导读

生产系统仿真关注在生产规划,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。

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。

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。

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。

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。

......

生产系统仿真遵循的原则

产线布局仿真

  • 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。

工艺过程仿真

  • 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。

生产物流仿真

  • 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。

生产系统仿真过程

前期准备

  • 厂区布局图
  • 设备清单
  • 产品及零部件清单
  • 工艺说明书
  • 工装夹具
  • 工时定额
  • 工序
    ...

仿真规划

  • 产线布局规划
  • 物流规划
  • 生产工艺规划

建模

  • 产线物料3D建模
  • 设备与生产资源逻辑建模
  • 生产线流程时序逻辑建模
  • 人员和设备运动模型
  • 工位运动时序模型建模

仿真优化

  • 产线生产瓶颈
  • 设备利用率
  • 物料缓存量
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
Plant Simulation 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 荷兰INCONTROL 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 美国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 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 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
Factory Design Utilities 美国欧特克 Factory Design Utilities软件可规划和验证工厂布局,有效放置设备。Factory Design Utilities仅支持以Product Design & Manufacturing Collection 软件包形式整体购买。 创建、发布、共享和管理工厂布局的3D内容,工厂设施布局、过程分析
VisualComponents 中国美的(原属于芬兰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

生产系统仿真软件

Flexsim是美国FlexSim公司开发的三维物流仿真软件,能应用于系统建模、仿真以及实现业务流程可视化。Flexsim中的对象参数可以表示基本上所有的存在的实物对象,如机器装备、操作人员、传送带、叉车、仓库、集装箱等,同时数据信息可以用Flexsim丰富的模型库表示出来。Flexsim具有层次结构,可以使用继承来节省开发时间。而且它还是面向对象的开放式软件。由于Flexsim的对象是开放的,所以这些对象可以在不同的用户、库和模型之间进行交换,再结合对象的高度可自定义性,可以大大提高建模的速度。FlexSim具有完全的C++面向对象(object-oriented)性,超强的3D虚拟现实(3D动画),直观的、易懂的用户接口,卓越的柔韧性(可伸缩性)。

Plant Simulation

Plant Simulation 是一款面向对象的集成建模物流仿真优化软件,是西门子PLM产品全生命周期解决方案中的一个不可或缺的组成部分。在规划阶段可透过Plant Simulation分析全厂之设施规划方案选择、设备投资评估、暂存区、生产线平衡、瓶颈分析、派工模拟及产能分析模拟及企业再造等模拟分析,基本上与Witness和Factor/AIM一样,同样属于平面离散系统生产线仿真器。齐备了周边的机器人仿真器群。可以与CAD、CAPE、ERP、DB等软件之间实时通信。与周边的机器人仿真器群之间有强有力的关联,面向大型制造业领域的仿真群中,和Delmia公司实力相当。其主要目的是整体系统的优化等,主要与周边系统联合起来灵活使用,但是价格昂贵。

DELMIA/Quest

DELMIA是达索公司的产品,包含面向制造过程设计的DPE、面向物流分析的QUEST、面向装配过程分析的DPM、面向人机分析的Human、面向机器人仿真的Robotics和面向虚拟数控加工仿真的VNC几个功能模块。Quest是针对设备建模、实验、分析设备分布和工艺流程的柔性、面向对象的、基于连续事件的专用模拟软件。2D图表和3D模型均可以通过按钮式界面,对话框,扩展标准库而得到,实时交互界面允许在运行期间对变量进行修改并观察各参数的演变。Quest可单独操作或从DENEB的其它产品中输入模型,准确的确定现有的或新的系统的优化车间布置、成本、工艺流程。在周边的机器人仿真器群等方面的功能也很齐备,不过Quest以适用于大型制造业生产线为目的,没有自动立体仓库等常用设备,所以对物流生产线不太适用,且价格非常昂贵。

Witness

Witness由英国Lanner集团用数十年系统仿真经验开发出的离散型的仿真软件,它是面向工业系统,商业系统流程的动态系统建模仿真软件平台,是该领域的主流仿真软件之一。它提供了大量描述工业系统的模型元素,如生产线上的加工中心、传送设备、缓冲存储装置等。具有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。作为可选项,还具备了三维立体显示功能(VR),扩大了其适用范围,不过三维立体显示功能是后来添加的可选项,所以不适合模型从大致轮廓的概念设计开始依次建构下去的动态过程中使用。

ShowFlow

ShowFlow仿真软件可为制造业和物流业提供建模、仿真、动画和统计分析工具。ShowFlow可以提供生产系统的生产量,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。建模:可以定义队列,缓冲器,等待区域,操作任务,运输工具,输送机,AGV,立体化仓库,自动存取设备,路径等基本元素的标准属性和特殊属性。 仿真:采用优化的仿真运算法则技术(OSAT),固定的或变化的时间仿真运行,可对离散事件进行仿真。 统计:可对多种概率分布(均匀、正态、指数、爱尔朗、经验分布等)进行统计分析,并带有随机数生成器。分析:输入数据分析,包括数据设置分析、最合适建议等,并可导入微软的Excel的数据。输出数据分析,包括可输出队列曲线图、柱状图、饼状图等,动态图表显示,用户自定义图表格式,并可将数据输出到微软的Excel中。动画和文档:可产生二维、三维动画,可对摄像机进行移动,缩放,旋转。可按功能性或元素排序自动生成模型文档,产生仿真事件跟踪报告,输入参数值列表等。

Stream

Stream是日本三井造船股份有限公司开发的仿真软件,其最大特点是从日文命令组中选出并排列的形式记述每一个设备的控制逻辑,关于制作完成的模型,仍然沿袭使用了其前身MiFactory,由于是日本国产工具软件,所以非常适合日本国内的需求胃口,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,由于开发商身为实力强大的机械设备生产厂家,所以在周边的机器人仿真器等方面也很齐备;其开发基础是Sil-Tools ,所以与一般的Windows应用程序相比,其操作上的感觉有些不同,且另外还需要特殊的开发环境,所以在扩展性和技术支持方面令人担忧。

Automod

Automod是目前市面上比较成熟的三维物流仿真软件,最初是由Brooks Software公司开发的,现属于Applied Materials公司。主要包括了三大模块:AutoMod、AutoStat和AutoView。AutoMod模块提供给用户一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。主要包括输送机模块(辊道、链式),自动化存取系统(立体仓库、堆垛机),基于路径的移动设备(AGV等),起重机模块等。AutoStat模块为仿真项目提供增强的统计分析工具,由用户定义测量和实验的标准,自动在AutoMod的模型上执行统计分析。主要特点是:基于发展策略运算法则的最优化分析,用户为得到更好的模型来定义输出审核,多CPU并行计算等。AutoView可以允许用户通过AutoMod模型定义场景和摄像机的移动,产生高质量的AVI格式的动画。用户可以缩放或者平移视图,或使摄像机跟踪一个物体的移动,如叉车或托盘的运动。AutoView可以提供动态的场景描述和灵活的显示方式。

RaLC(乐龙)

RaLC(乐龙)是上海乐龙人工智能软件有限公司(日本人工智能服务有限公司在华子公司)提供的。它是面向对象的,物流配送中心所使用的基本搬运器械设备即对象事物,包括各种传送带、自动立体仓库、平板车等,以及工作人员的装卸、分拣、叉车搬运等,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,用于对各类对象物体的形状和规格建模也十分直观。RaLC乐龙系列软件在建模速度、建模操作简便性、模拟和仿真精确度等方面具有优势。

ProModel

ProModel是由美国ProModel公司开发的离散事件仿真软件,它可以构造多种生产、物流和服务系统模型,是美国和欧洲使用最广泛的仿真系统之一。ProModel基于Windows操作系统、采用图形化用户界面,并向用户提供人性化的操作环境。ProModel提供二维和3D建模及动态仿真环境场景。用户根据需求,利用键盘或鼠标选择所需的建模元素,就可以建立仿真模型

Arena

Arena是由美国著名的Rockwell公司开发的仿真软件。通过对离散复杂系统的建模与仿真,对各种活动中涉及的有限资源分配、占用、释放方式进行研究,以实现预测分析、流程和操作评估、敏感性分析、方案/流程/决策优化、财务分析等管理研究目的。Arena 提供简单快捷、灵活设置、弹性规模和专家建模所需的各个方面。通过提供相关特性(如流程图视图建模、层次化建模结构、可扩展的图形化资料库等)。

Demo3D

Demo3D 是 Emulate3D公司开发的三款软件中的核心产品,主攻自动化系统的数字化敏捷设计、震撼展示、方案验证。Demo3D 是唯一将摩擦力、重力、阻力、惯性等物理特性融入到物流运动过程中的仿真软件,细节更逼真,产生的效果更真实可信。支持双向导入导出AutoCAD 2D/3D DXF图纸。可以将在 AutoCAD Inventor, Solidworks, Pro/E, 3DS MAX, Google Sketchup等设计工具中的设备模型导入后,迅速制作成动态模型,并且和数字化流程结合起来,形成静态设计— 动态流程验证 — 动态流程展示 — 设计出图的良性循环。

Supply chain guru

Supply chain guru是来自美国的供应链战略规划仿真软件,它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。

Classwarehouse

Classwarehouse是来自英国的仓库物流仿真软件,一种专门用于仓库设计的仿真软件。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。Classwarehouse所解决的实际问题范围很广,从对新建仓库的设计、评估,到对已有仓库的某个具体生产工艺的改进,再到如何在改变供应链和客户需求时保证成本、服务和效率三者间的平衡和优化。

ExtendSim

ExtendSim(原Extend)是美国 Imagine That Inc 公司开发的仿真软件,全球用户数量已超过25000家,在时间周期(包括制造周期、采购周期、配送周期、客服周期 、商业流程处理周期等等)、利用率(产能、设备、人员等等)、库存(在制库存、供应链库存分配、订货点/安全库存、冻结期、备品备件可靠性分析等等)、产出率(投料策略、OEE等)、生产方式(JIT、看板、CONWIP、精益制造、生产计划等等)以及其他和流程评价相关的指标 (BPR、6 西格玛等等),ExtendSim都能发挥积极的作用。

AVEVA E3D

AVEVA公司在1967年从剑桥大学CAD中心的一个三维设计项目起步,在上世纪70年代末期的经济低迷时期转向商业化运作,开发出了世界上第一个三维工厂设计系统--PDMS(Plant Design Management System),该系统具备基于对象的工程数据库。现在,AVEVA Everything3D(简称AVEVA E3D)为所有AVEVA PDMS项目提供了全面的升级支持,使用户能够在其现有的项目中充分利用AVEVA E3D的新增特性和功能。AVEVA E3D是AVEVA主要的多专业三维工厂设计解决方案。它把先进的三维图形和用户界面技术与先进的数据管理能力相结合,提供全面、高效、紧密集成的三维工厂设计解决方案。AVEVA E3D 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。AVEVA E3D与所有其他AVEVA工程、设计和管理产品都能完全互操作。

欧特克Revit

Factory Design Utilities软件是Product Design & Manufacturing Collection 软件包的解决方案之一,只支持软件包的整体购买。Factory Design Utilities可规划和验证工厂布局,有效放置设备。其功能包括实现创建,发布,共享和管理工厂布局的3D内容;将来自不同CAD系统的3D数据聚合到一个数字模型中进行设计和制造;实现设计设施布局,在可视化环境中检测大型设施布局中的冲突;使用流程分析来建模,研究和优化制造流程。

VisualComponents

芬兰Visual Components有限责任公司是一家3D制造仿真和可视化的专业软件开发和实施公司,它提供给自动化设备制造商,系统整合商,制造型公司简单、快速和具有高度成本有效性的方式构建工厂内部的整体可视化制造过程,快速设计3维设备/部件库,VC产品产生的3D动画能以PDF的形式保存和观看。Visual Components的仿真解决方案组件包括以下内容:中小企业数字化工厂 、工厂过程仿真 、设备制造商销售和营销演示 、控制器验证(PLC)和实时连接 、机器人和工作单元仿真 、应用开发(离线编程OLP)。其主要优势是VC提供的3D物流过程仿真和机器人仿真/PLC等是整合在同一个平台的,非常适合工业自动化设备制造厂商和其他设备制造商。

Bentley PlantWise

Bentley成立于1984年,在50多个国家/地区拥有3,500余名员工,年营收超过7亿美元。自2012年以来,公司在研发和收购方面已投入逾10亿美元。Bentley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。其覆盖的行业包括建筑设施、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。面对工业领域,具有多专业工厂设计和分析解决方案,其功能包括分析和模拟应力、执行三维干扰分析、设计工厂电气系统、设计工厂仪表系统、管理和解决三维碰撞检查、使用点云为改造工厂建模、执行多领域的工厂设计、参考结构模型以便进行管道应力分析。通过涵盖整个资产生命周期的集成工厂设计和分析解决方案促进项目交付和信息管理。充分利用综合数字协作设计环境中的协同设计、工作共享和虚拟化功能。通过集成设计和分析加快完成工厂基础设施项目。

生产系统仿真案例

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