自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及優(yōu)化.ppt

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1、第9章 自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) 仿真及優(yōu)化,本章內(nèi)容包括： 9.1 計(jì)算機(jī)仿真概述 9.2 計(jì)算機(jī)仿真的基本理論及方法 9.3 自動(dòng)化制造系統(tǒng)仿真研究的主要內(nèi)容 9.4 面向制造系統(tǒng)的仿真軟件及其應(yīng)用實(shí)例 9.5 實(shí)例視頻,9.1 計(jì)算機(jī)仿真概述,計(jì)算機(jī)仿真是一種省時(shí)、省力、省錢的系 統(tǒng)分析研究工具，對分析研究自動(dòng)化制造系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)和運(yùn)行性能具有巨大的優(yōu)勢，所得到的 結(jié)論對投資決策能夠起到非常重要的支持作用。 9.1.1 仿真的基本概念 9.1.2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程（書中解釋） 9.1.3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn) 9.1.4 計(jì)算機(jī)仿真的意義 9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,,9.

2、1.1 仿真的基本概念,現(xiàn)代科學(xué)研究、生產(chǎn)開發(fā)、社會(huì)工程、經(jīng)濟(jì) 運(yùn)營中涉及的許多項(xiàng)目都有一定的規(guī)模和復(fù)雜度。 在進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)往往需要對項(xiàng)目的 合理性、經(jīng)濟(jì)性等品質(zhì)加以評價(jià)。 在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)營前也希望對項(xiàng)目的實(shí)施結(jié)果加 以預(yù)測以便選擇正確、高效的運(yùn)行策略或提前消除 該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的缺陷，最大限度地提高實(shí)際系統(tǒng)的 運(yùn)行水平。采用仿真技術(shù)可以省時(shí)、省力、省錢地 達(dá)到上述目的。,9.1.1 仿真的基本概念,仿真對大家來說并不陌生。例如，在進(jìn)行 軍事戰(zhàn)役之前，進(jìn)行沙盤推演和實(shí)地軍事演習(xí) 就是對該戰(zhàn)役的一種仿真研究。 設(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，用風(fēng)洞對機(jī)翼進(jìn)行空氣動(dòng)力 學(xué)特性研究，就是在飛機(jī)上天實(shí)際飛行

3、前對其 機(jī)翼在空中高速氣體流場中受力狀態(tài)和運(yùn)行狀 態(tài)的一種仿真。,9.1.1 仿真的基本概念,在制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，通過某一種模型來 研究該系統(tǒng)在不同物理配置情況下、不同物流路 徑和不同運(yùn)行控制策略的特性，從而預(yù)先對系統(tǒng) 進(jìn)行分析和評價(jià)，以獲得較佳的配置和較優(yōu)的控 制策略。 在制造系統(tǒng)建成后，通過仿真可以研究系統(tǒng) 在不同作業(yè)計(jì)劃輸入下的運(yùn)行情況，比較和選擇 較優(yōu)的作業(yè)計(jì)劃，以達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目 的。這些都是仿真的應(yīng)用案例，如圖9.1所示。,9.1.1 仿真的基本概念,,（a）神舟飛船的海上回收仿真,圖9.1 仿真案例,,9.1.1 仿真的基本概念,,（b） 飛機(jī)機(jī)翼高速氣流場中受力狀

4、態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)仿真,圖9.1 仿真案例,,9.1.1 仿真的基本概念,,（c） 無人狀態(tài)下的飛行仿真,圖9.1 仿真案例,,9.1.1 仿真的基本概念,,（d） 制造系統(tǒng)的物理配置仿真,圖9.1 仿真案例,,9.1.1 仿真的基本概念,“仿真”一詞源于英文術(shù)語Simulation，早期 也譯為“模擬”。仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實(shí) 驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)（這里的系 統(tǒng)是指由相互聯(lián)系和相互制約的各個(gè)部分組成 的具有一定功能的整體）。簡單地說，仿真就 是一種基于模型的活動(dòng)。 根據(jù)仿真與實(shí)際系統(tǒng)配置的接近程度，可 以將其分為全物理仿真，半物理仿真和計(jì)算機(jī) 仿真。,9.1.1 仿真的基本概念,

5、采用與實(shí)際系統(tǒng)相同或等效的部件或子系統(tǒng)來 實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，以分析系統(tǒng)的性能，稱為 全物理仿真。如圖9.1(a)和如圖9.1(b)所示。 在計(jì)算機(jī)上建立實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，并對 其進(jìn)行試驗(yàn)研究的仿真稱為計(jì)算機(jī)仿真。如圖9.1 (d)。 介于前兩者之間并將其有機(jī)結(jié)合，用已研制出 來的系統(tǒng)中的實(shí)際部件或子系統(tǒng)去代替部分計(jì)算機(jī) 模型所構(gòu)成的仿真稱為半物理仿真。如圖9.1(c)所 示。,9.1.1 仿真的基本概念,一般說來，計(jì)算機(jī)仿真較之半物理、全物 理仿真在時(shí)間、費(fèi)用和方便性等方面都具有明 顯的優(yōu)點(diǎn)。 而半物理仿真、全物理仿真具有較高的可 信度，但費(fèi)用昂貴且準(zhǔn)備時(shí)間長。 如圖9

6、.2所示給出了計(jì)算機(jī)仿真、半物理仿 真和全物理仿真的關(guān)系及其在工程系統(tǒng)研究各 階段的應(yīng)用。,9.1.1 仿真的基本概念,,9.1.1 仿真的基本概念,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、安全、可重復(fù) 和不受氣候、場地、時(shí)間限制的優(yōu)勢，被稱為 除理論推導(dǎo)和科學(xué)試驗(yàn)之外的人類認(rèn)識(shí)自然和 改造自然的第三種手段。 因此，除了必須采用半物理或全物理仿真 才能滿足系統(tǒng)研究的要求的情況外，一般來說 都應(yīng)盡量采用計(jì)算機(jī)仿真，計(jì)算機(jī)仿真也由此 得到了越來越廣泛的應(yīng)用。,,9.1.3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn),計(jì)算機(jī)仿真有別于其它方法的顯著特點(diǎn) 之一是：它是一種在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方 法，實(shí)驗(yàn)所依賴的是由實(shí)際系統(tǒng)抽象出來的 仿真

7、模型。 由于這一特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真給出的是由 實(shí)驗(yàn)選出的較優(yōu)解，而不像數(shù)學(xué)分析方法那 樣給出問題的確定性的最優(yōu)解。,9.1.3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn),計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的價(jià)值和可信度，與仿真 模型、仿真方法及仿真實(shí)驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)有關(guān)。 如果仿真模型偏離真實(shí)系統(tǒng)，或者仿真方 法選擇不當(dāng)，或者仿真實(shí)驗(yàn)輸入的數(shù)據(jù)不充分 、不典型，則將降低仿真結(jié)果的價(jià)值。 但是，仿真模型對原系統(tǒng)描述得越細(xì)、越 真實(shí)，仿真輸入數(shù)據(jù)集越大，仿真建模的復(fù)雜 度和仿真時(shí)間都會(huì)增加。 因此，需要在可信度、真實(shí)度與復(fù)雜度之 間加以權(quán)衡。,,9.1.4 計(jì)算機(jī)仿真的意義,采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有以下幾點(diǎn)十分重要 的意義。 （l）可以替代

8、許多難以開展或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。 （2）可以解決一般理論方法難以求解的大型系統(tǒng) 問題。 （3）可以經(jīng)濟(jì)快速地比較不同方案以降低投資風(fēng) 險(xiǎn)并節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用。 （4）可以避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)對生命和財(cái)產(chǎn)的危害。 （5）可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并不拘于時(shí)空限制。,,9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的作 用，可以將其歸結(jié)為“設(shè)計(jì)決策”和“運(yùn)行決策” 兩種類型。 “設(shè)計(jì)決策”關(guān)注制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和配 置的分析、規(guī)劃、設(shè)計(jì)與優(yōu)化，它可以為下列 問題的決策提供技術(shù)支持： 在生產(chǎn)任務(wù)一定時(shí)，制造系統(tǒng)所需機(jī)床 、設(shè)備、工具以及操作人員的類型和數(shù)量。 在配置給定的前提下，制

9、造系統(tǒng)的生產(chǎn) 能力、生產(chǎn)效率和效益。,9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,緩沖區(qū)及倉庫容量的確定。 企業(yè)及車間的最佳布局。 生產(chǎn)線的平衡分析及優(yōu)化。 企業(yè)或車間的瓶頸工位分析與改進(jìn)。 設(shè)備故障、統(tǒng)計(jì)及維修對系統(tǒng)性能的影響。 優(yōu)化產(chǎn)品銷售體系，如配送中心選址、數(shù)量 與規(guī)模等，降低銷售成本。,9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,“運(yùn)行決策”關(guān)注制造系統(tǒng)運(yùn)營過程中的生產(chǎn) 計(jì)劃、調(diào)度與控制，它可以為以下問題的決策提供 技術(shù)支持： 給定生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，制定作業(yè)計(jì)劃、安排作業(yè) 班次。 制定采購計(jì)劃，使采購成本最低。 優(yōu)化車間生產(chǎn)控制及調(diào)度策略。 企業(yè)制造資源的調(diào)度，以提高資源

10、利用率和 實(shí)現(xiàn)效益最大化。 設(shè)備預(yù)防性維修周期的制定與優(yōu)化。,9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,對于自動(dòng)化制造系統(tǒng)而言，計(jì)算機(jī)仿真具有 很多的優(yōu)點(diǎn)，主要包括： 可以用仿真試驗(yàn)新的設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)參數(shù) 、調(diào)度規(guī)則、操作流程以及控制方式等，而無需 破壞實(shí)際系統(tǒng)或中斷實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行。 可以測試車間布局、物流系統(tǒng)等是否合理 ，而無需消耗大量資源。 仿真時(shí)通過采用時(shí)間“壓縮”或“延長”技術(shù) ，可以加速或延緩制造系統(tǒng)中某些物理現(xiàn)象的發(fā) 生頻率及其持續(xù)時(shí)間，深層次地揭示制造系統(tǒng)本 質(zhì)特征。,9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用,有利于深入地觀察不同配置、結(jié)構(gòu)和參數(shù) 之間的相互作用，以便

11、從全局的角度認(rèn)識(shí)系統(tǒng)。 有利于分析和發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參 數(shù)，確定系統(tǒng)的敏感變量。 有利于找到系統(tǒng)中的瓶頸工序、部位和設(shè) 備，以便作有針對性地改進(jìn)。 利用仿真技術(shù)，可以逐步地分析和解決系 統(tǒng)存在的問題，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造系統(tǒng)的最佳設(shè) 計(jì)和運(yùn)行過程的最優(yōu)化。,,9.2 計(jì)算機(jī)仿真的基本理論及方法,9.2.1 仿真建模的基本理論 1. 模型的基本概念及分類 2. 建模過程中的信息來源 3. 建模方法 9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程 9.2.3 離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)（書中解釋）,,1. 模型的基本概念及分類,如前所述，仿真就是通過對系統(tǒng)模型的 實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)

12、。由此可見，模型 是實(shí)現(xiàn)仿真的前提條件。 所謂模型就是對真實(shí)系統(tǒng)中那些有用的 和令人感興趣的特性的抽象、簡化與描述。 模型在所研究的系統(tǒng)的某一側(cè)面具有與 系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述和物理描述。 簡而言之，模型是集中反映系統(tǒng)信息的 整體。,1. 模型的基本概念及分類,模型具有下述特點(diǎn)： 它是客觀事物的模仿或抽象。 它由與分析問題有關(guān)的因素構(gòu)成。 它體現(xiàn)了有關(guān)因素之間的聯(lián)系。 從另一側(cè)面來看，當(dāng)我們把系統(tǒng)看成是 行為數(shù)據(jù)源時(shí)，那么模型就是一組產(chǎn)生行為 數(shù)據(jù)的指令的集合。,1. 模型的基本概念及分類,根據(jù)模型與實(shí)際系統(tǒng)的一致程度，可以 概略地把模型分為以下三類： （l）物理模型

13、，即實(shí)物模型 （2）數(shù)學(xué)模型 （3）物理數(shù)學(xué)模型，即半物理模型,,（l）物理模型，即實(shí)物模型,物理模型是采用特定的材料和工藝，根據(jù) 相似性原則按一定比例制作的，以便通過試 驗(yàn)對系統(tǒng)的模型方面性能作出評估。 例如，研制新型飛機(jī)時(shí)，一般先要對比 例縮小的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以驗(yàn)證飛 機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能。開發(fā)新型輪船時(shí)，一 般先要在水池中對比例縮小的輪船模型進(jìn)行 試驗(yàn)，以了解輪船的各種性能。 飛機(jī)模型以及輪船模型都屬于物理模型。,,（2）數(shù)學(xué)模型,采用符號(hào)、數(shù)學(xué)方程、數(shù)學(xué)函數(shù)或數(shù)據(jù) 表格等方法定義系統(tǒng)各元素之間的關(guān)系和內(nèi) 在規(guī)律，再利用對數(shù)學(xué)模型的試驗(yàn)以獲得現(xiàn) 實(shí)系統(tǒng)的性能特征和規(guī)律。

14、 例如，國家或地區(qū)人口增長模型、經(jīng)濟(jì) 增長預(yù)測模型、數(shù)控機(jī)床可靠性模型等。,,（3）物理數(shù)學(xué)模型，即半物理模型,物理數(shù)學(xué)模型是一種混合模型，它有 機(jī)地結(jié)合了物理模型和數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)。 例如航空、航天仿真訓(xùn)練器，發(fā)電廠調(diào) 度仿真訓(xùn)練器等。,,2. 建模過程中的信息來源,建模就是對真實(shí)系統(tǒng)在不同程度上的抽 象。這種抽象實(shí)際上是對真實(shí)系統(tǒng)的信息以 某種適當(dāng)?shù)男问郊右愿爬ê兔枋觯瑥亩唧w 地定出模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 建模過程有三類主要信息來源：目標(biāo)和 目的，先驗(yàn)知識(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)。（書中解釋）,,3. 建模方法,仿真建模的一般方法有： （1）數(shù)學(xué)規(guī)劃。采用排隊(duì)論、線性規(guī)劃 等理論方法建立系統(tǒng)模型。

15、 （2）圖與網(wǎng)絡(luò)方法。采用方框圖、信號(hào) 流程圖來描述控制系統(tǒng)模型，或者用邏輯流 程圖、活動(dòng)循環(huán)圖、Petri網(wǎng)等來描述離散事 件系統(tǒng)模型。 （3）隨機(jī)理論方法。對于隨機(jī)系統(tǒng)，還 必須采用隨機(jī)理論方法來建立系統(tǒng)模型。,3. 建模方法,（4）通用仿真語言建模方法。通過某種 通用仿真語言提供的過程或活動(dòng)描述方法對 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行描述，再將其轉(zhuǎn)為仿真程 序。 （5）圖形建模方法。通過類似于CAD作 業(yè)那樣的方式直接在計(jì)算機(jī)屏幕上用圖標(biāo)給 出某個(gè)系統(tǒng)（例如制造系統(tǒng)）的物理配置和 布局、活動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)軌跡以及控制規(guī)則和運(yùn) 行計(jì)劃。這是一種不必編程即可運(yùn)行的建模 方式。,,9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般

16、過程,建模與仿真研究的目的是分析實(shí)際系統(tǒng) 的性能特征。 如圖9.5所示給出了系統(tǒng)建模與仿真的應(yīng) 用步驟，總體上可分為系統(tǒng)分析、數(shù)學(xué)建模 、仿真建模、仿真試驗(yàn)、仿真結(jié)果分析以及 模型確認(rèn)等步驟，各步驟的基本功能（書中 解釋）。,9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程,,,9.3 自動(dòng)化制造系統(tǒng)仿真研究的主要內(nèi)容,本節(jié)主要內(nèi)容包括： 9.3.1 總體布局研究 9.3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究 9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,,9.3.1 總體布局研究,自動(dòng)化制造系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須在明確制 造對象和總體生產(chǎn)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，首先確定系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，這包括： 確定各種設(shè)備的類型和數(shù)量。 確定各種

17、設(shè)備的相互位置關(guān)系即系統(tǒng)布局。 研究系統(tǒng)布局對既定場地的利用情況。 研究系統(tǒng)中最恰當(dāng)?shù)奈锪髀窂健? 研究系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)是否會(huì)由于布局本身 的不當(dāng)而發(fā)生阻塞和干涉（系統(tǒng)瓶頸）。,9.3.1 總體布局研究,通常的方法是在按第8章中的原則確定出系 統(tǒng)的配置和布局后，通過仿真系統(tǒng)，按比較嚴(yán)格 的比例關(guān)系，在計(jì)算機(jī)屏幕上設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的平面 或立體的布局圖像，然后通過不同方位或不同運(yùn) 行情況下的圖形變換來觀察布局是否合理。 最后，通過系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行來研究是否存在 動(dòng)態(tài)干涉或阻塞問題，設(shè)計(jì)人員再根據(jù)仿真結(jié)果 對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改完善。,9.3.1 總體布局研究,值得指出的是，雖然在研究系統(tǒng)布局時(shí)

18、涉及 圖形變換等動(dòng)畫處理，但從原理上來看僅僅是一 種靜態(tài)結(jié)構(gòu)的仿真，不涉及制造系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài) 特性。 只有研究系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)生干涉或阻塞 問題時(shí)，才涉及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 此時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要是著眼于移動(dòng)設(shè)備 和固定設(shè)備之間的關(guān)系，以及物料運(yùn)輸路徑的合 理性。,,9.3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究,在一個(gè)自動(dòng)化制造系統(tǒng)中通常有許多決策 點(diǎn)： 工件進(jìn)入系統(tǒng)的決策點(diǎn)；工件選擇加工設(shè) 備的決策點(diǎn)；加工設(shè)備選擇工件的決策點(diǎn)；小 車運(yùn)輸方式的決策點(diǎn)；工件選擇緩沖站的決策 點(diǎn)；選擇運(yùn)輸小車的決策點(diǎn)；加工設(shè)備選擇刀 具的決策點(diǎn)；刀具選擇中央刀庫中刀位的決策 點(diǎn)等。,9.3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的

19、仿真研究,在不同的決策點(diǎn)具有相應(yīng)的多個(gè)決策規(guī)則。因 此，根據(jù)系統(tǒng)的具體情況在各個(gè)決策點(diǎn)采用某些決 策規(guī)則，就構(gòu)成了系統(tǒng)的不同調(diào)度方案。 進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究是為了研究或驗(yàn) 證在實(shí)際的制造系統(tǒng)控制過程中的動(dòng)態(tài)調(diào)度方案是 否合理、高效，或通過實(shí)驗(yàn)提前消除原控制系統(tǒng)軟 件的潛在缺陷，屬于對系統(tǒng)的比較詳細(xì)、深入的仿 真。,9.3.2 動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的仿真研究,為此，在建立仿真模型時(shí)，必須使仿真系 統(tǒng)中與原制造系統(tǒng)中有對應(yīng)相同的決策點(diǎn)，每 個(gè)對應(yīng)的決策點(diǎn)均采用對應(yīng)相同的決策方法（ 由決策規(guī)則和規(guī)則的適用優(yōu)先順序等方法來確 定）。 每個(gè)對應(yīng)的決策點(diǎn)在相同的條件下應(yīng)產(chǎn)生 對應(yīng)相同的活動(dòng)。換言之，仿真

20、系統(tǒng)中的控制 邏輯圖應(yīng)與原來的制造系統(tǒng)的控制邏輯圖相同 。,,9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,在制造系統(tǒng)建成后，設(shè)備配置及調(diào)度策 略就已經(jīng)確定了。這時(shí)，影響系統(tǒng)運(yùn)行效率 的主要因素就是生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。 由于在生產(chǎn)過程中考慮到后續(xù)工序的需 求和系統(tǒng)總體效率，零件往往是以混合批次 的方式在系統(tǒng)中進(jìn)行加工的。,9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,例如，為了裝配某一部件，需要A零件2 件，B零件1件，C零件1件。 如果我們采用先加工A零件2000件，再加 工B零件1000件，然后加工C零件1000件的作 業(yè)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)，則有可能在加工A零件時(shí)， 由于加工2000件時(shí)間過長，造成后續(xù)裝配工 序無件可裝而

21、空閑，這顯然會(huì)造成整個(gè)制造 系統(tǒng)負(fù)荷不均，影響總體效率。,9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,如果， 按加工A零件2件，B零件1件，C零 件1件的作業(yè)計(jì)劃能夠使后續(xù)工序不致空閑，但 卻未必是高效的。 因?yàn)闄C(jī)床更換不同加工對象時(shí)，會(huì)涉及刀具 的準(zhǔn)備（甚至中途換刀）等問題，會(huì)顯著地增加 中間輔助時(shí)間，從而降低系統(tǒng)總的生產(chǎn)率。 因此，系統(tǒng)作業(yè)計(jì)劃應(yīng)按A、B、C零件的比 例關(guān)系2x:x:x的混合批次進(jìn)行加工，但究竟x為多 少最適宜，卻是需要仔細(xì)研究的。,9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,而通過仿真卻可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測不同加工計(jì) 劃的優(yōu)劣，確定出最佳的x值。 通過對作業(yè)計(jì)劃的仿真，還可以預(yù)測產(chǎn)品的

22、交 貨期是多長，是否能夠按期完成任務(wù)，還可以預(yù)測 在某個(gè)時(shí)期制造系統(tǒng)的產(chǎn)品產(chǎn)量。 對作業(yè)計(jì)劃仿真的主要要素是根據(jù)實(shí)際作業(yè)計(jì) 劃抽象出零件類型和加工工藝路線以及在每道工序 上的加工時(shí)間。,9.3.3 作業(yè)計(jì)劃的仿真研究,其中比較關(guān)鍵的數(shù)據(jù)是在同一工序上的加工 時(shí)間。這一工序時(shí)間應(yīng)是NC程序的運(yùn)行時(shí)間以 及裝卸工件時(shí)間之和。 一般在加工某一零件時(shí)，都對NC程序進(jìn)行 過試運(yùn)行，對零件進(jìn)行過預(yù)加工和調(diào)整。 因此，在一個(gè)制造自動(dòng)化系統(tǒng)建成后對作業(yè) 計(jì)劃進(jìn)行仿真時(shí)，加工時(shí)間需要相當(dāng)準(zhǔn)確，從而 也使加工計(jì)劃仿真的結(jié)果具有更大的準(zhǔn)確度。,,9.4 面向制造系統(tǒng)的仿真軟件及其應(yīng)用實(shí)例,本節(jié)主要內(nèi)容包

23、括： 9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述 9.4.2 通用仿真語言GPSS簡介 9.4.3 主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡介 9.4.4 ProModel仿真軟件的模型元素及其使用 （看書自學(xué)） 9.4.5 基于ProModel軟件的仿真應(yīng)用案例（看書 自學(xué)）,,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,總體上，仿真建模軟件系統(tǒng)大致可以分為3 種類型。 （1）采用通用編程語言（如FORTRAN、 BASIC、C等）編寫仿真程序，建立仿真模型。 在仿真技術(shù)發(fā)展的早期，這種方法應(yīng)用最 為普遍。目前，該方法在一些特定領(lǐng)域或特定 對象的系統(tǒng)仿真中仍有廣泛應(yīng)用。 （2）采用面向仿真的程

24、序語言（如GPSS、 GASP、SIMSCRIPT等）編制仿真程序。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,（3）采用商品化仿真軟件包建立仿真模 型，如AutoMod、Extend、Flexsim、ProModel、 WITNESS、Arena等。 這類系統(tǒng)通常具有獨(dú)立的仿真建模、運(yùn)行及 仿真結(jié)果分析環(huán)境，提供圖形化用戶界面，并內(nèi) 嵌仿真編程語言，是目前系統(tǒng)仿真的主要形式。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,20世紀(jì)80年代后期，PC機(jī)成為仿真建模軟件 的主要平臺(tái)。 目前，面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、圖形化用戶界面 、動(dòng)畫技術(shù)以及各種可視化工具等成為仿真軟件的 基本配置。另外，

25、仿真建模軟件還提供輸入數(shù)據(jù)分 析器、結(jié)果輸出分析器等模塊，以便簡化建模過程 ，為用戶提供高效的數(shù)據(jù)處理功能，使用戶將主要 精力用于系統(tǒng)模型的構(gòu)建中。 由南京理工大學(xué)和香港城市大學(xué)共同開發(fā)的 FMS仿真器FMSSIM已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,近年來，仿真軟件開始由二維動(dòng)畫向三維 動(dòng)畫轉(zhuǎn)變，提供虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真建模與運(yùn)行環(huán) 境。 此外，智能化建模技術(shù)、基于Web的仿真 、智能化結(jié)果分析與優(yōu)化技術(shù)也成為仿真軟件 開發(fā)的重要趨勢。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,人們在仿真建模的研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，開 發(fā)面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的仿真軟件或模塊既是仿 真

26、軟件開發(fā)的必然選擇，也是促進(jìn)仿真技術(shù)應(yīng) 用的有效途徑。 此外，為支持用戶對特定類型系統(tǒng)或產(chǎn)品 的仿真分析，不少仿真軟件還提供二次開發(fā)及 開放性程序接口，以增強(qiáng)軟件的適應(yīng)性。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,目前，市場上已有大量的商品化仿真軟件 ，它們面向制造系統(tǒng)、物流系統(tǒng)或機(jī)械產(chǎn)品開 發(fā)的某些特定領(lǐng)域，成為提高產(chǎn)品或系統(tǒng)性能 、提高企業(yè)競爭力的有效工具。 表9-4列出了國外用于制造系統(tǒng)建模與仿真 的主要軟件的基本情況，供研究和應(yīng)用參考。,9.4.1 制造系統(tǒng)仿真語言與支持軟件概述,,,9.4.2 通用仿真語言GPSS簡介,離散事件系統(tǒng)的通用仿真語言GPSS （General

27、 Purpose Simulation System）主要是由 美國IBM公司開發(fā)，GPSS語言是為那些并不是 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)專家的分析人員而設(shè)計(jì)的。最早 的文本發(fā)表于1961年。 多年來，GPSS一直在發(fā)展和演變，到目前 為止已有幾種不同版本的GPSS，它是離散事件 系統(tǒng)仿真方面應(yīng)用得最廣泛的語言之一。 其模型描述看書解釋,,9.4.3 主流制造系統(tǒng)仿真軟件簡介,本節(jié)簡要介紹以下幾種常用仿真軟件： 1. Flexsim仿真軟件 2. Arena仿真軟件 3. Extend仿真軟件 4. Witness仿真軟件 5. AutoMod仿真軟件 6. ProMode

28、l仿真軟件,,1. Flexsim仿真軟件,Flexsim是美國Flexsim Software Products 公司的產(chǎn)品，1993年投放市場。 它采用C++語言開發(fā)，采用面向?qū)ο缶幊?和OpenGL技術(shù)，可以以二維或三維方式提供 虛擬現(xiàn)實(shí)的建模環(huán)境。它提供三維圖形化建 模環(huán)境，并集成++集成開發(fā)環(huán)境和編譯。 Flexsim利用對象建立仿真模型，對象代 表實(shí)際系統(tǒng)中的活動(dòng)和過程。它提供對象模 版庫，并利用鼠標(biāo)的拖放操作來確定對象在 模型窗口中的位置。,1. Flexsim仿真軟件,Flexsim軟件提供了眾多的對象類型，如 機(jī)床、操作員、傳送帶、叉車等。 通過設(shè)置對象參數(shù)，可以

29、快速高效地構(gòu) 建制造系統(tǒng)、物料系統(tǒng)等系統(tǒng)模型。 對象的高度自定義性不僅提高了建模速 度、節(jié)省了建模時(shí)間，也使仿真模型具有層 次性。 如圖9.9所示為Flexsim仿真軟件的界面。,1. Flexsim仿真軟件,,圖9.9 Flexsim仿真軟件的界面,1. Flexsim仿真軟件,利用Flexsim軟件可以快速構(gòu)建系統(tǒng)模型 ，通過對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程的仿真、試驗(yàn)和 優(yōu)化，可以提高生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營成本。 Flexsim軟件可用于評估系統(tǒng)生產(chǎn)能力及 生產(chǎn)流程、優(yōu)化資源配置、確定合理的庫存 水平、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間等。,,2. Arena仿真軟件,Arena是美國System Modeli

30、ng Corporation 研發(fā)的仿真軟件，1993年進(jìn)入市場，現(xiàn)為美 國Rockwell Software公司的產(chǎn)品。 Arena軟件基于SIMAN/CINEMA仿真語 言，它提供可視化、通用性和交互式的集成 仿真環(huán)境，兼具仿真程序語言的柔性和仿真 軟件的易用性，并可以與通用編程語言（如 VisualBasic、FORTRAN和C/C++等）編寫的 程序連接運(yùn)行。,2. Arena仿真軟件,Arena軟件在仿真領(lǐng)域具有較高聲譽(yù)， Introduction to Simulation using SIMAN以及 Simulation with Arena等以Arena仿真軟件為 基礎(chǔ)的教

31、材，成為美國制造類及工業(yè)工程類專 業(yè)仿真課程的主要教材之一。如圖9.10所示為 Arena仿真軟件的界面。 Arena在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括：制造 系統(tǒng)的工藝計(jì)劃、設(shè)備布置、工件加工軌跡的 可視化仿真與尋優(yōu)、生產(chǎn)計(jì)劃、制造系統(tǒng)的經(jīng) 濟(jì)性和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、制造系統(tǒng)改進(jìn)等。,2. Arena仿真軟件,,圖9.10 Arena仿真軟件的界面,,3. Extend仿真軟件,Extend仿真軟件由美國Imagine That公司 開發(fā)，1988年進(jìn)入市場。 它基于Windows操作系統(tǒng)，采用C語言開 發(fā)，可以對離散事件系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿 真，且具有較高的靈活性和可擴(kuò)展性。 Extend采用交

32、互式建模方式，具有二維 半動(dòng)畫仿真功能，利用可視化工具和可重用 的模塊組快速構(gòu)建系統(tǒng)模型。,3. Extend仿真軟件,Extend軟件的應(yīng)用涉及制造業(yè)、物流業(yè) 、交通、軍事等領(lǐng)域，具體應(yīng)用包括半導(dǎo)體 生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)度、鋼鐵企業(yè)物流系統(tǒng)規(guī)劃、生 產(chǎn)系統(tǒng)性能優(yōu)化等。 通過對系統(tǒng)績效指標(biāo)的仿真分析，可以 直觀地評價(jià)和改進(jìn)影響系統(tǒng)性能的因素，以 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的配置、運(yùn)行模式或經(jīng)營策略 等。如圖9.11所示為Extend仿真軟件的界面。,3. Extend仿真軟件,,圖9.11 Extend仿真軟件的界面,,4. Witness仿真軟件,Witness是英國Lanner集團(tuán)開發(fā)的仿真軟件 ，它的應(yīng)用領(lǐng)

33、域包括汽車工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、航 空、運(yùn)輸業(yè)等。 涵蓋離散事件系統(tǒng)和連續(xù)流體系統(tǒng)Witness 的主要特點(diǎn)有：采用面向?qū)ο蟮慕C(jī)制； 交互式建模方法；提供了豐富的模型運(yùn)行 規(guī)則和靈活的仿真策略；可視化、直觀的仿 真顯示和仿真結(jié)果輸出；良好的開放性。 如圖9.12所示為Witness仿真軟件的界面。,4. Witness仿真軟件,,圖9.12 Witness仿真軟件的界面,,5. AutoMod仿真軟件,AutoMod是美國Brooks Automation公司 的產(chǎn)品。 它由仿真模塊AutoMod、試驗(yàn)及分析模 塊AutoStat、三維動(dòng)畫模AutoView等部分組 成，適合于大規(guī)模

34、復(fù)雜系統(tǒng)的計(jì)劃、決策及 其控制試驗(yàn)。 AutoMod軟件主要應(yīng)用對象是制造系統(tǒng) 以及物料處理系統(tǒng)等。 如圖9.13（a）、（b）、（c）、（d） 所示為AutoMod仿真軟件的界面。,5. AutoMod仿真軟件,,圖9.13 AutoMod仿真軟件的界面,（a）叉車、無人搬運(yùn)車作業(yè)人員、拖拉車、區(qū)間車,5. AutoMod仿真軟件,,圖9.13 AutoMod仿真軟件的界面,（b）機(jī)械手臂與設(shè)備機(jī)臺(tái),5. AutoMod仿真軟件,,圖9.13 AutoMod仿真軟件的界面,（c）倉儲(chǔ)系統(tǒng),5. AutoMod仿真軟件,,圖9.13 AutoMod仿真軟件的界面,（d）與工廠相聯(lián)立體倉

35、庫,5. AutoMod仿真軟件,AutoMod是的主要特點(diǎn)包括： 采用內(nèi)置的模版技術(shù)，提供物流及制造系 統(tǒng)中常見的建模元素，快速構(gòu)建物流及自動(dòng)化制 造系統(tǒng)的仿真模型。 模版中的元素具有參數(shù)化屬性。 AutoStat模塊具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)分析工具， 自動(dòng)對AutoMod模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到生成產(chǎn) 量、成本、設(shè)備利用率等數(shù)據(jù)及圖表。 AutoView允許用戶通過AutoMod模型定 義場景和攝像機(jī)的移動(dòng)，產(chǎn)生高質(zhì)量的AVI格式 的動(dòng)畫。,,6. ProModel仿真軟件,ProModel（Production Modeler）是由美 國ProModel公司開發(fā)的離散事件系統(tǒng)仿真軟

36、件，它可以構(gòu)造多種生產(chǎn)、物流和服務(wù)系統(tǒng) 模型，是美國和歐洲使用最廣泛的生產(chǎn)系統(tǒng) 仿真軟件之一。 ProModel基于Windows操作系統(tǒng)、采用 圖形化用戶界面，并向用戶提供人性化的操 作環(huán)境。,6. ProModel仿真軟件,ProModel提供二維圖形化建模及動(dòng)態(tài)仿 真環(huán)境，并可以構(gòu)建模擬的三維場景。 用戶根據(jù)項(xiàng)目需求，利用鍵盤或鼠標(biāo)選 擇所需的建模元素，就可以建立仿真模型。 ProModel仿真軟件的界面如圖9.14所示。,6. ProModel仿真軟件,,圖9.14 ProModel仿真軟件的啟動(dòng)窗口,6. ProModel仿真軟件,ProModel能夠準(zhǔn)確地建立系統(tǒng)配置及運(yùn) 行過程模型，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及隨機(jī)特性。 它的應(yīng)用領(lǐng)域包括評估制造系統(tǒng)資源利 用率、車間生產(chǎn)能力規(guī)劃、庫存控制、系統(tǒng) 瓶頸分析、車間布局規(guī)劃、產(chǎn)品生產(chǎn)周期分 析等。 目前，市場上的系統(tǒng)仿真軟件種類越來 越多。選擇仿真軟件時(shí)，需要從功能需求、 建模方法、操作便捷性、仿真速度、動(dòng)畫功 能、仿真結(jié)果輸出等方面進(jìn)行綜合評價(jià)。,,FANUC加工中心仿真示例（35.14）,宇龍數(shù)控仿真精加工（9.51）,,