基于Delphi开发平台,用面向对象的方法开发了柴油友动机柔性生产线的仿真系统。该系统可对多种机床布置形式进行仿真,同时还提供了多种方法进行仿真结果分析,为用户研究生产线布局的合理性以及调度策略的有效性提供了可供参考的依据。对本系统的仿真原理及实现方法进行了较详细地叙述。
一、前言
计算机仿真技术作为一门新兴的高科技技术,随着计算机技术的发展得到迅速的发展,其应用领域及其作用也越来越大。实践和研究证明,仿真技术已成为柔性制造系统研究、设计和分析的有力工具。因其不受外界环境的影响,可使柔性制造系统的设计周期大大缩短、效率提高,节省研制费用,并可为柔性制造系统提供决策支持。随着制造业竞争日趋激烈,各国都在积极研究和应用先进制造技术。先进制造技术的应用和发展,为计算机仿真的应用提供新的舞台,并且也提出了更高的要求。
制造系统的仿真有在线仿真和离线仿真2种运行模式。离线仿真可确定制造系统硬件配置和布局,分析设备利用率,发现系统瓶颈,估计系统运行费用等。在线仿真则嵌入到制造系统递阶控制器的某些模块中,为作业计划、作业调度的决策和优化提供有效的支持。现在比较典型的离线仿真软件有IGES、eMPOWER等但因价格昂贵及个性化太少使得一些中小企业对其望而却步。因此各企业纷纷进行自行开发软件,本课题正是基于这样的环境下而进行的。
二、模型设计
1、生产线原型介绍
该生产线系统主要由多台加工中心和专机自动线组成,主要用于柴油机主要零件的机加工。为了较快地对市场变化做出响应本生产线主要由高速加工中心组成,辅之部分专机和辅助设备,如图1所示。从图1中可看出,该系统结构是大并行、小串行的排队网络布局方式,其中加工中心群采用并联组布置,组内是并联形式,组之间采用串联结构；一个并联组即为一工序,它由多个独立的、具有相同加工内容的工位组成各工位通过一个输送系统与自身的并联组关联。
2、网络模型设计
结合生产线原型,根据面向对象的软件工程方法,在系统的框架结构确定了之后,设计系统的对象模型,并在对象模型的基础上,设计能体现对象及对象间状态变化的动态模型。结合现场生产线的实际情况,建立如图2所示的网络模型。由图2可以看出,该模型系统有串联形态和并联形态两种子系统构成。现对两种形态作简要的描述:串联形态是每个工序即为一个工位,工件依次按工序规定的次序和流向运行；并联形态是每个工序有多个相同的工位,工位间相互独立,对工序而言工位间并行作业。该模型中的Ai-Ax和Yi-Yx是串行结构,即工序(工位)通过输送物流系统连接运行。模型中Bi-Bx,Ci-Cx、Di–Dx、Hi-Hx为4个并联组,每个并联结构由X个独立工位组成。并联结构内通过桁架机械手向组外运输。各并联组之间是串联形态,通过输送物流系统连接运行。
3、模型分析及数学模型的建立
在网络模型建立之后,将借助于数学工具对其作进一步地描述,以通过改变数学模型中的参数来观察所研究对象的状态变化。为了建立数学模型,对仿真条件作如下假设:
1)每个串联形态的运行方式和要素是:
(1)每个工位作为一个独立事件；
(2)各事件的自身属性:加工节拍,平均无故障时间和故障平均修复时间:
(3)事件间是通过零件的输入输出条件来关联的；
(4)事件的平衡条件是物流长度(储存)。
2)并联形态的运行方式和要素是:
(1)并联组对整个系统而言是一个事件,组内的工位相对组是相对事件,只要工位事件发生,组事件就发生；
(2)并联组内各工位相互独立,并且各工位的自身属性一样:
(3)工位间的关联是零件的输入输出条件,即机械手的服务响应是其工位的变化要素:
(4)组内物流的特征:机械手的运行路程、工位装卸服务的时间和组外进出等待零件的状态。
3)对整个系统的参数作如下约定:
(1)进入系统零件的排队无限长度；
(2)系统内部工序间的排队长度按设定的平面布置；
(3)对串联结构的物流,其长度与输送时间无关,长度指标为缓冲长度；
(4)加工零件次序为先进先出。
4)对并联组内的参数约定如下:
(1)组外输入条件,按整个系统工序间的运行关系形成:即上道工序的输出状态；
(2)组外输出条件,工序间的布置长度和下个工位的输入状态。
为了仿真珩架机械手的服务运行情况,对组外部的条件作了简化处理:组外输入、输出条件为排队长度无限。仿真给定的参数为每个工位的加工时间、每个工序中的工位数、机械手的运行速度和抓取工件的时间,然后对并联组中机械手的服务情况进行仿真。
基于以上的网络模型和仿真假设条件,对系统的基本参数建立如下的数学模型:系统事件总数F为F=N*B其中,N为在线工件总数,B为工序数。
假定工位数为M,设工件对每个工位的访问频率为Qi(i=1、2、…M),在每个工位的加工时间为Qi(i=1、2、…M),则在这F次事件中,将工件送往加工工位的次数Fi(i=1、2、…M)及送往装/卸工位的次数Fm分别为:Fi=N*Fi,Fm=N。其中,fi为工件访问第i工位的次数,且i=1、2、…M。工件对每一加工工位的相对访问频率Qm和对装御工位的访问频率Qm为:Qm=Fm/F,Qm=Fm/F,其中,i=1、2…M。
在这个网络模型中,N个实体在流动,它们从输送系统出来后分别以一定的概率进人下一加工工位,经历等待、加工之后又再次进人输送系统,如此循环,直到该实体上需要加工的内容都加工完毕。实体在每次选人输送系统中运行时都得经历TM的输送时间,设系统的运行时间为T,而M个工位的有效运行时间为tm(i=1、2…M),则各工位及输送系统的的利用率为Um=tm厅。=1、2…M),依在时间T内进入和流人第i工位的实体数相等,可进一步推导出Um=QmTm/TM,i=1,2,...M-1,其中Tm为第i工位的等效加工时间。
三、仿真系统设计
1、系统内部结构
本系统基本结构主要包含有数据输入、方案管理、仿真运行、结果分析4大功能模块,这些模块之间用SQLServer数据库作为数据存放和交换的主要途径,同时利用方案管理中的用户信息,记录当前用户和被打开的项目等相关信息,其它模块通过调用方案管理模块来得知相关的信息。
2、系统工作原理
本软件主要基于可视化功能及数据库功能较强大的Delphi环境下进行开发的,其实现机制是:
1)数据输入模块。该模块主要负责系统的数据输人,包括设定车间的布局、输入加工任务、设定加工参数以及调度规则的设定几个子模块。例如车间布局设计模块,可定义设备的布置形态,如为环行还是直线形；同时还可定义设备的相关信息,譬如此设备的加工工步,该工步上有几个工位。基于这些已经输入的信息,仿真运行模块就可以生成设备对象,给人一种较直观的感觉。以上的界面可接受各种型的参数布局,具有较的实用性。
2)仿真运行模块。该模块包含有算法库、主界面、设备类库、控制策略等模块。在仿真过程中,机械手服务时提供了如下两种服务策略:
(1)先叫先服务:对最先提出运送工件的机床优先进行服务；
(2)优先级策略:根据生产调度系统的要求,对几乎同时呼叫的设备则以谁近先服务谁。设备类库主要包括物流输送设备(机械手等)、制造设备(加工中心等)、物料储存类库(如缓冲区等)和工件类库。
仿真运行时,先从数据库中读取数据,基于这些数据,初始化相关的数据并生成所需的设备对象,加载加工任务信息,显示车间布局及设备布局信息,然后各个设备对象之间基于真实设备之间的协作关系进行协作。各设备对象与主界面配合,以动画的形式实时显示车间的布局及物流信息,与辅助视窗配合显示个线组的状态信息、巳加工零件数等信息。
3)结果分析模块。包括工件出入车间时间表、设备利用率曲线和设备队列长度随时间变化的直方图等模块。各模块的实现方法都是先读取系统信息,然后调用结果分析算法函数,最后将结果以图形的方式显示出来。
定义,定义的参数有机械手的抓取时间、运行速度并对方案进行管理,紧接着就可将系统的基本加工参数输人进来以数据库的格式保存,然后将要运行的数据库文件打开,执行仿真运行命令,就会出现如图3所示的动态画面。在该动画界面中,我们不仅可实时观察设备的加工状况,同时可查看实时的一些数据,如设备利用率、已加工工件数等。
四、仿真实例及诊断
取图1生产线原型中的并联组为研究对象仿真机械手的服务情况。由于实际设计中井联组中机床数目有可能改变,因此仅对在不同机床数目下机械手的服务情况进行仿真以确定在机床数目改变的情况下机械手的利用率。此并联组由4个串行工位构成,分别以OBa、OBb、OBc、OBd表示,每个串行工位中分别有4、5、5、4个并行工位,分别以OBa_sx、OBb_sx、OBc_sx~OBd_sx表示,如图3所示。机械手运行到最近加工工位的时间为15s,抓取工件的时间为70s(机械手的抓取动作包括一只手抓走工件后另一只手立刻放一只工件到工位上),假定所有机床等距分布。对并行部分仿真,模拟运行8h后,输出结果见表1。
从表l中可以看出,0Bb机械手利用率相对要高一些,0Bd则相对要低一些,但OBa组机床的利用率较高,这其中的缘由可能是机械手为瓶颈工位所导致,我们可以考虑增加机械手来减少机床待机时间以提高利用率·也可能机床本身是一个瓶颈,当然这点可通过增加该工序上的机床数量进行仿真来验证,不过必须结合一些实际加工参数方面进行综合分析才可得出较准确的结论。
五、结束语
通过对制造系统的仿真,可以在设备投资中发现系统中存在的问题,并通过改变系统布局、工艺路线和系统配置解决问题,从而减少不必要的投资风险。
