生产系统仿真介绍

生产系统仿真简介

生产系统仿真关注在生产规划这一环节，生产规划环节通过利用虚拟仿真技术，可以对于工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型“预演”的基础之上，进行分析、评估、验证，迅速发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并及时进行调整与优化，减少后续生产执行环节对于实体系统的更改与返工次数，从而有效减低成本、缩短工期、提高效率。”

生产系统仿真侧重于对生产线、工艺、物流等的仿真，在虚拟环境中对其进行优化。随着现代产品的复杂性增加，其工艺更加复杂，传统的流水线形式无法满足很多特定产品的生产过程，这就需要对产线的布局、工艺、物流进行设计，以避免出现效率及成本的浪费。

生产系统仿真主要包括以下内容：

① 生产线布局仿真

针对新工厂建设与现有车间改造，基于企业发展战略与前瞻性进行三维工厂模拟验证，减少未来车间调整带来的时间和成本浪费。

② 工艺仿真

真实反应加工过程中工件过切或欠切、刀具与夹具及机床的碰撞、干涉等情况，并对刀位轨迹和加工工艺进行优化处理的。

③ 物流仿真

通过物流仿真优化工艺、物流、设施布局、人员配置等规划方案，提升数字化车间规划科学性，避免过度投资。

④ 机器人仿真

基于三维空间，验证机器人工作可达性、空间干涉、效率效能、多机器人联合加工等，输出经过验证过的加工程序，提升工艺规划效率。

⑤ 人机工程仿真

通过仿真对关键工艺进行装配仿真分析、人机工程分析、装配过程运动学分析，最终可输出三维作业指导。

本文侧重于介绍生产系统仿真在产线布局、工艺过程仿真及生产物流仿真。

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生产系统仿真遵循的原则

① 产线布局

产线布局，即是按照厂房的空间情况，设置产线布局。产线布局应该解决生产加工区、缓存区、物料堆放区等作业单元，解决设备与设备之间的相对位置、通道的横向面积，同时解决物料搬运流程及运输方式。

    

产线布局就遵循以下原则：

符合工艺过程要求。即充分考虑每首工序的生产效率与时间定额，满足各工序的生产平衡，充分利用设备产能。

物流搬运时间短。在满足工艺的前提下，使得物流运输路径方便快捷，尽量避免物料交叉搬运与逆向流动，做到物流运输时间最短。

保持生产柔性。车间在制品暂存区、原料存放区、缓存区等作业单位适中，不宜过多、复杂，以免造成加工混乱和空间的严重浪费。

空间利用率高。生产区域及存储区域的空间设计都应该合理，最大限度的利用空间。

② 工艺过程仿真

工艺过程仿真，即是按照产品的加工工艺，在虚拟环境下重现产品的加工过程。工艺仿真主要解决工艺过程中的碰撞、干涉、运动路径、人员操作的宜人性等问题。

工艺过程需要遵循以下原则：

工艺过程无碰撞、干涉。主要通过模拟装配工艺过程，及时发现装配过程中存在的干涉、碰撞等问题，提升装配工艺过程的可操作性。

人机工程。主要考虑在工艺加工过程中，工人的视线范围不被遮挡，肢体可以达到要求位置，空间大小方便工人操作，承受的负荷及操作时间不易使工人疲劳，同时在危险环境中要有安全防护措施。

装配路径最优。主要考虑减少无效的零件移动、无效的人员运作，提升装配工艺效率。

③ 生产物流仿真

生产物流仿真，即是对物料的流动过程进行仿真，包括原材料、半成品、返修品、合格品、报废品等的流转过程进行仿真。主要解决在生产过程中物料的运输的经济性，时效性，流动路线优化，缩短搬运时间、减少路径干涉等问题。

生产流程仿真需要遵循以下原则：

优化空间利用率。即物料在流动过程中，就避免重复、冗余路线。降低库存，减少在制品数量。

生产系统能力平衡。即生产资源与人员等的合理匹配。

优化物流中的瓶颈环节与关键路径。

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生产系统仿真过程

生产系统仿真过程可以分为四个部分，前期准备、仿真规划、建模、仿真优化。在仿真规划阶段，需要明确仿真要解决的问题，搜集需要的资料；建模阶段则包括设备及流程的建模；仿真优化则是对整个生产系统进行调整优化。

图：生产系统仿真过程

生产系统的仿真是个复杂过程，不仅需要掌握仿真软件的操作技术，还需要对工厂的工艺、生产、流程等有相当的了解。生产系统仿真需要收集大量的资料，包括厂区布局图、设备清单与设备规格说明、生产线产品及零部件清单，零部件三维模型、厂区效果图、线边仓对应零部件或半成品数量、产品模型、工艺说明书、工艺布局图、工装夹具、工时定额、物料信息表，各工位上人员和设备的动作顺序、动作时间、动作路径信息等。

布局仿真的建模主要是厂区、厂房、生产线、物料等对象的3D 建模或模型处理，其要点在于模型的几何精度、精细度、数据量、纹理贴图效果等要符合预定要求。

物流仿真的建模则包括不同类型的设备与生产资源的实现逻辑建模；生产线流程的时序逻辑建模等；工艺过程建模是在布局模型基础上，依据工位操作内容建立人员和设备的运动模型（运动路径与速度等）、工位上运动时序模型等。

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主流生产系统仿真软件汇总介绍

对于这一类进行生产系统仿真的软件尚无明确的定义，名称也不统一，有些称为生产系统建模与仿真软件，有些则称为生产系统规划与仿真软件，有些又称为生产仿真软件，还有称为数字化工厂仿真软件的，本文参考周金平于2011年所著的《生产系统仿真》一书，暂称相关软件为生产系统仿真软件。

维基百科中则将这一类软件称为离散事件仿真（Discrete event simulation）软件。

目前相关软件数量较多，小编整理了以下软件名单：

软件	厂商	特点	应用领域
Flexsim	美国FlexSim	基于面向对象技术建模，建模高度过程快捷简便，仿真速度快，突出的3D图形显示,扩展性好，开放的接口	汽车工业、食品、化学工业 、造纸、电子、银行和财务 、航空、政府、工程、运输等
Tecnomatix	德国Siemens PLM Software	交互式建模仿真界面，模型层次化的结构，具有面向对象的继承性，具有丰富的分布函数，多种形式的接口	项目规划、物流仿真和优化制造厂、生产系统和工艺过程
Delmia/Quest	法国达索	交互式面向对象建模环境，提供了智能化的物流处理系统模板，直接模仿实际系统的行为，预置了实际系统的控制逻辑，内置SCL仿真控制语言，可通过Quest Express 与MES、ERP或生产高度系统连接，3D动画显示，并以直方图、饼状图等方式显示统计结果	生产、物流
Witness	英国Lanner Group Ltd.	交互式面向对象的建模环境，灵活的执行策略，丰富的模型单元，工程友好性强，实时的彩色动画显示，灵活的输入/输出方式	汽车制造、港口物流、钢铁制造、电子制造、空港规划设计等行业
ShowFlow	英国Simaron Pardaz	提供建模、仿真、动画和统计分析工具。确定瓶颈位置，估测提前期和报告资源利用率。ShowFlow还可以被用来支持投资决定，校验制造系统设计的合理性，通过对不同的制造策略进行仿真实验来找出最优解。	制造业和物流业
Stream	日本三井造船	不仅可以当作物流生产线的仿真器使用，而且在单一个机械设备的仿真方面也可以用来变通使用，机器人仿真器很齐备;其开发基础是Sil-Tools ，在扩展性和技术支持方面令人担忧。	生产线、物流、机器人
Automod	德国Applied Materials	采用内置的模板技术，模型精度高，具有强大的统计分析工具，3D图形显示，可生成高质量的AVI格式动画文件，兼容性好	钢铁与铝材、航空航天包裹与信件处理 、汽车仓储与配送、制造机场/行李处理、运输 半导体、物流等
RaLC(乐龙)	日本人工智能株式会社	它是面向对象的,对象事物全部以按钮的形式摆放在工具栏上,而且可以对对象物体的配置来进行设计。以3D动画为载体，对智能作业人员、搬运设备、货物、控制系统、数据信息等多个物流系统元素进行仿真抽象和设置，快速构建三维动画计算机系统仿真验证模型。	物流、工业工程和制造业
ProModel	美国ProModel	proModel专注于以下问题：资源利用率、系统容量、流程改进、吞吐量和瓶颈分析、供应链和物流、客户服务水平，通过建模制造，物流或服务系统的重要元素，领导者可以尝试不同的运营策略和设计，以实现组织的最佳绩效。ProModel易于使用、界面直观，使用逼真的动画显示、各种分析报表以及优化功能，帮助用户更快地找到最佳的运作方案。	生产、物流
Arena	美国Rockwell Automation	通用交互集成式仿真环境，可视化柔性建模，提供专门的输入/输出分析器，优化决策工具Opt Quest ，多种形式和类型的外部接口	制造业、物流及供应链、服务、医疗、军事、日常生产作业、各类资源的配置、业务过程的规划、系统性能评价、风险预测
Simul8	美国SIMUL8	操作简单，通用性和可视性强，易于使用的“拖拉式”建模功能，仿真速度快，全面的“结果管理器”，多种形式和类型的软件接口	制造、物流、医疗、教育、咨询等
DEMO3D	英国Emulate3D（现属罗克韦尔）	Demo3D 是唯一将摩擦力、重力、阻力、惯性等物理特性引入到自动化设备仿真的平台。支持自动化设备形态和功能更丰富。支持敏捷设计/验证/展示的设计模式，可以将满意的三维设计模型直接生成包括 AutoCAD 2D/3D 的设计图。Demo3D 包含众多物流模块。	交通系统设计、供应链优化、仓库优化、分销需求规划的优化、事件物流与规划、库存管理、机场行李管理与安全
Supply chain guru	美国LLamasoft智模公司	允许用户输入或导入供应链网络信息,并使用人工智能和嵌入的知识库,用以自动建立强大的离散事件仿真和网络优化模型。用户可以测定改变供应链结构或策略所带来的影响,优化模型以选择改进的供应源关联,仿真多个供应链设计方案以评估服务和费用之间的折中,预测库存投资、运输费用以及生产情况,为企业提供预算功能。	医药、烟草、钢铁、电商、汽配、邮政
Classwarehouse	英国Cirrus Logistics	通过在虚拟的计算机环境来进行设计、改进和测试复杂的仓库解决方案。它还能帮助公司评估产品的产量、人员的组织以及设备情况,来量化成本、效率以及服务水平。	供应链战略规划仿真
ExtendSim	美国 Imagine That Inc 公司	模块化建模，可重复使用的建模模块，交互性好，可扩展性好，连接性好，第三方开发支持	仓库物流仿真
AVEVA E3D	英国AVEVA（现属于施耐德）	AVEVA Everything3D 引进了移动计算、云计算和激光扫描等最新技术创新，在工厂项目实施中采用精益方法。	海事、工厂、建筑和基础设施
欧特克Revit	美国欧特克	支持多领域协作设计流程，构建建筑构件模型，分析和模拟系统及结构，以及迭代设计，支持设计、互操作性、协作、可视化。	适用于建筑设计、MEP 工程、结构工程和施工领域
VisualComponents	芬兰Visual Components	软件集三大功能于一个平台：离散物流仿真模拟，机器人离线编程，PLC 虚拟调试。可实时采集仿真数据生成数据图表。适合工业自动化设备制造厂商和其他设备制造商。	离散事件模拟仿真、机器人离线编程、虚拟调试、人机协作仿真
Bentley PlantWise	美国Bentley	主要致力于为建筑师、工程师、地理信息专家、施工人员和业主运营商提供促进基础设施发展的综合软件解决方案。在工业领域具有多专业工厂设计和分析解决方案。	建筑设施、通讯、离散制造、电力及燃气公用事业、政府、测绘和勘测、采矿、石油天然气、发电、流程制造、轨道交通、公路和高速公路、给排水等