基于數(shù)字規(guī)劃驗證的數(shù)字化工廠技術研究與應用.pdf

1、在計算機技術日新月異飛速發(fā)展下，計算機集成制造、并行工程、虛擬制造、敏捷制造、協(xié)同網(wǎng)絡制造、數(shù)字化制造等新技術、新思想、新模式、新哲理應運而生。制造企業(yè)面臨諸多挑戰(zhàn)，隨著產(chǎn)品日益復雜性，裝配設計規(guī)劃與復雜制造系統(tǒng)優(yōu)化日益困難，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計和制造方法已經(jīng)很難滿足企業(yè)當前生存和發(fā)展的需要。建模與仿真技術的飛速發(fā)展，給復雜系統(tǒng)的設計與分析帶來的巨大幫助，是解決制造領域規(guī)劃與優(yōu)化問題的一種有效的途徑。企業(yè)為了能在激烈的市場競爭中處

2、于有利位置，實現(xiàn)產(chǎn)品設計與制造的數(shù)字化勢在必行。本文以中德政府合作項目為背景，研究了數(shù)字化工廠相關理論與技術、數(shù)字化制造系統(tǒng)建模與仿真理論、數(shù)字規(guī)劃驗證理論與技術；應用智能理論與數(shù)字化仿真技術相結合的方法，研究解決數(shù)字裝配工藝規(guī)劃中的裝配序列規(guī)劃與優(yōu)化問題，解決制造系統(tǒng)中的裝配生產(chǎn)線平衡規(guī)劃與優(yōu)化問題；建立了數(shù)字化預裝配體系和面向生產(chǎn)工程的數(shù)字化工廠規(guī)劃與優(yōu)化的集成體系。主要的研究內容如下。首先對數(shù)字化制造與數(shù)字化工廠系

3、統(tǒng)的理論、概念、關鍵技術做了闡述。數(shù)字化制造是實際制造過程在計算機上的實現(xiàn)，即采用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術，對產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、加工制造等進行統(tǒng)一建模。數(shù)字化工廠是數(shù)字制造系統(tǒng)中關鍵環(huán)節(jié)之一，是在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)制造過程進行規(guī)劃、仿真、評估和優(yōu)化的新型生產(chǎn)組織方式，它是在數(shù)字空間中將生產(chǎn)制造過程壓縮和提前，使生產(chǎn)制造過程在數(shù)字空間中得以驗證。虛擬制造是數(shù)字化工廠的基礎，數(shù)字化工廠是虛擬制造發(fā)展的必然結果，是對虛

4、擬制造在更高層次上的深化和統(tǒng)一?；诓⑿泄こ痰臄?shù)字規(guī)劃驗證是實現(xiàn)數(shù)字化制造的關鍵技術。本文在分析了產(chǎn)品可制造性和可裝配性的基礎上，研究數(shù)字規(guī)劃驗證的步驟方法和關鍵技術，提出了數(shù)字規(guī)劃與驗證體系總體框架，分析數(shù)字化工藝與生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化的工作流程。數(shù)字規(guī)劃與驗證方法在產(chǎn)品的設計階段就可以開始進行生產(chǎn)線的設計規(guī)劃，對裝配過程進行優(yōu)化仿真和工藝驗證，有助于達到虛擬制造系統(tǒng)全局優(yōu)化的目的。數(shù)字化制造系統(tǒng)的建模和仿真是數(shù)字規(guī)劃驗證

5、的關鍵支撐技術。本文研究了數(shù)字化制造系統(tǒng)建模的層次結構，建立了面向生產(chǎn)工程的數(shù)字化制造建模、規(guī)劃與優(yōu)化評價的體系；分析制造系統(tǒng)面向對象的仿真建?？蚣芎蛯崿F(xiàn)方法，應用面向對象仿真建模方法建立生產(chǎn)系統(tǒng)模型，利用仿真技術對生產(chǎn)系統(tǒng)的運行的性能進行分析與評價，因此，可以在生產(chǎn)計劃的早期，優(yōu)化生產(chǎn)過程、提高生產(chǎn)效率。數(shù)字工藝規(guī)劃與數(shù)字生產(chǎn)規(guī)劃是數(shù)字制造規(guī)劃驗證體系中的核心內容。DFA結合數(shù)字化預裝配技術是實現(xiàn)數(shù)字裝配工藝規(guī)劃與優(yōu)化驗

6、證的有效方法，本文提出數(shù)字化預裝配系統(tǒng)的體系結構，闡述了系統(tǒng)運行的工作流程，在并行設計模式下，展開產(chǎn)品裝配建模、裝配工藝規(guī)劃和裝配過程仿真，為數(shù)字化制造系統(tǒng)中工藝規(guī)劃與優(yōu)化的實現(xiàn)提供合理的運作模式。在數(shù)字化產(chǎn)品的裝配建模基礎上，建立了基于裝配關系結的裝配聯(lián)系圖模型和基于共享零件的規(guī)劃結構層次樹模型，采用虛擬現(xiàn)實技術和智能規(guī)劃方法相結合的方法，基于蟻群優(yōu)化算法，進行裝配序列的自動規(guī)劃與優(yōu)化，得到優(yōu)化的產(chǎn)品裝配序列方案，并通過

7、虛擬裝配過程仿真進行裝配路徑的有效性檢驗和裝配干涉檢驗，驗證產(chǎn)品的可裝配性和驗證裝配工藝規(guī)劃。裝配工藝規(guī)劃是裝配生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃的基礎，裝配系統(tǒng)規(guī)劃是工藝規(guī)劃的實現(xiàn)，兩者是動態(tài)集成的完整體系。數(shù)字化工廠系統(tǒng)是基于模型和仿真的系統(tǒng)，以面向對象的仿真建模為支撐，以優(yōu)化評價為目標，是實現(xiàn)數(shù)字生產(chǎn)規(guī)劃與優(yōu)化的關鍵技術。本文建立了數(shù)字化工廠規(guī)劃與仿真的集成體系，建立裝配生產(chǎn)線規(guī)劃系統(tǒng)框架，以產(chǎn)品零部件裝配順序為輸入，以裝配生產(chǎn)線平衡為目標

8、，建立了裝配生產(chǎn)線平衡規(guī)劃的數(shù)學模型，基于可行作業(yè)序列的遺傳算法求解裝配生產(chǎn)線平衡工位規(guī)劃問題獲得作業(yè)平衡靜態(tài)優(yōu)化解。同時，建立生產(chǎn)線的動態(tài)仿真模型，進行動態(tài)仿真分析驗證，獲得優(yōu)化的裝配生產(chǎn)線設計規(guī)劃方案。最后將研究成果和技術應用到數(shù)字化汽車總裝規(guī)劃課題項目中，并開發(fā)出數(shù)字化工廠原型系統(tǒng)。關鍵詞：數(shù)字化制造，數(shù)字化工廠，數(shù)字規(guī)劃驗證，規(guī)劃與仿真，面向裝配的設計DFA，數(shù)字化預裝配，裝配序列規(guī)劃，生產(chǎn)線平衡規(guī)劃，蟻群算法，遺傳