虚拟工厂 

虚拟工厂是对制造系统中的制造要素和过程的数字化描述,它利用建模技术建立与物理过程/环境相似的数字化过程/环境,然后利用仿真的方法对该过程/环境进行评估和优化,达到优化生产过程的目的。虚拟工厂技术为有效解决军工产品制造过程中的诸多问题提供了方法和手段。仿真技术是虚拟工厂的关键技术之一。


 仿真层次体系 

虚拟工厂的仿真分为车间层、生产线层、单元层和操作层四个层次。每个仿真层次需要不同的仿真方法。同时根据人因参与程度的不同,可将制造系统的仿真技术分为面向技术、面向组织、面向任务和面向行为四个方面。面向技术的仿真主要评价和预测经济指标,如运行时间、生产率、停机时间、工作负荷和库存等;面向组织的仿真主要评价和预测工作过程的人因,如工作时间、工作效率、工作负荷等;面向行为的仿真主要评价和预测人的行为表现,如工作布局分析、人的动作及运动分析、工作环境评价等。


车间层

虚拟工厂车间环境下车间层仿真的主要任务是进行车间的制造设备、辅助设备、操作区域以及控制网络系统的布局,分析物流瓶颈,根据产品信息、工艺信息和生产计划信息,对车间进行仿真调度。车间层仿真主要包含三个方面,即车间布局仿真、车间调度仿真和车间物流仿真。车间布局仿真是车间调度仿真和车间物流仿真的基础。车间布局与设备的利用率、产品生产效率等密切相关,如果设计不当,就会造成设备利用率低、产能不足、操作人员空虚等问题。所以,如何合理的进行车间布局,以保证它的高效运行是一个非常重要的问题。


生产线层

虚拟工厂环境下生产线层仿真主要包括:生产线布局仿真、生产线物流仿真、生产线调度仿真、生产线能力仿真;通过生产线层的仿真,可以优化工序消除瓶颈,得到优化的生产线规划方案。


单元层

单元层是构成生产线的基本单位,具有独立完成的功能,并且与其他单元层之间保持物料与信息的联系。在虚拟环境下,单元层仿真主要提供设备和设备之间及设备内部的运动仿真和运动干涉问题分析,加以验证和优化,在虚拟环境下再现或预测真实的加工过程。单元层仿真的另一个重点是人机工程方面的分析,主要包括合理的安排工人操作,实现人机协调。


操作层

操作层反应制造设备对象与产品对象相互作用的过程,表现为对象状态的变化,即包括对象几何形状和尺寸的变化,又包括位置、方向和物理参量(力、变形、温度)的变化,是一种复合型受控行为。操作层仿真的功能主要包括加工参数仿真和加工路径仿真。通过操作层仿真,可以全方位逼真的反应实际加工环境和加工过程,真实的反映加工工程中的状态、碰撞和干涉,并提供工作和异常信息。

需要说明的是,上述四个层次的相邻层次,甚至非相邻层次之间都不是简单的上层对下层产生影响的单向关系,各层次的规划都与多种因素有关,所以从必须从并行工程角度对各个层次进行仿真。例如,工厂车间层的布局规划就与后续的生产线层的物流系统参数规划、控制系统参数规划以及生产管理等因素有关。


仿真应用

虚拟工厂以产品全生命周期的数据位基础,主要对数字化工厂的整个生产过程进行仿真、评估和优化,包括生产布局应用、人机仿真应用和数控仿真应用。

车间模型的建立:导入已建立的基础模型,如机床、缓冲区、操作者、搬运工、AGV等,根据调查分析,获得真实的生产数据,并以此为基础,抽象出仿真模型的基本参数。将这些可识别的数据信息作为输入数据,面向对象编写模型控制逻辑程序,最终形成车间布局仿真的静态模型。

人机仿真应用:根据产品生产线的实际结构,建立操作场景的仿真模型,进行有关人机工程的数据分析,包括创建人体模型、操作空间分析、操作姿势分析、操作强度、规划行走路径、规划操作轨迹等三维仿真分析。


数控仿真应用

产品数控生产仿真分为两个阶段进行:一是建立产品的MBD模型,并基于三维模型创建数据加工工艺,进行数控编程,生成数控加工工序所对应的NC程序;二是在数控仿真加工环境下结合制造资源(机床、刀具、夹具等)对NC程序进行验证,检验加工程序是否正确,加工质量是否满足设计要求,优化NC程序和系统。

虚拟工厂仿真技术在工厂布局、布局工艺流程优化、生产线资源平衡、数控加工合理性验证和加工效率等方面具有非常重要的作用,为数字工厂的科学管理决策提供可靠的支持。



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