生產廠房的工藝設計對廠房建成后的運行效率、生產成本影響極大。在車間內, 各種用于電力、動力、照明、控制等目的的電氣管線均與作業層的各種工藝設備相對應。布線復雜, 而且牽一發而動全身, 一旦工藝設備位置發生變動, 就會引起各種管道、管線、支管和支線的相應變動。此外, 由于不少設備價值高達幾百萬美元, 并且極為精密, 對工作條件要求比較苛刻。對這類設備的位置變動, 除可能造成設備損壞外,由于位置的改變還必須對設備重新調整, 也會造成人力、物力和財力上的損失。如果設施布置不合理, 很容易造成搬運物料時間增加, 導致成本增加、生產率降低[1]。
由于航空制造業產品復雜, 裝配任務繁重, 多品種、小批量特征明顯, 在投產前驗證和優化工藝規劃以及在投產后對生產過程進行高效的管理都變得至關重要。生產制造系統的布局和配置是否適應所制造的產品，是否是優化的布局和配置？一般的制造系統是非線性離散化的系統，生產制造系統的魯棒性如何？在某些意外發生的情況下，制造系統是否能夠滿足生產需求？傳統的工藝設計方法均為靜態分析方法，不能有效解答前述問題，而動態仿真則是解答前述問題的有效途徑。
動態仿真技術定義及優勢
系統仿真是建立在系統理論、控制理論、相似理論、數理統計、信息技術和計算機技術等理論基礎之上，以計算機和其他專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行實驗，并借助于專家的經驗知識、統計數據和系統資料對實驗結果進行分析研究，作出決策的一門綜合性和實驗性的學科。
針對制造系統體系結構設計及優化、生產系統的功能分解，過程組織、生產流程設計的技術正在不斷出現。毫無疑問，這些技術將有助于規劃、分解工廠的結構、生產設備和制造原料的維護和儲存、企業物流系統的設計以及確認企業生產能力和生產瓶頸所在。同樣的，在過程組織和生產流程設計方面，也發揮出很大的作用。除此之外，為了解決復雜的設計功能，人們還采用了對生產流程進行模擬的方法。與此同時，還有采用3D動畫方式把生產設備及其工作方式，以及由此而產生的對外部環境的影響真實再現出來的3D虛擬現實設備和軟件。
通過建模仿真技術對真實工廠的制造資源和工藝數據進行分析，在計算機內建立真實工廠的數字化模型。CAD數據、加工工藝和預計的生產計劃作為輸入，通過優化仿真系統進行制造過程的模擬，對產品的設計和制造過程進行評價。現在越來越多的優化仿真系統還采用虛擬現實技術進行可視化仿真，并給出優化仿真結果。數字化工廠技術對生產工程的各個環節，不同層次，小到操作步驟，大到生產單元、生產線乃至整個工廠進行設計、仿真、分析和優化。它從并行工程的基本觀點出發，在產品設計階段就考慮解決生產工程的問題，包括工藝過程設計、工藝裝備、機床設備、刀具、生產線或加工單元的布局、人體工程學、生產調度、物料管理等。實現數字化的制造，其結果可用于真實工廠的生產制造。概括來說，仿真技術具備以下優勢：
（1）處理利用數學模型無法處理的復雜系統。
（2）能夠準確地描述現實情況，確定影響系統行為的關鍵因素。
（3）當實際系統不存在，并且直覺以及以往的經驗不能給出答案的時候，能夠提供進行對比的不同設計方案，提供決策支持。
（4）能夠發現在持續運行的過程中出現的問題，而如果想要在現實的系統中發現這些問題，需要測試非常長的時間，而且可能需要非常大的花費。
（5）很好地和優化算法結合，避免在真實系統上進行試驗所帶來的成本。
（6）有非常好的視覺效果，能夠把復雜的、難以解釋的系統用直觀的方法表現出來。
主流仿真軟件系統
目前，市場上有許多不同的仿真軟件，而且這些軟件已經在工業發達國家得到了廣泛應用。這些軟件具有良好的建模環境并可以再現逼真的仿真動畫。以下是對市場上的流行仿真軟件進行介紹。
（1）Witness
Witness 2008是由英國Lanner公司推出的功能強大的仿真軟件。它可用于物流系統和離散事件的仿真，也可用于連續流體系統的仿真。Witness軟件目前在世界上很多國家的知名公司有廣泛應用。Witness的主要優點是：采用面向對象的建模機制，建模簡便快速，有較為豐富的模型庫；采用VB語法法則，比較簡單易于掌握；仿真動畫制作方便；缺點是只能進行平面二維仿真，生成二維動畫，開放性相較于其他軟件明顯不足。
（2）ProModel
ProModel是一種通用的仿真軟件，它除了可以用來仿真各種物流與供應鏈系統外，還可以用來對其他各種領域的系統進行仿真，典型的有生產系統、服務系統、交通運輸系統等。通過仿真，可以對系統的績效進行評價和分析，以及進行各種方案比較。ProModel將可視化、分析、優化三者合為一體，為客戶的決策分析提供功能強大的支持工具，幫助用戶更快、更好地作出管理決策。與其他仿真軟件相比，ProModel沒有向三維可視化和虛擬視景方向發展，它建立的模型多為二維模型。
（3）Flexsim
Flexsim是一款通用的仿真軟件，可用于對若干不同行業中的不同系統進行建模。Flexsim是一套系統仿真模型設計、制作與分析工具軟件。它集計算機三維圖像處理技術、仿真技術、人工智能技術、數據處理技術為一體，專門面向制造、物流等領域。Flexsim由對象、連接和方法三部分組成。其中對象是對現實世界中一個實體的描述，采用對象對實際過程中的各元件建模，通過對象之間的連接定義模型的流程。在每個對象的方法中，定義了模型中對象所要完成的作業，其對象可以派生子對象，且子對象擁有其父對象所有的接口和相應功能。
（4）AutoMod
AutoMod由美國Applied Materials公司出品，于20世紀80年代開始研發，目前已成為國際上比較成熟、應用廣泛的仿真軟件之一，可以完成制造系統、物料處理、企業內部物流、港口、配送中心及控制系統等的仿真分析、評價和優化設計。由5個模塊構成，分別是Model Editor模塊、RunTime模塊、AutoStat模塊、AutoView模塊以及由一些應用程序構成的輔助模塊。其優點是內置模型豐富，提供了輸送系統、搬運車、自動化立體倉庫、橋式起重機、運動機構等模型庫；自然語法法則，適合制作復雜的大系統。
（5）Enterprise Dynamics
Enterprise Dynamics是一個面向對象的動態分析和控制系統，是符合動態工程學的一個比較全面的分析、通信和決策工具。它可以幫助用戶分析、預測和執行，減少不必要的風險，提高效益。它的動態運行可以從2D的流圖到真實的3D場景渲染，給予用戶充分的想象和創造空間，定制和添加用戶自定義的套件沒有技術的限制。
綜合比較這些仿真軟件，Enterprise Dynamics具有以下優點：建模較快捷，有豐富的模型庫；4Dscript語言比較容易掌握；有開放的接口，用戶可以自定義模型庫。因此本文選定該軟件為仿真工具，并以某復合材料生產廠的工藝設計為例說明仿真模型的建模過程并進行生產效率分析。
仿真模型設計實例
1 某復合材料生產廠概況
某復合材料生產廠房的主要功能區包括：模具立體存放區、模具準備區、脫模區、自動鋪疊間、手工鋪疊間、固化區、機械加工區、無損檢測區、成品區和裝備區。復合材料零件生產工藝主要包括：手工鋪疊+熱壓罐成型工藝；自動鋪帶+ 熱壓罐成型工藝；自動鋪帶+ 模壓熱成型+熱壓罐成型工藝；編制縫合+RTM成型工藝。
該復材廠的主產產品主要用到的生產工藝有：“手工鋪疊+熱壓罐成型工藝”，以某機型尾椎（左/右）壁板為代表產品；“動鋪帶+ 模壓熱成型+熱壓罐成型工藝”，以某機型垂尾（左/右）壁板為代表產品。兩種工藝的流程見圖1、圖2。
值得注意的是，在本復材廠房設計中的一大特色是采用吊車及過軌器作為主要的物料搬運手段，這種搬運方式能夠減小大型物料的搬運難度，提高生產效率。
2 仿真模型設計
為便于仿真模型的建立，首先應將工藝布置圖作為參考底圖導入Enterprise Dynamics的二維建模空間中，并以工藝布置圖中標識各工藝設備的位置為標準，從Enterprise Dynamics仿真軟件的模型庫中選擇具有相應功能的Atom拖拽到模型空間中的相應位置上，其他一些輔助功能的Atom，例如狀態監視器、全局參數設置表等則布置在合適的位置。
吊車是模型庫中已有的元件，已有可以的腳本實現起吊、移動、放下物品的動作，但模型庫中沒有提供過軌器，本文中以處理器（Server）替代。模具搬運車的運輸路線通過模型庫中的NetWork元件進行設定，最終仿真模型中的Atom總數達239個。
根據圖1、圖2所示的工藝流程，將仿真模型中各元件的入口、出口通道進行相應的連接。
為了使仿真系統中的物料流動能夠按照正確的邏輯關系進行，需要對物料元件增加相應的屬性：TechType，生產工藝標識，1為二次膠接固化工藝，2為共固化工藝；SubType，物料類型標識，1為蒙皮模具，2為長桁模具，3為組合模具；Step，物料當前所處工藝節點標識。此外，為使物料輸送到正確的通道，應在對應的工藝設備元件中編寫腳本語句。工藝設備負載、緩存區隊列排隊原則亦通過腳本語句控制。
為了使仿真模型的三維顯示場景更為逼真，用CATIA繪制了廠房場景、主要設備的三維模型（圖3），并輸出為3ds格式導入到EnterpriseDynamics中。
本文中的仿真模型設計中存在以下基本假定：
（1）全年工作日按250天計，生產按3班制進行，各工藝設備按3班制24h運轉，即運行6000h后，仿真模型即停止運行。
（2）生產線的運轉按理想方式進行，不考慮工藝設備的維修保養時間、宕機時間。
（3）生產節拍的設定以均衡生產、準時化供應為原則，物料在各工藝節點的緩存區內無明顯堆積。
（4）二次膠接固化工藝的物料搬運完全通過吊車與過軌器實現，共固化工藝的物料搬運主要通過模具運輸車實現。
（5）根據工藝工時表，用ArrivalList控制模具進入系統的時間從而控制生產節拍。
（6）1個蒙皮模具、2個（套）長桁模具、1個壁板組合模具生產出一個C系列垂尾壁板件。對于二次膠接固化工藝，長桁的生產工時較短，忽略長桁模具的供應要求進行簡化考慮。
（7）為簡化仿真流程，不考慮組合進罐的情況，假設每熱壓罐一次進一個壁板件。手工鋪疊按生產線的方式進行，考慮到共有4個熱壓罐，假設共有5條手工鋪疊生產線。
4 仿真模型的運行及結果分析
假設二次膠接固化工藝與共固化工藝的產品生產同時進行，以獲取系統滿負荷運行下的生產能力。經多次仿真實驗，在滿足仿真模型運行規則的條件下，二次膠接工藝的蒙皮模具進入系統的節拍為：1s蒙皮，7h蒙皮，進入周期為18h；壁板模具進入系統的時間間隔為7h。共固化工藝的模具進入系統的周期為16h，進入節拍見表2。系統內最多有3個某機型垂尾壁板蒙皮模具和3個某機型垂尾壁板模具。
本文所述的工藝流程動態仿真的關注點在于生產效率、生產能力的仿真優化——降低產品生產成本，節約投資，提高單位時間產量。本文結合設計實例探討了將系統仿真手段用于工藝設計、驗證的方法。結果表明，將生產效率仿真軟件應用于工藝設計是切實可行的，通過本方法，可以對生產線進行全局物流仿真、瓶頸分析、局部加工單元仿真和人機工程仿真分析，從而對工藝規劃方案進行驗證、調整、更新和優化，既可以為方案的科學性提供佐證，同時能以三維仿真動畫的形式將工藝規劃方案生動、直觀地呈現出來，增強方案的說服力。除規劃設計階段、技改階段的工藝方案仿真外，仿真方法還可應用于既有生產系統的生產效率評估、生產瓶頸診斷、提出優化措施并進行仿真驗證。
參 考 文 獻
[1]俞靜，錢省三，邵志芳.半導體制造車間設施規劃淺析.制造技術,2003,28（6）：21-24.
由于航空制造業產品復雜, 裝配任務繁重, 多品種、小批量特征明顯, 在投產前驗證和優化工藝規劃以及在投產后對生產過程進行高效的管理都變得至關重要。生產制造系統的布局和配置是否適應所制造的產品，是否是優化的布局和配置？一般的制造系統是非線性離散化的系統，生產制造系統的魯棒性如何？在某些意外發生的情況下，制造系統是否能夠滿足生產需求？傳統的工藝設計方法均為靜態分析方法，不能有效解答前述問題，而動態仿真則是解答前述問題的有效途徑。
動態仿真技術定義及優勢
系統仿真是建立在系統理論、控制理論、相似理論、數理統計、信息技術和計算機技術等理論基礎之上，以計算機和其他專用物理效應設備為工具，利用系統模型對真實或假想的系統進行實驗，并借助于專家的經驗知識、統計數據和系統資料對實驗結果進行分析研究，作出決策的一門綜合性和實驗性的學科。
針對制造系統體系結構設計及優化、生產系統的功能分解，過程組織、生產流程設計的技術正在不斷出現。毫無疑問，這些技術將有助于規劃、分解工廠的結構、生產設備和制造原料的維護和儲存、企業物流系統的設計以及確認企業生產能力和生產瓶頸所在。同樣的，在過程組織和生產流程設計方面，也發揮出很大的作用。除此之外，為了解決復雜的設計功能，人們還采用了對生產流程進行模擬的方法。與此同時，還有采用3D動畫方式把生產設備及其工作方式，以及由此而產生的對外部環境的影響真實再現出來的3D虛擬現實設備和軟件。
通過建模仿真技術對真實工廠的制造資源和工藝數據進行分析，在計算機內建立真實工廠的數字化模型。CAD數據、加工工藝和預計的生產計劃作為輸入，通過優化仿真系統進行制造過程的模擬，對產品的設計和制造過程進行評價。現在越來越多的優化仿真系統還采用虛擬現實技術進行可視化仿真，并給出優化仿真結果。數字化工廠技術對生產工程的各個環節，不同層次，小到操作步驟，大到生產單元、生產線乃至整個工廠進行設計、仿真、分析和優化。它從并行工程的基本觀點出發，在產品設計階段就考慮解決生產工程的問題，包括工藝過程設計、工藝裝備、機床設備、刀具、生產線或加工單元的布局、人體工程學、生產調度、物料管理等。實現數字化的制造，其結果可用于真實工廠的生產制造。概括來說，仿真技術具備以下優勢：
（1）處理利用數學模型無法處理的復雜系統。
（2）能夠準確地描述現實情況，確定影響系統行為的關鍵因素。
（3）當實際系統不存在，并且直覺以及以往的經驗不能給出答案的時候，能夠提供進行對比的不同設計方案，提供決策支持。
（4）能夠發現在持續運行的過程中出現的問題，而如果想要在現實的系統中發現這些問題，需要測試非常長的時間，而且可能需要非常大的花費。
（5）很好地和優化算法結合，避免在真實系統上進行試驗所帶來的成本。
（6）有非常好的視覺效果，能夠把復雜的、難以解釋的系統用直觀的方法表現出來。
主流仿真軟件系統
目前，市場上有許多不同的仿真軟件，而且這些軟件已經在工業發達國家得到了廣泛應用。這些軟件具有良好的建模環境并可以再現逼真的仿真動畫。以下是對市場上的流行仿真軟件進行介紹。
（1）Witness
Witness 2008是由英國Lanner公司推出的功能強大的仿真軟件。它可用于物流系統和離散事件的仿真，也可用于連續流體系統的仿真。Witness軟件目前在世界上很多國家的知名公司有廣泛應用。Witness的主要優點是：采用面向對象的建模機制，建模簡便快速，有較為豐富的模型庫；采用VB語法法則，比較簡單易于掌握；仿真動畫制作方便；缺點是只能進行平面二維仿真，生成二維動畫，開放性相較于其他軟件明顯不足。
（2）ProModel
ProModel是一種通用的仿真軟件，它除了可以用來仿真各種物流與供應鏈系統外，還可以用來對其他各種領域的系統進行仿真，典型的有生產系統、服務系統、交通運輸系統等。通過仿真，可以對系統的績效進行評價和分析，以及進行各種方案比較。ProModel將可視化、分析、優化三者合為一體，為客戶的決策分析提供功能強大的支持工具，幫助用戶更快、更好地作出管理決策。與其他仿真軟件相比，ProModel沒有向三維可視化和虛擬視景方向發展，它建立的模型多為二維模型。
（3）Flexsim
Flexsim是一款通用的仿真軟件，可用于對若干不同行業中的不同系統進行建模。Flexsim是一套系統仿真模型設計、制作與分析工具軟件。它集計算機三維圖像處理技術、仿真技術、人工智能技術、數據處理技術為一體，專門面向制造、物流等領域。Flexsim由對象、連接和方法三部分組成。其中對象是對現實世界中一個實體的描述，采用對象對實際過程中的各元件建模，通過對象之間的連接定義模型的流程。在每個對象的方法中，定義了模型中對象所要完成的作業，其對象可以派生子對象，且子對象擁有其父對象所有的接口和相應功能。
（4）AutoMod
AutoMod由美國Applied Materials公司出品，于20世紀80年代開始研發，目前已成為國際上比較成熟、應用廣泛的仿真軟件之一，可以完成制造系統、物料處理、企業內部物流、港口、配送中心及控制系統等的仿真分析、評價和優化設計。由5個模塊構成，分別是Model Editor模塊、RunTime模塊、AutoStat模塊、AutoView模塊以及由一些應用程序構成的輔助模塊。其優點是內置模型豐富，提供了輸送系統、搬運車、自動化立體倉庫、橋式起重機、運動機構等模型庫；自然語法法則，適合制作復雜的大系統。
（5）Enterprise Dynamics
Enterprise Dynamics是一個面向對象的動態分析和控制系統，是符合動態工程學的一個比較全面的分析、通信和決策工具。它可以幫助用戶分析、預測和執行，減少不必要的風險，提高效益。它的動態運行可以從2D的流圖到真實的3D場景渲染，給予用戶充分的想象和創造空間，定制和添加用戶自定義的套件沒有技術的限制。
綜合比較這些仿真軟件，Enterprise Dynamics具有以下優點：建模較快捷，有豐富的模型庫；4Dscript語言比較容易掌握；有開放的接口，用戶可以自定義模型庫。因此本文選定該軟件為仿真工具，并以某復合材料生產廠的工藝設計為例說明仿真模型的建模過程并進行生產效率分析。
仿真模型設計實例
1 某復合材料生產廠概況
某復合材料生產廠房的主要功能區包括：模具立體存放區、模具準備區、脫模區、自動鋪疊間、手工鋪疊間、固化區、機械加工區、無損檢測區、成品區和裝備區。復合材料零件生產工藝主要包括：手工鋪疊+熱壓罐成型工藝；自動鋪帶+ 熱壓罐成型工藝；自動鋪帶+ 模壓熱成型+熱壓罐成型工藝；編制縫合+RTM成型工藝。
該復材廠的主產產品主要用到的生產工藝有：“手工鋪疊+熱壓罐成型工藝”，以某機型尾椎（左/右）壁板為代表產品；“動鋪帶+ 模壓熱成型+熱壓罐成型工藝”，以某機型垂尾（左/右）壁板為代表產品。兩種工藝的流程見圖1、圖2。
值得注意的是，在本復材廠房設計中的一大特色是采用吊車及過軌器作為主要的物料搬運手段，這種搬運方式能夠減小大型物料的搬運難度，提高生產效率。
2 仿真模型設計
為便于仿真模型的建立，首先應將工藝布置圖作為參考底圖導入Enterprise Dynamics的二維建模空間中，并以工藝布置圖中標識各工藝設備的位置為標準，從Enterprise Dynamics仿真軟件的模型庫中選擇具有相應功能的Atom拖拽到模型空間中的相應位置上，其他一些輔助功能的Atom，例如狀態監視器、全局參數設置表等則布置在合適的位置。
吊車是模型庫中已有的元件，已有可以的腳本實現起吊、移動、放下物品的動作，但模型庫中沒有提供過軌器，本文中以處理器（Server）替代。模具搬運車的運輸路線通過模型庫中的NetWork元件進行設定，最終仿真模型中的Atom總數達239個。
根據圖1、圖2所示的工藝流程，將仿真模型中各元件的入口、出口通道進行相應的連接。
為了使仿真系統中的物料流動能夠按照正確的邏輯關系進行，需要對物料元件增加相應的屬性：TechType，生產工藝標識，1為二次膠接固化工藝，2為共固化工藝；SubType，物料類型標識，1為蒙皮模具，2為長桁模具，3為組合模具；Step，物料當前所處工藝節點標識。此外，為使物料輸送到正確的通道，應在對應的工藝設備元件中編寫腳本語句。工藝設備負載、緩存區隊列排隊原則亦通過腳本語句控制。
為了使仿真模型的三維顯示場景更為逼真，用CATIA繪制了廠房場景、主要設備的三維模型（圖3），并輸出為3ds格式導入到EnterpriseDynamics中。
本文中的仿真模型設計中存在以下基本假定：
（1）全年工作日按250天計，生產按3班制進行，各工藝設備按3班制24h運轉，即運行6000h后，仿真模型即停止運行。
（2）生產線的運轉按理想方式進行，不考慮工藝設備的維修保養時間、宕機時間。
（3）生產節拍的設定以均衡生產、準時化供應為原則，物料在各工藝節點的緩存區內無明顯堆積。
（4）二次膠接固化工藝的物料搬運完全通過吊車與過軌器實現，共固化工藝的物料搬運主要通過模具運輸車實現。
（5）根據工藝工時表，用ArrivalList控制模具進入系統的時間從而控制生產節拍。
（6）1個蒙皮模具、2個（套）長桁模具、1個壁板組合模具生產出一個C系列垂尾壁板件。對于二次膠接固化工藝，長桁的生產工時較短，忽略長桁模具的供應要求進行簡化考慮。
（7）為簡化仿真流程，不考慮組合進罐的情況，假設每熱壓罐一次進一個壁板件。手工鋪疊按生產線的方式進行，考慮到共有4個熱壓罐，假設共有5條手工鋪疊生產線。
4 仿真模型的運行及結果分析
假設二次膠接固化工藝與共固化工藝的產品生產同時進行，以獲取系統滿負荷運行下的生產能力。經多次仿真實驗，在滿足仿真模型運行規則的條件下，二次膠接工藝的蒙皮模具進入系統的節拍為：1s蒙皮，7h蒙皮，進入周期為18h；壁板模具進入系統的時間間隔為7h。共固化工藝的模具進入系統的周期為16h，進入節拍見表2。系統內最多有3個某機型垂尾壁板蒙皮模具和3個某機型垂尾壁板模具。
本文所述的工藝流程動態仿真的關注點在于生產效率、生產能力的仿真優化——降低產品生產成本，節約投資，提高單位時間產量。本文結合設計實例探討了將系統仿真手段用于工藝設計、驗證的方法。結果表明，將生產效率仿真軟件應用于工藝設計是切實可行的，通過本方法，可以對生產線進行全局物流仿真、瓶頸分析、局部加工單元仿真和人機工程仿真分析，從而對工藝規劃方案進行驗證、調整、更新和優化，既可以為方案的科學性提供佐證，同時能以三維仿真動畫的形式將工藝規劃方案生動、直觀地呈現出來，增強方案的說服力。除規劃設計階段、技改階段的工藝方案仿真外，仿真方法還可應用于既有生產系統的生產效率評估、生產瓶頸診斷、提出優化措施并進行仿真驗證。
參 考 文 獻
[1]俞靜，錢省三，邵志芳.半導體制造車間設施規劃淺析.制造技術,2003,28（6）：21-24.
浙公網安備: 33028102000314號