制造系统建模与仿真在工业工程中的应用 0713020

管理科学与工程,仿真,系统建模

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。 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

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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，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

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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：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

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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、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

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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

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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 …… 此处隐藏：4054字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……