flexsim实验案例介绍

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1、 制造系统建模仿真与分析实验案例制造系统建模仿真与分析实验案例 本实验案例通过对于一个现实的实验系统的建模仿真与分析，展示基于离散事 件动态系统的建模仿真方法在制造系统物流过程建模、仿真和分析中的应用，具体 涉及仿真软件 Flexsim 的学习和运用，以及在此基础上的生产线建模、仿真与分析。 在研究学习本案例的基础上，学生可以运用相关知识，对一个生产制造系统进行建 模仿真和物流分析，并进而根据不同的订单模式或系统参数，提出相应运作策略或 系统改进方案。其结果可为有关的系统设计和改进提供评估依据，也验证了有关仿 真软件工具在此类生产系统建模、仿真和分析中的适用性。 1 系统模型介绍 1 系统模型

2、介绍 1.1 系统及其物流过程的描述 系统及其物流过程的描述 本实验所涉及的是一个柔性制造系统的生产线（如图 1-1 所示） ，它主要有四条 流水线组成，同时加工两种不同原材料（以下称原材料 a 和原材料 b） ，最后把加工 后的两种半成品和另一种原材料（以下称原材料 c）装配起来，成为成品 d。在模型 中，设有存放原材料 a、b 和成品 d 的组合式货架，存放原材料 c 的货栈，它们分别 通过堆垛机和 AGV 小车与生产线相联通，组成系统。 具体物流过程简述如下： (1) 组合式货架用来存放待加工的原材料和成品，货架配备堆垛机，用于从货 架上取下原材料，并运到生产线上进行加工。货架上混合存放

3、 a、b 两种货物，堆垛 机随机取出货物，放入出货台。 (2) 待加工的原材料 a、b 从出货台进入流水线 1，都要经过生产线旁的加工机 进行加工。流水线 1 是倍速链，旁边有多台完成同样工作的加工机，同时每台旁都 有一个搬运工人，搬运工人为加工机拾取流水线上的货物进行加工，也负责把加工 过的货物放回流水线进入下一个工序。 (3) 原材料 a 通过流水线 1 的加工后成为半成品 a1，进入流水线 2。流水线 2 为辊筒线，上有一个气动机械臂，对半成品 a1 进行再加工，成为半成品 a2，通过 1 AGV 小车送向流水线 4 上的装配机。同时 AGV 小车也从货栈上取出原材料 c，连同 半成品

4、a2 放入装配机前的缓冲区。 (4) 原材料 b 通过流水线 1 加工后成为半成品 b1，进入流水线 3。流水线 3 为 动力辊筒线，上有一个 4-DOF 机械臂，用于对半成品 b1 进行检测。经检测合格者进 入流水线 4。 (5) 流水线 4 是一条装配生产线，为皮带线。上有多台装配机，同时每台旁也 有一个搬运工人。搬运工人从流水线 4 和缓冲区各取一个半成品 a2、半成品 b1 和原 材料 c 放入装配机，经装配后成为成品 d，再由加工者放回流水线 4 上。 （6）成品 d 从流水线 4 出来进入入货台，再由堆垛机放入组合式货架。此处的 堆垛机与运送原材料 a、b 进入生产线的为同一辆。

5、图 1- 1 系统模型图 1.2 系统的主要组成 系统的主要组成 该系统主要由加工过程和物流过程组成，其主要组成部分如表 3-1 所示。 2 表 1- 1 系统的主要组成设备 名称 数量 描述和用途 组合式货架 1 立体仓库，有堆垛机负责搬运货物；用于存放原材料 a、b 和成 品 d 堆垛机 1 立体仓库的组成部分，可在高处取放货物；用于对货物进行存 取和搬运 加工机 n 用于对原材料 a、b 进行加工 流水线 4 有倍速链、 辊筒线和皮带线等不同的种类， 各有各的不同特点， 但都是用于货物在生产线上的运输 气动机械臂 1 用于对原材料 a 进行第二次加工 4-DOF 机械臂及其 控制台 1

6、用于对加工机加工好了的原材料 b 进行检测 旋转平移机 2 可水平面内旋转，用于控制货物路径和使货物转向 装配机 n 用于最后把原材料 a、b、c 装配起来形成成品 d 搬运人员 n 每个加工机和装配机都需要一个人，数量由加工机和装配机的 数量决定；用于在流水线和机器之间搬运货物 AGV 小车 1 有自己一定的运动轨迹，用于搬运货物 货栈 1 用于存放原材料 c 终端控制台 1 用于对整个生产线进行控制 1.3 实验要解决的问题 实验要解决的问题 (1) 处理机数量的确定（n） ：假定系统尚未确定加工机和装配机的数量，需要 根据加工任务状况等具体情况确定。若需要加工的货物过多，则可以增加加工机

7、的 数量，并相应地确定装配机的数量。实验中我们可以先假定流水线 1 和流水线 4 上 都只有两台机器和两个搬运工人，据此进行建模，然后根据仿真结果进行适当增加 或减少。 (2) AGV 小车运行路线和速度（s）的确定：由于 AGV 小车只有一辆，而它 3 需要兼顾完成运送半成品 a2 和原材料 c 进入装配机缓冲站的任务，所以 AGV 小车 每次拾取货物的数量、及其运行的速度等因素就要仔细加以考虑。实验中我们先假 定 AGV 小车每次搬运一个半成品 a2 再搬运一个原材料 c， 依次反复运行； 并按小车 的速度为 2 进行建模。 2 模型要素及建模过程 2 模型要素及建模过程 制造系统是一个离

8、散事件动态系统，一般比较复杂；而且本实验中所涉及的制 造系统也包括许多的设备和工序， 这样也就给应用 Flexsim 工具对本系统进行建模增 加了难度，提出了许多需要解决的问题。所以在对系统的建模过程中，在保证基本 物流过程和生产方式不变的基础上，需要对每一部分进行了精心的设计，甚至某些 地方有需要进行简化或变通处理，下面将具体叙述各部分的建模过程。 2.1 各主要模块的建模设计各主要模块的建模设计 1）对立体仓库的设计）对立体仓库的设计 立体仓库由组合式货架和堆垛机组成。组合式货架有两个分别放成品和原材料 a、b 的货架（rack）组成，有一个发生器（source）为货架提供原 材料 a、b

9、；堆垛机（ASRSvehide）用来把原材料放入生产线同时也负责把 成品运回货架。堆垛机的设计移动速度为 2，同时为其设计了轨道。 为了使发生器能生成两种不同的货物，并用两种不同的颜色表示出来，在发生 器的参数窗口中选 source triggers 选项，对其中的 onexit 作了以下设置（如图 2-1） 。 图 2- 1 发生器的参数设置 1 4 为了使原材料货架能提前被装满，在发生器参数窗口中选择 source 选项，对其 中的 inter-arrivaltime 选项作了以下设置（如图 2-2） ，这样使发生器的送货间隔时间 远远小于系统中各工序的加工时间（各工序的加工时间都为 10

10、） ，以保证及时送货。 图 2- 2 发生器的参数设置 2 为使堆垛机按实际系统设计的方式工作，在建模中规定了它的运行路径。 2）对流水线）对流水线 1 的设计的设计 流水线 1 由出站口、流水线、加工机和搬运工人组成。出站口用队列（queue） 表示， 与流水线 （conveyor）直接相连， 搬运工人 （operator） 负责把原材料运给加工机（processor）进行加工，然后再把半成品运回流水 线。加工机的设计加工时间为 10。 由于设计的是两个加工机和两个搬运工人，所以为了协调两个搬运工人的工作， 设计了一个系统简图中没有的虚拟角色，分配器（dispatcher），它与两个 搬运工

11、人相连，用来协调和指导两个人的搬运工作，相当于实际运作中的调度系统 功能。 3）对流水线）对流水线 2 的设计的设计 流水线 2 上有一个气动机械臂，它的功能是对半成品 a1 进行第二步处理。但在 Flexsim 软件的工具库里，没有找到相近形状又有相似功能的模块，所以还是根据气 动机械臂的功能和物流过程， 在建模中就由处理机 （processor） 来代替它。 为了区别， 它的颜色设为红色。设计加工时间为 10。 5 为了使货物的物流过程更加清楚，在流水线 2 的最后加上个队列，用来存放半 成品 a2，这样为以后分析 AGV 小车的速度提供方便。 4）对流水线）对流水线 3 的设计的设计 流

12、水线 3 上有一个 4-DOF 机械臂， 用来对半成品 b1 进行检测， 另外还有 4-DOF 控制台来控制机械臂的工作。根据它的功能和系统的物流过程，在建模中就用机器 人（robot）来代替表示，并省略了控制台。设计检测时间为 10。 5）对流水线）对流水线 4 的设计的设计 流水线 4 由进站口、 流水线、 装配机和搬运工人组成， 其生产过程类似流水线 1 ， 也是由搬运工人从流水线上搬运货物到机器，然后把成品运回流水线，也设置一个 分配器来协调两个搬运工人的工作。 所不同的是出现了装配机 （combiner）， 装配机的作用是将半成品 a2、b1 和原材料 c 进行装配形成成品 d，所以

13、就要求搬运 工人为其分别搬运三种不同的货物。 为使三种货物的装配比例是 1：1：1，并合成一种物品，在装配机参数窗口中选 combiner 选项，对其进行设置如下（如图 2-3 所示） 。 图 2- 3 装配机的参数设置 1 为了使成品 d 的颜色与其它相区别， 在装配机参数窗口中选 source triggers 选项， 对其中的 onexit 作如图 2-4 所示设置，将成品 d 的颜色设为蓝色。 为了更清楚地说明物流问题，在装配机旁各设了一个队列，用来表示缓冲站， 分别存放半成品 a2 和原材料 c，这个是系统简图中没有的。设计缓冲站的容量为 5。 6 图 2- 4 装配机的参数设置 2

14、 6)对小车和货栈的设计对小车和货栈的设计 AGV 小车（transporter）的作用是运送半成品 a2 和原材料 c 到装配机 进行装配，为了和系统简图的过程相符，也为其设了轨道。 货栈是用来存放原材料 c 的，旁边也有个发生器为货栈提供原材料，为了使货 栈能提前被装满，也做了加快上货时间的考虑。 2.2 其他建模细节其他建模细节 1）关于旋转平移机的设计）关于旋转平移机的设计 旋转平移机在系统中有两个，用来连接两个流水线，可在水平面内旋转，用于 控制货物路径和使货物转向。但在 Flexsim 软件的工具栏中，并没有找到与它功能及 形状都相似的物品，所以无法有效表现出来这个设备。但为了更好

15、地分析物流过程， 在系统中还是完成了对它的实际功能的设计。 为了使流水线 1 上加工的 a、b 能流向不同的路径，在流水线参数窗口中选 flow 选项，对其中的 send to port 进行设置（如图 2-5） 。这样设计就使物品能根据它自身 的 itemtype 值去找和它相一致的端口，已达到控制路径的目的。 图 2- 5 流水线 1 的参数设置 7 2）关于系统中各控制台的设计）关于系统中各控制台的设计 本实验系统中有许多控制装置：终端控制台、堆垛机控制柜、混合式流水线控 制柜和 4-DOF 控制台。这些控制设备在系统中是不可缺少的，它们一起保障了系统 的正常运行。但在此次建模中，主要是

16、研究系统的物流过程，而这些控制设备系统 对反映物流过程没有太大的直接影响，所以这些设备在系统中没有涉及。 2.3 整体模型图整体模型图 经过上面一步步的工作，系统的仿真模型就在 Flexsim 软件环境中建起来了。模 型的主视连线图如图 2-6；透视图如图 2-7。 图 2- 6 模型的主视连线图 8 图 2- 7 模型的透视图 3 系统仿真与结果分析 3 系统仿真与结果分析 在 Flexsim 中调出模型，点击 Compile 之后点击 Run，经过足够长的运行时间后 点击 Stop；然后分别对实验所关注的结果数据进行分析和比较。 3.1 对加工机和装配机数量的确定对加工机和装配机数量的确定 1）两个装配机两个加工机的情况）两个装配机两个加工机的情况 仿真模型是按两个装配机两个加工机的情况进行建模的，对其进行编译并运行 一定的时间后，分别观察两台加工机和装配机的利用率。 模型运行足够长的时间停止，得到系统的产出率（throughput）为：18.1 个/1000 单位时间； 装配机的时间利用率比较如图 3-1。 9 图 3- 1 装配机的利用率比较 从图中可以看出两台装配