制造系统建模与仿真在工业工程中的应用

制造系统建模与仿真在工业工程中的应用摘要：建模与仿真技术是21世纪信息技术和制造技术结合的桥梁，是使企业产生最大经济效益的核心技术，也是21世纪制造业的一项关键支撑技术。本文阐述了仿真技术在制造业的地位和作用，总结建模与仿真技术的特点，给出了制造业建模与仿真技术的方展方向。关键词：制造系统建模仿真仿真应用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1制造业建模与仿真技术的地位制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是国家综合国力的重要体现；21世纪的制造业仍然是国家经济和国防建设的命脉，也是国家经济实现快速增长的重要因素。制造业是所有与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。现代制造的基本特点是大制造和全过程。“大制造”应包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。“全过程”，不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设计、加工和制造过程，产品的销售和售后服务，报废产品的处理和回收，以至产品的全寿命过程的设计、制造和管理。由于国内外市场竞争的加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，先后出现了柔性制造，计算机集成制造、并行工程、虚拟制造、敏捷制造、网络化制造、现代集成制造、下一代制造、综合制造等新的先进制造理念和哲理。但是，从整体来看，制造业的发展离不开先进的信息与知识技术、全面的建模与仿真技术、精密的工艺与装备技术和高效的企业集成技术共四大关键技术。建模与仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到先进制造当中去，并帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技术的发展。建模与仿真（M＆S）技术在改进产品和过程，缩短市场响应时间，以及降低产品实现的成本方面，具有其它技术

无法比拟的重要作用。2制造业建模与仿真技术的作用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。缩短研发时间和成本是建模与仿真技术给制造业带来的最直接的效果。建模与仿真技术能通过现有的知识对产品实现过程作出可靠的预测，大大促进了产品设计、过程设计、过程运行，甚至企业管理水平的提高。摆脱了以往设计－物理试验－修改的产品开发过程，在产品设计阶段利用建模与仿真工具在虚拟环境下优化产品和过程设计，大大缩短产品开发周期，降低开发成本。例如，在飞机工业中，美国的波音公司利用建模与仿真工具，完全利用三维建模技术进行设计的波音777喷气式客机，设计使用了数字化预装配和并行协同工程技术，无须建立物理样机模型，大大减少了设计更改和错误量，确保了产品质量，显著降低了成本，缩短了研发时间。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算,建模与仿真技术可提高产品质量5～15倍,增加材料出品率25%,降低工程技术成本13%～30%,降低人工成本5%～20%,提高投入设备利用率30%～60%,缩短产品设计和试制周期30%～60%等。仿真目标:协调各工序的生产节奏,减少在制品数。仿真后的改进建议:建议保证加工周期最短的工件优先加工。改进后的效果:增加了产量,缩短了制造周期,减少在制品数。实例5PCB装配与检测生产线问题:每周更换一次产品品种,经常需要周末突击加班才能完成本周任务。仿真目标:制订日产量规划,合理分配每日产量。仿真后的改进建议:制订出切实可行的日生产规划。改进后的效果:增加了生产的透明度,每日生产负荷均衡,减少了在制品数。实例6电子工厂问题:有两种产品同时生产,经常出现生产不平衡的现象。仿真目标:达到均衡生产。仿真后的改进建议:给出两种产品投入数量的适当比例。改进后的效果:减少了加班,降低成本25%,保持生产均衡。6制造业的发展趋势自动化水平越来越高：提高生产率的核心是提高生产的自动化水平。近年来,NC、DNC、CNC等技术的普遍应用,加速了生产自动化的发展,智能机器人的使用,更使长期手工操作的工序实现了自动化操作。.柔性化水平越来越高：为了快速响应市场要求,增强产品的竞争力,要求生产过程能及时更换产品品种。统计资料表明,在欧、美和日本的制造业中,中小批量生产的产品(一批的数量为5~50件)在数量上约占85%,在产值上约占60%~70%。为使生产更具柔性,继NC技术之后,FMS、CIMS应运而生。追求生产系统的主体效益：随着制造业的发展,单机生产效率大大提高,主机生产效率远远超过物流系统的效率。生产系统的整体效益因而受到影响,主机效率的发挥也受到牵制。人们越来越认识到,要想缩短生产周期、降低成本、提高产品竞争力,必须追求生产的整体效益,必须随时保持生产各环节的均衡与协调,FMs、CIMS的出现就是这一目标的体现。上述3种发展趋势,使每个生产管理者所面临的将是一个个结构复杂,生产节奏快,且灵活多变的生产系统。面对这样的系统,每一个生产管理决策,每一个系统改进措施都需谨慎考虑,否则将需付出很高的代价。同时,也正是由于系统越来越复杂,节奏越来越快,准确预测决策给系统带来的影响,已非人的头脑所能胜任。7结语（你自己再加点哈）仿真作为