基于Plant_Simul...航空用柔性制造系统仿真优化_宋文.pdf

年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：宋 文，索 鸣 阳，杨 杏 梅，等基 于 的 航 空 用 柔 性 制 造 系 统 仿 真 优 化 机 电 工 程 技 术，（）：基于 的航空用柔性制造系统仿真优化宋文，索 鸣 阳，杨 杏 梅，张益，周 子 同（中 国 航 发 西 安 动 力 控 制 科 技 有 限 公 司，西 安；西 安 工 业 大 学 机 电 工 程 学 院，西 安；北 京 航 臻 科 技 有 限 公 司，北 京）摘 要：针 对 航 空 发 动 机 柔 性 制 造 单 元，利 用 仿 真 软 件 建 立 了 制 造 单 元 设 备 模 型，使 用 实 际 数 据 设 置 参 数，分 析 制 造单 元 布 局、产 量、设 备 利 用 率 和 缓 存 库 位 等 生 产 信 息。实 际 仿 真 结 果 表 明，单 元 布 局 得 到 了 合 理 优 化，产 量 可 达 到 优 化 前 的倍，模 型 能 够 准 确 分 析 出 各 制 造 单 元 是 否 存 在 瓶 颈 工 序，同 时 分 析 缓 存 库 位，给 出 库 位 需 求。此 外，运 用法 建 立 机 器 人 运 动 模 型，对 制 造 单 元 内 机 器 人 的 几 何 运 动 开 展 路 径 优 化 和 干 涉 分 析 等 虚 拟 运 动 仿 真，并 建 立 人 体 模 型 及 动 作 设 置，开 展 了 人 机 工 程 分 析。上述 仿 真 优 化 实 际 应 用 到 航 空 用 环 形 件 柔 性 制 造 系 统 关 键 环 节 的 设 计 中，缩 短 了 航 空 柔 性 制 造 系 统 工 程 设 计 研 发 周 期、降 低 成 本、减小 建 设 及 生 产 安 全 风 险。关 键 词：机 械 加 工；柔 性 制 造 系 统；虚 拟 仿 真；瓶 颈 工 序；运 动 仿 真中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，；，；，）：，：；引 言工 业 的 发 展 使 机 械 加 工 产 品 的 需 求 也 向 着 个 性化、定 制 化 方 向 转 变。传 统 批 量 生 产 的 刚 性 生 产 线 已 不能 满 足 生 产 企 业 的 需 求。柔 性 制 造 系 统 技 术（）作为 一 种 新 兴 制 造 技 术，在 汽 车、电 子 等 机 械 制 造 行 业 已得 到 快 速 发 展。基 于应 用 的 柔 性 制 造 单 元 必 须 将“虚 拟 仿 真”作 为 设 计 基 础，其 智 能 制 造 概 念 才 能 真 正落 地。“虚 拟 仿 真”能 够 模 拟 实 际 物 体 的 外 形、性 能 和运 动 轨 迹，可 为 复 杂 多 变 的 生 产 制 造 现 场 建 立 虚 拟 模 型，进 行 虚 拟 调 试 和 早 期 试 验，提 高 生 产 和 设 计 效 率，降 低制 造 企 业 的 成 本，并 降 低 生 产 建 设 安 全 风 险。本 文 以 中 国 航 发 集 团 环 形 零 件 柔 性 制 造 单 元 的 建 设设 计 为 例，通 过 虚 拟 仿 真 技 术 计 算 分 析 单 元 产 能、分 析单 元 缓 存 库 位 数 量 并 分 析 优 化 单 元 内 机 器 人 几 何 运 动 及人 机 工 程 问 题。利 用 虚 拟 仿 真 等 技 术 手 段 对 柔 性 制 造 单元 建 设 关 键 环 节 进 行 设 计 分 析，缩 短 了 航 空 柔 性 制 造 系统 工 程 设 计 研 发 周 期、降 低 成 本、减 小 建 设 及 生 产 安 全风 险 并 促 进 虚 拟 仿 真 技 术 在 航 空 发 动 机 柔 性 制 造 领 域 中更 加 完 善、高 效 的 应 用。柔 性 制 造 单 元 概 述柔 性 制 造 单 元 以 信 息 流、物 料 流 为 基 线，以 管 理 软件、实 时 感 知 系 统 和 自 动 化 控 制 为 实 现 手 段，构 建 柔 性制 造 模 式，实 现 零 件 的 生 产 过 程 的 自 动 化、数 字 化 与 全面 管 控，保 证 产 品 加 工 质 量 的 一 致 性，提 升 综 合 制 造 能力，提 高 合 格 率，缩 短 生 产 周 期。中 国 航 发 集 团 环 形 零 件 柔 性 生 产 线 设 计 上 线种 航空 发 动 机 环 形 工 件，并 按 照 的 成 品 交 付 比例 制 造，单 元 具 备 自 动 上 下 料 传 输、无 人 化 自 适 应 加 工、数 字 化 检 测、自 动 刀 具 寿 命 管 理 等 功 能。单 元 内 部 作 业连 续 无 人 值 守 自 动 化 运 行 生 产，产 品 加 工、检 测 集中 完 成，可 实 现 航 空 发 动 机 环 形 工 件 自 动 化、智 能 化生 产。柔 性 制 造 单 元 具 备 自 动 化 生 产 管 理 控 制 和 人 工 干 预生 产 管 理 控 制 两 种 模 式，可 根 据 生 产 需 求 调 整 运 行 模 式。可 实 现 多 品 种、小 批 量 生 产 模 式 的 生 产。具 有“停 机 不停 线、停 线 不 停 机”功 能，单 台 加 工 中 心 可 以 实 现 离 线单 机 生 产，并 且 单 机 出 现 故 障，可 将 生 产 任 务 平 均 分 配到 其 他 设 备，不 影 响 整 条 生 产 线 运 行；停 线 状 态 下，不影 响 单 台 设 备 使 用。柔 性 制 造 单 元 采 用 智 能 化 的 生 产 管 控 系 统，具 备 生产 任 务 管 理、智 能 排 产 调 度、工 序 管 理、刀 具 管 理、夹具 管 理、数 控 程 序 管 理、质 量 管 理、异 常 处 理、现 场 可视 化 监 控、数 据 分 析 管 理 等 功 能。系 统、数 据 安 全 且 可备 份。图柔 性 制 造 单 元柔 性 制 造 单 元 基 本结 构 包 括台 数 控 卧 式车 床、台 卧 式 加 工 中心、台 立 式 加 工 中 心 和台 线 切 割 机，以 及 新 购的 工 件 装 载 系 统、运 输系 统（机 器 人 和 轨 道）、加 工 托 盘 库（个 库位）、快 换 托 盘 及 工 装（套）、三 坐 标 测 量 机、对 刀仪、刀 具 搬 运 系 统 及 管 理 控 制 系 统 软 硬 件，其 单 元 布 局图 如 图所 示。单 元 运 行 仿 真 分 析本 节 将 对 柔 性 制 造 单 元 运 行 过 程 进 行 仿 真 分 析 和 优化，消 除 生 产 单 元 瓶 颈，优 化 生 产 物 流 系 统，达 到 单 元生 产 能 力 平 衡，根 据 仿 真 结 果 优 化 设 计，确 定 单 元 内设 备。通 过 分 析 上 述 柔 性 制 造 单 元 基 本 结 构、生 产 要 求 目标 及 生 产 制 造 流 程，使 用 软 件 优 化 设 计单 元 布 局、分 析 单 元 缓 存 库 位、单 元 工 时 及 生 产 效 率，消 除 瓶 颈 工 位 等。仿 真 软 件（）是 一 个 离 散 事 件 仿 真 工具，设 计 人 员 可 通 过 该 软 件 快 速、直 观 地 构 建 仿 真 模型，使 用 内 置 工 具 执 行 复 杂 系 统 的 优 化 分 析 与 统 计，实 现 产 线 的 虚 拟 仿 真、虚 拟 调 试 运 行、虚 实 同 步 仿 真、机 器 人 模 拟 运 行 等 功 能。创 建 物 流 系 统（生 产 系 统）的数 字 化 模 型 进 行 运 行 试 验 和 假 设 方 案。具 有 功 能 强 大 的分 析 工 具（瓶 颈 分 析、统 计 数 据 和 图 表 等）可 以 评 估 不同 的 制 造 方 案，在 生 产 规 划 的 早 期 阶 段 作 出 快 速 而 可 靠的 决 策。建 立 柔 性 制 造 单 元 仿 真 模 型根 据 机 加 车 间 内 实 图仿 真 运 行 流 程际 环 形 件 柔 性 制 造 单 元工 艺 流 程 建 立 仿 真 模型，通 过 仿 真 软 件 中 多种 模 型 对 象 模 拟 制 造 单元 的 生 产 过 程，仿 真 运行 流 程如 图所 示。按 照 功 能 划 分，的 基 本建 模 对 象 包 括 物 流 对象、信 息 流 对 象、用 户接 口 对 象、移 动 对象 等。在 建 立 柔 性 制 造 单元 模 型 前 先 选 定 所 需 的模 型 对 象，描 述 各 模 型对 象 及 其 功 能。通 过 分析 环 形 件 的 生 产 工 艺，确 定 环 形 件 柔 性 制 造 单 元 建 模 仿 真 所 涉 及 到 的 模 型 对 象。完 成 模 型 对 象 的 摆 放 和 连 接 后，根 据 实 际 单 元 数 据对 每 个 模 型 对 象 的 参 数 进 行 设 置，尽 量 还 原 柔 性 制 造单 元 的 实 际 生 产 状 态，提 高 计 算 机 仿 真 结 果 的 合 理 性，以 便 对 单 元 进 行 优 化。在 模 型 内 输 入 零 件 工 艺 流 程 及 其加 工 时 间 如 所 表所 示。表工 艺 流 程 及 其 加 工 时 间 表序 号工 作 内 容加 工 时 间 车 削打 标立 式 加 工 中 心 铣 削 车 削打 标卧 式 加 工 中 心 铣 削 线 切 割 三 坐 标 测 量 柔 性 制 造 单 元 仿 真 模 型 分 析 结 果（）布 局 分 析在 中 执 行 仿 真，对 比 生 产 线 的 实 际生 产 状 态，观 察 模 型 的 运 行 状 态 是 否 与 实 际 一 致。分 析年月 机 电 工 程 技 术 第卷第期仿 真 结 果 检 验 模 型 数 据 是 否 合 理。根 据 仿 真 结 果 与 实 际的 差 异 对 模 型 进 行 调 整，使 其 达 到 预 期 要 求。通 过 模 型对 象 选 择、模 型 对 象 的 布 局 和 连 接、参 数 设 置、仿 真 的运 行 及 验 证 等 步 骤，最 终 得 到 仿 真 模 型 及 布 局如 图所 示。图仿 真 布 局 图（）日 均 产 量 分 析稳 定 生 产 后，单 元 可 自 动 化 持 续 运 行，只 需 间 隔 人 工 装卸 零 件，按 照 仿 真 经 验 值 计 算，环 件 日产 量 约 为件。按 照 生 产 要 求，全 年 工 作 时 间 计 算，年 产 环 件 可 达 到 件，高 于 生 产 要 求 的 产 能。按 照 每 月 检 修，全 年 不 间 断 运 行 计 算，可 实 现 年 环 件 件，达 到 生 产 要 求 的倍 以 上。产 能 仿 真 结 果 图 示如 图所 示。图日 均 产 量（）设 备 利 用 率完 成 整 个 仿 真 系 统 的 建 模 后，运 行 仿 真 模 型，得 到发 动 机 环 形 件 柔 性 制 造 单 元 各 设 备 利 用 率，如 图所 示，图 中 设 备 从 左 至 右 分 别 为 三 坐 标 测 量 机、卧 式 车 床、图设 备 利 用 率卧 式 车 床、卧 式 车 床、卧 式 车 床、卧 式 加 工 中 心、线 切 割 设 备、清 洗 机、立 式 加 工 中 心。由 图可 知，此单 元 主 要 机 械 加 工 设 备 不 存 在 明 显 的 瓶 颈 工 序。（）缓 存 库 位 分 析经 调 试 仿 真 得 出，根 据 项 目 无 人 值 守 的 要 求，此 作 为 约 束 条 件，稳 定 生 产 后 需 要 的 托 盘 和 库 位 数 量 约为个，如 图所 示。图缓 存 库 位 分 析 图综 上 所 述，该 环 形 件 柔 性 制 造 单 元 运 行 设 计 良 好，满 足 生 产 需 求，可 执 行 后 续 设 计 工 作。单 元 几 何 运 动 仿 真 分 析制 造 单 元 几 何 运 动 仿 真 的 意 义 在 于 快 速、低 成 本、高 安 全 性 地 验