【正文】 畢業(yè)論文題 目 離散型制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程仿真 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 工業(yè)工程 班 級 工程0701 學(xué) 生 范加龍 學(xué) 號 20070407011 指導(dǎo)教師 趙林 二〇一 年 月 日1 前言 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于制造系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜并且內(nèi)部關(guān)聯(lián)性越來越強。仿真技術(shù)成為其研究的重要手段。仿真技術(shù)是借助計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)學(xué)手段，采用虛擬現(xiàn)實方法，對制造系統(tǒng)進行實際模仿的一項應(yīng)用技術(shù)。我國的制造仿真技術(shù)雖然起步晚，但發(fā)展較快，成就顯著。制造系統(tǒng)是典型的“離散事件動態(tài)系統(tǒng)”[1]。離散事件動態(tài)系統(tǒng)是系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述為離散集，狀態(tài)轉(zhuǎn)移僅僅發(fā)生在離散的時間點上，同時狀態(tài)的轉(zhuǎn)移與事件緊密聯(lián)系的系統(tǒng)?；诖?，結(jié)合課題選取witness技術(shù)對制造系統(tǒng)進行仿真建模。目前進行的制造業(yè)的機械加工過程仿真，主要有兩種情況[2]：一種是從研究金屬切削的角度出發(fā)，仿真某具體切削過程內(nèi)部各因素的變化過程，研究其切削機理，供生產(chǎn)實際與研究應(yīng)用；另一種則是將加工過程仿真作為系統(tǒng)的一部分，重點在于構(gòu)造完整的虛擬制造系統(tǒng)。這兩種方式的方法是相同的，即首先對機械加工工藝系統(tǒng)建立連續(xù)變化模型，然后用數(shù)學(xué)離散方法將連續(xù)模型離散為離散點，通過分析這些離散點的物理因素變化情況來仿真加工過程。 研究意義制造系統(tǒng)的設(shè)計，往往是在一定約束條件下，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中投入少，獲取多的經(jīng)濟效益最高的綜合目標。利用witness仿真建模技術(shù)對制造系統(tǒng)中各產(chǎn)品及其零件的加工工序和組裝成品進行仿真模擬，不僅可以解決傳統(tǒng)運籌學(xué)建模中制造系統(tǒng)離散、復(fù)雜的約束，而且可以在真實建造前，直觀動態(tài)的檢測整個制造系統(tǒng)的運行狀態(tài)，以求使制造系統(tǒng)的價值潛力得到最大的發(fā)揮，提高企業(yè)的效率和利潤。具體上講，利用witness仿真技術(shù)根據(jù)制造中心的工藝設(shè)備參數(shù)和工藝流程建立起來的計算機仿真系統(tǒng)，可以形成直觀立體的仿真動畫，提供生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)量，確定瓶頸位置，報告資源利用率[3]。還可以被用來支持投資決定，校驗制造系統(tǒng)設(shè)計的合理性，通過對不同的生產(chǎn)策略進行仿真實驗來找出最優(yōu)解。仿真運行結(jié)束后可根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)生成仿真報告，顯示各個生產(chǎn)設(shè)備的利用率、空閑率、阻塞率等數(shù)據(jù)。最后根據(jù)仿真報告提供的數(shù)據(jù)對制造系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行判斷，做出科學(xué)決策。 研究內(nèi)容利用witness仿真技術(shù)對制造系統(tǒng)進行仿真其研究內(nèi)容主要有三方面。（1）通過仿真建模來校驗制造系統(tǒng)設(shè)計的合理性，顯示各個生產(chǎn)設(shè)備的利用率、空閑率、阻塞率等數(shù)據(jù)。（2）確定瓶頸工序：對于一條生產(chǎn)線而言, 整條生產(chǎn)線的產(chǎn)量取決于該生產(chǎn)線中生產(chǎn)總耗時間最長的那道工序, 即瓶頸工序。（3）生產(chǎn)能力分析: 由于各工序加工時間的差異, 產(chǎn)品加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)停歇等待現(xiàn)象, 生產(chǎn)能力不平衡, 因此這類生產(chǎn)線中經(jīng)?？吹接械墓ば蚝苊]有停歇時間, 而有的工序空閑率很高, 在生產(chǎn)中的大部分時間處于空閑狀態(tài), 從而生產(chǎn)設(shè)備和人員的利用率不高, 生產(chǎn)能力懸殊, 比例失調(diào), 整條生產(chǎn)線最終產(chǎn)量不理想。因此, 生產(chǎn)能力平衡是流水線生產(chǎn)制造優(yōu)化的一個重要問題。2 仿真技術(shù)的發(fā)展與Witness軟件介紹 仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展仿真作為一門技術(shù)科學(xué)是在19 世紀末20 世紀初，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。從一般意義上講，系統(tǒng)仿真可以被理解為對一個已經(jīng)存在或尚不存在但正在開發(fā)的系統(tǒng)進行研究的過程中，為了了解系統(tǒng)的內(nèi)在特性，必須進行一定的實驗。而由于系統(tǒng)不存在或其它一些原因，無法在原系統(tǒng)上直接進行實驗，只能設(shè)法構(gòu)造既能反映系統(tǒng)特征又能符合系統(tǒng)實驗要求的系統(tǒng)模型，并在該系統(tǒng)模型上進行實驗，以達到了解或設(shè)計系統(tǒng)的目的。仿真技術(shù)的產(chǎn)生是以仿真軟件的開發(fā)為前提的。數(shù)字仿真軟件泛指一類面向仿真用途的應(yīng)用軟件。它的特點是面向問題和面向用戶。它的功能包括實物的模型建立、仿真系統(tǒng)的執(zhí)行與控制、仿真結(jié)果的分析與優(yōu)化、模型和數(shù)據(jù)的存儲與檢索。仿真軟件的發(fā)展是離不開計算機軟件尤其是計算機程序設(shè)計語言的發(fā)展的。隨著計算機的運算速度和存儲能力都有顯著的提高，計算機程序設(shè)計語言從機器語言到匯編語言再到高級程序設(shè)計語言的發(fā)展，這一切又為仿真軟件的產(chǎn)生與發(fā)展提供了必要的條件。發(fā)展至今，仿真技術(shù)已被各個領(lǐng)域廣泛采用，研究范圍涉及自動庫存補貨、柔性制造系統(tǒng)、物流系統(tǒng)仿真和港口碼頭停泊仿真等多領(lǐng)域。而所有的這一切，都根本上歸功于仿真軟件的發(fā)展與應(yīng)用。在當今市面上，專業(yè)的仿真軟件有很多品牌，結(jié)合制造系統(tǒng)的特點選取witness仿真軟件完成該項畢設(shè)研究。Witness軟件主要用于離散事件系統(tǒng)仿真[3]。它提供了多種建模元素，使得對自動化制造系統(tǒng)進行仿真非常容易。周轉(zhuǎn)時間、損壞模式和定時、調(diào)整模式和定時、緩沖設(shè)備容量和保存時間、機器類型、路徑信息都為仿真提供了方便性。該軟件還包括優(yōu)化模塊、虛擬現(xiàn)實模塊，從而對系統(tǒng)可進行優(yōu)化分析和進行虛擬現(xiàn)實的情景描述。 Witness軟件簡介Witness是英國Lanner公司開發(fā)的一款功能強大的系統(tǒng)仿真軟件，其可用于制造系統(tǒng)等離散系統(tǒng)的仿真，也可用于連續(xù)流體系統(tǒng)的仿真，該軟件已被國內(nèi)外許多大型公司運用，來解決企業(yè)內(nèi)部各項方案的選取優(yōu)化等。介于畢設(shè)課題內(nèi)容，我們采用了Witness 仿真軟件, 它通過使用模型中的元素來模擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的事物，是一個關(guān)于加工、倉儲、優(yōu)化等的仿真軟件, 來建立起一個抽象的邏輯模型, 然后, 在計算機上進行一定時間的生產(chǎn)過程模擬, 我們就可以得到模型的生產(chǎn)產(chǎn)量、生產(chǎn)設(shè)備的利用率、物料配送及生產(chǎn)“ 瓶頸”問題的報告, 這樣，企業(yè)內(nèi)部的管理者就可以在沒有真實建造生產(chǎn)車間前提前把握生產(chǎn)線的運行狀況和生產(chǎn)能力，以便提早的對生產(chǎn)線進行改造和優(yōu)化，減少運行成本。3 仿真系統(tǒng)中制造系統(tǒng)的分析 離散事件系統(tǒng)仿真基本策略離散事件系統(tǒng)仿真方法適用于事件是離散化而時間連續(xù)化的一類系統(tǒng)的仿真問題。隨機時刻點上發(fā)生的事件引起系統(tǒng)中實體的狀態(tài)變化。描述這類系統(tǒng)的模型一般不是一組數(shù)學(xué)表達式，而是一個表示數(shù)量關(guān)系和邏輯關(guān)系的流程圖。離散事件系統(tǒng)的算法體現(xiàn)在其建模框架和仿真策略之中。離散事件系統(tǒng)有三類基本仿真策略[4]：活動掃描法、事件調(diào)度發(fā)和進程交互法。該畢業(yè)設(shè)計結(jié)合制造系統(tǒng)的特點選取事件調(diào)度法對生產(chǎn)過程進行仿真。按事件調(diào)度法建立模型時，所有事件均放在事件表中，模型中設(shè)有一個時間控制成分，該成分從事件表中選擇具有最早發(fā)生時間的事件，并將仿真時鐘修改到該事件發(fā)生的時間，再調(diào)用與該事件相應(yīng)的事件處理模塊，該事件處理完后返回時間控制成分。這樣，事件的選擇與處理不斷地進行，直到仿真終止的條件或程序事件產(chǎn)生為止。在該制造系統(tǒng)模型中，對應(yīng)的事件變量是各產(chǎn)品的所需零件，通過對每個零件的間隔到達時間進行設(shè)定，使得在運行模型時各零件按照自己的執(zhí)行時間先后順序進入到模型中，而在某個特定工位上加工時，不同的零件按照FIFO規(guī)則進行處理，這樣就可保證整個仿真系統(tǒng)的暢通合理性。 制造系統(tǒng)建模的假設(shè)條件在該課題設(shè)計中，基于對制造系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)狀的分析和建模的需要，現(xiàn)假設(shè)條件如下：（1）產(chǎn)品按照先進先出原則（FIFO）順序通過流；（2）不考慮設(shè)備故障或設(shè)備維修的時間；（3）機床組之間的距離較近，生產(chǎn)過程中的運輸時間忽略不計；（4）原料按照固定的時間間隔到達，不考慮缺料的情況；（5）訂單量和交貨期已知4 制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程的仿真應(yīng)用 模型概述該制造系統(tǒng)模型由給定的廠區(qū)布置圖和機器設(shè)備類型建成，共由12個作業(yè)區(qū)，結(jié)合課題選取了yaw300B,YE2000D,WE600D三種產(chǎn)品進行模擬生產(chǎn)，并根據(jù)每種產(chǎn)品的物料清單可知，yaw300B由5種零件構(gòu)成，YE2000D由19種零件構(gòu)成，而WE600D則由39種零件構(gòu)成。每種零件要在指定的機器上經(jīng)過不同的工序加工處理后，再按照一定的比例組裝成成品。： 制造系統(tǒng)模型全圖 加工系統(tǒng)數(shù)據(jù) 在該模型12個作業(yè)區(qū)內(nèi)共有27組機器（相當于27種工位）對不同的零件進行加工處理，在此選取產(chǎn)品YE2000D的所需零件進行建模過程描述。零件橫梁的工藝路線為：工位5刨削→工位8磨削→工位2鏜削→工位9鉗加工→工位12噴漆，加工的平均時間分別為71913355:；零件下壓盤的工藝路線為：工位25磨削→工位23刨削→工位25磨削→工位11車削→工位18車削→工位9研磨→工位9研磨，加工的平均時間分別為60、300、5160、5100、160；零件工作臺的工藝路線為：工位23刨削→工位9鉗加工→工位8磨削→工位2鏜削→工位9鉆削→工位8磨削→工位12噴漆，加工的平均時間分別為5460、180、1060、30；……零件絲杠的工藝路線為：工位18粗車→工位18車削→工位18車削→工位16磨削→工位18車削→工位16磨削，加工的平均時間分別為660、270、80、160、400、85，： 原料加工工藝路線與各工序加工時間參數(shù)零件名稱機器組別相繼工序平均服務(wù)時間（min）鎖緊壓環(huán)11,24110,50橫梁5,8,2,9,12720,110,920,135,355調(diào)整壓環(huán)11,24140,80絲母11,9960,150墊圈11,25100,25大鏈輪11,19450,240漲緊支座2