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。

3制造技术的发展历程制造业(包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类)是国民经济的支柱产业,其生产总值一般占各国国内生产总值的20%～55%。

在各国的企业生产力构成中,制造技术的作用一般占60%左右。

所以有的专家认为,世界上各个国家经济的竞争,主要是制造技术的竞争。

在工业发达国家,仿真技术在制造业中的应用已有20多年的历史。

1988年,美国对按产值排列的前500家企业进行调查表明,这些企业在生产的各个环节都应用了仿真技术。

1991年,英国工业界采用仿真技术,一年节约了3亿英镑。

日本几乎所有的制造业大公司不仅本公司生产中应用仿真技术,而且在为客户提供整套机械、电子装备时,也用仿真对所提供的系统进行评价。

新加坡仿真技术应用起步较晚,但自g0年代以来,短短的四五年间,就有14/的企业应用了仿真技术。

世界各国广泛应用仿真技术,取得了可观的经济效益。

我国在制造业中大力推广和应用仿真技术是十分必要的.随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化,这种竞争日趋激烈,各国政府都非常重视对制造业的研究。

为了改进以T(开发周期)、Q(产品质量)、C(开发成本)、S(售后服务)、E(环境污染程度)为主要衡量指标的产品及产品开发过程,美国在80年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术的概念。

经过十余年的发展,五大技术群的内容到现在已大大丰富,其具体含义如下:●系统总体技术群:研究如柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造、智能制造等先进制造技术的设计、规划、集成等总体技术。

●管理技术群:研究与制造企业的生产经营和组织管理相关的各种技术,如计算机辅助生产管理、物料需求计划/制造资源计划/企业资源计划、供应链管理、全面质量管理、准时制造、精良生产、企业经营过程重构等技术。

●设计制造一体化技术群:研究与产品设计、制造、直到检测等全过程相关的各种技术,如并行工程、计算机辅助设计/计算机辅助工程/计算机辅助制造、拟实制造、可靠性设计、智能优化设计、质量功能配置、数控技术、物料储运、自动控制、检测监控、以及质量保证等技术。

●制造工艺与装备技术群:研究与制造工艺及装备相关的各种技术,如材料生产工艺及装备(冶炼、轧钢等)、常规加工工艺及装备(铸造、锻造、焊接、热处理等)、少无切削加工工艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、精密超精密与纳米加工工艺及装备、特种加工工艺及装备(激光、电子束等)。

●支撑技术群:这一技术群是以上技术群赖以生存并不断取得进步的相关技术,如标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、多媒体技术、网络通信技术、人工智能、虚拟现实技术、材料科学、人员教育和培训、人机工程学、环境科学等。

4仿真技术在制造业中的应用仿真就是对复杂的现实系统经过一定的抽象和简化,形成系统的模型,然后,在分析的基础上运行此模型,从而得到系统一系列的统计性能(广义而言,仿真可以分为物理仿真(即建立并运行系统的物理模型)和数学仿真(即建立并运行系统的数学模型)。

本文所涉及的主要是运用计算机进行的数学仿真。

这类仿真的基本步骤见图2l[〕。

按此步骤,生产管理者不仅可以了解生产系统的实际过程和状态,而且可以根据需要改变参数,多次重复仿真,达到优化生产系统的目的由于仿真是以系统的模型为对象的研究方法,而不干扰实际生产系统,且仿真可以利用计算机快速计算的能力,用极短的时间模拟实际生产中很长的生产周期,因此,仿真具有以下优点:①避免资金、人力、时间的浪费;②加快决策的周期。

③可以多次重复仿真,寻求优化的方案。

仿真技术在制造业中的应用,大致有以下几个方面：1评价生产系统的规划设计在新系统建立前,设计人员可以通过仿真,将系统的整体配置及运行过程呈现在设计者面前,通过仿真分析,找到设计存在的问题,寻求优化的设计方案,以减少投资风险。

2控制物料通过对物料库存的仿真,可以动态地掌握出库、入库情况,正确地掌握订货的时机与尺度。

3协调各工序的生产节奏多工序组成的生产加工系统,各工序生产节奏一般是不协调的,可通过对生产过程仿真找到生产“瓶颈”所在,调整设备,调配人力,使系统发挥最大潜力,达到协调高效生产。

4辅助生产调度生产调度者在下达生产调度计划前,对该计划进行仿真,可以预测生产运行结果,并根据调度者的目的修改计划,直到满意为止。

也就是说,仿真能帮助生产调度者选择一种较优的调度策略。

仿真技术在上述4方面的应用是最普遍的。

除此之外,还可以运用仿真技术对生产系统进行可靠性分析;对生产过程的资金进行分析与预测;对产品市场进行分析与预测等。

世界各国在制造业中应用仿真技术的经验表明,用仿真来评价新系统的规划设计,可使企业节约投资5%~10%。

在日常生产管理中运用仿真技术,可提高设备生产率10%~30%,可提高生产率30%,并可大大降低废品率。