制造系统建模与仿真的案例研究.docx
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制造系统建模与仿真的案例研究
7.5制造系统建模与仿真的案例研究
7.5.1板材加工柔性制造系统配置与参数的优化
1．板材加工FMS概述
板材加工是机械制造的重要组成部分。
板材成形的零件广泛应用于计算机、家用电器、仪器仪表、控制柜、汽车以及通信产品中，如图7-30所示。
图7-30板材成形零件示例
20世纪80年代以后，发达国家的板材加工设备开始向数控化转变，出现了数控冲床（NCPunching）、数控剪板机（NCShearing）以及数控折弯机（NCBending）等系列数控加工设备。
但是，独立的数控化板材加工设备存在生产效率低、加工成本高、车间物流管理混乱、产品质量难以控制等缺点。
1967年，英国人研制成功世界上第一条柔性制造系统（FMS）。
1979年，世界上第一条板材加工FMS在日本三菱电机公司研制成功。
柔性加工方式具有高效率、高柔性、高质量以及高度自动化等优点，填补了流水线的大批量生产方式与数控加工小批量生产方式之间的空白。
FMS的出现给机械制造业带来了深远影响。
在欧洲、美国和日本等地区。
已出现多家专业生产板材数控及柔性加工设备的公司，如意大利Salvagnini、芬兰Finn-Power、日本Marata以及德国Trumpf等。
板材加工FMS可以为企业带来显著的经济效益。
例如：
日本Yaskawa公司投产一条板材加工FMS后，操作人员由23人减少为9.5人，材料利用率由76.9%提高到91.4%，占地面积由725m2减少为377m2，外包加工费由37800美元/月减少为3000美元/月，零件库存费用由41640美元/月减少为7500美元/月，材料种类由10种减少为7种。
20世纪80年代末，板材柔性加工设备开始进入我国市场。
广西柳州开关厂、上海第二纺织机械厂、江苏扬中长江集团以及南京电力自动化设备厂等多家企业先后从国外引进生产线。
1991年，我国第一条自主开发的板材加工FMS研制成功，在长城开关厂投入使用。
1992年，我国第二条自行研制的板材加工FMS在上海机床附件三厂投入运行。
近年来，扬州扬力集团、济南铸锻所等先后开发出板材加工柔性生产设备。
图7-31为扬力集团开发的板材柔性加工自动生产线，图7-32为济南铸锻所开发的C1板材加工FMS结构组成。
图7-31板材柔性加工自动生产线图7-32C1板材加工FMS的结构组成
与金属切削加工相比，板材加工具有以下特点：
①不同产品在结构复杂性、生产批量等方面有很大差异。
②板料的加工过程以单张板料为单位，而出入库操作多以托盘（pallet）为单位，一次可以完成数十张板料的出入库操作。
③板材零件的加工工序数较少，多数零件只需要完成冲压（punching）和剪切（shearing）两道工序，一些零件还需要完成折弯（bending）操作。
为减少装夹和定位次数，提高生产效率和加工质量，同时具有冲压和剪切功能的数控冲压-剪切复合机床应用越来越广泛。
④同类型机床之间通常具有可替代性，不同类型机床因功能不同、不可相互替换。
按照功能，板材加工FMS可以分为三个部分：
①自动化加工系统由数控冲床、数控剪床、数控折弯机等数控加工设备及其上下料辅助装置组成。
②自动化物料储运系统由立体仓库、堆垛机、出入库站台以及上下料小车组成。
③计算机控制与管理系统由数据库服务器、CAD/CAM计算机、计划与监控计算机、单元控制器、监控与管理程序等软硬件组成。
不同板材加工FMS的区别在于数控加工设备的性能和数量、立体仓库的规模、堆垛机的数量及服务能力、系统的调度规则等。
在板材加工FMS中，堆垛机负责板料和零件的出入库操作，是板材加工FMS物流系统的核心。
图7-33为板材加工FMS的配置示意图。
图7-33板材加工FMS的配置示意图
2．板材加工FMS仿真的目标与策略
板材加工FMS属于离散事件动态系统。
在建立仿真模型时需解决以下问题：
①仿真模型的元素构成。
②分析和定义FMS中的典型事件。
③分析事件的发生对系统状态和性能的影响。
由板材加工FMS的运行过程可知，系统运行时存在下列事件：
（1）板料到达：
待加工板料进入FMS。
（2）板料/零件入库：
板料从出入库站台进入立体仓库。
（3）板料/零件出库：
待加工板料/零件由堆垛机取料出库。
（4）加工开始：
板料或零件到达指定机床开始加工。
（5）加工结束：
板料或零件在指定机床完成加工任务。
（6）设备故障：
系统中的设备发生故障，不能继续工作。
（7）设备修复：
设备从故障状态恢复到正常状态。
（8）小车到达：
小车到达装卸目的地。
（9）堆垛机取料：
堆垛机将托盘从立体仓库中取出放到上料小车上。
（10）堆垛机存料：
堆垛机将托盘从小车存放到立体仓库中。
（11）小车运行：
小车开始运行。
（12）小车到达：
运料小车到达目的地。
（13）上料：
上料装置进行上料。
（14）下料：
下料装置下料。
（15）板料回库：
未加工完的板料送回仓库。
（16）零件入库：
加工后的零件进入仓库。
（17）零件离开：
零件加工完毕，离开系统。
事件的发生为FMS运行时的路由选择提供可能，也是FMS系统柔性的体现。
实际上，事件的发生点也是FMS调度和控制的决策点，决策点处的调度规则将影响仿真结果和系统性能，各决策点处调度策略共同决定了的FMS总体性能。
为评价不同参数设置和决策规则对FMS性能的影响，仿真时采用以下两种方法：
（1）修改模型中元素的参数或操作逻辑来控制模型元素的行为。
（2）设定不同的决策规则以控制系统的进程流向。
其中，第一种方法主要用于定义系统的基本结构，求解FMS的基本性能指标，如生产能力、设备利用率以及瓶颈位置等；第二种方法可以用来评估不同调度策略对系统性能的影响，为FMS动态调度和控制提供决策依据。
本仿真研究的目标包括：
（1）在配置给定的情况下，预测FMS的性能。
（2）当配置给定时，通过仿真评估不同调度规则对FMS性能的影响，为FMS优化调度提供依据。
（3）比较不同配置下FMS性能（如生产率、设备利用率等）的变化，以实现系统配置的优化。
在板材加工FMS中，堆垛机是物流系统的核心，堆垛机的参数和配置直接影响FMS的总体性能。
通过分析，确定堆垛机最大服务能力的判定依据为：
（1）堆垛机具有较高的利用率。
（2）数控冲床、数控剪床等加工设备具有利用率较高，并且没有发生因堆垛机服务能力有限而形成的堵塞现象。
（3）在加工任务和堆垛机服务能力不变的前提下，单纯地增加加工单元数已经不能有效地缩短加工任务的完成时间。
本仿真研究采取的策略包括：
（1）在加工任务和加工单元参数不变的前提下，改变堆垛机的参数，如运行速度、出入库操作时间、停放点以及服务规则等，以评估堆垛机参数对FMS性能的影响。
（2）在加工任务不变的前提下，从两个加工单元开始，通过增加加工单元的数量，分析FMS性能的变化，以判定堆垛机能提供有效服务的加工单元最大数目。
所采用的性能指标包括：
①仿真运行时间。
②加工单元的利用率。
③加工单元的堵塞率。
④堆垛机的利用率。
就堆垛机而言，冲压-剪切加工和折弯加工对堆垛机使用过程并无本质不同。
两者的区别在于：
冲压-剪切后的零件多有入库要求，而折弯后的零件则无需入库。
此外，为提高生产效率，板材加工FMS中多采用冲、剪合一的机床。
下面均以冲压-剪切复合加工作为基本加工单元进行仿真研究。
3．以堆垛机参数设置为中心的仿真研究
设板材FMS中有两个参数相同的冲压-剪切加工单元（图7-34）。
现有2000张板料等待加工，托盘每次可载料40张，单张板料冲压-剪切所需时间为150秒。
堆垛机满载速度为5mpm、空载速度为10mpm、取料及存料时间均为45秒。
上料点到立体仓库的平均距离为8.0米，立
体仓库至下料点的平均距离为8.0米，下料点至出入库站的平均距离为10.0米。
图7-34具有2个冲压-剪切加工单元的仿真模型
在上述参数下，完成加工任务所需时间（完工时间）为42.89小时，FMS中主要设备的性能分别如表7-23和表7-24所示。
表7-23加工单元的性能指标
名称利用率加工设置空闲等待堵塞故障（%）（%）（%）（%）（%）（%）（%）
单元197.1497.140.002.860.000.000.00
单元297.1497.140.002.830.000.020.00
表7-24堆垛机的性能指标
完工时间使用平均每次平均每次使用堵塞率利用率
（小时）次数使用时间的运行时间（%）（%）
42.89150226.0055.520.0027.35
由仿真结果可知：
在板材加工FMS中，虽然堆垛机负责板料出入库、加工后零件出入库以及板料回库等多种任务，但由于物料的运储过程是以托盘上的多张板料为单位，堆垛机的利用率较低，它具有为更多加工设备提供服务的能力。
保持模型其他参数不变，通过改变堆垛机的参数设置，可以分析堆垛机参数对FMS性能的影响，为堆垛机技术参数的选择提供理论依据。
仿真方案和主要性能指标比较见表7-25。
表7-25堆垛机技术参数与FMS性能指标的对比分析
堆垛机参数
系统性能
方案
停放点
满载速度
空载速度
取料时间
存料
时间
服务规则
完工时间（小时）
加工单元利用率（%）
堆垛机利
用率（%）
1
上料点
5
10
45
45
最近的对象先服务
42.73
82.50
29.60
2
立体仓库
5
10
45
45
最近的对象先服务
31.42
82.75
38.78
3
下料点
5
10
45
45
最近的对象先服务
31.44
82.69
39.22
4
出入库站
5
10
45
45
最近的对象先服务
32.25
77.52
38.30
5
下料点
8
16
20
20
最近的对象先服务
30.47
82.04
21.30
6
下料点
8
16
20
20
等待时间最长的
对象先服务
30.47
82.04
21.30
下面对表7-25中的仿真结果作一些讨论：
（1）方案1至方案4的区别在于：
堆垛机停放点不同。
从仿真结果可知，不同停放地点对加工单元利用率和系统效率有较大影响。
实际上，不同停放地点意味着堆垛机实际运行距离的不同。
（2）方案3与方案5的区别在于：
堆垛机技术参数不同。
从仿真结果可知，方案3的完工时间为31.44小时，堆垛机利用率为39.22%；方案5的完工时间为30.47小时，堆垛机利用率为21.53%，完工时间减少0.97小时，减少幅度为3.08%。
堆垛机的性能参数对FMS性能具有重要影响。
（4）方案5与方案6的区别在于：
堆垛机的调度规则不同。
从仿真结果看，两方案的性能指标完全相同。
这主要是由于该系统配置简单，路径柔性较低，不同的调度规则未能发挥作用。
4．考虑堆垛机服务能力的仿真研究
下面通过改变FMS中加工单元的数量以评估堆垛机的服务能力。
设板材FMS的加工任务、加工单元性能以及其他参数均与上节相同。
其中，具有6个冲孔-剪切加工单元的板材FMS仿真模型布局如图7-35所示。
图7-35具有6个冲孔-剪切加工单元的仿真布局图
在上述参数下，完成2000张板料加工，具有6个冲孔-剪切加工单元的完工时间为17.24小时。
主要性能指标分别如表7-26和表7-27所示。
表7-26加工单元的性能指标
名称利用率加工设置空闲等待堵塞故障
（%）（%）（%）（%）（%）（%）（%）
单元197.1586.990.002.850.1410.020.00
单元296.8686.990.003.140.149.730.00
单元388.1377.320.0011.870.1310.680.00
单元489.8477.320.0010.160.1312.390.00
单元590.2277.320.009.780.1312.760.00
单元690.5977.320.009.410.1313.140.00
表7-27堆垛机的主要性能指标
名称调度时间使用平均每次堵塞率利用率
（小时）次数使用时间（%）（%）
堆垛机17.24150226.00071.04
由表7-26和表7-27可知，6个加工单元的利用率均在90%左右，堆垛机的利用率也达到71.04%。
但是，6个加工单元分别存在从9.73%到13.14%不等的堵塞现象。
堵塞的原因是堆垛机服务能力的不足。
堵塞造成的结果是形成加工单元的等待，造成资源浪费和系统效率下降。
因此，在上述参数条件下，堆垛机不具备为6个冲孔-剪切加工单元提供有效服务的能力。
为评估堆垛机的最大服务能力，改变以下模型参数：
（1）改变堆垛机参数。
（2）减少FMS中冲孔-剪切加工单元的数目，以确定堆垛机的最大服务能力，实现板材FMS的最佳配置。
表7-28为在保持模型其他参数不变的前提下，堆垛机参数与冲孔-剪切加工单元的堵塞率之间的关系。
由表7-28可以看出，提高堆垛机的行驶速度、减少堆垛机出入库操作的时间，能有效地提高堆垛机的服务能力。
例如：
当堆垛机的满载速度和空载速度分别由10mpm和5mpm提高到16mpm和8mpm时，6个加工单元的堵塞率接近于0，完工时间缩短到15.67小时，比原方案降低9.11%。
表7-28堆垛机参数与冲孔-剪切加工单元堵塞率之间的关系
完工
时间
（小时）
堆垛机参数
冲孔-剪切单元的堵塞率（%）
满载空载取料存料
速度速度时间时间
单元1单元2单元3单元4单元5单元6
17.24
15.67
15.49
16.34
10.005.0045.0045.00
16.008.0045.0045.00
16.008.0030.0030.00
10.005.0030.0030.00
10.029.7310.6812.3912.7613.14
0.000.000.000.110.200.30
0.000.000.000.000.000.00
0.000.080.411.392.373.34
表7-29为在保持堆垛机参数不变，即满载速度为5mpm、空载速度为10mpm、取料及存料时间为45秒的前提下，通过改变冲孔-剪切单元数目，冲孔-剪切单元性能指标的变化。
表7-29冲孔-剪切加工单元数与单元堵塞率之间的关系
冲剪加工
单元数目
完工时间（小时）
堆垛机
利用率
冲剪单元的堵塞率（%）
单元1
单元2
单元3
单元4
单元5
单元6
6
17.24
71.04
10.02
9.73
10.68
12.39
12.76
13.14
5
19.26
63.58
5.15
6.09
6.42
6.75
7.09
4
22.63
54.14
0.00
0.08
0.87
2.18
3
29.36
41.72
0.00
0.06
0.67
2
42.89
27.35
0.00
0.00
从表7-28和表7-29可以得出以下结论：
（１）随着加工单元数量的增加，堆垛机的利用率大幅度提高，完工时间也有效缩短。
例如：
2个加工单元时，堆垛机利用率为27.35％，完工时间为42.89小时，而6个加工单元时，堆垛机利用率为71.04％，完工时间为17.24小时。
（２）由表7-29中数据可知：
加工单元数量的增加与完工时间的缩短不完全成反比关系。
随着单元数量的增加，完工时间减少趋于不明显。
原因在于：
堆垛机的服务能力不足造成了加工单元的空闲、等待及堵塞。
从表7-29可知：
当系统中有2个加工单元时，单元的堵塞率为0；当增加到6个加工单元时，单元的平均堵塞率达到10%左右。
进一步的仿真表明：
随着单元数量的增加，加工单元的堵塞率更高，完工时间缩短越来越不明显，此时单纯地增加加工单元数量已毫无意义。
（３）在现有参数下，就堆垛机的服务能力而言，一台堆垛机可以为4个冲孔-剪切加工单元提供有效服务，使堆垛机具有较高的利用率、加工单元保持较低的堵塞率。
7.5.2汽车发动机再制造生产线瓶颈工序分析与性能优化
1．汽车发动机再制造概述
汽车是现代工业文明的重要标志。
近年来，我国汽车工业发展迅速，汽车产销量和保有量均呈快速增加趋势，其中汽车产量由2002年的325万辆增加到2012年的2000万辆。
2009年以来，我国汽车产销量连续居全球首位。
随着汽车保有量的不断增加，因汽车工业发展带来的资源浪费和环境污染等问题也日益突出。
汽车生产时需要消耗大量的矿产资源（如钢铁、铝、铜、塑料等），汽车使用过程中消费大量的石油资源。
汽车尾气排放是城市空气污染的重要源头。
据统计，大气中38.5％的CO、87.6％的NOx、11.7%的CO2以及6.2％的SO2来源于汽车尾气。
汽车的更新换代产生大量废弃物（如废旧塑料件、油污、重金属等），报废汽车不仅占用了大量土地，还造成严重的环境污染。
严峻的事实迫使人们关注汽车再制造（remanufacturing）。
20世纪80年代以来，工业发达国家纷纷制定政策或颁布法律，开展对包装材料和报废产品（如家电、汽车等）的回收利用工作。
例如：
1986年起，德国先后颁布《循环经济与废物管理法》、《包装条例》、《限制废车条例》等法规，规定废弃物处理的优先顺序为“避免产生-循环使用-最终处置”；1996年，欧盟实施《包装和包装废品指令》，其中要求：
到2006年，包装材料的回收率要达到90％，单一材料的循环利用率要达到60％。
其中，对汽车回收利用影响最大的是欧盟颁布的“报废汽车指令”。
2000年9月，欧盟颁布《关于报废汽车（end-of-lifevehicle，ELV）的指令》，并在欧盟范围内实施。
该指令要求：
①汽车制造商、汽车原材料及设备制造商在设计汽车时要减少有害物质的使用。
②汽车制造商在设计和生产汽车时，要尽量简化汽车的拆卸、再利用、回收和再循环过程。
③汽车制造时要增加循环材料的使用。
④2003年7月1日以后上市的汽车产品中不得含有汞、六价铬、镉或铅等有害成分。
⑤对2002年7月1日之后投放市场的汽车，制造商将支付所有汽车回收及再制造费用。
⑥自2007年1月1日起，不论车辆的使用年限，制造商将负责所有回收及再制造费用。
⑦2006年1月1日，汽车零部件循环利用率达到85%，到2015年循环利用率提高到95％。
ELV指令不仅针对欧盟各成员国的汽车制造商，而且要求各成员国的汽车进口商也要负责汽车的回收利用。
因此，ELV指令也成为全球汽车制造商必须遵守的技术法规。
在该指令的推动下，工业化国家纷纷制定、修改有关汽车回收利用的法律法规。
世界知名的汽车制造厂（如BMW、Ford、Peugeot、FIAT等）都将汽车零部件再制造上升到企业发展战略的高度给予重视，并在结构设计、材料选用、制造工艺、再制造工艺等方面开展研究。
1994年，中国重型汽车集团与英国Sandwell公司合资成立国内第一家汽车发动机再制造公司—济南复强动力有限公司。
此外，上海大众联合发展公司也开展发动机再制造业务。
汽车中的大多数零部件都可以实现再制造，如发动机、传动装置、离合器、转向器、启动机、化油器、闸瓦、水泵、空调压缩机、油泵等。
其中发动机是汽车中的核心部件，也最具有再制造价值。
目前，国内汽车再制造主要集中在发动机、变速器、电机等附加值较高的零部件上。
图7-36所示为再制造前后的汽车发动机对比图。
a）再制造前的发动机b）再制造后的发动机
图7-36再制造前后的发动机对比
济南复强公司通过对3000台斯太尔发动机的统计分析发现：
可直接再利用的零件数量占23.7%、重量占14.4%、成本占12.3%；经再制造工艺可以重复使用的零件数量占62%、重量占80.1%、成本占77.8%。
按每年再制造一万台发动机计算，可实现回收价值3.59亿元、节省金属
吨、创造利税0.36亿元、节省电力1600万度，减少CO2排放
吨。
因此，汽车再制造具有重要的经济价值和社会意义。
图7-37为复强公司的再制造生产车间。
图7-37济南复强公司的再制造生产车间
本节以发动机再制造生产车间为研究对象，在仿真建模和仿真实验的基础上，通过对系统中资源配置及机床利用率等性能数据的分析，判断发动机再制造中的瓶颈工序，并通过对瓶颈工序改进，实现生产线性能的优化。
2.发动机再制造仿真模型的建立
再制造件通常具有多品种、小批量、交货周期短、回收件质量以及制造工艺存在较大差异等特点。
根据产品结构，发动机再制造主要由缸体生产线、缸盖生产线、曲轴生产线、连杆生产线以及其他小件生产线等组成。
其中，缸体、缸盖、曲轴和连杆是汽车发动机的主要部件。
考虑到其他小件的工况及加工工艺各异，本次仿真中不予考虑。
以某型发动机再制造为例，设生产能力为年产15000台发动机，按每天三班制（24小时）排定班次，通过仿真寻找系统的瓶颈工位，通过修改系统配置实现系统性能的优化。
由发动机的再制造工艺，建立发动机再制造流程图如图7-38所示。
再制造过程用到的设备包括物理超声波清洗设备、等离子喷涂机、立式珩磨机床、缸体磨床、气门磨床、铣床、振动时效设备、曲轴磨床、磁粒探伤仪、热处理炉、抛光机、纳米刷镀设备等。
图7-38发动机再制造的工艺流程
显然，其中的每条生产线都属于排队系统模型。
当工件到达的速率大于某个工序或某台设备的服务速率时，就会出现排队现象。
出现排队现象会使得后续设备处于空闲、等待状态，造成资源浪费和系统性能下降。
等待队列会造成系统堵塞、影响系统的生产效率，但盲目地增加设备也会造成设备的闲置浪费。
本仿真的目的就是寻找加工对象与加工设备之间的最佳配置，优化系统的生产效率和经济效益。
（1）发动机缸体生产线的仿真与优化
发动机缸体仿真模型的主要元素设置如下：
①实体
本仿真模型中的加工对象为待加工缸体。
②位置
本模型中，位置对应于工艺路线中的工序或设备，如等离子喷涂机、珩磨机、清洗机、铣床、装配处、检查处等。
以缸体生产线为例，位置的定义如表7-30所示。
表7-30缸体仿真模型中的“位置”定义
名称
容量
单位
停机时间
统计
规则
仓库
2000
1
None
None
Oldest
更换水堵
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘1
10
1
None
None
Oldest
清洗水检
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘2
10
1
None
None
Oldest
等离子喷涂
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘3
10
1
None
None
Oldest
铣床
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘4
10
1
None
None
Oldest
珩磨机床
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘5
10
1
None
None
Oldest
磨床
1
1
None
TimeSeries
Oldest
托盘6
10
1
None
None
Oldest
油道处
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