制造系統(tǒng)建模與仿真在工業(yè)工程中的應(yīng)用摘要：建模與仿真技術(shù)是21世紀(jì)信息技術(shù)和制造技術(shù)結(jié)合的橋梁，是使企業(yè)產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益的核心技術(shù)，也是21世紀(jì)制造業(yè)的一項關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文闡述了仿真技術(shù)在制造業(yè)的地位和作用，總結(jié)建模與仿真技術(shù)的特點，給出了制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的方展方向。關(guān)鍵詞：制造系統(tǒng)建模仿真仿真應(yīng)用系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域的有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型參與已有或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、設(shè)計、加工生產(chǎn)、試驗、運(yùn)行、評估、維護(hù)、和報廢(全生命周期)活動的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)1制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的地位制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是國家綜合國力的重要體現(xiàn)；21世紀(jì)的制造業(yè)仍然是國家經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的命脈，也是國家經(jīng)濟(jì)實現(xiàn)快速增長的重要因素。制造業(yè)是所有與制造有關(guān)的企業(yè)機(jī)構(gòu)的總體，是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，它一方面創(chuàng)造價值，生產(chǎn)物質(zhì)財富和新的知識，另一方面為國民經(jīng)濟(jì)各個部門包括國防和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展提供先進(jìn)的手段和裝備?，F(xiàn)代制造的基本特點是大制造和全過程?！按笾圃臁睉?yīng)包括光機(jī)電產(chǎn)品的制造、工業(yè)流程制造、材料制備等，它是一種廣義制造概念?！叭^程”，不僅包括從毛坯到成品的加工制造過程，還包括產(chǎn)品的市場信息分析，產(chǎn)品決策，產(chǎn)品的設(shè)計、加工和制造過程，產(chǎn)品的銷售和售后服務(wù)，報廢產(chǎn)品的處理和回收，以至產(chǎn)品的全壽命過程的設(shè)計、制造和管理。由于國內(nèi)外市場競爭的加劇，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快及人們對產(chǎn)品多樣化的需求增加，先后出現(xiàn)了柔性制造，計算機(jī)集成制造、并行工程、虛擬制造、敏捷制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、現(xiàn)代集成制造、下一代制造、綜合制造等新的先進(jìn)制造理念和哲理。但是，從整體來看，制造業(yè)的發(fā)展離不開先進(jìn)的信息與知識技術(shù)、全面的建模與仿真技術(shù)、精密的工藝與裝備技術(shù)和高效的企業(yè)集成技術(shù)共四大關(guān)鍵技術(shù)。建模與仿真作為一種重要手段，通?？梢詽B透到先進(jìn)制造當(dāng)中去，并幫助先進(jìn)制造實現(xiàn)集成，從而促進(jìn)一些先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。建模與仿真（M＆S）技術(shù)在改進(jìn)產(chǎn)品和過程，縮短市場響應(yīng)時間，以及降低產(chǎn)品實現(xiàn)的成本方面，具有其它技術(shù)

無法比擬的重要作用。2制造業(yè)建模與仿真技術(shù)的作用當(dāng)今的制造系統(tǒng)是集現(xiàn)代機(jī)械制造、計算機(jī)科學(xué)和管理工程于一體的綜合應(yīng)用，由于它技術(shù)復(fù)雜、投資巨大，采用建造實體系統(tǒng)進(jìn)行研究顯然是不合理的。所以在制造系統(tǒng)的設(shè)計階段，通過仿真可以選擇系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)和配置方案，以保證系統(tǒng)既能完成預(yù)定的設(shè)計要求又能獲得很好的經(jīng)濟(jì)性、柔性和可靠性，又能有效防止較大的經(jīng)濟(jì)損失；在制造過程階段，通過仿真可以預(yù)測系統(tǒng)在不同調(diào)度下的性能，以確定合理的、高效的作業(yè)計劃，找出系統(tǒng)的“瓶頸”環(huán)節(jié)，從而能充分發(fā)揮制造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。在仿真中，建模是關(guān)鍵。模型是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)，仿真是模型在計算機(jī)上的運(yùn)行?；谶@種原因，我們在分析產(chǎn)品制造中所涉及的模型，以模型分類為基礎(chǔ)描述仿真的內(nèi)容。就產(chǎn)品制造中所涉及的模型大致可分為三類：產(chǎn)品模型、制造系統(tǒng)模型和開發(fā)(包括設(shè)計、制造和測試)過程模型。它們之間的關(guān)系是：產(chǎn)品模型是所有活動的目的和中心，制造系統(tǒng)模型則是產(chǎn)品開發(fā)受到的各種約束，開發(fā)模型是產(chǎn)品開發(fā)的使能器，也是對產(chǎn)品開發(fā)活動進(jìn)行管理和控制的基礎(chǔ)。當(dāng)今，產(chǎn)品模型已從二維工程圖到三維實體幾何造型。針對三維產(chǎn)品集成定義模型，人們可以對產(chǎn)品進(jìn)行物理性能、可制造性、可裝配性等方面的仿真。通過引入并行工程，使得產(chǎn)品自設(shè)計開始就涉及到產(chǎn)品的概念設(shè)計到消亡整個產(chǎn)品生命周期里的所有因素，包括質(zhì)量、成本、作業(yè)調(diào)度和用戶需求。開發(fā)過程的仿真已從起初的加工對象在加工過程的仿真轉(zhuǎn)移到對整個制造過程的建模和仿真，仿真內(nèi)容包括控制策略、庫存水平、負(fù)載能力等。隨著并行工程的應(yīng)用，使得人們將注意力從單純的制造過程轉(zhuǎn)移到設(shè)計過程方面來，更加注重設(shè)計過程和制造過程的一體化。仿真技術(shù)的應(yīng)用正是以這三類模型為中心展開的。以產(chǎn)品模型為中心的仿真包括：產(chǎn)品的靜態(tài)、動態(tài)性能分析；產(chǎn)品的可制造性和可裝配性分析。以制造系統(tǒng)模型為中心的仿真包括：對于復(fù)雜制造裝備的仿真；對于復(fù)雜制造系統(tǒng)的仿真。以開發(fā)過程模型為中心的仿真包括：設(shè)計過程的仿真和制造過程的仿真。以上三個方面的仿真是相互聯(lián)系、相互影響的，有時在內(nèi)容上也會交替重疊。通過系統(tǒng)的建模與仿真，實現(xiàn)信息共享，借助于現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和CAD、CAM、STEP、MRPII等計算機(jī)輔助設(shè)計、制造及管理軟件系統(tǒng)，可高效率地在一個制造企業(yè)的設(shè)計、工藝、供銷和管理部門之間，在各車間以及各生產(chǎn)設(shè)備之間，在集團(tuán)內(nèi)的各企業(yè)之間乃至企業(yè)與用戶之間充分地、及時地溝通各類信息，并在此基礎(chǔ)上保證企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)、各部門的高度協(xié)調(diào)，以確保企業(yè)實現(xiàn)最優(yōu)整體效益?？s短研發(fā)時間和成本是建模與仿真技術(shù)給制造業(yè)帶來的最直接的效果。建模與仿真技術(shù)能通過現(xiàn)有的知識對產(chǎn)品實現(xiàn)過程作出可靠的預(yù)測，大大促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計、過程設(shè)計、過程運(yùn)行，甚至企業(yè)管理水平的提高。擺脫了以往設(shè)計－物理試驗－修改的產(chǎn)品開發(fā)過程，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用建模與仿真工具在虛擬環(huán)境下優(yōu)化產(chǎn)品和過程設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。例如，在飛機(jī)工業(yè)中，美國的波音公司利用建模與仿真工具，完全利用三維建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的波音777噴氣式客機(jī)，設(shè)計使用了數(shù)字化預(yù)裝配和并行協(xié)同工程技術(shù)，無須建立物理樣機(jī)模型，大大減少了設(shè)計更改和錯誤量，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，顯著降低了成本，縮短了研發(fā)時間。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算,建模與仿真技術(shù)可提高產(chǎn)品質(zhì)量5～15倍,增加材料出品率25%,降低工程技術(shù)成本13%～30%,降低人工成本5%～20%,提高投入設(shè)備利用率30%～60%,縮短產(chǎn)品設(shè)計和試制周期30%～60%等。仿真目標(biāo):協(xié)調(diào)各工序的生產(chǎn)節(jié)奏,減少在制品數(shù)。仿真后的改進(jìn)建議:建議保證加工周期最短的工件優(yōu)先加工。改進(jìn)后的效果:增加了產(chǎn)量,縮短了制造周期,減少在制品數(shù)。實例5PCB裝配與檢測生產(chǎn)線問題:每周更換一次產(chǎn)品品種,經(jīng)常需要周末突擊加班才能完成本周任務(wù)。仿真目標(biāo):制訂日產(chǎn)量規(guī)劃,合理分配每日產(chǎn)量。仿真后的改進(jìn)建議:制訂出切實可行的日生產(chǎn)規(guī)劃。改進(jìn)后的效果:增加了生產(chǎn)的透明度,每日生產(chǎn)負(fù)荷均衡,減少了在制品數(shù)。實例6電子工廠問題:有兩種產(chǎn)品同時生產(chǎn),經(jīng)常出現(xiàn)生產(chǎn)不平衡的現(xiàn)象。仿真目標(biāo):達(dá)到均衡生產(chǎn)。仿真后的改進(jìn)建議:給出兩種產(chǎn)品投入數(shù)量的適當(dāng)比例。改進(jìn)后的效果:減少了加班,降低成本25%,保持生產(chǎn)均衡。6制造業(yè)的發(fā)展趨勢自動化水平越來越高：提高生產(chǎn)率的核心是提高生產(chǎn)的自動化水平。近年來,NC、DNC、CNC等技術(shù)的普遍應(yīng)用,加速了生產(chǎn)自動化的發(fā)展,智能機(jī)器人的使用,更使長期手工操作的工序?qū)崿F(xiàn)了自動化操作。.柔性化水平越來越高：為了快速響應(yīng)市場要求,增強(qiáng)產(chǎn)品的競爭力,要求生產(chǎn)過程能及時更換產(chǎn)品品種。統(tǒng)計資料表明,在歐、美和日本的制造業(yè)中,中小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品(一批的數(shù)量為5~50件)在數(shù)量上約占85%,在產(chǎn)值上約占60%~70%。為使生產(chǎn)更具柔性,繼NC技術(shù)之后,FMS、CIMS應(yīng)運(yùn)而生。追求生產(chǎn)系統(tǒng)的主體效益：隨著制造業(yè)的發(fā)展,單機(jī)生產(chǎn)效率大大提高,主機(jī)生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過物流系統(tǒng)的效率。生產(chǎn)系統(tǒng)的整體效益因而受到影響,主機(jī)效率的發(fā)揮也受到牽制。人們越來越認(rèn)識到,要想縮短生產(chǎn)周期、降低成本、提高產(chǎn)品競爭力,必須追求生產(chǎn)的整體效益,必須隨時保持生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的均衡與協(xié)調(diào),FMs、CIMS的出現(xiàn)就是這一目標(biāo)的體現(xiàn)。上述3種發(fā)展趨勢,使每個生產(chǎn)管理者所面臨的將是一個個結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)節(jié)奏快,且靈活多變的生產(chǎn)系統(tǒng)。面對這樣的系統(tǒng),每一個生產(chǎn)管理決策,每一個系統(tǒng)改進(jìn)措施都需謹(jǐn)慎考慮,否則將需付出很高的代價。同時,也正是由于系統(tǒng)越來越復(fù)雜,節(jié)奏越來越快,準(zhǔn)確預(yù)測決策給系統(tǒng)帶來的影響,已非人的頭腦所能勝任。7結(jié)語（你自己再加點哈）仿真作為