（机械设计及理论专业论文）基于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化.pdf

基于数字化工厂的车间布局仿真与物流优化 摘要 随着经济全球化的发展，产品的竞争消除了国界、复杂程度越来越高、 更新换代加速以及客户化定制生产方式的形成，大部分制造企业不适合现代 生产制造的弊病开始凸显。计算机仿真技术的发展和虚拟现实技术的产生， 使数字化工厂逐渐成为一个新的研究热点，它作为企业信息化建设的重要组 成部分和数字化设计与制造的平台，已经被越来越多公司所接纳，并发挥了 巨大的经济效益。 本文综述了课题提出的背景以及数字化工厂的研究和应用现状；分析了 数字化工厂的概念、体系框架、总体功能和功能细分等，并给出了各模块具 体的实施框架。结合车间布局的相关理论方法详细研究了基于数字化工厂的 车间布局仿真实施细则和布局仿真实施的具体方法流程。 以某采煤机大件生产车间为研究对象，结合车间的其具体情确定仿真目 标，建立了该车间的物流仿真模型；通过仿真运行，分析了车间生产过程中 存在的瓶颈，根据车间实际提出了相应的优化调整措施，并对优化前后车问 内的设备负荷、在制品情况以及成品量进行了对比分析，证明了优化方案的 可行性。通过仿真实施，提高了车间的生产管理水平。 关键词：数字化工厂，车间布局仿真，物流仿真，优化 l a y o u ts i m u l a t i o na n d1 0 t i q , p t i m i z a t i q o fp l a n t t i c so p t i m i z a t i o no fv l a n t b a s e do nd i g i t a lf a c t o r y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，t h e m a l p r a c t i c e so fn u m e r o u s m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r en o ts u i t a b l ef o rm o d e mm a n u f a c t u r i n ga st h e p r o d u c t c o m p e t i t i o ne l i m i n a t ea l lb o r d e r s ，t h ep r o d u c tb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x i t ya n d r e n e w a li ss p e e d i n gu p ，m e a n w h i l e ，c u s t o m i z a t i o nm o d eo f p r o d u c t i o ni nf o r m a t i o ni s a p p e a r e d t h ed i g i t a lf a c t o r yh a sb e c o m ean e wh o t s p o ta c c o m p a n i e db yt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yp r o d u c t i o n a st h ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fd i g i t a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gp l a t f o r m i tw a sa c c e p t e db ym o r ea n dm o r ec o m p a n i e s ，a n dh a sb r o u g h t a b o u th u g ee c o n o m i cb e n e f i t s t h es u b j e c to f d i g i t a lf a c t o r yb a c k g r o u n da n dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns t a t u sa l e r e v i e w e di nt h i sp a p e r t h ec o n c e p to fd i g i t a lf a c t o r y , s y s t e mf r a m e w o r k ，o v e r a l lf u n c t i o n a n df u n c t i o ns u b d i v i s i o na r ed e s c r i b e d e a c hi m p l e m e n t a t i o nf r a m e w o r ko fm o d u l ei s g i v e n t h es p e c i f i cm e t h o d sp r o c e s sa r es t u d i e dc o m b i n e dw i t ht h er e l a t e dt h e o r yo f w o r k s h o pl a y o u tm e t h o db a s e do nd e t a i l e dd i g i t a lf a c t o r yw o r k s h o pl a y o u ts i m u l a t i o n a n dt h ed e t a i l e dr u l e sf o rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h el a y o u ta n dt h ec o n c r e t em e t h o do f s i m u l a t i o n a l a r g ec o a lw i n n i n gm a c h i n ep r o d u c t i o nw o r k s h o pi ss e l e c t e da so b j e c to fs t u d y , c o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i cs i t u a t i o no ft h ew o r k s h o pt od e t e r m i n et a r g e ts i m u l a t i o n ，t h e w o r k s h o po fl o g i s t i c ss i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h es i m u l a t i o no p e r a t i o n ， t h eb o t t l e n e c ko ft h ew o r k s h o pp r o d u c t i o ni sa n a l y z e d t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o n a n da d j u s t m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt oa c t u a lw o r k s h o p t h ec o n t r a s t a n a l y s i so fo p t i m u mb e f o r ea n da f t e rt h ee q u i p m e n ti nt h ew o r k s h o pl o a d ，f i n i s h e d p r o d u c t sa n dp r o d u c t si np r o c e s s ，i ti sp r o v e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ei sf e a s i b l e t h r o u g ht h es i m u l a t i o ni m p l e m e n t ，t h em a n a g e m e n tl e v e lo ft h ep r o d u c t i o nw o r k s h o pi s i m p r o v e d k e v w o r d s ：d i g i t a lf a c t o r y ；w o r k s h o pl a y o u ts i m u l a t i o n ；l o g i s t i c ss i m u l a t i o n ： o p t im i z a t i o n 致谢 “教诲如春风，师恩似海深”，在本论文收笔之际，满心欢喜之余更多 的是感激，本文的研究工作从选题到完成，无不倾注了导师王晓枫副教授诲 人不倦的关怀、指导和教诲。在攻读硕士学位期间，王老师严谨的治学态度、 精益求精的工作作风、渊博的知识和高尚的道德情操深深的感染和激励着我， 并成为我人生道路上学习的楷模。两年多来，王老师不仅在学业上给我以精 心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，值此论文完成之际， 谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 另外，c a d c a m 中心的曹文钢老师、吕新生老师、张晔老师、陈科老 师等以及上海交通大学的何其昌老师、张远春师兄都给予过诚恳的建议和亲 切的指导，在此对他们表示衷心的感谢和诚挚的敬意。 “父兮生我，母兮鞠我，抚我，畜我，长我，育我，顾我，复我”，在此我要 感谢我年迈的父母，这些年来你们吃苦受罪一直鼎力支持我在求学之路上前行。父 母的无私奉献是我拼搏和奋斗的动力之源，使我的求学历程不感孤单、不知疲倦。 我要真心说一句：你们是我永远的牵挂和眷念。 “今日乐相乐，别后莫相忘”，在论文的撰写过程中，实验室的同窗们 也给予了热心的帮助和建议，遇到挫折时是你们鼓励我、激励我，让我重新 找回自信。谨向所有关心和帮助过我的老师和同学表示最诚挚的谢意，因为 有你们的陪伴研究生的日子显得苦中有甜，因为有你们的帮助让我顺利度过 难关，因为有你们的支持使我深受鼓舞 作者：康留涛 2 0 1 2 年3 月1 0 日 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 1 l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 10 图4 1 1 图5 1 图5 2 图5 3 插图清单 制造业生产组织方式以及竞争内容的变革2 产品形成过程中出现错误以及修改3 论文组织结构6 数字化工厂的应用构架8 数字化工厂的总体功能一9 数字化工厂系统基本功能9 数字化工厂的软件构架1 1 工厂布局流程11 布局仿真展示1 2 三维环境下工艺规划流程1 2 仿真优化的功能结构1 3 物流仿真1 3 q u e s t 仿真机制1 4 简单典型生产线模型1 5 s l p 方法五要素1 7 s l p 程序图1 8 四种基本布局方法1 9 两种精益布局结构2 0 数字化工厂布局仿真实施流程2 2 数字化工厂实施成果2 3 单台机器加工系统的工件进程2 7 系统仿真实施流程图一2 8 车间物流整体流程图一2 9 物流仿真实施流程3 0 摇臂壳体3 0 摇臂壳体工艺流程3 0 数控动梁龙门式专机模型3 2 采煤机生产车间物流仿真模型整体图3 2 采煤机生产车间物流仿真模型局部图3 3 工时输入3 3 物流工具参数输入3 4 a g v 运行状态图3 7 成品总数随车辆变化图3 7 产品加工进程图3 8 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 11 图5 1 2 图5 13 图5 1 4 图5 1 5 图5 16 划线和喷丸工位在制品个数随时间分布3 9 摇臂生产线主要设备利用率优化前后对比4 2 牵引生产线主要设备利用率优化前后对比4 2 行走和电控箱生产线主要设备利用率优化前后对比4 3 其它公用设备利用率优化前后对比4 3 关键工序在制品优化前后对比4 4 牵引壳体关键工序在制品个数随时间分布4 4 二次优化之后几处关键工序在制品量变化4 5 优化前后四大关键件成品个数变化一4 5 四大件成品个数随时间变化分布4 6 物流仿真参数修改工具4 7 工艺参数表格式4 9 物流设备参数表格式4 9 表4 表4 表5 表5 表格清单 各工序生产节拍31 物流设备主要参数3l 优化前后各设备利用率变化统计4 0 优化前后关键设备在制品量统计4 3 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 1 1 1 制造业面临新的挑战 随着科学技术的迅速发展和经济的全球化，产品竞争消除了国界，新产 品大量出现，产品的复杂程度越来越高，并且产品更新换代速度加快、开发 周期缩短以及客户化定制生产方式的形成，给企业提出了更高的要求，如缩 短新产品上市和交货时间( t ，t i m e ) ，提高产品质量( q ，q u a l i t y ) ，降低生产 成本( c ，c o s t ) ，提供全方位的服务( s ，s e r v i c e s ) ，即t q c s 1 1 。在激烈的市场 竞争下，大部分制造企业不适合现代生产制造的弊病开始凸显。 目前，制造企业所面临的普遍问题有以下三个方面： ( 1 ) 客户化定制的出现使产品的结构越来越复杂，相应的生产系统也变得 复杂，设计和规划人员单单依靠经验已经不能满足复杂系统的需求，迫切的 需要一个整体车间的虚拟工作环境，为新规划设计的车问提供一个有效的检 验工具怛j 。据调研：国外有约8 0 的复杂制造系统没有完全达到设计要求， 而这些系统中6 0 都可归因于初期规划不合理【3 1 。 ( 2 ) 目前，大多数企业在进行制造设备的安装时只借助二维图纸和文档， 缺乏现有设备的准确三维模型，车间布局需要调整时没有可靠依据，所以企 业无法在实际投产之前就生产制造系统的布局和设备配置是否合适做出准确 的评价【4 1 。 ( 3 ) 缺乏动态的三维仿真结果，企业无法量化地评估离散制造系统的优 劣，即已经投产制造系统在面对如新产品新工艺、生产计划变更、突发状况、 设备维修等状况时，系统的生产能力是否能满足生产的要求。 面对如此严峻的形势，通过将计算机仿真技术应用于产品的开发过程， 使得在产品开发阶段就可以对产品的全生命周期进行分析和测试【5 1 ，可以对 制造系统的动态性能进行仿真评价和优化【6 】。特别是我国加入w t o 以来，制 造业整体水平和西方发达国家还有一定的差距，更容易遭受到市场变化的冲 击，所以数字化的生产变革势在必行。 1 1 2 计算机信息技术的发展促进制造业变革 近年来网络技术和计算机信息技术的飞速发展，使传统的制造业产生了 革命性的变化，新思想、新概念、新的制造模式和新技术层出不穷。2 0 世纪 7 0 年代由于计算机价格的降低，推动了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅 助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 、 物料管理计划( m r p 和m r p i i ) 等系统工具的开发与实现；2 0 世纪8 0 年代 开始，研究的热点转变为以信息技术集成为核心的计算机集成制造系统 ( c i m s ) 和以过程为核心的并行工程( c e ) ；到了2 0 世纪8 0 年代末期开始 出现产品数据管理系统( p d m ) ；2 0 世纪末以来，特别是虚拟现实技术和计 算机图形显示技术的快速发展促进了虚拟制造( v m ) 的形成和发展，进而推 动了字化制造等概念的形成和实现。图1 - 1 给出了制造业的变化过程。 竞争的内容 生产的组织方式 图1 1 制造业生产组织方式以及竞争内容的变革 2 0 世纪末以来，不少发达国家就将“以信息技术改造传统产业，提升制 造业技术水平”作为发展国家经济的重大战略之一。日本索尼( s o n y ) 公司 与瑞典爱立信( e r i c s s o n ) 公司、德国西门子( s i e m e n s ) 公司与荷兰的菲利 普( p h i l i p s ) 公司等先后成立“虚拟联盟”，通过交换技术工艺，构建合作 关系，以保持在国际市场上的领先地位。近年来，我国也高度重视数字化设 计与制造的发展，“网络化制造与企业的集成”、“基于a g e n t 分布式网络 化制造模式研究”、“基于网络的敏捷制造”、“网络环境下数字制造理论 与关键技术”等项目都作为国家自然科学基金项目获得重点资助。 随着计算机仿真技术的发展和虚拟现实技术的日渐成熟，数字化工厂技 术( d i g i t a lf a c t o r i e s ) 在制造业中的应用也越来越多。数字化工厂技术与传 统的规划设计理念不同，传统规划理念是基于经验，而数字化工厂则是基于 计算机仿真和优化的规划设计。它作为企业信息化建设的重要组成部分和数 字化设计与制造的平台，已经被越来越多公司所接纳，并发挥了巨大的经济 效益。 1 2 课题研究的意义 c a d c a e c a m c a p p 技术的发展大大促进了产品设计、工艺规划和生 产制造水平的发展。c a d 主要完成产品的设计工作，c a e 主要分析产品的各 项物理性能指标能否达到设计者的要求，c a m 则完成产品由设计到加工制造 的数控加工指令，而c a p p 主要完成生产制造中工艺的制定。工厂要完成设 计到制造的过程还需要许多其它环节的支持，如对c a p p 规划好的工艺方案 验证、对车间的布局进行验证和车间的物流进行验证等都是非常重要的环节， 并且这些工作是以上软件所不能完成的【7 】【8 】。图1 2 展示了产品形成过程中各 阶段出现的错误的数量以及修正错误花费的成本，由图可以看出大部分错误 是在产品的设计阶段出现的，而错误往往在制造阶段才能被发现，所以修改 错误的成本很大【3 1 。 产品开发产品设计 生产珞嗣连柱咎应用 图1 2 产品形成过程中出现错误以及修改 ( 7 5 的错误是在产品设计阶段引起，8 0 的修改工作是在生产制造中完成) 数字化工厂技术是对生产过程的各个环节，小到每一个操作步骤，大到 生产线甚至整个工厂进行设计、仿真、分析和优化。从并行工程的观点出发， 在产品的设计阶段就全面考虑产品在生产制造周期中的问题，包括车间以及 加工单元的布局、工艺过程设计、物流路径规划、工装设备、机床设备、人 机工程、生产调度等，其结果可用于指导实际的生产制造。传统的初期规划 单单依靠相关人员的经验进行车间布局规划、工艺规划和生产计划的制定， 然后就直接进行项目的实施，出现的问题直到生产过程中才能体现出来，造 成产品开发周期过长，返工修改量巨大。数字化工厂的作用就是在产品设计 和产品制造之间架起了一座桥梁，使他们之间的鸿沟变得可以逾越。 在数字化工厂中，产品全生命周期中各个阶段的功能如设计、制造、装 配、检测等都能实现，它能够解决各个层面( 工厂、车间、生产线等) 的不 同问题以及实现产品从设计到制造的转化过程，从而提高系统的成功率和可 靠性，另外整个过程都是通过计算机仿真实现，减少了物理原型的使用，节 约了资金的投入，缩短了产品的开发周期。 车间布局仿真和物流仿真作为数字化工厂的重要组成部分，是企业实施 数字化工厂的必经环节。首先要根据产品的类型、特性、产量、加工工艺等 选择合理的加工设备、物流设备和工装夹具等，结合车间的空间对这些设备 进行布置。布局仿真的实施，能够为整个车间建立虚拟的三维布局模型，使 工作人员可以对设备布局进行直观的评审，提前发现问题并及时修改。物流 仿真能够提供车间生产中各个元素的逻辑关系，通过对生产线进行物流仿真 与优化，改进生产线的瓶颈工位，最大限度地减少生产线的停机时间；通过 仿真、分析生产线的运作情况，对生产线配置、物流工具配置、生产能力进 行优化，大大地提高生产效率。 随着制造业自动化水平的不断提高，生产系统也变得越来越复杂，生产 节奏明显加快，规划者和生产管理者的每一个决策，都可能会产生蝴蝶效应， 一旦决策失误，往往需要付出高昂的代价。正是由于制造系统的复杂性，要 想预测每一种决策给系统带来的后果更是难上加难，计算机仿真技术的应用 弥补了这一不足之处，成为辅助现代生产的有力工具。 总之，本课题的研究，符合我国大部分制造企业的实际需求，对提高整 个行业的信息化和数字化建设起到促进作用。 1 3 数字化工厂技术的研究与应用现状 数字化工厂的出现，就像一场新的“工业革命”在全世界兴起，它给被 看作是夕阳产业的制造业重新注入了朝气，一时间数字化工厂成为国内外一 个新的研究热点。 在国内外的汽车制造、重工、航天领域、冶金等多个行业都广泛的应用 了数字化工厂技术并取得了巨大效益。一大批著名的企业如大众、福特、本 田、丰田、波音、欧洲航天局、a b b 、r o b o t i c s 等都投入了大量的资金在数 字化工厂解决方案上；上海大众将数字化工厂技术引进于汽车发动机生产线 的设计和优化上；一汽轿车于2 0 0 5 年开始实施数字化工厂解决方案，完成了 车身系统规划、主焊线工艺方案改造等重大项目突破【9 1 ；三一重工与上海交 通大学合作，逐步实现实现了泵送、挖掘机和风电设备等多个车间的数字化 工厂解决方案。 在美国，已经形成了由政府、企业和高校联合组成的数字化制造技术研 究与开发的格局【l 。美国国家标准及技术局( n i s t ，n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 的制造工程实验室专门负责研究和建立实施计算 机集成制造系统所需要的各种标准和技术，正在对虚拟数字化制造环境国家 先进制造测试平台( n a m t ，n a t i o n a la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e s t e d ) 进行 研究，目前已经开发出了一个集成c a d 、c a p p 和工程数据仿真验证等功能 的软件包；波音公司与麦道公司联手建立了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g n a u t o m a t i o n ) ；华盛顿州立大学( w a s h i n g t o ns t a t eu n i v e r s i t y ) 虚拟现实与计 算机集成制造实验室与n i s t 合作，将商品化的c a d 系统与沉浸式的虚拟现 实技术结合，开发出虚拟装配和设计平台v a d e ( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n e n v i r o n m e n t ) ，使工程师能够基于该平台来规划、分析、仿真和评价产品装配 过程的优劣；芝加哥伊利诺斯大学( u n i v e r s i t yo f i l l i n o i sa tc h i c a g o ) 应用数 字化工厂技术研究了虚拟齿轮工厂的构建技术，并用以仿真和分析齿轮的设 计和制造过程。在欧洲，诸如英国曼彻斯特大学( u n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e r ) 、 英国巴斯大学( u n i v e r s i t yo f b a t h ) 、德国d a r m s t a r t t 技术大学等都将数字化 制造技术做为一个新兴的重要研究方向，并从不同的角度展开了深入的研究。 在日本，大阪大学进行了大量的虚拟制造系统的基础研究和系统开发工作。 早在l9 9 8 年，马扎克公司在日本的大口工厂创建了世界第一座智能化机床 厂，成为研发数字化工厂技术的先驱。 我国对数字化工厂技术的研究虽然起步较晚，但是步伐迅速。张浩等人 在数字化工厂与企业信息系统集成以及生产流程优化方面开展了大量的研 究；孙威i l l j 等将e m p o w e r 软件应用于数字化工厂生产线规划层面上；李洪 宪 1 2 1 运用数字化工厂软件研究出一种基于设备管理库的虚拟布局方法，在对 车间设备布局时能够实现设备与其属性的自动关联；宁汝新【l3 】等利用v r 技 术与面向对象相结合的方法建立了生产系统基本资源类库及相应的模型库， 可快速构建虚拟车间的三维仿真模型；曲冠卿【1 4 】等将零件的特征识别技术应 用于数字化工厂工艺规划中，可以快速高效的处理大量零件信息。 国家自然科学基金委员会、国家8 6 3 s i m s 近年来不断加强对虚拟制造及 相关技术的支持力度【l0 1 ，清华大学国家c i m s 工程技术研究中心正在建立的 虚拟制造研究基地围绕基于p d m 的虚拟制造平台、虚拟制造平台、虚拟生产 平台和虚拟企业平台四个方面的集成展开数字化工厂技术的研究；上海交通 大学开展了虚拟制造系统的体系机构及数字化工厂平台的关键技术研究；西 北工业大学进行了虚拟设计、虚拟装配、虚拟制造中的可视化产品信息共享 等技术的研究；哈尔滨工业大学开展了多机器人的虚拟生产平台、虚拟加工 检测、虚拟坐标测量等数字化制造技术的研究。同济大学、西安交通大学、 华中科技大学等也在数字化制造领域展开了多方面的研究。 制造业信息化、走新型工业化之路，实现由制造大国向制造强国的转变 依然是“十二五”计划的重点，科技部将加大打造数字企业的力度，这将大 大有利于我国数字化工厂技术的的基础理论研究和发展。 1 4 本课题研究的主要内容 本文以运用数字化工厂软件建立虚拟的车间为主线，重点研究运用数字 化工厂软件建立虚拟车问的流程和方法，运用模型对车问布局和物流进行仿 真和优化，并对数字化工厂的应用进行了概括性总结。本文的研究的主要内 容如下所述。 第一章重点介绍了本文的选题背景、研究意义、数字化工厂技术的研究 现状及本文研究的主要内容和组织结构； 第二章重点介绍了数字化工厂技术的基础理论、系统构架、功能细分及 数字化工厂软件等，为基于数字化工厂的车间布局仿真和物流优化提供理论 基础： 第三章本章对车间布局设计的相关理论方法和车间布局的基本类型进 行了阐述，重点给出数字化工厂布局设计的原则以及详细的实施流程，并对 基于数字化工厂的布局仿真进行了总结； 第四章本章综述了国内外物流仿真的发展概况，分析了离散事件仿真实 现的策略以及系统仿真实施的流程等，最后根据车间的具体情况建立了采煤 机生产车间的物流仿真模型。 第五章对上一章建立的模型仿真运行输出仿真报告；在仿真结果的基础 上详细分析了车间现存的问题，并结合车间的具体情况给出了解决办法，使 车间设施配置以及物流运转得到优化；最后介绍了物流仿真参数修改工具的 技术简介和使用方法。 第六章对全文进行总结，指出本文的主要工作内容，并对今后数字化工 厂的发展方向和趋势进行展望。 1 5 小结 本章主要介绍了课题提出的背景和研究的意义，同时对国内外数字化工 厂技术的研究现状进行了综述，最后给出了文章研究的主要内容和组织结构。 第二章数字化工厂技术及其理论研究 2 1 数字化工厂的概念及内涵 数字化工厂发展到现阶段可以定义为：以产品全生命周期的相关数据为 基础，根据虚拟制造原理，在虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、优化 和重组的新的生产组织方式【l5 。数字化工厂又可以从广义和狭义两个方面来 理解【16 1 。 从广义的层面来定义：以制造产品和提供服务的企业为核心，由核心企 业及所有相关的成员( 包括核心制造企业、协作厂家、分销商、客户等) 构 成的、使一切信息数字化的动态组织方式，如图2 1 所示。广义数字化工厂 的本质是通过对制造系统中物质流和信息流的数字化，实现企业在计算机中 的虚拟映射，形成虚拟的网络制造系统。广义上的数字化工厂不但可以解决 企业内部的生产问题，而且增强企业和外部事物的联系，所以广义的数字化 工厂不但是对制造企业的的仿真模拟，而且是对企业进行管理的有效手段。 图2 1广义的数孚化： j 从狭义的方面来定义：将数字化的产品数据以及生产操作等，在虚拟环 境中，对生产过程进行仿真和优化生产方式。本课题所研究的对象就是狭义 层面的数字化工厂。 数字化工厂技术是利用计算机仿真技术和虚拟现实技术实现产品全生命 周期中设计、制造、装配等多项功能，包括车间布局仿真、工艺规划、物流 仿真优化等部分，通过计算机中虚拟的模型来预测产品的可制造性以及潜在 的问题。 7 2 2 数字化工厂的体系框架 2 2 1 数字化工厂与企业信息化 数字化工厂是在虚拟的数字空间里完成对产品的加工制造过程，随着现 阶段制造企业信息化水平的不断提高，特别是c a d c a m c a p p 以及p d m 、 e r p 和m e s 的广泛使用，这使得企业对数字化的需求越来越大，图2 2 展示 了制造过程中数字化工厂所起的作用和c a d 、p d m 、m e s 、e r p 之间的关系 i l 。其中c a d 完成设计任务，定义工厂做什么样的产品( w h a t ) ；数字化 工厂解释如何制造，解决怎样制造的问题( h o w ) ；m e s 承担了实际生产控 制的任务；e r p 完成什么时间做、在什么地方做的计划层面上的问题 ( w h e n w h e r e ) 。 图2 2数字化工厂的应用构架 数字化工厂系统与企业现有的信息系统有着密切的关系，其运行方式大 致如下，产品数据可从c a d 和p d m 系统中获得，生产计划从e r p 系统中获 得，生产过程的规划和仿真则在数字化工厂中进行，并将得到的结果反馈到 相应的阶段。所以，数字化工厂是解决产品从设计到生产制造过程的有力辅 助工具，图2 3 展示了数字化工厂的总体功能图。 8 c a d p d h r p 产品数括 生产能力 数字化工 厂系统 戮忙令生产犬翔i ” 系统糟出 定制仿真分析报告( 工 时、良本、设备利用率、 生产效事等) 定制工艺文件 p e r t 图 6 i 凸i n t 图 操作手册 优亿的加工指夸 3 1 3 布局仿真 3 1 74 i 灌仿真 人轧工程仿真 生产优1 匕 姨 图2 3数字化工厂的总体功能 2 2 2 数字化工厂的功能分析 数字化工厂的实施涉及到产品开发的整个过程，数字化工厂系统可以主 要划分为车间布局、工艺规划、仿真优化三大功能模块1 8 】，如图2 4 所示。 操作教基 数字资测魍 设备 几何 模型 厂房、设备、 希局固， 几讯结 构薮据 工艺 要求 工艺删 客户储析i 告 ( 工时、成本生产效率、机毒利用牢) 客户缸艺文件 p e r t 图 g a n t 圈 曩惘啃 加工擀等 工艺文挡 黼璐能k 工艺参蔹、操作错误 己录 l _ 蘸、加工、摄作动萌 l 艰j t i 憬、鲁畏b 态2 f 仿真优化 图2 4数字化工厂系统基本功能 车间布局：合理的车间设备布局可以节约大量的物料运输费用，提高设 备使用效率。工厂布局仿真主要是建立厂房的布局模型，包括设备、工装夹 具、物流运输设备、6 s 标识等，对以上元素进行空间布置并进行干涉分析。 9 工艺规划：工艺规划是在构建的虚拟平台上，将工艺大纲与产品设计数 据相结合，对产品的加工工艺和装配工艺进行合理的规划。一般情况下，工 艺过程由三个基本要素组成，即产品( 零件和部件) 、资源( 厂房、工人、 设备) 和操作( 运输、加工、装配等) 。 仿真优化：仿真优化是在仿真模型中，对生产线进行物流仿真、瓶颈分 析等，同时对工艺规划的方案进行验证，也可以输出满足要求的仿真分析报 告和图表。 通过工厂布局仿真、工艺规划、仿真优化这三大模块建立起来的数字化 工厂模型，对规划的结果进行仿真优化，将优化的结果反馈到规划设计阶段 进行调整。 2 2 3 数字化工厂的系统构架 一个新工厂最好的规划流程应该是首先根据产品的类型，依据工艺流程 进行加工单元的设计，然后进行生产线的规划设计，最后进行生产车间和厂 房的规划设计。在工厂的规划阶段不同的工作人员关心的问题也不同，所以 数字化工厂仿真的侧重点也应该进行层次的划分。文献【l8 】把数字化工厂分为 以下四个层次。 工厂车间层：对车间的机器设备和各种辅助设备进行布局仿真，对设备 所占空间进行核对，为工厂设计人员提供分析手段。 生产线层：判断生产线的生产能力能否达到设计要求、物流是否顺畅、 是否存在瓶颈和设备利用率是否合理等。 加工单元层：检查设备与设备之间是否存在运动干涉现象。 加工操作层：对具体的工步进行分析，可对操作人员进行人机工程方面 的分析。 数字化工厂的软件构架可分为三层，如图2 5 所示，底层为基础数据层； 中间层为应用控制层，在这个层面实现了数字化工厂的各项具体功能，如工 艺规划、布局仿真和装配仿真等；上层为表示层，该层实现与用户交互的功 能。 1 0 tj | j 卒涮j z 口口 囵囵日四 图2 5 数字化j ：j j 的软件构架 2 3 数字化工厂的功能细分 根据数字化工厂的功能分析，可将数字化工厂分为布局仿真、 ：艺规划 和仿真优化三大模块。 2 3 1 布局设计和仿真 工厂和局是企业规划的前期：i 二作，包括j 房布局设计、设备布局、工装 火具斫i 局三个子模块，如图2 - 6 所示。 图2 6 l ：厂布局流样 在设嵛斫i 局模块中，二 ! 要实现生产线设备的建模和摆放。以厂房柿局的 结果作为参考，根据设备规划的要求，对制造设备的数字模型合理和局。这 主要分为两个阶段，第一是设备的数j 模型建模。就是利用- j 维建模软件 ( p r o e 、c a t i a 、m a y a 等) 建立数宁模型，然后导入到数字化工厂系统 中，存储为l 可一格式的文件供系统统一读取和处理。第二是设备的摆放，在 虚拟的厂房环境中，将设备模型进行摆放，将设备的坐标存储于数据库中， 输出统格式的模型文件。工装夹具模块二t 要完成辅助设计及夹具的建模和 嘶i 局。 幽2 7枷局仿真展不 通过析i 局仿真，完成静态的生产线和车间布局( 图2 7 ) ，同时，这部分 的模型文件可以作为工艺规划模块规划对象。 2 3 2 工艺规划 ：f ：艺规划足将产品的设计信息转换成制造信息，是连接产品设计和产品 制造的桥梁，是实现离散制造以及编制工艺规程的重要组成部分【1 9 】。数字化 工艺规划是在三维的数字环境下对产品的： 艺进行规划，包括制定产品的工 艺路线、i ：时定额、成本核算以及n c 代码生成等；同时对产品的装配顺序、 资源分配( 机床、刀具、人员、工装等) 和加工参数也有详细的规划。 ， 产：k 继1 芦- 拦求 图2 8三维环境卜1 ：艺规划流程 2 3 3 仿真优化 在搭建的虚拟生产线上对生产过程进行仿真，分析生产过程中不同参数 下的性能指标，达到优化生产线、提高生产效率的目的。 产。大约q 图2 9 仿真优化的功能结构 生产线仿真主要是指生产线物流仿真，该模块的突出特点就是3 d 动态仿 真，能够在：进体! 卜产线中直观的看出仿真的效果。单元仿真模块主要包括加 工过程仿真和装配过程仿真。人机1 ：程仿真主要是对工作姿态舒适度、疲劳 强度和动作时问问隔的评估等。 仿真 。玑 d ：- o ；l 决策 2 4 数字化：l ：j 。软件介绍 2 4 1 数字化一l ：j 软件q u e s t q u e s t ( q u e u i n ge v e n ts i m u l a t i o nt o o l ，排队事件仿真工具) 是达索公 i d 的款m i 向制造j i k 的离散事件仿真软件。q u e s t 仿真软件有以下特点： ( 1 ) 提供了智能化的物流处理系统模板，可以输入真实的生产参数，如 设备的尺、j 、速度、加速度等。用系统模板，能准确地模仿多种物料移动系 统，包括运输_ ， ：、传送带、：l ：人、吊车、a g v 等。 ( 2 ) 肖接模仿实际系统的行为，预置了实际系统的控制逻辑，如选择路 径的逻辑、缓存策略、推动式丰证动式l ! 产：属性等。 ( 3 ) 内置的仿真控制语i ：；( s i m u l a t i o nc o n t r o ll a n g u a g e ，s c l ) 能使用 户定义设备的行为，实现对仿真过程的自山控制。 ( 4 ) q u e s t 的丌放式结构允许高级用，j 通过批控制语高( b a t c hc o n t r o l l a n g u a g e ，b c l ) 进行批处理仿真运行。 ( 5 ) 可以通过q u e s te x p r e s s 与m e s 、e r p 或生产调度系统连接。 ( 6 ) 提供三维动画，并以直方图、饼状图、线图等方式显示统计结果， 也可以生成h t m l 报表。 模型进程 动画进程 处理t i m e n o w 时刻 事件得到的仿真数据i 预报下一事件时间 t ir y l e n e 七 向公用区写t i n e n o w ， t i m e n e 七，i 向动酉进程发信号 模型拱 机 活 模 型 进 程 一读取共用区数j | 二二二 i 向模型进程发信号 ( 一 五概传瓢 聃少 捌吐垣 li 计算t i n e n e x i 时刻传送设备的位置 f 广 i 动画j i l 新到位置p 三三 一 挂起动画迸程 激活动吾 图2 1 1q u e s t 仿真机制 2 4 2q u e s t 模型的构成元素 ( 1 ) 创建和接收零件元素： 源( s o u r c e s ) ：用来生成零件的要素；主要设置参数为零件的生成的时 间间隔，这个时间间隔可以为固定值或者随机值，也可以按照用户自己定义 的逻辑需要时产生零件。接收( s i n k s ) ：用来接收零件的要素，当零件被送 往此处时自动消失，避免模型中积累元素过多而影响仿真运行。 ( 2 ) 储存零件的元素： 缓冲( b u f f e r s ) ：储存零件的要素；主要作用就是生产线堵塞时的缓冲 作用，体现出不同工位的堵塞情况，主要设置参数为缓冲的容量，另外可以 在b u f f e r 中设置各种自定义的运行逻辑控制物流的运行。 ( 3 ) 处理器元素： 机器( m a c h i n e s ) ：加工零件的要素；可以在机器上设置上料时间( l o a d t i m e ) 、卸料时间( u n l o a dt i m e ) 、加工时间( c y c l et i m e ) ，仿真结束时 可以输出机器的利用率。 ( 4 ) 原料传递元素： 传送带( c o n v e y o r ) 、p n f 、a g v ( a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e s ) 、c r a n e 、 l a b o r 等，原料的传递要素可以形象化的表现出原料的传送路径和过程，主要 设置参数为这些要素的速度( s p e e d ) 。 1 4 ( 5 ) 零件( p a r t ) ：生产过程中的原料或产品。 q u e s t 软件提供了1 f i 叮对象的建模方法，能够按照实际系统的嘶i 局直接建 市i 维仿真模型，尤其是在臼动化程度较高的制造系统仿真t | 1 有独特的优势， 图2 12 给f j 5 了1 个典型简、f 1 生产线的模型。 图2 1 2简单典璎生产线模型 2 5 本章小结 本章二i 三要对数字化：】：厂技术的基本理论做了详细的阐述，为后面的章节 做好理论基础。数。化】：厂。的基本理论部分主要包括数字化：1 ：j 一的概念内涵、 数字化：j ：厂的体系框架以及数! # 化l ：厂的功能细分，最后介绍了数字化t 厂 软件q u e s t 。 第三章基于数字化工厂的布局设计与仿真 3 1 车间布局概述 车间布局是整个工厂规划的核心问题之一，车间布局的优劣