（精密仪器及机械专业论文）面向灌装输送线设计的仿真技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

硕二卜学位论文 摘要 本论文结合浙江省制造业信息化优先主题重点项目“食品饮料机械产品数字化设计与 制造集成平台的开发与应用”( 编号：2 0 0 8 c 1 1 0 0 5 ) ，对灌装输送线设计过程中所需要的 仿真技术进行分析研究，灌装输送线是典型的定制设计产品，其设计过程分为布局设计、 结构设计和运动设计。本文研究了面向灌装输送线设计各阶段的仿真技术支持。 第一章介绍了本文的研究背景、研究范围和研究目标，通过对国内外相关研究现状的 分析，确定了研究对象，在此基础上提出了论文研究的主要内容，并给出了论文的组织结 构。 第二章分析了面向灌装输送线设计的仿真技术。通过分析灌装输送线的设计流程，对 设计过程出现的问题进行了分析，并讨论了基于仿真的灌装输送线设计方法，最后提出了 仿真系统的体系结构和功能模型。 第三章研究了支持灌装输送线布局设计的物流仿真方法，对布局设计过程进行了需求 分析，从仿真功能设计和仿真实现流程介绍了物流仿真模块的设计过程，提出了物流仿真 建模过程，并分析了物流仿真及改进过程。 第四章研究了支持灌装输送线结构设计的装配分析与仿真模块，对结构设计过程进行 了需求分析，从仿真功能设计和仿真实现流程介绍了装配分析与仿真模块的设计过程，提 出了装配分析与仿真建模过程，并分析了装配分析与仿真过程。 第五章研究了支持灌装输送线运动设计的运动分析计算与仿真模块，对运动设计过程 进行了需求分析，分析研究了不同情况下的运动分析计算与仿真模型，并提出了运动分析 计算与仿真模块的设计过程。 最后对论文的研究工作进行了总结和展望。 关键词：灌装输送线；仿真；物流；装配分析；运动分析 i i 硕士学位论文 a bs t r a c t c o m b i n e dw i t l lt h em a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o np r i o r i t yt h e m e sk e yp r o j e c to fz h e j i a n g p r o v i n c e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dp l a t f o r mo fd i g i t a lp r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r e a n di t sa p p l i c a t i o no nf o o da n db e v e r a g ei n d u s t r y ，t h i sp a p e rd i dar e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o n t e c h n o l o g yr e q u i r e d f o ri nt h ed e s i g n p r o c e s so ft h eb e v e r a g e p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e b e v e r a g e - p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n ei sat y p i c a lc u s t o md e s i g np r o d u c t ，a n dt h ed e s i g np r o c e s s i sd i v i d e di n t ot h el a y o u td e s i g n ，s t r u c t u r a ld e s i g na n dm o t i o nd e s i g n t h i sp a p e rd i s c u s s e s s i m u l a t i o ns u p p o r t sf o r t h ed e s i g no fb e v e r a g e p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e c h a p t e r1 ，i n t r o d u c e st h ep a p e r sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，r e s e a r c hf i l e da n dt a r g e t ，e x p o u n d t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h er e l a t e dl i t e r a t u r e s a n dm a k ead e c i s i o nw h a tt ob er e s e a r c h e d p r o p o s et h ep a p e r sm a i nc o n t e n t sa n df i n a l l yg i v et h eo r g a n i z a t i o nf r a m eo ft h ep a p e r c h a p t e r2 ，a n a l y z e st h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yr e q u i r e df o ri nt h ed e s i g np r o c e s so ft h e b e v e r a g e p a c k a g i n gp r o d u c t i o n l i n e ， b ya n a l y z i n g t h e d e s i g np r o c e s s o ft h e b e v e r a g e - p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e ，a n a l y z et h ep r o b l e m so ft h ed e s i g np r o c e s sa n dd i s c u s st h e d e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do nt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , c o n c l u d et h ea r c h i t e c t u r ea n d f u n c t i o n a lm o d e lo ft h es i m u l a t i o ns y s t e m c h a p t e r3 ，s t u d i e sl o g i s t i c ss i m u l a t i o nf o rl a y o u td e s i g n ，a n a l y z e st h en e e do ft h el a y o u t d e s i g np r o c e s s ，d e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so ft h el o g i s t i c ss i m u l a t i o nm o d u l ef r o mt h e s i m u l a t i o nf u n c t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o np r o c e s s ，p r o p o s e st h em o d e l i n gp r o c e s so fl o g i s t i c s s i m u l a t i o n ，a n da n a l y z e sl o g i s t i c ss i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fl o g i s t i c sp r o c e s s c h a p t e r4 ，s t u d i e sa s s e m b l ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nf o rs t r u c t u r a ld e s i g n ，a n a l y z e st h en e e d o ft h es t r u c t u r a ld e s i g np r o c e s s ，d e s c r i b e st h ed e s i g np r o c e s so ft h ea s s e m b l ya n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nm o d u l ef r o mt h es i m u l a t i o nf u n c t i o nd e s i g na n ds i m u l a t i o np r o c e s s ，p r o p o s e st h e m o d e l i n gp r o c e s so fa s s e m b l ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，a n da n a l y z e sa s s e m b l ya n a l y s i sa n d s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fa s s e m b l yp r o c e s s c h a p t e r5 ，s t u d i e sm o t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nf o rm o t i o nd e s i g n ，a n a l y z e st h en e e do f t h es t r u c t u r a l d e s i g np r o c e s s ，a n a l y z e st h ev a r i o u ss i t u a t i o n s o ft h em o t i o na n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nm o d e l ，a n dp r o p o s e sam o t i o na n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nm o d u l ed e s i g np r o c e s s a tl a s t ，s u m m a r i z e sa n dp r o s p e c t st ot h i sp a p e r k e y w o r d s ：b e v e r a g e p a c k a g i n gp r o d u c t i o nl i n e ；s i m u l a t i o n ；l o g i s t i c s ；a s s e m b l ya n a l y s i s ； m o t i o na n a l y s i s i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = e 思0 学位论文作者签名：珠许 签字f i 期：测口 年3 月胡同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 抹桦 签字r 期：口l o 年弓月z 子日 导师签名： 签字隅沙。年弓月( 7 f 1 致谢 值此论文完成之际，我衷心地感谢导师潘晓弘教授、王正肖副教授两年半来在学 - - j 和生活中给予的谆谆教诲和悉悉关怀。在整个课题研究、论文的撰写和易稿过程中，都 得到了导师的精心指导，论文的字里行间凝聚着导师大量的心血和汗水。导师勤勉的工 作态度和严谨求实的治学作风给了我深深的教益和启迪。 同时，还要衷心感谢两年来关心我、帮助我，一起学 - - j 、一起进步的课题组成员， 它们是潘亚月硕士、冯思宇硕士、陶熠硕士、张宗伟硕士、任洁岚硕士、范春阳硕士、 庞洋硕士、张勇博士；感谢已经毕业的李珍硕士、陈国威硕士、武守飞博士以及实验室 的全体成员，是大家的融洽合作和互相帮助使我顺利完成了科研工作和毕业论文。 在此，我要特别感谢的是我的父母，为了我的成长和成才，他们任劳任怨、辛苦一 生，为我付出了很多。还要感谢我的女友，是她不断的激励我去学习，不断支持我、鼓 励我。感谢我的好朋友们一直以来对我学习上的勉励和生活上的关怀。是亲人、老师、 同学和朋友的鼓励、关怀和深深的爱，使我一直有无穷的力量来完成我的学业。 向所有关心和帮助过我的人们致以衷心的感谢! 愿好人一生平安! 最后，谨向百忙之中抽出宝贵时间来评审本论文的专家、教授、学者表示衷心的敬 意和感谢! 朱桦 二零一零年一月于求是园 碾士学位论主第一章绪论 1 1 研究背景、范围与目标 第1 章绪论 1 1 1 研究背景 本论文结合淅江省制遣业信息化优先主题重点项目“食品饮料机械产品数字化设计与 制造集成平台的开发与应用”( 编号：2 0 0 8 c 1 1 0 0 5 ) ，对灌装输送线设计过程进行分析研究， 示范企业是精密机械制造公司；企业主要生产的产品是饮料灌装输送线 饮料灌装输送线是饮科灌装生产线的组成部分，根据项目的需求和企业的调研，主要 分析从灌装机开始到装箱机为止的灌装饮料输送系统，该系统实现灌装饮料在生产线不同 设备单机闻的传输。图1 - 1 给出了饮料灌装输送线的示意图 图l - i 戗科灌装输送线的示意图 由于饮料灌装输送线设计是一个典型的定制设计过程，同时存在者多个约束，设计时 考虑不全面，导致输送线设计周期过长、霉部件种类和数量偏多、制遣成本增加和现场安 装工作量较大等，同时许多设计中的失误只能在安装现场被发现并加以修改。所以在饮料 灌装输送线设计过程中，需要通过数字化设计手段，支持灌装输送线布局、输送线参数 输送单元参数等的设计，减少现场安装时的错误，以缩短饮料灌装输送线设计的周期和降 低设计的成本 在灌装输送线设计过程中一般都是设计人员根据车间面积和产能要求凭经验来进行 灌装输送线布局设计，但是只凭经验不能客观的考虑布局设计中的各种影响因素，可能造 成在灌装输送线设计完成后，在生产运行过程中发现灌装输送线的产能和生产平衡能力不 硕士学位论文第一章绪论 能满足设计需求，或是由于对装配过程考虑不当导致装配精度不能满足装配需求，造成现 场装配阶段灌装输送线经常需要局部调整，还有可能在灌装输送线的运行过程中输送线速 度设置不当导致出现饮料瓶倾倒等情况。 1 1 2 研究范围 根据上述可以知道在灌装输送线设计过程中主要有三个问题，不能在布局设计阶段 分析布局方案是否能满足设计需求的满足产能能力和生产平衡能力等；在装配阶段不能 很好的对装配过程进行分析研究保证灌装输送线的合理装配；在灌装输送线运行过程中 不能合理的设置输送线速度等参数。 图l - 2 论文研究范围 本文针对在灌装输送线设计过程中出现的三个问题运用仿真技术进行分析研究，本 文研究范围如图1 2 所示，物流仿真研究的主要是通过对布局设计中影响物流过程的参 数进行提取设置，利用动态的仿真工具分析物流过程，并对物流过程提出优化建议；装 配分析与仿真研究的是主要是部件族之间的装配过程，对装配过程中的部件之间的装配 关系和相关的装配参数进行计算分析，为装配过程提过一个预装配处理，以支持后续的 装配过程；运行仿真研究的主要是对输送线运动过程中会出现的阻碍生产过程的饮料瓶+ 倾倒情况进行分析，提出数字模型，为输送线具体设计过程提供一定的支持。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 研究目标 本文的研究目标主要体现在以下三个方面： 1 ) 面向布局设计的物流仿真：由于布局设计主要是以输送线物流平衡和满足不同饮 料产能为目标、以车间场地和工作站设备产能为约束条件、以各输送段的输送面积和输 送速度为自变量的优化问题。由于对输送不同产品的产能要求和不同工作站设备处理不 同产品的速度，同时要考虑输送过程中不确定性因素等，从而增加了布局设计的难度， 通过建立输送线的物流仿真模型，对输送线布局设计进行仿真，以便在灌装输送线的现 场装配前，能够及早发现灌装输送线设计中可能存在的问题，如产能和堵瓶问题等，从 而实现输送线布局的优化设计。 2 ) 面向结构设计的装配分析与仿真：结构设计主要是从机械本体的角度对布局设计 的结果进行细化，包括部件设计、整线装配设计等。由于组成输送线的零部件大多为标 准件和通用件，结构设计的关键是要消除装配过程可能存在的如装配精度等问题。布局 设计是在部件层建立简化的三维几何模型作为各个模块，用搭积木的方式将各个模块搭 起来，布局设计中用到的布局模型都比较简单，没有和生产中的输送线实物联系起来， 所以需要对搭成的布局进行分析，通过装配分析与仿真对布局设计中用来搭积木的模块 之间的搭起来的关系和参数进行分析，以确保在实际装配过程中灌装输送线依照布局方 案总装起来的过程中不会出现装配不合理问题。 3 ) 面向运动设计的运动分析计算与仿真：输送线主要利用电机和皮带与饮料的摩擦 力来实现饮料的直线运动，以及饮料与挡板的摩擦力来改变饮料的运动方向。由于饮料 输送线过程涉及多个不同速度的输送段，通过对运送过程中的饮料瓶进行力学分析研究， 建立对应的数学模型，通过计算分析来合理地控制速度等参数以防止个别甚至连锁饮料 瓶倾倒现象的出现。 1 2 研究现状 1 2 1 仿真技术的研究现状 仿真是使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响， 该影响是在项目整体的层次上表示的l 。 硕上学位论文第一章绪论 仿真技术广泛应用于产品设计过程中，仿真技术的概念随着发展阶段的不同和应用 方向不同应用的方式也有所变化，仿真技术经历了物理仿真、模拟仿真，混合仿真、数 字仿真和三维可视交互仿真等5 个阶段2 1 1 3 1 4 1 ，仿真技术的出现为生产设计过程提供了有 力的工具。 现在的仿真技术很多都是通过计算机引入外部设备，通过友好的人机界面来支持仿 真过程，有着功能丰富的软硬件环境，为仿真技术打下了很好的基础，在此基础上应用 而发展起来了很多仿真新技术6 】1 7 】i 鲫，比如分布交互、虚拟技术、人工智能、仿真培训 等仿真技术。 仿真技术在制造业中的应用，已经产生了显著的效益，面向产品的仿真、面向制造工 艺和装备的仿真、面向生产管理的仿真、面向企业其它环节的仿真等关键技术在应用中 产生了巨大的效f 9 j 。美国波音7 7 7 飞机【1 0 1 采用了虚拟技术获得了无图纸设计和生产的 成功，是近年来引起科技界、企业界瞩目的一次重大突破】。 在制造企业产品设计和制造的过程中，计算仿真一直是不可缺少的工具，它在减少 损失，节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。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，提出更高的要求。从发展的历程来 看，仿真技术应用的领域空前的扩大 9 1 。 1 2 2 灌装输送线设计研究现状 灌装输送线是一类典型的串行制造系统。一条质量好、技术先进、工艺平面布置合 理的灌装输送线对企业节约生产投资、提高生产效率有着重要的意义【1 2 1 。与国外技术相 比，我国灌装输送线的生产设计上面还存在着不少差距【1 3 】。 一条完整的啤酒灌装生产线主要由主机、输瓶系统，输箱系统和木底板输送系统组 成1 1 4 】，与国外相比还存在以下差别：技术先进性较差；布局方面；备品配件1 1 5 】。灌装生 产线的输瓶系统的流程为：卸垛机一卸箱机一洗瓶机一灌装压盖机一杀菌机一贴标机一 装箱机一码垛机【1 6 1 。在设计过程中，由于缺乏针对灌装输送线布局设计的理论方法，通 常基于设计人员的经验考虑一些基本原则来优化设计结果【1 7 1 。通常灌装输送线布局过程 中主要分为直线式和u 型两种f 18 1 。 虚拟技术等关键技术的应用为提高灌装输送线的设计效率提供了新的思路f 1 9 】 2 0 1 ，通 过灌装输送线的设计需求可以知道输送系统在设计上主要有三个因素2 1 】0 具有专门作 4 硕十学位论文第一章绪论 业能力的机器设备联结各机器设备间的输送装置操作、维护、安装人员的工作素质。 美国的s a i n tl o u i s 大学的r e u v e nrl e v a r y 教授和s t e p h e nfo w e n s 教授【2 2 1 用仿真技 术对食品压缩输送线进行设计和布局优化评估，取得了好的效益。国内对虚拟环境下灌 装输送线的仿真和它的建模方法的研究同样也取得了一些成绩，如：基于面向对象的灌 装输送线三维仿真系统1 4 】、基于仿真的制造系统对象建模及其应用 2 3 1 ，在灌装输送线设 计过程中，仿真技术对设计起着很好的支持作用。 虚拟技术发展越来越快，虚拟制造在建立真实制造系统前，采用计算机仿真来评估 设计与制造活动，以消除设计中的不合理部分。简单地说，它是在计算机上仿真制造全 过程是建模与仿真技术对制造业的全方位改造【2 4 1 。具体地说，虚拟灌装输送线设计是利 用仿真技术在计算机上对灌装输送线进行设计，能够让设计人员直观的观察到灌装输送 线的设计过程，便于对设计过程进行修改，灌装输送线的设计过程主要取决于系统的合 理建模，正确的模型对仿真起着决定的作用 2 5 1 。 1 2 3 物流仿真的研究现状 建立物流系统仿真研究的基本步骤，创建供应链运营参考模型，包括基本的供应链过 程要素、过程性能评价指标和供应链对象模型1 2 6 1 。 当前，国内大多采用建立基于p e t r i 网的网络模型的方式来研究物流系统，吴耀华、 颜永年f 2 7 1 利用物流系统的p e t r i 网模型提出了一种可以将物流系统的物理过程用网状系 统形象地表示出来的建模方法。常发亮、刘长有【2 8 1 根据自动化立体仓库输送系统的相 关数据信息建立了相关调度f 7 题的仿真p e t r i 网模型。李雷峰等【2 9 】【3 0 1 采用分层有色p e t r i 网对物流系统进行了建模，分析研究了宝钢炼钢连铸物流系统。周庆1 3 1 1 通过基于a g e n t 的遗传分层有色p e t r i 网，提出一套建立供应链配送系统动态模型的方法。王卡停3 2 1 从建 模与仿真两个方面对f m s 物流系统进行了研究，使用s h l p n 建模方法对f m s 物流系 统进行了分析。 此外，国内有人还引入了面向对象的离散事件系统的建模和仿真方法。例如，张丹 羽等【3 3 1 通过一种面向对象和基于图形的建模仿真环境的技术解决了f m s 中的模型复杂 性高但重用性差的问题；戴晓明等3 4 】基于面向对象的方法开发了离散事件动态系统仿真 工具d e d ss i m ，该仿真工具采用的窗口建模环境，通过拖放对象模型，在模型之间用 连线方式来表示逻辑关系对对象建模。车立新3 5 1 基于面向对象的方法开发了一个面向先 气 硕- 上学位论文 第一章绪论 进性制造系统的相关物流规划和控制的仿真软件及通用仿真平台。梁敏【3 6 1 建立了交通系 统中车辆的运输时间模型、运输费用模型、运输的安全性评价模型、以及方案评估模型 等，并分析研究可视化仿真模型，提出了对仿真模型的评估方法。 相对来说，国外基本都是用仿真工具对供应链进行规划仿真，很多都是建立相关的 供应链仿真系统来实施规划，如s o u t h a l l 等人【3 7 1 用一个离散事件仿真系统来评价供应链 中一些不确定的数据对供应链管理过程性能的影响。d o b r i l ap e t r o v i c 【3 8 1 1 3 9 1 等开发了一个 特殊的仿真工具s c s i m ，该仿真工具也对供应链管理过程中不确定数据对生产供应链管 理过程性能的影响进行分析。 l o r a n t a t a v a s s z y 等f 删开发了一个决策支持系统s m i l e ，能够预报荷兰在大量 产品和运输量情况下的物流情况。j a nk o s t u r i a k 和m i l a ng r e g o r l 4 1 1 总结了将离散事件仿 真用于复杂物流系统的设计、运作和连续的改进方法。d e r r i e nr j a n s e n 等【4 2 1 开发了一个 用来分析多车厢配送系统的仿真模型。p a s q u a l el e g a t o 和r i n a m m a z z a t 4 3 】提出了集装箱 码头船只到达、停泊和离开等物流活动的一个队列网络模型。 g a m b a r d e l l a 等【4 4 1 、r o b e r ts i g n o r i l e l 4 5 1 、s i m o nj e t a y l o r 4 6 1 和y o n gh a el e e 等m 运 用a g e n t 技术在物流系统和供应链系统中进行计算机仿真，建立了离散模型和连续模型 对供应链和物流系统进行仿真优化，提供了很多有意义的建模方法，同时开发了很多实 用的建模软件。 1 2 4 装配仿真的研究现状 国外对虚拟装配技术的研究起步较早，已经取得了广泛深入的研究和应用，具有代表 性的有华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所n i s t t 4 8 1 合作开发的虚拟装配设计环境 v a d e ，该系统可以在虚拟环境中对装配规划进行评价。美国波音一麦道飞机制造公司【4 9 1 在虚拟制造方面的研究主要集中在飞机的设计、测试。装配等过程中，还能提供飞行员在 虚拟环境的试飞活动。美国m i c h i g a n 大学虚拟现实实验室f 5 们研究的主要是针对虚拟环境的 工业应用情况，比如工程设计中的虚拟原型构筑等。美国伊利诺斯大学芝加哥分校机械系 工业虚拟现实研究所【5 0 l 主要研究与工业制造过程有关联的虚拟现实技术。福特( f o r d ) 和克 莱斯勒( c h r y s l e r ) 公司1 5 0 】与i b m 合作开发了用于开发新型车的虚拟环境。英h e r r i o t w a t 大学机械与化学工程系【5 1 1 开发了一个虚拟装配规划系统u v a v u ，该系统可以进行虚拟装 配规划、获取装配信息，同时可以在虚拟环境中对模型进行变型操作、检测干涉情况。德 6 硕士学位论文第一章绪论 国b m w 公司1 5 2 1 建立了v i r t u a lp r o c e s sw e e k 体系，该系统可以识别语音，通过对系统进行设 置，当系统中模型发生干涉时，系统会自动报警提示。德国工业工程研究所5 3 1 开发的系统 是基于虚拟现实的，通过人体感应在虚拟现实技术中对生产制造进行装配规划，对装配体 的装配和拆卸进行分析研究。日本的n a b e 等【5 4 】开发了机械零部件装配性能和装配过程可 视化的系统，该系统可以支持设计人员在虚拟环境中对装配性能和装配过程进行分析评 估。德国b i e l e f e l d 大学j u n g 等【5 5 】开发了一个基于知识系统管理的虚拟装配系统c o d y ，设 计人员可以通过简单的语音操作和简单的手势来指导产品装配。 和先进国家相比我国在虚拟装配这个领域还是有一定差距，但是也取得了一定的研究 成果。浙江大学c a d & c g 国家重点实验型5 6 1 设计了虚拟装配设计系统v d v a s ，该系统支 持在虚拟设计系统中对不合理的零部件几何参数进行修改，提高零部件的可装配性，同时 也对基于语义的装配设计进行了研究。北京航空航天大学计算机系【5 7 】提供了虚拟现实系 统，该系统具有对应的三维动态数据，可以模拟相应的环境用来支持飞行员的试飞训练。 西北工业大学c a d c a m 国家重点实验室【5 8 】基于s o l i d w o r k s 和c a t i a 软件开发了装配仿真 系统，对装配建模、装配顺序与装配路径等方面进行了研究。清华大学国家c i m s _ t - 程技 术研究中心【5 9 】基于p r o e 开发实现了一个虚拟装配支持系统v a s s ，该系统可在产品设计 阶段基于三维实体模型的试拆卸仿真，生动直观地分析、验证与改善产品的可装配性，进 行产品及其部件的装配工艺规划，生成对实际装配操作具有指导意义的装配工艺文件。 d f a 研究主要是为了研究装配的可行性分析。最早对装配可行性进行分析研究的是美 国i 构i g b o o t h r o y d 和pd e w h u r s t 6 0 1 1 6 ，他们发表了一本面向装配设计的手册。该方法主要是 指导设计人员对装配结构进行分析，通过对零件进行分析来减少零件的种类，通过最少的 零件来对装配，可以减少装配时间，相应的增加了装配的可装配性。另一个典型的d f a 方 法i 扫h i t & u o h i 公司【6 2 1 研制出来的方法，该方法将各种装配操作动作进行归类，最后归为 2 0 类左右动作，并用相应的符号来表示动作，通过对装配过程中动作的分析，将装配过程 中的动作进行分析细化，用符号将这些动作表示出来，这些动作的权重系数不同，通过对 这些评分进行计算，来评价装配模型的可装配性。 此# b y a m a g i w a 6 2 1 和f a z i o 6 3 1 也将装配过程进行分解，从不同的角度对装配过程进行分 析，如装配因素和装配约束等，根据难易度进行评分，从而分析可装配性。 国内对d f a 的研究与国外比也有一定差距，但是也有一定成果。张林煊 6 4 1 提出一种基 硕士学位论文第一章绪论 于广义设计过程的同步d f a 方法。同时针对并行工程环境提出了同步d f a 系统的理论框 架。顾廷权、高国安等f 6 5 】提出一种新的基于功能分析的定量面向装配的设计方法并且给 出分析产品可装配性的模糊评价模型和相关的实验数据分析结果证明了方法的可靠性和 有效性。 在d f a 体系结构方面，姜华、熊光楞等1 6 6 j 从影响产品装配性能的多种因素出发，提出 了面向装配的设计体系结构，论述了面向装配设计方法的关键技术问题，如自顶向下的产 品设计、产品装配结构装配性能分析、数字化预装配、产品装配序列规划、装配公差综合 与分析、机构运动综合与分析。岳建鹏等【6 7 】提出了以装配建模和变量设计为核心，以装 配规划与仿真、装配分析和公差分析与综合等为支撑的广义装配设计的集成框架该框架 能在并行工程的环境下对产品设计进行信息集成和设计过程集成。郑寿森等 6 8 1 在装配体 二叉树模型的基础上，以装配单元为基础提出了可装配性指标体系，提出了经济、生产率 及技术三个评价指标，建立了相应的评价模型、算法及总体框架。宋玉银等【6 9 】贝4 提t p , 用多 重装配连接图表示产品中零件之间的多重装配关系，用模糊连接图中的结点和连接边的模 糊度来模糊评价产品可装配性。对产品装配体，进行自动装配特征识别。冯禹等【7 0 i 通过 神经元网络学习建立了评价模型，依此模型可以对表征产品可装配性的装配时间等指标进 行评价，为优选设计方案和改进设计提供决策支持。 在装配仿真和虚拟装配方面，国内学者也进行了一些探索。张林檀【7 1 1 提出了一种装 配仿真系统，着重介绍了系统的2 个关键技术：装拆运动的1 1 元组表示及变换可实现 装配元件任意运动的模拟，装配路径有效性检查的递进算法能较大程度地提高运算效率。 李原、张涛等【7 2 】提出一种基于操作模型的装配仿真技术，将装配操作、装配工具、装配 夹具等信息集成在一个统一的装配操作模型中。刘振宇、谭建荣等【7 3 1 提出了将虚拟装配 中的产品属性与行为信息分为产品层、特征层、几何拓扑层以及显示层通过产品层次 信息模型中的数据映射与约束映射，实现产品信息的层次间关联。管强等【7 4 】提出了定量 的装配效率模型和装配复杂度指标模型，并从装配成本的角度来评价产品的装配性优劣， 为产品和装配工艺规划的再设计提供了依据。 1 2 5 运动仿真的研究现状 运动仿真一般都是运用软件来进行分析，如p r o e 、u g 和s o l i d w o r k s 等三维软件中 都有相关的运动仿真插件。p r o e 中的一部分是关于运动仿真的，主要是一些基本的运 8 硕士学位论文第一章绪论 动仿真技巧，其实就是比较高级的装配功能。u g 也有自带的运动仿真功能，u g 具有分 析运动轨迹，运动干涉等功能，p r o e 也具有类似的功能。c a t i a 也可以做简单的运动 仿真。 至于比较复杂的运动仿真，就需要用到专门的运动仿真软件。现在比较流行的是 a d a m s 和s i m p a c k 。a d a m s 自带三维建模系统，但是建模相对专业三维软件来讲就 比较麻烦一些；而s i m p a c k 跟其他三维软件( u g ，c a t i a ) 的接i - 1 比较好，可以无错 地直接导入。另外s i m p a c k 对于同样的系统的分析，比a d a m s 所需要的资源更少。 1 3 论文的研究内容和组织结构 本文对灌装输送线设计过程中需要的仿真技术进行了分析研究，具体内容如下： 1 研究在灌装输送线设计过程中支持布局设计的物流仿真，布局设计主要根据生产 车间的实际布局和生产线的设计目标，设计饮料灌装输送线的总体布局，布局中包含各 机器的选型和安装位置，输送线上单道、多道、弯道的数量及长宽等，布局设计是典型 的多约束多目标优化问题，通过设置工作站设备参数、饮料参数、输送线参数和运行参 数等运用物流仿真来分析仿真模型是否能满足布局设计需求，并对设计结果进行优化。 2 研究在灌装输送线设计过程中支持结构设计的装配分析与仿真，结构设计主要是从 机械本体的角度对布局设计的结果进行细化，根据输送线的总体布局，对其进行按段分解， 设计输送线的具体结构以及输送线上的其它标准设备，如电机、传感器等。结构设计中存 在典型的装配问题，通过研究部件族之间的装配过程，分析部件之间的装配关系，并通过 计算来分析相关的装配参数是否能满足装配要求，为装配过程提供一个预装配处理。 3 研究在灌装输送线设计过程中支持运动设计的运动分析计算与仿真，运动设计主要 是考虑在输送线运送饮料瓶的过程中饮料瓶的平稳性等问题，针对饮料瓶输送过程中可能 通过不同速度的输送段或弯道等情况，为了防止饮料瓶倾倒现象的发生，需要对输送线运 动过程中的饮料瓶进行受力分析，以保证饮料瓶在运送过程中的平稳性，运动设计是典型 的稳定性和动力学问题，通过分析研究输送线运动过程中饮料瓶的平稳性等情况，提出数 字模型来解决。 本论文的结构框架如下图所示： 9 硕二卜学位论文 第一章绪论 研 第一章绪论 土 卜 第二章面向灌装输送线设计的仿真技术研究 一一一一一弋r一士一一 第三章第1 ，【i 章 第五章 面向布局设计的面向结构设计的 面向运动设计的 运动分析计算 物流仿真装配分析仿真 与仿真 一一一一一一2 - - i - r 第六章总结与展望 图i - 3 论文框架 l o 硕十学位论文第2 章面向灌装输送线设计的仿真技术研究 第2 章面向灌装输送线设计的仿真技术研究 2 1 引言 灌装输送线的设计过程主要包括布局设计、结构设计和运动设计三个阶段，本章重 点对各阶段的内容及其对仿真的需求进行分析，提出每阶段需要的仿真技术方案，支持 灌装输送线的设计。 2 2 灌装输送线产品设计与仿真 2 2 1 灌装输送线设计 饮料灌装输送线的设计是针对新建饮料生产基地的需求，由于受新建基地车间尺寸 的限制，虽然灌装输送线的布局大致相似( 典型的有“一”字型、“u ”字型和“0 0 ”型的布局) ， 但是在布局的细节上存在着较大的差别，显然饮料灌装输送线设计是一个典型的定制设 计过程。饮料灌装输送线的设计与制造过程如图2 1 所示。 灌装输送线设计过程主要分为灌装输送线设计要求、灌装输送线设计、灌装输送线 制造与现场安装、生产线调试和饮料试产评审验收五部分，具体过程如下： 输送线设计要求主要包括新建饮料生产基地的生产车间布局和饮料生产的产能要 求。 灌装输送线设计主要分为布局设计、结构设计和运动设计三块内容： 1 ) 布局设计：根据车间布局，确定各工作站设备的位置，完成灌装输送线的总体 布局设计；根据产能要求和各工作站设备的产能数据，进行灌装输送线的主参数的设 计( 如生产节拍) ；设计连接两个工作站设备之间的输送单元参数，如长度、宽度、速 度等；灌装输送线缓冲区的设计，包括缓冲区的大小、位置等。 2 ) 结构设计：输送单元结构的设计；对输送线的其它零部件进行设计；根据 布局方案对工作站设备的需求选择相应的工作站设备；对灌装输送线的装配过程进行 设计分析。 3 ) 运动设计：分析饮料瓶在运送过程中的平稳性。 灌装输送线制造与现场安装主要包括灌装输送线零部件的采购与现场安装；输送单 硕上学位论文 第2 章面向灌装输送线设汁的仿真技术研究 元采购与现场安装；缓冲区制造与安装；灌装输送线的现场总装。 生产线调试主要包括对输送单元进行功能调试和集成调试；整条灌装输送线的现场 调试，确定灌装输送线运行的主参数。 一 饮料试产评审验收：建立完整的饮料生产线，对整条灌装输送线进行试生产评审验 收，验收通过后，建立该饮料灌装输送线的设计与制造相关文档。 需 求生产车 饮料产1o 、 设 问夼局能要求 广 输送线设计 计 需求文档 、 7 饮 布 总体稚局灌装输送线葬j 销j 局 设计主参数设计 灌l一、j 设 输送单元参灌装输送线 孤 输送线相关 计 数设计缓冲区设计 输 参数文档 也、送 、一、 蒋) 0 蓑 镒胃l ； 艮 结 输送单元灌装输送线 翁 结构设计零部件设计 计l 7 一 关 构 与输送线还劫 设 工作站设备 圳砒陂档i 戋 选择 装配设计 造。、_ _ j p - - 、, j 殳 计 牛罩 相 输送线总装 运 。 关 设汁幽档 刖八 动饮料瓶一文v 71 设 平稳性分析 档 输送线安装 荭彳 调试文档 j 、一、 1 剧二生丘二 二杠世，1卜 输送线验收 甲1 上号i 。7 乜w j 。j ( 节l n旷 文档 、， 、 系统调试 ny j 。r ：鬲：斗妨 一，*，# 1 、理1 1 l 丑也 饮料试产评审验收 图2 - 1 灌装输送线的设计与制造大致过程 ( 1 ) 布局设计：在灌装输送线设计过程中，根据车间布局等情况完成的总体布局设 计在灌装输送线设计过程中处于上游位置，好的布局设计才能引导灌装输送线良好的设 计过程，但是现有的布局方案大多都是根据设计人员的经验来规划设计的，对灌装输送 线运行的主参数也都是凭主观经验来设置的，不能准确的判断设计结果是否满足灌装输 送线产能要求和生产平衡性，同样的对灌装输送线的输送单元的长宽和速度等参数的设 1 2 硕士学位论文第2 章面向灌装输送线设计的仿真技术研究 置也缺乏有效的指导。 ( 2 ) 结构设计：在对灌装输送线的零部件进行规划设计时，缺乏对部件之间的装配 过程的分析；不能有效的分析部件之间的装配精度和装配合理性，导致在现场安装过程 中需要不断的进行局部调整，还可能造成灌装输送线在以后的生产运行过程中出现不稳 定的情况。 ( 3 ) 运动设计：在灌装输送线装配完成后的运动设计中，缺乏对运送过程中的饮料 瓶的力学模型分析，不能合理的设置运送速度等参数。 2 2 2 支持灌装输送线设计的仿真 上述灌装输送线设计中出现的问题都比较复杂，需要利用仿真技术来进行支持，仿 真系统针对灌装输送线设计过程中的各个阶段提出优化设计模块，分别对每个设计阶段 进行分析研究，然后提出优化建议。 ( 1 ) 支持布局设计的仿真：灌装输送线的布局设计是整条灌装输送线设计过程的开 始，也是关键的一步，如果灌装输送线的布局设计合理正确，能保证生产线的产能要求 以及在生产运行过程中的运行正常，那么后续的设计工作就不用来回更改，对保证灌装 输送线的合理设计有很大的意义。但是由于在布局设计过程中需要考虑很多约束，设计 人员一般都是通过对以前的布局方案进行适当的修改，然后根据设计经验来判断布局设 计是否能满足设计需求，这样设计出来的灌装输送线在现场装配阶段很可能需要做局部 的修改和调整，所以在布局设计后需要对应的仿真模块对布局方案进行可行性支持，通 过仿真模块的分析计算，判断布局设计是否满足生产性能要求，并对仿真结果进行分析 用来指导布局设计优化。 ( 2 ) 支持结构设计的仿真：在饮料灌装输送线设计过程中，虽然在灌装输送线零部 件结构设计方面在一定程度上运用了商品化三维c a d 软件s o l i d w o r k s ，由于饮料灌装 输送线产品比较复杂，涉及的零部件非常多，灌装输送线零部件的参数，零部件之间的 装配关系以及灌装输送线运动情形的参数等数据众多而繁杂，缺乏相应的信息化管理， 现在主要的设计过程都是依靠设计人员根据和以前结构设计的方案结果进行对比来进 行，这样就不能保证灌装输送线的部件结构是否能满足装配要求，会不会在装配过程中 发生错误。 ( 3 ) 支持运动设计的仿真：现在的灌装输送线一般都是高速运送饮料瓶，对于每一 1 3 硕：学位论文 第2 章面向灌装输送线设计的仿真技术研究 段的速度设置等也应该具有相应的数学模型来进行分析计算，如果饮料瓶在运送过程中 由于速度的原因导致倾倒现象的发生，会造成饮料瓶在输送线上堵塞，不仅需要工作人 员浪费时间来处理，也会影响饮料的生产计划，所以需要保证饮料瓶在运送过程中的平 稳性。 仿真系统是以灌装输送线设计系统为基础的，一方面仿真系统是以灌装输送线的设 计结果和参数为基础，另一方面模拟仿真的结果和参数为灌装输送线的设计提供优化方 向，二者的有机结合构成了灌装输送线设计完整的解决方案。通过仿真系统可以有效的 支持灌装输送线设计过程。 2 3 基于仿真的灌装输送线优化