宙进化论等等，要依靠仿真，几乎没有哪个领域能离开仿真技术。凡是能写成方程的都要进行仿真。故应鼓励仿真界的科技人员发挥聪明才智，搞好仿真技术。 仿真技术的广度、深度、高度的提高，
4、正反映了我国仿真技术和应用的发展。例如，“面向复杂性地理问题的虚拟研讨厅体系研究”，“复杂系统建模中的几个问题”等都是有代表性的好文章，反映了我国仿真技术已经在军事和国民经济的一些复杂巨系统研究建设中发挥越来越重要的作用。1、制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的作用及意义计算机仿真技术作为一门高新技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它可优化企业结构、组织和生产的各个方面。当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理
5、工程于一体的综合应用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。所以在制造系统的设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案，以保证系统既能完成预定的设计要求又能获得很好的经济性、柔性和可靠性，又能有效防止较大的经济损失；在制造过程阶段，通过仿真可以预测系统在不同调度下的性能，以确定合理的、高效的作业计划，找出系统的“瓶颈”环节，从而能充分发挥制造系统的生产能力，提高经济效益。在仿真中，建模是关键。模型是进行仿真的基础，仿真是模型在计算机上的运行。基于这种原因，我们在分析产品制造中所涉及的模型，以模型分类为基础描述仿真的内容。就产品制造中所涉及的模型大致可分为三类
6、：产品模型、制造系统模型和开发(包括设计、制造和测试)过程模型。它们之间的关系是：产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型则是产品开发受到的各种约束，开发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。当今，产品模型已从二维工程图到三维实体几何造型。针对三维产品集成定义模型，人们可以对产品进行物理性能、可制造性、可装配性等方面的仿真。通过引入并行工程，使得产品自设计开始就涉及到产品的概念设计到消亡整个产品生命周期里的所有因素，包括质量、成本、作业调度和用户需求。开发过程的仿真已从起初的加工对象在加工过程的仿真转移到对整个制造过程的建模和仿真，仿真内容包括控制策略、库存水平、
7、负载能力等。随着并行工程的应用，使得人们将注意力从单纯的制造过程转移到设计过程方面来，更加注重设计过程和制造过程的一体化。仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的。以产品模型为中心的仿真包括：产品的静态、动态性能分析；产品的可制造性和可装配性分析。以制造系统模型为中心的仿真包括：对于复杂制造装备的仿真；对于复杂制造系统的仿真。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。以上三个方面的仿真是相互联系、相互影响的，有时在内容上也会交替重叠。通过系统的建模与仿真，实现信息共享，借助于现代计算机网络技术和CAD、CAM、STEP、MRPII等计算机辅助设计、制造及管理软件系统，可
8、高效率地在一个制造企业的设计、工艺、供销和管理部门之间，在各车间以及各生产设备之间，在集团内的各企业之间乃至企业与用户之间充分地、及时地沟通各类信息，并在此基础上保证企业系统内各环节、各部门的高度协调，以确保企业实现最优整体效益。2、制造系统的建模与仿真在企业中对优化企业资源具体应用在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终(见表1)。表1 计算机仿真在整个产品生命周期中的应用阶段计算机仿真的应用概念设计产品动力学分析（如：应力分析、强度分析）产品运动学仿真（如：机构之间的连接与碰撞）详细设计刀具轨迹仿真 加工过程的仿真 装配仿真加工制造制造车间设计（布局、设备选
9、择）生产设计及作业调度制定各级控制器设计 故障处理测试测试用仿真器培训/维护训练用仿真器销售供应销售链仿真器2.1 面向产品的仿真面向产品的仿真主要包括以下三个方面：(1)产品的静态、动态性能的分析。产品的静态特性主要指应力、强度等力学特性；产品的动态特性主要指产品运动时，机构之间的连接与碰撞；(2)产品的可制造性分析(DFM)。DFM包括技术分析和经济分析。技术分析根据产品技术要求及实际的生产环境对可制造性进行全面分析；经济分析进行费用分析，根据反馈时间、成本等因素，对零件加工的经济性进行评价。(3)产品的可装配性分析(DFA)。DFA分析装拆可能性，进行碰撞干涉检验，拟定出合理的装配工艺路
10、线，并直观显示装配过程和装配到位后的干涉、碰撞问题。2.2 面向制造工艺和装备的仿真面向制造工艺和装备的仿真主要指对加工中心加工过程的仿真和机器人的仿真。加工过程仿真(MPS)：由Nc代码驱动，主要用于检验Nc代码，并检验装夹等因素引起的碰撞干涉现象。其具体功能包括：(1)仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态；(2)加工过程仿真的每一步均由NC代码驱动；(3)零件加工过程具有三维实时动画功能，当发现碰撞时，会发出报警。机器人的仿真：随着机器人技术的迅速发展，机器人在制造系统中也得到了广泛的应用。然而由于机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，使得只有通过计算机仿真来模拟系统的动态
11、特性，才能揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题。机器人仿真技术大致可分为以下几类：(1)针对制造系统中机器人的应用开展的研究，如柔性制造系统或计算机集成制造系统中机器人的仿真问题；(2)针对机器人操作手本身的特性进行的仿真研究，如运动学仿真、动力学仿真、轨迹规划和碰撞检验等问题；(3)机器人离线编程系统的研究，如利用仿真生成满意的运动方案自动转换成机器人控制程序去驱动控制器动作。2.3 面向生产管理的仿真生产管理的基本功能是计划、调度和控制。就仿真技术在生产管理中的应用来说，大致有以下三个方面：(1)确定生产管理控制策略；(2)用于车间层的设计
12、和调度；(3)用于库存管理。下面将这三个方面介绍仿真技术的应用。2.3.1 计算机仿真在生产管理控制策略中的应用用于生产管理控制策略的仿真包括确定有关参数以及用于不同控制策略之间的比较。比较常见的控制策略有： MRP：这是一种“推”式的控制策略，通过需求预测，综合考虑生产设备能力、原材料可用量和库存量来制定生产计划； KANBAN(看板)：这是一种“拉”式的控制策略，根据订单来制定生产计划，即准时生产； LOC：面向负载能力的控制策略。根据库存水平来控制生产过程； DBR：面向瓶颈的控制策略。根据生产过程中的瓶颈环节来控制整个流程。衡量指标的比较一般包括产量、生产率等。2.3.2计算机仿真在制
13、造车间设计中的应用一般可以把车间的设计过程分为两个主要阶段：初步设计阶段和详细设计阶段。初步设计阶段的任务是研究用户的需求，然后由此确定初步设计方案。详细设计阶段的主要任务是在初步设计的基础上，提出对车间各个组成单元的详尽而完整的描述，使设计结果能够达到进行实验和投产决策的程度，具体来说即确定设备、刀具、夹具、托盘、物料处理系统、车间布局等。而仿真技术则主要用于方案的评价和选择。具体来说：在初步设计阶段，可以在仿真程序中包含经济效益分析算法，运行根据初步设计方案所建立的仿真模型，给出以下评价信息：新车间中生产的产品类型和数量能否满足用户要求?产品的质量和精度是否能够满足要求?新车间的效率和投资
14、回收率是否合理?在详细设计阶段，使用仿真技术可以对候选方案的以下方面做出评价： 在制造主要零件时，车间中主要加工设备是否能够得到充分的利用?负载是否比较平衡?物料处理系统是否能够和车间的柔性程度相适应?新车间的整体布局是否能够满足生产调度的要求? 是否具有一定的可重构能力?在发生故障时，车间生产系统是否能够维持一定程度的生产能力?2.3.3 计算机仿真在制造车间运行中的应用FMS中的调度问题可以定义为分配和协调可获得的生产资源，如加工机器、自动引导运输工具(AGV)、机器人以及加班的时间等，以满足指定的目标。这些目标可以是满足交货日期、产量达到最大，机器的利用率达到最高，或上述目标的组合。FM
15、S中的调度过程包括：选择进人FMS的工件；为工件加工选择加工路线；选择在机器上进行加工的工作； 为AGV选择派遣规则。仿真方法主要就以上方面对调度问题进行分析和评价。2.3.4 计算机仿真在库存管理中的应用在整个生产系统中，库存子系统起着重要的作用。按照库存材料在生产线中作用分，可分为在线仓库和中央仓库。按库存材料性质，可分为原材料及外购件库、在制品库、成品库和维修备件及工具库。库存控制的目的在于，使库存投资最少，且要满足生产和销售的要求。对于库存管理的仿真包括： 确定订货策略；确定订货点和订货批量； 确定仓库的分布；确定安全库存水平。2.4 面向制造企业其它环节的仿真2.4.1 计算机仿真在产品开发过程中的应用产品开发过程可分为概念设计、详细设计、评审和再设计等阶段。每一阶段又可进一步细分，如详细设计可分为总体CAD、零部件CAD、计算机辅助工程、可制造性设计、可装配性设计等。为了减少产品开发时间，降低开发成本，需要将上述过程所用的各种工具集成起来，以实现并行作业。产品开发过程仿真就是用于模拟上述各种可行方案，从中选择集成的最优方案。仿真的指标包括进度、资源、成本等。清华大学开发了产品开发过程的建模和仿真工具，作为并行工程实施的支撑软件之一。2.4.2 计算机仿真在供应链中的应用产品价值链上商业伙伴间的合作和协调是虚拟企业的核心概念之一，因此供应链管理是其研究和开发的主要焦
