（机械制造及其自动化专业论文）基于资源的汽车白车身装配capp及仿真系统的研究与实现.pdf

摘要 摘要 为提高汽车白车身装配质量和效率 有效管理制造资源 对计算机辅助工 艺设计技术进行了研究 文章按照实际生产阶段顺序 将内容分为装配序列规 划 装配工艺设计和装配过程仿真三部分 对基于配合约束的装配序列规划的 遗传算法 制造资源建模 交互式图形化工艺设计 工艺设计与系统仿真的数 据复用 装配车间物流仿真 装配线作业平衡优化 装配过程仿真等理论和方 法进行了深入的研究 在理论研究基础上 采用面向对象技术和v c 6 0 s q ls e r v e r 数据库工 具 设计了一个集工艺设计 生产仿真和数据管理为一体的协同系统 系统实 现了可视化 模块化 智能化的工艺设计 工艺数据的管理 查询 编辑和生 产指导书的自动生成 并提供了基于权限分配的用户管理 已完成的主要工作有 1 提出将工艺设计过程与制造系统仿真无缝集成 用工艺设计的结果驱 动仿真系统 用仿真结果指导修改工艺设计 2 定义了装配配合约束的类型和特征尺寸 借助 特征标签 可装配度 函数和遗传算法实现了在装配约束条件下 装配序列规划的寻优 3 采用直接面向制造过程的工艺设计思想 直接利用基于制造资源的装 配活动单元进行工艺设计 便于对设计结果进行修改和保存 4 创造性地使用图形化界面进行交互式工艺设计 将制造数据信息封装 在简明的图形之中 方便设计和操作 5 建立了装配车间布局的数学模型 在虚拟车间中实现了装配过程物流 仿真 布局面积和物流路径长度的计算 6 提出了一种基于作业约束的求解装配线平衡问题的遗传算法 改进了 算法的编码方法 添加了装配作业之间的约束条件 7 在考虑有限缓冲区和随机发生故障对装配线性能影响的基础上 对装 配生产过程进行了仿真 将得到的设备利用率 缓冲区利用率 工位工作时间 和工位甘特图等统计数据以图形显示 8 引入用户自建资源数据库的思想 使本文研究的工艺设计系统不仅适 用于汽车白车身装配环境 也可广泛应用在其它生产制造行业和领域 具有极 摘要 强的通用性 在系统开发的过程中 无先例可循 上述大多设计思想均是自主设计 实 践证明 该系统能有效地管理车身装配中的产品数据 提高装配效率 帮助工 艺人员对装配过程进行直观的评估和验证 并可应用于其它多种行业和领域 关键字 装配工艺设计 装配序列规划 系统仿真 u a b s t r a c t t oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fa u t o m o t i v eb o d ya s s e m b l ya n dm a n a g e t h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e r e s e a r c h e so nc o m p u t e r a i dp r o c e s sp l a n n i n ga r e c o n d u c t e di nt h ep a p e r t h ep a p e ri sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa c c o r d i n gt ot h ea c t u a l m a n u f a c t u r i n gs e q u e n c e t h ea s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n g t h ea s s e m b l yp r o c e s s p l 锄i n ga n dt h ep r o d u c t i o ns i m u l a t i o n s u br e s e a r c ht o p i c s i n c l u d et h eg e n e t i c a l g o r i t h mf o ra s s e m b l ys e q u e n c e sp l a n n i n gb a s e do na s s e m b l yc o n s t r a i n t m o d e l i n g o ft h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e g r a p h i c a la n di n t e r a c t i v ep r o c e s sp l a n n i n g t h e d a t a s h a t i n g b e t w e e np r o c e s sp l a n n i n ga n ds y s t e ms i m u l a t i o n m a t e r i a l f l o w s i m u l a t i o ni nw o r k s h o p a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n ga n dt h ep r o d u c t i o n s i m u l a t i o n ai n t e g r a t e ds y s t e mf o rp r o c e s sp l a n n i n g p r o d u c t i o n s i m u l a t i o na n dd a t a m a n a g e m e r i ti sd e v e l o p e db yo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o dw i t ht h es u p p o r t o fv c 6 0a n ds q ls e v e r t h ec o n c e p t i o no f a s s e m b l yc e l l w h i c hc a n m a k et h e p r o c e s sp l a n n i n gg r a p h i c a l m o d u l a ra n di n t e l l i g e n t i sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r t h e i n q u i r ya n de d i to ft h et e c h n i c a ld a t aa n dt h ea u t o m a t i c a l l yc r e a t i o no fp r o d u c t i o n g u i d eb o o ki sr e a l i z e d i na d d i t i o n u s e rm a n a g e m e n tb a s e d o nt h ea u t h o r i t y a s s i g n m e n ti sp r o v i d e db yt h es y s t e m t h ew o r kh a sb e e nd o n ea r ea sf o l l o w 1 t h ep r o c e s sp l a n n i n ga n dp r o d u c t i o ns i m u l m i o n w e r ec o n n e c t e ds m o o t h l y t h ed r o d u c t i o ns i m u l a t i o nw a sd r i v e db yt h er e s u l to fp r o c e s sp l a n n i n ga n dt h e p r o c e s sp l a n n i n gw a sr e d e p l o y e da c c o r d i n g t ot h er e s u l to fp r o d u c t i o ns i m u l a t i o n 2 d e f i n e dt h et y p e so fa s s e m b l yc o n s t r a i n ta n dc h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o n t h e g e n e t i ca lg o r i t h ma i m e dt o f i n dt h em o s tr e a s o n a b l ea s s e m b l ys e q u e n c eu n d e r a s s e m b l vc o n s t r a i n sw a sc a r r i e do u tb a s e do nt h e f e a t u r em a r k a n da s s e m b l a b i l i t y f u n c t i o n 3 p r o c e s sp l a n n i n gw a sd o n ed i r e c t l yu s i n gt h ea s s e m b l yc e l l s w h i c hw e r e b a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e t h i sd e s i g nw a sm u c he a s i e rt om o d i f ya n d s a v et h a nb e f o r e 4 p r o c e s sp l a n n i n gw a sd e s i g n e dw i t hag r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei n ac r e a t i v e i i i a b s t r a c t w a y t h em a n u f a c t u r i n gd a t a sw e r ep a c k e di ns i m p leg r a p h i c s s ot h e r ec o u l db e o p e r a t e dc o n v e n i e n t l y 5 t h ea s s e m b l yw o r k s h o pm o d e lw a sc r e a t e d t h em a t e r i a lf l o ws i m u l a t i o n a n dc o m p u t a t i o no f w o r k s h o pa r e aa n dp a t hl e n g t hw e r er e a l i z e d 6 a ni m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mf o ra s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gb a s e do n o b c o n s t r a i n tw a sp r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v et h es e a r c h i n gp e r f o r m a n c e an e w e n c o d i n gm e t h o da n dj o bc o n s t r a i n tw e r eu s i n gi nt h ea l g o r i t h m 7 p r o d u c t i o ns i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e dc o n s i d e r i n gt h el i m i t e db u f f e ra n d r a n d o mb r o k e nd o w no ft h ee q u i p m e n t s t h es y s t e mc o u l dd i s p l a yt h eo p e r m i n g f a c t o ro fw o r kp o s i t i o na n db u f f e r t h ew o r k i n gs t a t eo fw o r k p o s i t i o n t h eg a n t t c h a r ti nt h ef o r mo f g r a p h i c sa n dd i g i t a l 8 b e c a u s et h eu s e r sc o u l dm a k et h ed a t a b a s eb yt h e m s e l v e s t h es y s t e mc o u l d b eu s e dn o to n l yi nw h i t ec a l b o d ya s s e m b l y b u ta l s ob e w i d e l yu s e di no t h e r sf i e l d s a st h e r ei sn op r e c e d e n tf o rr e f e r e n c ei nt h ep r o c e s so f s y s t e md e s i g n m a n y i d e a sa n dc o n c e p t sa r er a i s e db yo u r s e l v e s p r o v e db yp r a c t i c e t h i s s y s t e mc o u l d m a n a g et h ep r o d u c td a t ai na u t o m o t i v eb o d ya s s e m b l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f p r o d u c t i o na n dh e l pu s e r se v a l u a t ea n dv a l i d a t et h ea s s e m b l yp r o c e s se f f e c t i v e l y w h a t sm o r e i th a sa p p l i c a t i o ni nm a n yo t h e ri n d u s t r ya n df i e l d s k e y w o r d s a s s e m b l yp r o c e s sp l a n n i n g a s s e m b l ys e q u e n c e s p l a n n i n g p r o d u c t i o ns i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签名 日期 年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 导师签名 日期 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 计算机辅助工艺规划 c a p p 及发展概述 计算机辅助工艺设计 c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g c a p p 是连接c a d 与c a m 的桥梁 是许多先进制造系统的技术基础之一 因此 c a p p 技术从6 0 年代诞生以来 其研究开发工作一直在国内外蓬勃发展 而且逐渐引起越来越 多的人们的重视 进入9 0 年代以来 随着网络 数据库 面向对象方法 分布 计算 系统集成等计算机相关技术的飞速发展 多种先进技术和科学的管理理 念逐渐融入c a p p 技术之中 促使c a p p 技术不断发展 满足不同企业的需求 1 1 1c a p p 技术概述 c a p p 是根据产品设计所给出的信息进行产品的加工方法和制造过程的设 计 c a p p 的功能包括毛坯设计 加工方法选择 工序设计 工艺路线制定和工 时定额计算等 其中 工序设计又可包括装夹设备选择或设计 加工余量分配 切削用量选择以及机床 刀具和夹具的选择 必要的工序图生成等 c a p p 工艺设计是制造型企业技术部门的主要工作之 其质量优劣及设计 效率的高低 对生产组织 产品质量 生产率 产品成本 生产周期等有着极 大的影响 长期以来 依靠工艺人员根据个人经验以手工方式进行的工艺设计 由于其固有的缺陷 效率低 工艺方案因人而异 难以获得最佳得工艺方案等 难以适应当今生产发展的需要 只有应用计算机辅助工艺设计 才是提高工艺 设计质量和效率的必由之路 才可能迅速编制出完整 详尽 优化的工艺方案 和各种工艺文件 从而极大地提高工艺人员的工作效率 缩短工艺准备时间 加快新产品的投产 此外 应用c a p p 可以获得符合企业实际条件的优化工艺 方案 给出合理的工时定额和材料消耗 c a p p 还可为企业管理提供必要的数据 因此 c a p p 的研究和应用 对改革我国工艺设计的现状 促进企业的发展 提 高企业的适应能力和竞争能力 有着举足轻重的作用 电子科技大学硕士学位论文 1 1 2c a p p 技术的产生 发展及其分类 c a p p 的研究始于1 9 6 6 年的挪威 并于1 9 6 9 年正式推出第一个c a p p 系统一 一a u t o p r o s 美国的c a m i 公司于1 9 7 6 年推出颇具影响力的c a m i sa u t o m a t e d p r o c e s sp l a n n i n g 系统 虽然c a p p 的研制历史至今只有4 0 多年 但在工业界和 学术界的双重推动下 已有大量的c a p p 系统问世 c a p p 从诞生至今 先后出现了设计方式不同的两大类 即派生式系统和创 成式系统 派生式系统从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改 编 辑和自动筛选等功能的系统 融合了部分创成式的原理和方法 创成式系统的 研究与开发始于7 0 年代中期 且很快得到普遍重视 被认为是有前途的方法 近年来 这两类系统都在发展中不断改进提高和互相渗透 从8 0 年代开始探索 将人工智能 专家系统等技术应用于c a p p 系统的研究和开发 研制成功了所 谓基于知识的创成式c a p p 系统或c a p p 专家系统 近年来 有人将人工神经元网络技术 模糊推理以及基于实例的推理用于 c a p p 之中 也有人提出了c a p p 系统建造工具的思路 并进行了卓有成效的实践 还有人将传统派生法 传统创成法与人工智能结合在一起 综合它们的优点 构造了所谓的混合式c a p p 系统u 一 我国对c a p p 的研究是从2 0 世纪8 0 年代初在推广应用成组技术的基础上开 始的 据初步统计 在国内学术会议和期刊上正式发表的c a p p 系统已有5 0 多 个 有少数系统正式在工厂使用 分析世界近3 0 年和我国近1 0 年来的c a p p 发展情况 对其研究发展情况归 纳如下 1 由派生式系统向产生式系统发展 2 从传统的c a p p 系统向智能化c a p p 系统发展 3 由回转体零件c a p p 系统向复杂的非回转体零件c a p p 系统发展 4 从孤立的c a p p 系统向c a p p n c 和c a d c a p p c a m 一体化方向发展 5 从开发研究性质和专用的c a p p 系统向应用型c a p p 系统和专家系统 工具的开发 使c a p p 系统开发应用逐步普及并提高到一个新水平 1 1 3c a p p 技术的发展趋势 经过3 0 多年的发展 c a p p 在生成原理 系统结构 决策方法等方面都已经 取得了很大的进展 纵观国内外c a p p 的研究和开发状况 集成化 柔性化 智 2 第一章绪论 能化 分布化和协同化是c a p p 发展的主要趋势 集成化是指c a p p 系统与其他集成化系统信息与数据的传输与共享 如与 c a d 和c a m 系统 甚至与生产管理 质量保证等系统的集成 而要实现真正意义 上的集成 有待于对产品定义与产品数据交换规范 如i g e s s t e p 的进一步研 究和相应的实用化软件系统的问世 柔性化是指c a p p 软件经过一定的修改和调整后 能用于不同零件和生产环 境 当前的c a p p 系统都是针对某一具体生产环境的 缺乏通用性 造成这一问 题的最主要原因在于工艺设计对制造环境强烈的依赖性 为此 国内外不少研 究正致力于提高c a p p 的柔性化程度 使用户经过简单的二次开发即可实际应用 智能化是在工艺设计中引入人工智能技术 c a p p 所涉及的是典型的跨学科 的复杂问题 许多决策都依赖于专家个人的经验和知识 另一方面 制造生产 业环境的差别要求c a p p 具有很强的适用性和灵活性 专家系统及其它人工智能 技术在获取 表达和处理知识上的灵活和有效给c a p p 的发展带来了生机 一 产品工艺设计工作具有多层次和多阶段性 工艺任务的完成包括产品机构 工艺性审查 工艺方案 工艺路线描述 工艺规程编制 工艺定额制定等阶段 设计完成后还需要进行审评和会签 且设计人员往往分属不同的部门 在不同 的地点 这表明工艺设计是一个典型的运行在分布环境下的工作过程 工艺设计是具有不同专业知识 经验 视角与目标的设计者在数据共享的 基础上交流思想 信息与知识的大规模协作过程 它要求制造工艺信息系统必 须以协同设计的方式参与产品设计工作 现阶段 国内外对计算机支持下的协 同工作的研究已经深入展开 包括工艺设计的协同工作模式 协同工作技术和 协同应用开发环境的研究 这些研究将对未来c a p p 的发展产生深刻的影响旧 1 2 课题背景及研究意义 近年来 我国汽车工业发展迅猛 随着我国加入w t o 汽车工业将面临更加 激烈的国际竞争 日趋激烈的竞争和逐步多样的顾客需求使汽车制造业向多品 种小批量发展 加快研发和产品更新 是发展我国汽车工业的两大根本问题 在汽车生产过程中 工艺规程的设计是一个很重要的问题 如何快速地进行 工艺设计 提高工艺设计水平和效率 以适应多变的市场需求并对产品信息进 行全面管理 是衡量一个汽车生产企业制造水平的关键 汽车制造业由于产品结构复杂 零部件种类繁多 工艺路线和设备配置非常 电子科技大学硕士学位论文 灵活 生产装配活动在其整个生命周期中具有举足轻重的地位 我国的汽车制 造业无论是产品质量还是数量以及市场竞争力等各个方面 均与发达国家存在 定的差距 而尤其突出的是在装配工艺上更有着相当大的差距 这表现在组 装产品的质量与原装产品还有着差距 而当装配技术含量要求较高 这种差距 相当明显 进一步反映了我国在装配方面的研究与发展还未得到足够的重视 从以上的分析可以看出 装配在产品的整个生命周期中具有如此高的地位 而 我们与先进国家相比其工艺技术水平又有如此大的差距 所以我们必须把提高 我们的装配工艺发展作为研究的主要目标之一 计算机辅助工艺设计较传统的手工编制的工艺规划设计不仅效率高 质量 好 而且可以保证工艺设计的一致性和规范化 有利于推进工艺标准化 同时 其产生的加工方法和工艺资源等信息是企业进行生产控制 生产计划 资源配 置的重要数据 经过调研发现 目前尚无一套针对汽车白车身装配工艺设计的软件 本研 究工作主要针对上海大众汽车厂某车型的白车身装配过程 分析如何有效管理 制造资源 高效交互信息和快速灵活的进行工艺设计 基于此目标 在对车身 生产过程进行深入调研 分析的基础上 开发了一套专业的c a p p 软件 该系统 以产品数据为核心 采用交互式设计 实现了工艺设计及产品数据管理 p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t p d m 体化 为产品设计人员提供一个设计 仿真和管理制 造过程的协同环境 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家资助的8 6 3 项目 复杂薄板产品装配偏差流仿真与数字 化装配工艺设计 资助号n o 2 0 0 3 a a 4 1 1 2 1 0 的子课题项目 数字化装配工艺 设计 主要致力于基于实用型 工具型的c a p p 系统制造工艺模型研究 课题组的其他成员对制造过程建模方法 制造资源建模方法 制造工艺模 型和智能工艺决策方法等内容做了相关研究 本文在此基础上 所做的研究主 要有以下几个方面 1 白车身装配工艺设计 引入用户自建资源数据库的思想 由用户根据企业新进或者现有的生产资 源 如零件 设备和物料等建立相应的数据库 利用已有资源 在视图区进行 可视化操作 进行工艺设计 通过由底至顶的设计 即由装配活动定义到工序 4 第一章绪论 定义 再到工位定义 实现装配过程的数字化工艺设计 2 制造过程的优化与仿真 以制造资源数据库和工艺数据为基础 重点解决制造过程仿真系统中的仿 真数据与生产数据间的数据通讯与集成 制造过程计算机运动模拟的二维图像 的表示方法和有效的数据处理 计算技术等 同时从过程模型中抽象出计算物 流控制 作业平衡 生产效率的数学模型 3 软件原型系统的设计与开发 根据软件功能需求 将系统分为类型管理 资源管理 工艺设计 生产仿 真 工位信息浏览五个模块 负责系统框架建立和界面设计 1 4 创新性 本项目在关键技术上采用了多项创新设计方法 与国内外同类c a p p 软件相 比有多项独创之处 特别是针对汽车白车身装配工艺设计的软件更是首创 1 以往对汽车装配的研究内容大多是车身局部 例如汽车发动机 底盘 等 针对全全车身装配的文献还较为少见 2 目前 以汽车车身装配偏差流 车身计算机辅助设计 车身薄板零件 制造过程等为目标的研究工作很多 但面向车身的装配工艺设计领域鲜有涉及 3 目前国内外进行的过程仿真主要是利用仿真工具 如e m p l a n t 对 一个现有或设计的制造系统进行建模 然后再仿真 直接利用工艺设计结果进 行过程仿真的研究尚未发现 直接利用工艺设计的结果进行建模 能从方法上 保证仿真系统与工艺设计系统的集成 不仅能大大提高过程仿真的效率 同时 也使过程仿真更具实用性 另外 仿真结果可以反馈作用于工艺设计过程 指 导和修改工艺设计 4 采用直接面向制造过程的工艺设计思想 直接利用装配活动单元进行 工艺设计 不仅极大提高了工艺设计的速度 而且便于修改设计 5 创造性地使用图形化界面进行交互式工艺设计 可以随时清晰地了解 到设计过程和结果 将大量的生产数据包含在简明的图形之中 简单明了 操 作方便 6 引入用户自建资源数据库的思想 使本文研究的工艺设计系统不仅适 用于汽车白车身装配环境 也可广泛应用在其它生产制造行业和领域 具有极 强的通用性 电子科技大学硕士学位论文 1 5 本论文各章节的安排 装配线的规划一般可以分成三个阶段 产品分析及装配序列规划 装配工 艺规划 装配线布局规划 本文按这三个阶段的顺序作为基本脉络 各章具体 安排如下 第一章绪论 概述c a p p 技术的产生 发展 分类和未来趋势 并分析了汽车工业的发展 和对工艺设计系统的需求 建立了工作的主要内容和方向 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 分析了从c a p p 到制造系统仿真的必要性 可能性和具体实现方法 形成了 c a p p 与制造系统仿真一体化模型 第三章装配序列规划研究与实现 定义了装配配合约束类型和特征尺寸 函数 采用遗传算法实现装配序列规划 第四章基于资源的装配工艺设计 对装配资源分类并建立装配资源模型 图形化 交互式工艺设计 根据装配特征编码并定义可装配度 在此基础上使用装配活动单元实现 第五章白车身装配系统规划与仿真 分析车身装配生产线的特点 利用其基本构成单元建立车间模型 研究虚 拟车间布局规划 装配线平衡 装配线过程仿真等内容 第六章系统实现及集成 通过对开发工具的选用和系统功能分析 进行装配工艺设计软件的开发和 实现 第七章结论与展望 6 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 2 1 制造系统仿真概述 生产制造系统是一个复杂的系统 它涉及到制造过程 资源配置 生产调 度 资金管理等诸多领域的问题 因此 在制造系统建立以前对之进行合理的 规划设计显得尤为重要 目前 生产制造系统规划设计面临的主要问题有由于 系统的复杂性带来的难以评估的设计风险 设计和运行管理的串行化带来的系 统各环节间协调和优化的困难 设计系统适应性差等 据报道 国外已运行的 复杂制造系统 特别是f m s 约有8 0 都没有完全达到设计要求 其中6 0 都 是由于初期规划不合理或失误造成的 制造系统的规划设计重点在于系统的合理建模与分析 制造系统一般都属 于复杂的离散事件系统 具有动态性 复杂性 偶然性的特点 传统的建模与 分析方法大多是一种数学抽象 用数学模型 算法 公式 图表等来描述制造 系统 然而这些方法不能真实地反映实际系统的诸多特性 因此 至今尚无一 种有效的数学方法能精确地求解这类问题 计算机仿真作为一种系统建模和实验分析方法 能把生产资源 产品工艺 数据 库存等信息动态地结合起来 以系统活动过程的复现代替以往数学等方 法单纯的抽象描述 表达形式易于理解 能全面反映制造系统动态活动过程和 特征 同时 通过仿真分析得到的实验结果可以做为投资和决策的依据 达到 避免投资失误和节约成本 时间的目的 因此为制造系统的设计和运行管理提 供了理想手段 并已成为贯穿制造系统整个生命周期 为各项单元技术提供集成 环境 进而形成数字化制造的重要手段归 2 2 制造系统仿真内容 在系统规划初期 可建立系统的仿真模型 通过仿真计算 可以在规划 设计阶段就对生产系统的静 动态性能进行充分的预测 以便及早发现系统布 局 配置及调度控制策略方面的问题 并将评价结果反馈给工艺规划和生产规 划 从而提出优化的设计方案 从而实现快速 有效的系统设计 避免因设计不 7 电子科技大学硕士学位论文 周而影响系统建成后的实际运行效率 或者甚至造成系统不能正常工作 运用计算机仿真方法可以仿真的具体内容概括如下 1 规划生产系统 根据产品产量的要求 确定生产节拍 按照生产工艺内容 通过工序的优 化组合 确定生产设备 2 生产系统布局 根据工厂空间 生产能力 零件加工所需工序等初步确定多套生产线布局 方案 或验证已设计好的方案的空间 合理确定生产设备 小车 机器人 传 送带 托盘 夹具 仓库 缓冲站等生产资源的数量 大小和位置 3 优化系统参数 通过仿真查找瓶颈工序 调整设备数量 缓冲站大小 作业时间 工作量 等系统参数 从而使系统满足生产任务的要求 4 确定生产能力 在当前的生产条件下 通过仿真检查现有和预计新系统的生产能力 验证 制造系统能否完成要求的产量 如果不能 则修改系统参数重新运行仿真 5 优化人力资源 通过对不同调度策略的仿真 估算出必要的操作工人数 并合理分配工人 到各工序 6 预测系统故障 对生产中设备的实际故障率进行统计和建模 并融合于生产系统中进行仿 真 通过模拟各种故障 评估系统抗干扰能力和故障率对仿真结果的影响 以 指导生产系统的设计 7 确定运作方式 确定是否按实时 j u s ti nt i m e j i t 模式或建立仓库模式运作 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 8 确定物料管理和存放 通过仿真优化传送带的类型 尺寸和速度 优化起重机构 自动引导小车 及驱动车之间的数目和任务分配 确定物料存放情况 9 确定换班方式 通过仿真研究不同工段加班对产量的影响 根据每小时的平均工作量或一 段时间内的产品产量计算出总产量 为换班方式提供评估依据 1 0 确定库存和警戒线 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 在一定生产运作模式基础上 通过仿真确定仓库中的库存的数量 或生产 线缓冲站中的零件数量 1 1 1 设计结果评价 制造系统经足够时间的仿真运行后 可生成系统性能的相关数据 如机床 a g v 等设备利用率 产品的产量 加工成本 加工时间 运输消耗等 这些数据 以文本或图表方式显示 通过优化算法或设计人员进行系统评价 2 3 从c a p p 到制造系统仿真 计算机辅助工艺设计的结果是工艺方案 若该方案设计不科学 不合理 而直接用于指导生产 必会给生产企业带来严重的损失 因此 需要在实施工 艺方案前对之进行检验 如果在实际制造系统中试用 会占用大量的人力和设 备资源 而当需要对几套方案进行比较时 逐一试用的方法更加不可行 企业需要快速灵活地响应市场需求 频繁地改变生产计划 甚至调整生产 线 所以工艺方案的内容在不断变化和更新 需要有高效检验工艺方案的方法 在实际生产过程中存在工时偏差 设备失效 零件报废 需求变化等随机 偶然事件 这些对生产的扰动对最终的产量和产品交付日期有较大影响 在实 际制造系统中试用无法考虑各种扰动因素 另外 在实际制造系统中试用无法将工艺方案同生产管理和调度结合起来 计算机仿真能够很好地解决上述问题 它在提高设计人员效率的同时也节 约了大量的制造资源和成本 在计算机仿真中以一定的概率 加入设计人员指 定的扰动 以干扰因子的形式 进行仿真运算 可以实现对各种扰动的评估 它还可以通过改变仿真模型的参数 评估不同工艺方案和控制策略的优劣 所 以将仿真纳入c a p p 体系中 或把仿真做为c a p p 的直接后续将是计算机辅助工 艺设计的发展的必然趋势 由于生产制造系统是一个复杂系统 包含了数量庞大且类型各异的数据信 息 所以制造系统建模是一个困难 耗时的过程 制造系统仿真的主要工作就 在于制造系统建模 所建立模型的好坏在很大程度上决定了仿真结果的正确性 和可借鉴程度 然而工艺方案仿真参数是不完全相同的 以汽车白车身装配工艺设计为例 装配顺序 焊点数量 焊机坐标 年产量 缓冲站大小 小车速度等制造系统 性能参数的改变都可视为一个新的方案 如果为每一个方案都建立一个仿真模 电子科技大学硕士学位论文 型 工作量无疑是巨大而不可行的 因此 引入和借鉴工艺设计的数据 或者 将上游工艺设计的数据直接做为制造系统仿真的部分数据将是一个提高建立仿 真模型效率的有效途径 2 4 从c a p p 到制造系统仿真的数据复用 规划活动可分为工艺规划 生产规划和布局规划 规划活动为制造系统仿 真提供建模内容 仿真为制造系统的优化提供依据 仿真结果用来指导制造系 统的再规划 由于两者间存在这种内在紧密联系 所以c a p p 与制造系统仿真的 数据间在逻辑上具有连贯 继承性 在物理实现上具有数据的复用性 1 从根本原理上看 c a p p 与制造系统仿真具有相同的资源 c a p p 是在生 产大纲指导下 根据企业目前所拥有的零件 设备 物料 人员 资金等条件 生成作业计划 而这些制造资源也正是仿真活动所必须的 制造系统仿真的第 一步是根据布局规划内容建立制造系统的布局模型 生成如生产设备 装卸设 备 缓冲站 装料站 卸料站 物料运输实体 传送带 自动导向小车 机械 手 托盘 控制器 a g v 控制器 工人控制器 等建模实体 在此基础上才能 建立模型关系 定义控制规则 设置仿真时钟 运行仿真模型 c a p p 和制造系 统仿真都必须准确了解这些资源的属性和状态 并且为了保证仿真结果的正确 性 规划和仿真活动使用的资源必须一致 2 从形式上看 制造系统仿真的如生产节拍 生产成本 设备利用率等 内容都与工艺设计紧密相关 这类仿真有助于发现生产系统中慢于生产节拍 加大生产成本或具有较低设备利用率的环节 即 瓶颈 瓶颈 的存在是由 于工艺方案的不合理 不科学造成的 如有资源缺乏 任务分配不合理 工艺 错误等问题 必须要对工艺方案进行重新设计 这些工艺设计中产生的数据信 息 如机床数量 设备型号 j n v 步骤 加工时间 物流路径等都将直接做为 仿真的依据 修改工艺方案时 就是调整相应 瓶颈 环节的仿真参数 重新 运行仿真 经过多次仿真 以期从整体上得到一个优化方案 3 从客观条件上看 企业计算机集成制造系统 c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m c i m s 的实施也为c a p p 与制造系统仿真间的数据复用 提供了有利的客观条件 这两者间的数据是双向传递 且需要传递的信息量大 当企业中大部分制造资源数据信息都数字化 集成化 甚至网络化了后 将极 大方便于在各部门和系统间传递和共享这些数据 也使数据复用和交换能够准 l o 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 确 安全 快速地进行 2 5c a p p 与制造系统仿真一体化模型 基于汽车白车身装配的c a p p 与制造系统仿真一体化模型如图2 1 所示 图2 1装配线仿真系统结构 资源信息 所在工序 所属工位 电子科技大学硕士学位论文 该模型分为装配序列规划 装配工艺规划和装配布局规划三个层次 首先进行装配序列规划 借助于装配零件库中的资源信息 得到一个合理 的装配序列 装配序列规划相关内容详见第3 章 之后进入装配工艺规划阶段 在装配序列的指导下 可以得到有序的装配 零件树 该树体现了零件装配的先后顺序 若箍配零件是一子装配体 则它表 现为一个父结点 将其展开后得到其子零件序列 如图2 2 所示 剜碎星 剑 鱼 随 圈围圈 图2 2 装配零件树 装配活动单元定义了一个具体的装配活动 它包括了该装配所需要的零件 设备 物料 工艺方法 装配关系等信息 定义完整的装配活动单元存入装配 活动库中 上一步中 装配活动单元的定义是一个与装配顺序无关的独立的过程 它 只关心装配的内容 而不需要理解它们间的顺序 装配关系问的序列约束体现 在装配工序的定义中 此步骤中需明确每一个工序需要包含哪几个装配活动单 元及它们间的顺序 如图2 3 所示 定义完整的装配工序存入装配工序库中 接着将装配工序映射到具体的工位上 如图2 4 所示 此时每个工位不仅 包含其相应的工艺信息 还应有工位位置 工位面积 工人数 工人装配任务 作业时间及相关工具等与生产制造相关的信息 以为后续仿真工作提供数据准 备 定义完整的装配工位存入装配工位库中 最后是装配线布局规划阶段 根据车闻大小 设备数量 工位个数 物流 路径 分装线个数 装配线长度和范围等信息建立仿真的物理模型 如图25 所示 蚕黼i 雾写 第二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 圈2 3 装配工序定义 图24 装配工位定义 圈2 5 装配线物理模型 电子科技大学硕士学位论文 根据工艺和生产信息设置仿真参数 运行仿真模型 若仿真结果满足生产 纲领的要求 则以工位指导书的形式输出工艺方案 否则返回到工序设计阶段 重新改进 该c a p p 与制造系统仿真一体化模型以原始的工艺方案为输入 以优化的工 艺方案为输出 实现了制造工艺和生产线的并行规划 并通过生产线仿真指导 反馈于工艺规划 从而使得工艺规划能够同实际的生产过程有机结合起来 使 工艺规划更加合理与有效 2 6 数据复用的实现 在上述一体化模型中 工艺规划和制造系统仿真分别完成不同的工作 它 们彼此间通过数据库来实现数据的共享和传递 比如装配工位库中有工位所含 工序信息 以工序号为主键 在装配活动库中查找到所需设备的信息 于是仿 真活动就可以在设备库中检索到该工位上所有设备的加工属性 其流程如图2 6 所示 工位 装配工序 i 曰 三豫 墨 乎 工序号 工序暖恭胃 工序说明 e 靶m 淑蛛匡 o y 蠊 所庄工位 一 o r i i i 勰 t i o 丑 f 1 l 楔型宪度匣 羔 d1 i ml 意噍i 图2 6 规划与仿真间数据传递流程 又例如在制造系统仿真中 设计人员需要为工序定义其前向工序和后向工 序 这种工艺顺序在一定程度上也决定了可仿真工位的顺序 图2 7 中 设计 人员可以选择需要仿真的工位及其顺序 定义的结果存入物流路径库中 见图 2 8 仿真活动通过调用库中的路由表 实现生产物流过程的仿真 见图2 9 于是借助于改变路由表 设计人员可以方便地研究不同加工路径的时间 路程 1 4 筇二章从c a p p 到制造系统仿真数据的复用 和成本 以研判其优劣 r 圃r 一 f t 二j 图2 7 路径选择 m i 镕自f t i 自 目 e 十 1 1 r 图2 8 路由表 隅29 物流动画 这种不仅包含了设计信息 而且包含了加工制造信息的数据库也称为工程 数据库 所以解决一体化问题的关键是建立统一的工程数据库 把工位位置 作业时间 运输速度等仿真需要的属性作为数据表中的字段 使用数据库让工 艺设计和制造系统仿真的数据联系起来 27 本章小结 本章首先论述了制造系统仿真的作用和主要内容 从系统建模的角度提出 了将c a p p 与制造系统仿真联系起来的必要性 从原理 形式和客观条件上探讨 了两者数据复用的可能性 建立了c a p p 与制造系统仿真体化模型 最后结合 例子介绍其具体实现 电子科技大学硕士学位论文 第三章装配序列规划研究与实现 3 1 装配序列规划的研究内容 装配序列是描述产品装配过程的重要信息之一 其优劣直接影响到产品的 可装配性 装配质量及装配成本 产品装配序列规划 a s s e m b l ys e q u e n c e s p l a n n i n g a s p 是指在一定产品设计方案的条件下 探索可行的装配序列 从中 选取满足所有约束的最优方案 达到装配时间最少和复杂度最小的目标 它是 产品装配分析的基础 目前 装配序列规划大多根据设计者的经验 采用手工方法完成 装配方 案的好坏在很大程度上依赖于装配工艺师的相关知识和已有经验 难以形成统 一的评价标准 容易遗漏好的装配方案 因此 装配序列规划自动化对于实现 装配序列优化和缩短装配序列规划时间具有重要意义 另外 计算机集成制造 系统和并行工程技术的发展和应用 装配设计提出了更高的要求 就目前的发 展情况来看 单个零件的设计 生产和管理多已实现了相当的自动化 集成化 相比之下 由于装配设计和装配生产的落后现状 使之与产品开发过程中其他 环节的集成化程度很低 因此 产品的装配设计和装配生产也应实现计算机化 这样才能实现全局集成和优化的目标 3 2 生成装配序列的基本方法 装配序列规划问题本质上是一个n p 难题 很难得到一个满足装配要求的装 配序列 目前国内外解决装配序列规划比较成熟的算法主要有以下几类 1 人