计算机仿真制造业（精选9篇）
计算机仿真制造业 篇1
计算机仿真技术是指通过利用应用程序对问题进行分析和处理的一种实用技术。其主要特点是效率高、安全性高以及性能强大等,目前已成为系统分析和评估等使用的重要技术之一。在其发展的过程中,大致经历了3个时期,即早期的模拟仿真、后来的混合仿真、逐渐完善的数字仿真阶段。随着社会的发展,计算机仿真技术已逐步运用到社会生产的各个领域,在一定程度上促进了企业产品的制造,进而提升其经济实力和竞争能力。
1 机械仿真技术对包装机械设计制造的作用
仿真技术也叫作虚拟样机技术,设计者通过相关的应用程序在电脑终端设立模型,通过对各类非静态性的系数进行分析以实现设计方案的优化和完善,其优势是操作更为便捷,不需要制造事物产品即可完成,实现了用新兴技术代替传统的实验方式的转变,为生产制造业提供了技术支持和发展的推动力。在当前的包装机械设计制造行业中,为及时高效地处理产品生产中的方案设计、研究以及进行实验等多方面的问题,大都需在电脑终端设定相关系统的仿真模拟造型,通过仿真模型对实际运用的主体进行试验。
在系统开发和方案设计的初级阶段,相关工作人员只需利用辅助程序设计并建立多种类型的模拟样机,即可对实际中的或正在研发的系统进行分析或实验,其用于监管和改进的相关应用的操作也十分简单。新型仿真技术的运用除了能够帮助提升机械装备开发研究的质量,同时还能在很大程度上降低产品制造成本和缩短产品开发生产周期,进而提升企业的经济效益。
2 包装机械设计制造中计算仿真技术的应用
2.1 齿轮设计
在包装机械制造中,齿轮是最为主要也是最为基础的组成零件,因此对其在制作过程中计算机仿真技术的运用的研究是非常有实际意义的。例如,运用Visual Lisp语言就可从几何角度对齿轮设计提供研究辅助,其主要研究齿轮任一平面的齿轮形状的模型建立和仿真传动的设计。齿轮泵的齿轮开发研究中也在一定程度上依靠计算机仿真技术的支持。另外,圆弧针齿行星转动的动力学研究也可以利用该技术,仿真技术在其中的应用主要是对模拟造型进行监测和实验,以确认和审核新型设计方案的实用性和是否有技术技术性问题存在,为提高传动设备的实用性和性能提供了技术理念和数据分析的支持。在电脑终端实现对制造参数的多次修改和确认,保障设计的样品可直接运用到企业制造或生产的过程中,这也是齿轮设计的关键发展趋势之一。
2.2 机械结构设计
一般来说,机械产品的组装要求都较高,涉及的零部件较多。为保证已经完成制定的工艺活动能够顺利实现,在对新产品进行开发和研究的过程中,机械产品的相关机构是否能够正常地完成事先设定的动作,机构相互之间的运动能否实现合理配合,机构之间有无互相影响或干涉的部分存在以及如何确定各类的机构融合形式或设计方案来更好地适应设计指标等等,这种种难题和麻烦都需要通过计算机仿真技术的应用来实现有效解决。
通常规模较大的立体机械设计程序都会自动准备一个机构仿真的功能运用,在模拟条件下设计完成的装配体能够实现对机构的运动轨迹和方式进行虚拟演示,这种应用程序大多较为直观和便捷。同时,这类应用程序根据装配的数值进行自动机构数据的运算,并且智能添加相关的附加设备,例如弹簧和运动发生器等。若要实现运动学的仿真,对主运动构件进行设定即可,还能实现多方位的观察和监测,应用程序还可同时对产生干扰的程序进行检测,以帮助设计者进行检验和审核。
2.3 复杂数值计算
新型技术的应用使得大多数计算程序繁杂的分析更加简单明了、计算难度降低,从而降低了计算的时间成本,规避了无意义的、水平较低的人力耗费,使得计算效率更高、速度更快以及精确度更高,在新产品的开发和研究设计的方面发挥了巨大作用。
机械产品研发程序大多是从理论设计开始,到接下来的廓形设计、细节设计、实验、细节修改到再次实验的循环过程,直到产品达到相关的生产标准,其中仿真技术的运用帮助产品研发和设计,在最大程度上降低了财力成本和时间成本的耗费。对包装产品的动力学虚拟样机进行技术分析,能够获取产品构造的强度应力、运动状态以及其他相关参数,通过对相关数值的运算和研究可以发现其中的潜在风险和质量问题等,从而提高其开发和生产效率。
2.4 机械设计制造及自动化
计算机技术的运用主要体现在计算机虚拟技术和仿真技术的运用方面。例如借助计算机技术实现各类大型电子设备被开发并投入使用。计算机使机械设计制造的精确度不断提升,促进了我国计算机工业化的发展,并使得集成电路的集成效率和水平得到有效提升,其存储器的空间也在逐渐扩大。机械设计制造及自动化的程序较为繁杂,计算机技术的程序优势使得其在机械设计行业中拥有重要的地位和作用。在机械设计过程中,涉及的复杂的设计图纸的绘制,需要计算机的有效辅助,例如CAD,CAM等绘图程序能够有效帮助降低绘图的复杂程度,进而提高绘图效率。
计算机仿真技术是可视技术和虚拟技术不断改进的结果。仿真程序对仿真对象建立数学模型,将实际仿真对象的相关数据和参数信息较为全面、详细并客观地表现出来。随后通过计算机技术分析,既能提高仿真对象的实用性能,又能在改进的过程中对相关程序进行简化,降低操作难度。另外,仿真技术将实际与虚拟模拟有效结合,对相关大型机械设计制造进行仿真模拟,能够促使机械制造的质量和效果得到有效提升。
3 包装机械设计制造中计算仿真技术应用实例
文章以自动包装秤的计算机建模以及自动化系统为应用实例。
自动包装秤大致可分为称重部分和包装部分。首先建立自动包装秤立体模型以及自动包装秤的零件建模。主要包括下料组件、称重组件、包装组件以及秤架。下料组件中的部分零件可通过建立二维图形,再借助三维建模中的多种工具完成创造。称重组件的设计是通过在曲面设计模块中建立旋转面,再将零件模块增厚后封闭曲面形成实体,而后进行编辑形成。接着进行自动包装秤的零部件配置。整体的模型建立需零部件的完整组成,装配实际上就是在零件之间增加约束力,以对其相对位置关系产生限制。使用操作辅助工具,选择在不同的坐标轴和平面内移动,使得零部件的位置基本与实际的机型相似。通过约束工具,选择零部件的点、线、面施加相合或接触、固定等约束力,对零部件进行精准的位置确定,到此才完成了零部件的装配。所有的装配完成之后,就形成了自动包装秤的各个结构的模型。
模拟制造大致可划分为以设计为重点的模拟制造和以生产为重点的模拟制造。前者主要通过将产品设计理念渗透到整体设计过程中的方式,实现虚拟技术产品设计方面的优化和完善,进而通过电脑终端生成立体模拟样机。因此,在实际的设计环节,就可对涉及的零部件和产品整体进行实用性的分析。而后者是在产品生产过程中使用模型建立,据此对生产过程进行优化和完善,以快速完成对生产方案的评估。其基本目的是对产品投入生产的可行性进行评估,使得产品可生产性评估达到极高的水准,可实现“无缝”虚拟,促使产品在实际制造时不断优化和改进。
将计算机仿真技术运用于自动化系统大致可分为以下步骤:第一,建立模型。仿真模型的建立是包含于自动化系统之中的,能够实现对实际系统运行的模拟。其基础的仿真设备的制作参数由实际的自动化系统的参数决定,在建模过程中,应对数据和实时状态有精确的把握,以建立完善的监测体系,保证数据的及时性。第二,程序编写。其主要依据仍旧是实际的数据和已经确立的仿真模型,坚持以实际系统的数据为主要参数的基本原则,以保证程序编写的科学性和合理性。第三,建立模拟系统。在完成基本的模型建立和程序编写之后,即可进行模拟系统的建立。模拟系统的建立要求按照相关的实际参数和运行的准确数据进行。同时,模拟系统不仅要对实际自动化系统的运行进行仿真,还能实现对实际数据的有效模拟,并且能够将实际体现的参数和数据进行及时调整。第四,检验结果。对已经完成的仿真系统需进行仔细分析,并对模拟系统的运算结果进行适当优化。对结果的检验是整个模拟过程的最后一步,也是最容易被忽视的一步。其对模拟过程中所反馈的各项数据进行分析和研究,对部分出现误差的数据进行适当调整,进而实现整个模拟自动化系统的优化。
4 结语
计算机仿真技术的综合性较强,其不仅能够对包装机械产品的设计效果进行检验,还能够在产品设计过程中提供理论和技术指导,在理念设计环节就能对产品构成进行优化和完善,从而保障产品能顺利投入生产,并提高其性能和实用性。在机械制造及自动化领域以及音响技术的研发等行业,计算机仿真技术都发挥了极为重要的作用。同时,虚拟技术缩短了产品的研发和设计周期,一定程度上减少了其设计和实验耗费的时间,并降低了整个产品开发和制造的成本,进而提升企业的经济效益。
摘要：在现代包装行业中,包装机械是最为基础的设备,也是商品制造过程中不可缺少的重要装备之一。伴随着新型计算机技术的应用,其功能和作用逐步完善,产品的类型也日益增多。随着国民经济的不断发展,社会大众对产品的制造质量、种类等要求也越来越高。行业竞争日益激烈,要求制造厂商必须在保证产品质量的同时,尽量减少产品开发时间。笔者简要阐述了机械仿真技术对包装机械设计制造的作用以及包装机械制造中仿真技术的运用,包括齿轮设计、机械结构设计和复杂数值计算等,最后举出相关应用实例。
关键词：包装机械设计,计算机仿真技术,运用
参考文献
[1]何楠.机械设计制造及其自动化中计算机技术的应用分析[J].山东工业技术,2016(7):148-149.
[2]徐宁.基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用[J].塑料工业,2016(3):97-99,118.
[3]王利东.机械设计制造及其自动化中计算机技术的应用分析[J].科技展望,2015(18):74.
[4]戴宏民等.面向安全卫生壁垒的食品包装机械设计技术[J].包装工程,2012(9):135-138.
计算机仿真制造业 篇2
主要论述了系统仿真技术在航空制造领域中的应用.通过利用系统仿真软件模拟飞机引擎涡轮叶片制造工厂的现有及未来的生产过程.并比较两个系统的.生产绩效,如年产量及生产过程库存水平、机器使用率、劳动力利用率,来评价这一未来的生产系统.
作 者：牛少芬 曲文卿 Benny Tjahjono Niu Shaofan Qu Wenqing Benny Tjahjono 作者单位：牛少芬,曲文卿,Niu Shaofan,Qu Wenqing(北京航空航天大学)
Benny Tjahjono,Benny Tjahjono(英国克兰菲尔德大学)
计算机仿真制造业 篇3
“软件产品由微观到系统逐级铺开”是MSC Software多年的发展战略，MSC Software希望构建一套以材料分析为基础，从工艺仿真、部件仿真，再到装配仿真，最终实现全系统联合仿真的完整产品体系。陈扬博士认为，“从材料微观结构到系统协同仿真”的模式正是把握了《中国制造2025））提出的发展战略，紧随《中国制造2025》的趋势，从多方面帮助中国制造企业在新形势下实现新突破。
大力推动新材料仿真技术的发展
新材料领域是《中国制造2025））中要求大力推动突破发展的十个重点领域之一。通过利用复合材料替代金属，实现材料轻量化、节能减排是新材料研究的主要目的。然而新型复合材料与金属不同，它性质复杂，很多材料内部纤维构成在不同的工艺情况下都有所不同，因此以材料结构为基础，预测材料的特性成为新材料研发中的重要一环。
以改性塑料为例，改性塑料是目前应用最广、用量最大的一类广义复合材料，主要用于电子电器和汽车内外饰结构等。改性塑料部件结构分析面临的主要问题有4个方面：首先，塑料产品大多为薄壁壳体结构。需要先对实体CAD模型抽取中面，之后在中面网格上进行仿真计算。其次，纤维的分布受到注塑过程的影响，因此在结构空间上存在明显的不均匀性各向异性。且塑料材料特性随时间、频率和温度变化而变化。再次，工艺仿真与结构有限元计算通常是在不同的网格模型上进行的，为了在结构有限元计算中考虑局部纤维排向影响，势必需要将纤维方向张量数据在不同网格之间传递。最后，在进行结构有限元计算时，局部材料刚度需要被分别计算出来，考虑到刚度随载荷状态和时间的变化（材料非线性），材料刚度的计算需要被嵌套进结构有限元计算的每一个增量步中。
在这种情况下，需要根据原材料特性和材料微观结构预测其宏观性能，并与结构有限元和工艺仿真相结合，提高结构分析精度。“考虑成型工艺影响的改性塑料部件结构分析方法，就是针对改性塑料部件的特殊技术。”陈扬博士介绍说，MSC Software针对复合材料分析问题，专门收购了业内知名企业eXstream公司的Digimat软件。利用MSC Apex、Digimat、MSC lYTastran及Marc等非线性软件的组合，可以快速抽取薄壁结构CAD中面（MSCAPEX），创建改性塑料非线性各向异性材料模型，还能考虑注塑工艺对纤维分布不均匀性的影响，并综合诸多因素（Digimat），很好地解决了复合材料的强度、NTVH和冲击等结构分析（MSC Nastran、Marc、Dytran及其他非线性软件）过程中遇到的问题。
大量的物理试验证明，通过传统方法测试所得到的预报中损伤破坏要比Digimat的结果轻微得多，对材料的非线性和失效考虑严重不足，将导致对产品强度的过高估计。而Digimat提倡的方法与实验结果相比，误差可以控制在10%以内。
智能设计+智能工艺
在推广智能设计的同时，《中国制造2025》还重点提到了对制造过程智能化的建设。通过在重点领域试点建设智能工厂、数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理和增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制以及状态信息实时监测和自适应控制。
在工艺仿真方面，金属加工工艺仿真软件Simufact为关键共性基础工艺研究，开展先进成型和加工等关键制造工艺联合攻关提供了帮助。Simufact可以模拟的工艺场景包括：辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、摆碾、径向锻造、开坯锻、剪切/强力旋压、挤压、镦锻、自由锻、温锻、锤锻、多向模锻及板管的液压涨形等。同时，Simufact还具有模具应力分析、热处理工艺仿真、材料微观组织仿真和焊接仿真等专业的配套模块。以焊接仿真为例，在仿真过程中，Simufact可以省去焊缝、焊条和部件之间网格匹配的过程，在仿真开始以后，根据应变情况自动改变，并能够把焊接过程中的参数直接代入到装配环节，使仿真贯通产品的生产环节。Simufact根据欧美主要OEM厂商的要求，成功地弥补了已有工具软件的不足，大大增强了软件的易学、易用性，使设计工程师、工艺工程师也能方便地利用仿真技术。
联合仿真与协同系统建设
汽车的关门过程具有时间短、频率带宽并伴有高度非线性冲击和噪声的特点。研究认为以下会引起关门声质的不良效果：响度太大、尖锐度太高、鸣铃和异响，门锁的抨击不光会导致太大的响度，也会引起尖叫，在设计中应该尽量减小和避免。除了关门冲击引起的门结构振动以外，其他许多因素也直接影响关门声质。例如：门结构的重量，密封条（吸收能量，衰减高频振动），漏气孔的大小、位置分布，门锁的机构等。优化汽车关门过程的仿真实验，需要设计多个物理条件的耦合，形成了一个全面的联合仿真应用实例。
陈杨博士介绍说，利用MSC Software联合仿真技术描述具有高度非线性的关门过程，并建立虚拟样机，可以直接把联合仿真的输出结果转换成用于关门声质的趋势性客观评价。基于联合仿真结果建立的关门声质评价系统，在物理样机制作之前就能进行趋势性的声质评价和改进，节省了大量的实验费用和时间。
陈扬博士认为，近年来CAE业界已经从基于频域的稳态噪声分析进化到基于时域的分析，且需要考虑非线性瞬态因素的声质评价和改善。以声学和噪声分析软件Actran为中心，利用MSC Nastran、Adams和Marc等主要产品的联合仿真，在车门的关门声质评价、发动机活塞冲击噪声分析等各种瞬态非线性噪声分析，以及含有非线性弹簧、衬套及齿轮接触等的悬架系统、动力系统和传动系统设计开发中，实现了对飞机、汽车油箱晃动问题的重要突破。
仿真数据和流程管理
在企业中建立协同管理平台，是实现信息化融合的重要途径，可以帮助企业更好地管理数据，积累知识。随着企业规模的扩大，数据与流程管理过程中的问题日益凸显。
不同工程师的建模方法不一样，可能造成分析载荷、约束条件等各项工作流程的不同，分析流程不统一，就有可能导致结果出现偏差；在分析优化后进入设计改型阶段，又会遇到图样版本不统一、仿真结果跟不上实验结果等问题；设计完成以后，数据的存储与管理也会发生状况，在庞大的系统中，数据遍布各个角落，仿真分析涉及大量数据内容，管理不当很容易造成数据丢失。
建立统一的数据与流程管理平台，实现系统级的协同仿真，对于企业信息化建设至关重要。以信息化支撑产品研发和管理，也是MSC产品战略的重要部分。基于SimManager的仿真流程、数据管理系统可以对虚拟产品研发过程中的仿真数据和流程进行管理，提高虚拟产品研发的效率和产品研发的质量。陈杨博士指出，建设信息化管理平台对于企业来说十分重要，但在建设过程中，切忌盲目“发力”，应该先切实做好CAE的数据、路程管理系统，再与企业的PLM系统整合，一步一步地把信息化建设的路走实。
此外，基于MSC Software全新的部件计算技术的新一代仿真平台MSC Apex也在加速发展。自2014年发布第一版本以来，已有4个版本更新，并将于2016年初再次发布最新版本。MSC Apex自推出以来，已在全球范围内取得了众多成功应用案例，陈扬表示：“MSC Apex将会以平台化和系统化为主要发展方向，逐步增强功能，成为更加完善的CAE软件，目前它还很年轻，但很有潜力。”
PCB可制造性设计与仿真 篇4
印制电路板(PCB)是电子产品中最重要的部件之一,如何在有效的时间内快速、高效的设计出高质量PCB,是一个值得研究的课题。
由于PCB设计的可制造性问题,在生产现场通常会出现以下问题:
(1)PCB的布局不当使得难以装配,封装错误引起焊接不良,布线不当引起短路或开路,丝印覆盖焊盘引起虚焊;PCB设计数据与实际元器件清单不符合,导致焊接错误。
(2)元器件在选型时对可替代品没有评估、对比,选用器件不是最佳应用器件,影响了产品性能和质量。
据电子行业统计,电子产品的制造成本75%是由设计阶段决定的,而设计阶段成本占总成本的3%~10%,其对整个产品的制造成本的影响,则需要按10倍原则来考虑。
因此,设计问题必须在 前期彻底 解决。设计PCB时,不但要考虑产品功能、电气性能,而且要考虑可制造性要求,从而缩短研发周期,否则会影响单板的可靠性和系统稳定性,多次返工将会增加研发成本,延长开发周期[1,2]。
1可制造性分析内容
可制造性设计(DFM)不同于传统的设计方法, 它是生产工艺质量的保证,为产品设计制造提供了一种全新的理念。它从产品设计开始,考虑其可制造性,使设计和制造之间紧密联系,相互影响,从设计到制造一次成功。
PCB的可制造性设计是指板级电路模块面向制造的设计技术,旨在开展高密度、高精度板级电路模块的组装设计、制造系统资源能力与状态的约束性分析,最终形成支持开发人员对电路模块的可制造性设计标准及指导性规范[3,4]。
可制造性分析的内容如下:
(1)装配
解决独特的组装问题,例如:元件的间隙分析, 基准点的分析,测试点的分析,电路板外沿的元件分布分析。运用可制造性软件可以进行190多项,共5个方面的检查:基准点分析、元件分析、焊盘分析、测试点分析、焊膏分析。使用交互式校验表、结果浏览方式、柱状图、局部放大图等方式协助工程师快捷地找到结果。
(2)网络
与电路网表相比后提供一个稳妥、完整的电路, 根据PCB上的物理连接关系快速提取网络表,与CAD系统中逻辑连线相比较后找到不匹配项,如开路或短路。
(3)光板
基于行业印制电路板厂商的加工能力,按加工精度级别分析PCB光板的可制造性。运用可制造性软件涵盖190余项共5个方面内容分析:信号层分析、电源及接地层分析、丝印层分析、阻焊层分析及钻孔层分析。
2可制造性设计的实施步骤
PCB可制造性设计的实施步骤如下:
(1)通过规则管理器建立应用所需的不同规则,以模板的方式保存在系统中[5]。
应当遵循以下一般规范:IPC-SM-782表面贴装设计与焊盘结构标准、IPC-A-610C电子组装件验收条件、IPC-7525模板设计指南、IPC-TM-650试验方法手册、印制电路板制造规范、4-12mil相关规范。
(2)获取元器件清单,建立应用所需的所有元器件三维模型库,可通过供应商协助获取、缺省封装库对应以及 通过库编 辑器自行 编辑这三 种方式实现。
(3)获取设计软件的PCB电子文档及BOM表,通过软件EDA接口读入Trilogy5000系统,将BOM表与企业物料表对应,链接相应元器件库。
(4)板图浏览,可人工分层观察PCB上每个部分。
(5)板图三维视图浏览,预知高度分配,调整布局,避免干涉,如图1所示。
(6)装配分析、网络分析、光板分析。
(7)分析报告输出,审查员挑选检查出来的问题,汇总成相关报告,系统自动生成HTML格式的审查报告。
(8)设计图交由设计人员更改,再审查;通过的设计转交生产加工。
3应用实例分析
图2所示为某电路的PCB图,利用可制造性软件对其进行可制造性分析。
图3和图4分别为PCB正反面三维图。观察虚拟装配完毕的电路板三维视图,可以快速且真实地评估装配组件布局是否满足设计要求,在装配的前期更早地发现设计不合理部分,配合DFM工具实现生产前的快速准确的工程决策[6]。
通过可制造性软件进行分析,共发现69个不规范之处,将其归结成19类不合规则的问题,而涉及PCB在三维方向的问题如下:
(1)裸露铜到绿油下的铜之间的边沿间距太小,易短路。
(2)隔热盘的开口宽度太小,接地性能差。
(3)隔热盘的开口被阻住部分所占百分比太大,接地性能差。
(4)丝印到阻焊的间距太小。
(5)丝印到焊盘的间距太小。
(6)丝印到过孔的边沿间距太小。
(7)器件到器件的间距太近。
(8)器件与丝印太近。
(9)器件到裸露过孔的间距太小,易桥连。
(10)引脚与焊盘的宽度差异(大焊盘—小引脚)太小。
(11)引脚与焊盘或过孔的直径差异(大焊盘或过孔—小引脚)太小。
(12)引脚接触到绿油。
按照分析报告的内容,对不符合可制造性设计的地方进行了相应修改,修改前后的对比图如图5至图8所示。
(a)修改前导线宽28mil(b)修改后导线宽15~20mil
图5中,修改前导线过宽容易与周围的焊盘形成短路风险,修改后导线与焊盘之间的间距适当。
(a)修改前孔线间距8mil(b)修改后孔线间距20mil
图6中,修改前导线与焊盘之间的距离太近,修改后导线与焊盘之间的间距适当。
(a)修改前(b)修改后
图7中,修改前器件XP1到器件C44的间距太近,修改后器件之间的间距适当。
(a)修改前(b)修改后
图8中,修改前的器件到过孔的导线易断裂、易桥连,修改后的器件到过孔的导线适当。
另外,对于个别不规范的地方,由于电路板面积的局限,暂时无法作大规模的修改,在适当放宽条件的情况下,这是允许的,不会对PCB可制造性造成较大的影响。修改后的PCB图如图9所示。
观察修改后的电路板三维图如图10和图11所示。
通过可制造性分析并修改后的电路板,元器件布局合理,高度适当,能够满足设计要求。
4工作可行性分析
PCB可制造性技术研究基于现有的EDA软件系统的PCB数据,结合后续生产(PCB制造、光板质量检测、元器件装配、实装板测试)的工艺要求以及生产、装配、检测设备的加工参数,在设计阶段融入制造规则,对设计数据按工艺规则进行定性和定量分析检查。
为了便于开展PCB可制造性分析工作,应当开展如下管理措施:
(1)规范设计部门EDA软件,确认种类,版本。
(2)收集外协单位,如PCB制造厂、电装车间、测试部门的所有设备参数,确定加工能力,提取定量信息。结合IPC规范模板,建立符合自身特点的工艺审查规范并录入系统。
(3)从设计及物资部门收集PCB设计制造所用的元器件信息并录入系统,在适当的条件下,元器件的三维模型信息可以录入系统中[7]。
(4)在EDA部门指定专人作为PCB可制造性设计分析员,在电装线指定工艺质量审查员,进行可制造性设计培训。
(5)对通过审查的PCB数据,通过PDM流程转入工艺部门,结合各类设备进行加工装配和测试。
5结束语
可制造性设计从产品设计开始,考虑其可制造性,使设计和制造之间紧密联系,采用DFM软件进行PCB可制造性设计,取得了良好的效果。
采用三维图形方式能够评估产品的装配特性和生产线及工位的布局,运用3DView功能可以操控 (缩放、旋转等)三维视图。三维图形所显示的是直接从反映最近信息的设计数据库中获取的,从而验证设计和制造方案的可行性,尽早发现并解决潜在的问题。
通过相关的软件分析可以让PCB设计人员在布局、布线的各个阶段并行进行PCB的可制造性评审,减少人工评审的局限,做到真正的并行设计,以达到“零错误,一次性成功”的目的,从而减少研发投板后的改板次数,提高研发效率,降低设计和制造成本,提高单板质量。
计算机仿真制造业 篇5
我国“十二五”期间节能目标为单位GDP能耗下降16% ,实现节约能源6. 7亿t标准煤[1],节能形势非常严峻。随着全球能源问题的日益突出,面向节能的柔性制造系统( FMS) 逐渐成为了当今先进制造领域的研究热点之一。寻求降低制造企业的能源消耗,即提高生产系统的能源利用效率的呼声越来越高,因此进行面向节能的柔性制造系统仿真及优化研究就显得尤为迫切。
本文以一个实际的柔性制造系统为参考背景, 对柔性制造系统中的设备能耗进行了建模,完成了基于Lab VIEW的考虑设备能耗的柔性制造系统的仿真开发,并通过平衡生产线的节拍以及运用遗传智能算法优化生产调度等两个途径实现了对柔性制造系统的节能优化,从而可以进一步指导实际的生产系统进行合理的节能生产。
1面向节能的FMS仿真模型开发
1.1柔性制造系统概况
本文选取的柔性制造系统由数控加工设备、物料运储装置和计算机管理系统等组成[2],主要包括四台数控机床和一条柔性装配线。该系统以多品种小批量流水加工车间为例,主要解决流水车间的生产作业的调度问题,主要的任务是把加工的零件进行排序,确定工件加工的先后顺序。
1.2FMS设备能耗建模
本文的FMS系统设备能耗是指在柔性制造系统运行过程中各设备所消耗的电能的总和。通过对相关文献的查阅[3,4]和总结,本文提出了一种简易的FMS系统能耗模型用来表达FMS系统的设备能耗变化情况。
通过对数控铣床进行加工时的实际功率变化曲线的研究,定义其能耗主要有: 加工能耗、等待能耗、 峰值能耗和辅助能耗,如图1所示。
加工能耗( Machining Energy,简称ME) 是指在机床上用于工件加工所消耗的能量,加工过程中所必须进行的空转能耗也包含在内。等待能耗( Waiting Energy,简称WE) 是指机床运行过程中由于上一工件已经加工完成但下一工件尚未达到而呈现待机状态所消耗的能量。峰值能耗( Peak Energy,简称PE) 是指机床在运行过程中其状态发生突然改变所引起的功率大幅度变化所产生的能耗,如机床启动、停止能耗等。因其持续时间一般很短,故虽然功率比较大,但所消耗的能量仍是比较小。辅助能耗 ( Assisting Energy,简称AE) 是指机床为完成工件加工除以上三种能耗之外其他能耗,主要是机床在运行期间照明、数控机床电子控制面板等的能耗。
数控铣床加工中心的总能耗计算公式为
式中UMEij———表示第i个工件在第j个机床上的单位时间加工能耗;
UMEj、UAEj、PEj———分别表示第j个机床的单位等待能耗、单位辅助能耗、峰值能耗;
WTj、CTj———分别表示第j个机床总的等待时间、总运行时间;
Tij———表示第i个工件在第j个机床上的加工时间;
n———表示工件数;
m———表示数控机床数。
柔性线装配能耗( Flexible Assembling Energy, 简称FAE) 主要是指在完成工件装配期间装配线上各工位所消耗的能量,包括传送带、电子看板和工位照明等消耗的能量。与完工时间成正比。其计算公式为
式中UFAE———表示FMS系统柔性装配线单位时间的能耗;
FT———表示柔性装配线完成所有产品装配总的完成时间。
其他设备的能源消耗还有计算机能耗、分拣机能耗、运输能耗( 包括AGV和输送机) 、码垛机能耗、机械手能耗以及公共能耗等六类能耗。为简化计算,可假定这六类能耗与完成的产品( 从分拣到最终出库整个运作周期) 的数量成正比,总记为联合能耗UE( Union Energy) ,故本文暂不将其列入节能考虑范畴。
综上可知FMS系统设备总能耗( Sum FMS) 是数控加工中心能耗 ( Sum CNC) 、柔性装配线能耗 ( FAE) 及联合能耗( UE) 之和,其计算公式为
在之后面向节能的FMS系统优化方面措施有二: ( 1) 柔性线装配线能耗可以通过平衡生产线合理制定生产节拍以降低最大完成时间达到降低该部分设备能耗的目的;
( 2) 可以通过调整四台数控加工中心的生产调度顺序以达到优化该部分设备能耗的目的。
1.3面向节能的FMS仿真模型开发
运用Lab VIEW对FMS系统建模仿真[5]:
( 1) 设计可视化界面
将该仿真系统划分为八个模块: 指令框模块和分拣机模块、下订单模块、数控加工模块、柔性装配线模块、质检模块、入库模块和出库模块。
( 2) 建立设备模型
依据设备的基本工作流程和模式,结合LabVIEW的各个控件的特点,建立一个能够显示出设备工作情况及逻辑的模型,用来代表FMS系统的各个设备。
( 3) 建立设备之间的连接
在工序与工序、设备与设备之间,通过对加工工艺分析,建立设备之间连接的逻辑关系。本文通过添加Buffer( 工位缓存区) 实现了设备之间的相互连接,从而实现整条生产线的连通。
( 4) 设定相关参数并运行程序
设置相应的参数,以合理的表达加工单元和柔性装配线等单元的生产制造过程,并通过延时控件的延时时间参数设定,调节仿真运行的时间和速率。
2面向节能的柔性生产线平衡
2.1柔性装配线生产问题
平衡生产线即是对生产的全部工序进行平均化,调整作业负荷,以使各作业时间尽可能相近的技术手段与 方法。本FMS柔性装配 线可以完 成WPA / WPO两种减速器的装配生产任务,现仅对WPA减速器( 以装配10个为例) 进行生产线的平衡,其组装工艺流程及加工时间具体见表1,WPO同此理。
设定柔性装配线每个工位的单位时间能耗为UFAE = 0. 2 k J / s。 将工序8拆分为时 间分别是20 s、17 s的两个工序,将工序9拆分为时间分别是40 s、60 s的两个工序,并且设定WPA的生产节拍为c = 60 s/unit。则最小工作站数
故S应取5。调整后的WPA共设有5个工作站,合并相邻工序,使总时间接近但又不大于60 s即可实现生产线的平衡。
2.2生产线平衡结果与节能分析
装配n个WPA减速器所需时间T、装配线效率 η 和柔性线设备能耗FAE的计算公式如下
对WPA减速器进行生产线平衡前后的T、η 和FAE进行计算,结果整理如表2所示。
综上所述,生产线平衡过后,装配同样数量WPA减速器,总装配时间大大减小,装配线效率显著提升,柔性线的设备能耗也有了很大改善。
3面向节能的优化调度
考虑FMS设备能耗的调度问题是求n个工件的最优加工顺序,使相关评价指标最优化。我们的调度问题为: 有6个工件的4道工序在4台数控机床依次进行加工。
在本文案例中使用遗传算法[6]设置的一些参数如下。种群规模取10,随机产生初始化种群,进化代数取200代,交叉率取0. 8,并采用顺序交叉方法,变异率取0. 02,选择采取精英保留和轮盘赌混合策略。可得设备能耗最小的目标函数随迭代次数的变化曲线和生产任务甘特图如图2所示。
由于该FMS系统生产调度规模较小,因此目标函数在10代时基本已经收敛到最小值。从生产任务甘特图中可以看出,此时的调度方案为[6 5 3 4 1 2],完工时间为84 s。
以节能为目标函数( 方案A) 和以最短完工时间为目标函数( 方案B) 的详细数据对比分析结果见表3所示。
从上表中可以发现,对该生产任务调度问题进行优化时,只考虑设备能耗( 方案A) 与只考虑完工时间( 方案B) 相比,总完工时间多了4 s,但总能耗则下降了130 k J,这主要体现总等待时间上下降了46 s,进而也使得等待能耗下降了74 k J,由于设备的利用率提 高了,所以设备 的辅助能 耗也下降 了46 k J。
4结论
本文针对面向节能的柔性制造系统进行了仿真优化研究,主要的研究成果如下:
( 1) 利用Lab VIEW软件,通过可视化编程方法进行了面向节能的FMS系统仿真模型的建立;
( 2) 通过设计实验算例,对面向节能的FMS系统进行了平衡柔性生产线及优化生产调度的节能研究,以更好的指导实际生产系统进行改进,从而提高实际生产系统中的设备能源利用率。
摘要：本文立足于仿真和优化面向节能的柔性制造系统,通过深入研究柔性制造系统生产过程,对柔性制造系统中的设备能耗进行建模,完成了基于Lab VIEW的考虑设备能耗的柔性制造系统的仿真开发。并通过平衡生产线的节拍以及运用遗传算法优化生产调度等两个途径实现了对柔性制造系统的节能优化,这对指导实际生产系统降低能源消耗,提高能源利用率具有重要意义。
计算机仿真制造业 篇6
1 自由曲面汽车前照灯设计
目前, 自由曲面汽车车灯在国外的应用较为广泛, 如美国、德国等, 而我国由于车灯设计行业的起步较晚, 因此在设计水平方面与国外先进的设计技术还有一定的差距, 尤其是在自由曲面前照灯方面, 在独立设计与制造的能力方面还不够完善。对此, 我国在汽车车灯的开发和科研领域不断加大力度, 经过多年的探索与实践, 可以独立完成自由曲面前照灯设计软件的编写, 而且符合国家标准的要求, 通过CATIA软件的有效运用, 可以实现自由曲面车灯设计的指令。
自由曲面前照灯的结构与传统前照灯类似, 由光源、反射镜和透光灯罩三个部分组成, 如图1所示。
自由曲面前照灯与传统前照灯的不同之处在于, 其反射镜的设计是利用计算机软件辅助设计完成, 而且可以在信息指令的要求下独自完成配光工作, 具有防炫目的功能。从工程学的角度来说, 自由曲面前照灯的造型可以随着车型的大小、高低等要求进行适当的变化, 而且其流线型的设计曲线可以师车身更具有动感;从光能的角度来说, 自由曲面前照灯具有更科学的曲面反射镜, 可以提高光源的利用效率。当前, 我国国内在自由曲面汽车车灯的设计方面发展的速度较慢, 但是也可以实现车灯整体的科学设置, 唯独在自由曲面前照灯的设计和制造方面还需进一步完善。
2 自由曲面车灯的配光原理
自由曲面汽车车灯与普通的汽车车灯设计的主要区别在于, 其配光的作用是通过反射器来完成的, 利用赔光镜代替了传统的透明配镜, 同时也利用多个自由曲面代替传统的二次曲面, 因此可以将这种配光原理用函数进行表达, 通过多个不同的数据点共同形成了配光网络, 而这个网路的形成是通过多个自由曲面的共同作用的结果, 每个自由曲面都可以实现不同的配光效果。在进行自由曲面车灯设计时, 就可以根据配光网络上不同的光斑和形态, 来表示相应的设计数据点, 以此来达到科学的配光点的设计。
在自由曲面汽车车灯的设计中, 每个自由曲面的反射器都是由多个不同的区分组成的, 而每个分区又是由多个自由曲面组合车灯, 所以每个自由曲面的设计成果对于整个自由曲面车灯的设计都会产生关键的影响。当已知某个自由曲面对应的光斑的情况下, 可以以此为依据实现整个自由曲面的设计。
3 自由曲面前照灯配光标准
前照灯的设计是自由曲面汽车车灯设计中难度最大, 也是最为关键的一个部分。对于不同种类、不同车型的车灯, 有着不同的使用要求, 在前照灯的设计方面也有着更高的要求。目前, 国际上对于自由曲面前照灯的设计标准, 主要有三个:欧洲经济委员会ECE, 美国的SAE和日本的JIS。我国在自由曲面前照灯配光设计方面, 除了参照国际标准之外, 也逐渐向国际市场靠拢, 而主要的依据是欧洲经济委员会的E CE标准。
自由曲面前照灯的实验室应用的是滑动屏幕设计, 可以将前照灯的样品放在距离屏幕25cm左右的位置上, 然后可以在屏幕上形成对应的图形, 这时会形成一个垂直的曲线, 这个曲线相当于车辆右侧的轴线。与该轴线先对应的直线表示的则是车辆的外边线, 所以从驾驶员的视角来看, 要将路面与轴线之间的距离出处在合理的范围内, 就要保证前照灯的视线可以满足驾驶员的眼镜轨道。自由曲面前照灯的远光灯距离设计也需要根据ECE的标准设计, 最大的光照度应该在240-48Lx的要求内。同时, 对不同的监测点技能型合理的布置, 确保每个监测点位置上的光照度都可以满足自由曲面车灯的光照要求。由于自由曲面车灯的配光是由反射器来完成是, 所以需要根据自由曲面设计的原则, 对反射器的位置进行合理的布置, 以此保证前照灯光配光的标准性与合理性。
4 自由曲面照明效果仿真软件
仿真软件的有效应用可以为自由曲面汽车车灯的设计与制造提供更有效的依据, 提高设计的针对性, 可以为设计人员和制造人员提供更多参考。利用仿真软件, 可以对自由曲面汽车车灯的每一个区域的反射镜进行仿真计算和设计, 这样可以显著的提高自由曲面车灯设计的科学性。在自由曲面车灯的远光灯和近光灯的设计时, 需要考虑到其光照的集中度, 需要通过仿真软件的曲线绘制进行检测, 确保其与国家标准相符。另外, 利用仿真软件可以通过不同的灵敏度等级来表示光照区域内的不同亮度效果图, 可以利用坐标明确的判断出不同位置的灯照情况。
5 结语
综上所述, 该文主要针对自由曲面汽车车灯设计与制造的相关问题进行了探讨。随着科学技术的不断发展, 车灯设计已经逐渐实现了计算机仿真设计, 这对于提高自由曲面汽车车灯设计的科学性有着重要的推动作用, 我国在自由曲面汽车车灯的设计与制造方面也将实现自主研发, 有利于促进我国国内汽车设计产业的持续发展。
参考文献
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计算机仿真制造业 篇7
随着数控技术的发展,自动编程技术被广泛应用于数控加工领域。目前,市场上涌现出一大批优秀的自动编程软件,比如UG、Pro/Engineer、MasterCAM和CAXA制造工程师等。众所周知,这些自动编程软件均具有加工仿真功能,但它们的仿真真实性却有着显著的差别,有的较真实,有的则欠真实。如CAXA制造工程师的数控加工仿真,方形毛坯可较真实的仿真,但对于成型毛坯的仿真就欠真实。因此,对于目前应用最广的编程软件之一,如何将CAXA制造工程师的仿真加工变得更加真实势在必行。
1 CAXA制造工程师简介
CAXA制造工程师是由北航海尔研发的一套具有Windows原创风格,功能强大、易学易用的全中文三维造型,曲面实体完美结合的CAD/CAM一体化软件。该软件面向数控铣床和加工中心,提供了从造型设计到加工代码生成、校验一体化的全面解决方案。其特点是易学易用、价格较低,已在国内众多企业、院校及研究院中得到应用。
2 CAXA制造工程师加工仿真真实性研究
笔者一直从事数控实训教学,教学中常采用CAXA制造工程师作为CAD/CAM软件,进行零件建模、轨迹生成及加工仿真全过程。该软件提供了一个仿真平台,可以以形象直观的方式实现对数控代码的校验,对于保证数控程序的正确性具有重要意义,同时还可以将过切与干涉等不安全因素消除在数控加工之前。
但是在使用中,笔者发现CAXA制造工程师仅提供方形毛坯。而对于毛坯是成型毛坯的设置,几乎没有相关资料提及。倘若不能设置成型毛坯,将严重影响该软件仿真加工的真实性、可靠性。针对这一情况,笔者对CAXA制造工程师的仿真加工的毛坯设置进行了研究,使其达到了生成成型毛坯的效果。
下面以一个回转体零件铣槽加工为例简要说明真实仿真的实现过程。
1)零件建模与刀具轨迹生成。加工零件如图1所示;铣槽加工的刀具轨迹如图2所示。
2)定义毛坯。仿真加工之前,必须首先进行毛坯的定义。系统提供了3种毛坯定义的方式,其结果均为方形毛坯,设定好后方可进行仿真,如图3所示。从图中可以看出,这种仿真方式较不真实,尤其对于毫无经验的编程人员,总会觉得程序不可靠,没有达到仿真的真正目的。
事实上CAXA制造工程师也可以做到真实的仿真,具体做法是:首先,在CAXA制造工程师中绘制出铣槽加工前的毛坯如图4所示(需要注意的是,其坐标系必须和加工零件的零件图保持一致,这样才能保证正确的仿真加工)。其次,利用文件转换功能将其保存成STL格式文件,待加工仿真时使用。
3)仿真加工。进入仿真环境后,点选仿真工具条上的【仿真加工】按钮,出现仿真界面,如图5所示。然后再点选主菜单中的【仿真】—【设定毛坯】按钮,出现毛坯设定界面,如图6所示。界面中有两种毛坯形状设置,一种是方料形状,另一种是指定文件。点选指定文件,在弹出的对话框中选择刚才保存的毛坯文件,单击【确定】按钮,成型毛坯就设置完成,如图7所示。此时,再进行仿真加工就可以实现很逼真的模拟加工效果,如图8所示。
3 结论
研究表明,在应用CAXA制造工程师进行编程时,可以先利用其CAD功能,建立和实际相符的成型毛坯模型,然后再利用CAXA制造工程师的文件转换功能,将其存储成STL格式文件,待加工仿真时,调用此模型作为仿真的毛坯,即可真实地反映加工中的实际情况。
参考文献
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计算机仿真制造业 篇8
随着工厂自动化的发展, 柔性制造系统 (FlexibleManufacturingSystem, FMS) 在实际生产中的应用越来越广泛, 针对柔性制造系统的各种研究也越来越深入, 各种建模方法、仿真方法层出不穷, 目前对柔性制造系统 (FMS) 的建模方法已有很多种。Petri网是描述、分析离散事件动态系统的有效工具。将Petri网方法用于FMS最成功的报道是Murata等人的工作。他们基于一般Petri网提出了一种控制网结构, 结合IF-THEN规划, 成功地实现了单元协调器的监督和诊断[1]。用Petri网分析FMS时, 随着其复杂度的提高, 会导致Petri网内节点数过多, 从而使得建模与模型分析较为困难。文献[2]通过Petri网建立了小型FMS系统的模型, 并通过计算基本信标来防止死锁。由于Petri网模型是采用了面向过程的思想, 使网络结构非常复杂。文献[3,4]均采用了面向对象技术和简单的Petri网模型对FMS进行建模, 降低了系统仿真的复杂度。文献[5,6]也采用了面向对象的思想进行Petri网建模, 此外把FMS系统进行了简单分类, 使模型的表达较清晰, 然后采用可变时间流控制仿真。综合目前的建模和仿真方法, 虽然越来越简单、完整, 但缺乏统一的分析方法, 使建模和仿真程序设计的联系性和统一性较差。
可见, 面向对象技术提供了一种更为直观、更符合人的思维习惯[7]的描述、仿真和设计大型复杂系统的方法, 并且面向对象的建模方法克服了面向过程的一些缺点, 如模型复杂、容易产生冗余、容易死锁等。同样用面向对象技术开发出来的仿真软件具有易于维护和可移植性好的特点, 也被许多学者用于仿真软件的开发和设计中。利用面向对象技术对Petri网中各类元素进行对象化处理, 每一个类对象可以建立一个单独的对象子网, 对象子网建立好以后, 分析子网之间的关系, 将各个子网连接为一个系统。面向对象技术的引入进一步增强了Petri网的描述能力, 使得柔性制造系统的Petri网模型创建过程简化。
本文就是采用面向对象的思想, 用一种映射原理对FMS的物流过程进行着色Petri网建模, 及对该模型的仿真程序进行设计方法的分析。尽可能通过此映射方法思路清晰地对一个实际系统进行建模及仿真程序设计。
1建模分析
FMS是典型的离散事件系统 (DiscreteEvent System, DES) 。对于离散事件的建模方法有很多种。其中Petri网模型具有良好的网络图形结构以及建模过程, 因此Petri网在现实中的应用更加广泛。使用面向对象技术创建Petri网时, 比较简单的方法是从真实系统推导出类的体系[8], 将现实中实际存在的对象做抽象处理, 即映射, 得到各类对象的Petri网模型, 每一个对象的Petri网模型作为整个系统模型的对象子网, 然后通过网间接口信息的传递使之成为一个有机系统。
1.1 FMS硬件系统分析
本文以一个小型的FMS系统为例进行分析, 它由四台CNC机床、两台AGV自动导航输送车辆、一个小型自动化立体仓库和若干加工零件组成, 其系统的物理结构如图1所示。根据面向对象思想将本系统划分成五个大类:工件类、刀具类、机床类、AGV运输设备类和自动化立体仓库类。
FMS系统的工作过程是由工件的加工工艺文件驱动, 如图1所示, 系统的工作过程如下:首先由工件对象读入工件的加工工艺文件, 然后根据当前加工的工序申请所需的机床资源, 再由机床请求AGV, AGV申请仓库提取工件, 仓库堆垛机取出工件后回应AGV信息, 即AGV可以前来运送, 若工件不在仓库而在别的机床输出缓冲区时, 则直接把它从一台机床运送到另一台机床而不进行仓库操作, AGV运送结束后回应机床信息, 工件已运达机床, 即工件此时进入机床输入缓冲区进行加工任务队列排序准备加工。同时机床根据加工零件的工艺要求在工件申请机床的信息中提取对应的刀具信息, 并扫描机床刀库寻找相应的加工刀具, 若没有相应的加工刀具则向刀具对象提出刀具请求, 再由刀具对象请求AGV, 然后如同工件一样经过一系列申请与传递由相应的AGV把刀具从仓库运达机床。刀具和工件都具备后, 机床按工艺表的工序时间进行加工, 加工完成后, 工件对象继续读取工件的加工工艺文件, 进行下一道工序的操作, 如此循环直至所有工序加工完毕, 最后工件、刀具申请AGV进行入库操作。
1.2 映射机制
1.2.1 基本Petri网理论
基本Petri网可以分解为一个五元组 (P, T, I, O, M0) 其中:
P={P1, P2, P3…Pn} 为库所集
T={T1, T2, T3…Tn} 为变迁集
I={I (t1) , I (t2) , I (t3) …I (tn) } 从P到T的输入函数
O={O (t1) , O (t2) , O (t3) …O (tn) } 从P到T的输出函数
P∪T≠Φ, P∩T=Φ
M0为系统运行的初始标识。
Petri网具有直观的图形表示方法[9]:
(1) 库所, 即P元素, 在Petri网中用“O”表示, 它表示了系统中某一资源的状态或者相关信息。
(2) 变迁, 即T元素, Petri网中用“▮ ”表示, 资源的消耗、使用以及信息的传递都由变迁来实现, 它使得系统状态由初始状态M0跃迁到另一状态。
(3) 箭头“→”又称为有向弧, 用来连接库所和变迁, 它表达了库所和变迁之间的因果关系。
近几年, 高级Petri网, 如赋时、着色、面向对象等扩展Petri网, 被广泛的采用。文献[10]用着色Petri网建立了物流分拣系统模型图, 通过着色把托肯分类:货物流动托肯、信息托肯、机器托肯。降低了建模难度, 增强了模型的灵活性。文献[11]中E Kindler等学者分析了FMS不同的情况和水平下, Petri网模型的各种变化形式。从国内外的众多研究来看, Petri网及其各种扩展形式已成为系统建模最直观、最便捷的首选方式之一。
1.2.2 映射模型分析
基于Petri网的上述理论描述, 即可对本文讨论的FMS物流系统采用映射的方法进行建模, 采用面向对象的思想, 首先根据系统硬件的物理结构将FMS的五大类抽象映射为Petri网的五大子网及网间接口联系, 如图2所示。
考虑到FMS系统的工作原理及传递的信息类型, 物理系统到着色Petri网模型的映射原理和过程如下。
(1) 库所
1) 状态信息 比如机床的工作情况信息:有忙/闲两种状态表示;刀库状态:有刀具满足/不满足;AGV对象的运送状态:有忙/闲, 等类信息。这类信息内容较简单, 可以用一个库所表示, 直接对应Petri网的库所信息。
2) 队列信息 对于基于订单的加工工艺文件、机床输入缓冲区的加工任务队列、AGV的运输任务队列、仓库堆垛机的任务队列等信息, 其内容包含任务编号、工序号、当前位置、目标位置、当前状态等项, 可以作为一个信息串处理, 即队列信息。这样的信息虽然内容较丰富, 但也属于当一定条件发生时相对应的资源状态发生改变或转移, 可映射为库所表示。
3) 网间回应信息, 即接口信息 比如工件对象申请机床加工时传递的信息、机床申请AGV运送的工件或刀具信息、AGV申请仓库出入库的资源信息等。这类信息属于FMS硬件系统类与类之间的信息传递或信息交换, 所以归类为网间接口信息, 也映射为库所表示。
(2) 变迁
1) 基本变迁 在系统运行过程中, 各Petri网的子网内部库所之间需要进行信息交换或传递, 如机床加工过程结束后由机床忙转变为机床闲、以及AGV运输过程的忙闲状态转变等, 这些信息变化需要一个事件推动。由于变迁是Petri网资源在库所中流动的桥梁, 所以FMS系统的信息传递与转移的推动事件就可以直接映射为Petri网的变迁。加之此类变迁的触发控制较单一, 当它的触发条件满足时信息资源直接按有向弧的方向从一个库所流向下一个库所, 所以映射这类变迁为基本变迁。
2) 控制门变迁 在Petri网的各子网之间进行信息传递的推动事件触发时, 如工件对象向其他对象传递信息时, 有的是申请机床的加工任务, 有的是申请AGV的入库任务, 以及AGV请求仓库时有出库和入库两种信息流向。这类变迁在发射时要进行流向判断和调度控制才能触发, 所以把此类受控复杂的变迁映射为控制门变迁。
从以上映射原理可得出, 三类相应的信息就可以直观地映射为Petri网的库所, 而信息交换或传递的事件就可以直接映射为变迁了。基于对这种映射理论的分析, 就可以根据FMS系统的硬件资源情况方便直观地绘制出相应的Petri网网络结构图。下面以AGV运输车辆为例, 分析它的映射过程。
首先分析AGV对象的任务流程:通过接收工件、刀具的出入库请求或机床的待加工任务运输请求, 这些信息传递到AGV对象后进入AGV的任务列表等待AGV申请仓库出入库或申请其他机床释放输出缓冲区, AGV的申请得到仓库或其他机床回应后, AGV对允许运送的任务列表按一定调度算法排序, 然后按顺序进行任务配送。这时AGV的状态由闲变为忙。当运送结束后, 再由忙变为闲, 然后回应机床或工件、刀具对象到达信息, 此时一项任务完毕。根据对这一流程的描述就可以进行信息着色分类:把相应的请求、回应信息分类为网间接口信息;AGV的等待列表、运送列表为队列信息;AGV的忙闲状态归类为状态信息。根据映射理论将所有的这些信息映射为Petri网库所, 这些信息的连接桥梁及其推动事件就可映射为Petri网变迁了, 根据以上分析AGV运输车辆的Petri网模型如图3所示。
图3中, mp40～mp45所示的库所为不同的网间接口信息, m40、m41分别为AGV的优先级队列信息和AGV的任务等待队列信息, m42、m43分别表示AGV忙、闲状态信息。变迁t40～t44就是这些有向弧所指向的库所信息的转移的条件, 当条件满足时即可触发库所的资源改变或转移。
根据类似的映射原理, 同样可对工件、刀具、机床、仓库类进行映射, 再通过网间接口分析把各子网类进行整合, 形成整个FMS系统的Petri网模型, 经过整合后得到的整个小型FMS系统的Petri网模型如图4所示。
ON1—工件子网 ON2—刀具子网 ON3—机床子网 ON4—AGV子网 ON5—仓库子网
2 仿真程序分析
本文在建模的过程中, 采用了面向对象技术从物理实物映射为网络模型, 因此在程序设计中也采用面向对象的思想设计FMS系统仿真软件, 本文采用Visual c++ 6.0软件进行仿真程序分析。由于Visual c++ 6.0是一个面向对象的程序软件, 且该设计软件具有结构化、模块化、思路清晰、条理清楚、数据处理过程出错概率较低等优点[11]。软件程序中的类与模型中的各个对象子网相对应, 对象子网中的库所和变迁所对应的数据和函数, 将被封装成一个类。这样就保证了软件程序和系统模型的一致性, 有利于软件的开发及实现。
2.1 映射的思想
根据FMS系统的五大类的硬件构成原理及Petri网模型, 在程序设计时也可以设计为五大类, 这正好符合VC++的类对象化的思想, 图5是从模型对象子网到软件对象类的映射构造过程。
2.2 程序算法的实现
(1) 对于Petri网中的基本状态信息库所, 可以很简单方便地直接映射为仿真程序中的一些基本数据类型:int—整型、bool—逻辑型、Cstring—字符串型、float—浮点型等。如AGV工作状态可用一个逻辑 (布尔) 型变量表示:
bool AGVBusy; // AGV的忙闲状态, 1—忙、0—闲。
(2) 对于网间接口信息库所, 信息本身包含很多资源, 可用上图所示的映射机制, 采用一种特殊的结构体变量来包含这些丰富的信息内容。下面以图3中任务申请AGV进行运送的库所消息mp40为例分析此类库所资源结构的设计。任务申请运送时, 应该传递的信息有:任务的编号、ID号、申请的当前位置、以及目标位置等信息。根据这些信息的内容就可映射为C++程序语言的一个结构体变量, 使丰富的结构体内容与一个简单的Petri网库所相对应。
(3) 队列信息库所, 一般不发生信息转移仅仅是信息的变化, 如图3AGV对象的m41库所, 它包含工件、刀具等各等待运送任务列表。当AGV小车开始运送后它的库所信息数减少一个, 有新的任务时通过AGV接口传递进来后增加一个新任务即可, 所以在程序中它映射为一组结构体数组表示:
MsgAppAGV RiskList[10]; // 申请AGV的任务队列
(4) 对于Petri网模型中变迁的设计, 因为变迁在Petri网中是联系库所的中间桥梁, 由于变迁的触发才使得该变迁前面的库所资源信息流向后面的库所, 或使前后方向的库所信息状态改变。根据仿真的要求, 描述这种库所信息流动或改变的语句就映射为程序中的函数。无论是基本变迁还是控制门变迁都是根据其实际的发射和控制规则设计不同的函数语句。以此类推, 变迁的有向弧就映射成函数的输入输出流。
通过这些基本的库所、变迁的映射, Petri网模型对象子网也就映射为FMS系统的基本设备类, 如工件类、刀具类、机床类、AGV类、仓库类。Petri网模型对象子网的库所和变迁就映射成相应的程序设计语言的基本数据和函数。直至整个物流系统Petri网模型映射为FMS物流系统软件。映射后的数据结构和结构数组将被封装到FMS系统基本类中, 构成基本类的数据成员, 实现软件系统数据的封装。而函数和函数的输入输出流被封装到FMS基本类形成类的成员函数, 实现操作和过程的封装。FMS系统的基本设备类构成了应用程序类的一个基本单元, 由此基本单元可组成不同规模的FMS系统。由FMS基本类组成的具有特定形式和特定功能的FMS物流系统, 便形成了满足用户要求的一个实际的应用系统。
依据上述的映射原理, 开发了相应的仿真系统, 限于篇幅, 有关具体仿真结果将在另文中介绍, 在此不多赘述。
3 结论
通过对FMS物流系统从硬件物理系统到Petri网模型, 以及Petri网模型到仿真程序设计的分析, 根据映射原理, 可以看出由于本文采用了这种映射方法, Petri网模型的建模过程、仿真程序的编制都非常直观、易于理解, 具体系统的建模表明该映射方法是十分有效的, 以及模型和仿真的可扩展性极强。也验证了基于面向对象技术的映射思想给FMS建模和仿真程序设计带来的有序性、简单性、对应性、直观性。本文的方法与其它方法比较可大大节省整个系统的建模时间与仿真程序的开发时间, 适用于对各种规模FMS系统的设计、仿真和分析。
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[10]黄银娣, 张沂泉, 邵明习, 等.基于Petri网的物流分拣系统的建模与仿真.物流技术, 2006; (3) :78—81
计算机仿真制造业 篇9
废旧产品经过回收、拆卸、清洗、检测、分类、再制造等过程得到新产品,可实现资源的重复利用,减少环境污染。回收与再制造方面的研究已有许多研究成果,并集中在两个方面:内部控制因素和绿色绩效输出［１］。内部控制因素为回收与再制造系统的内部状态集合,绿色绩效为系统输出集合。在控制方面,文献[2-3]研究了政府政策奖惩、经济激励、教育宣传以及消费者意识等限制条件下回收与再制造问题;文献[4]研究了回收产品中回收定价策略;文献[5-7]论述了数量及时间不确定性条件下运输库存控制、物流设施选址、逆向物流网络优化等;文献[8-10]对再制造决策、再制造计划以及工艺路线设计等问题进行了研究;文献[11-12]对不同限制条件下再制造品定价以及供应链问题进行了研究。而在绿色绩效方面,文献[13-16]对经济、环境、资源、人因等方面作出了综合评价。现有的研究成果,从经济角度主要包含回收成本、运输与库存成本、拆卸回收成本与利润［１７］等方面;从环境角度,研究了三废排放、能耗问题,噪声污染等问题;从资源消耗角度,研究了电力资源、人力资源、设施资源和物质资源等;从人因角度,研究了工作环境改善以及环境污染改善、行业规模以及可持续性等人因因素。通过分析上述研究可知,目前文献对回收与再制造系统因素的研究日益广泛,但是研究中并未涉及回收与再制造系统整个框架模型以及系统边界问题,对回收与再制造系统中控制因素和绿色影响输出因素之间的关系缺乏因果表述,且对影响系统输出的主要关键性因素缺乏明确研究表述,只是从某一个角度考虑因素对系统的影响,缺乏系统因素整体结构框架以及系统因素之间的比对关系。本文从系统角度构建回收与再制造系统结构模型,进行系统结构仿真研究,分析了系统内部状态集合以及输出集合,并利用结构模型化技术建立了整体模型,分析了要素之间关联关系以及相互重要性程度。本文建立的系统结构模型,运用了关联仿真［１８－１９］、结构模型化技术［２０－２１］,并进行了数学形式化处理［２２］,具有较好的通用性。
1 回收与再制造绿色系统因素选取
1.1 回收与再制造绿色系统控制因素
在回收与再制造系统控制因素的研究中,阳成虎等［４］考虑了废旧产品的质量和用户心理回收价格等因素,制定了基于回收价格、回收数量和再制造成本阈值的最优回收策略。赵忠等［１０］论述了国内外废旧产品回收计划、拆卸计划、生产计划等方面的研究现状,阐述了再制造中不确定性特征、产品回收后状态、再制造生产计划控制方面的不足。倪霖等［１３］指出当前逆向物流研究主要集中于体系结构研究、回收策略、网络优化和逆向物流供应商选择上。王旭等［１４］讨论了技术属性所包含的装备先进性、管理手段先进性、物流技术先进性。韩小花等［２３］分析了闭环供应链回收渠道决策,得出制造商竞争、废旧产品回收的难易和再制造成本共同影响回收渠道演化结果的结论。代应等［２４－２５］对回收系统的主体功能,系统要素(主体、物流、信息、回收渠道),组织结构和内外环境因素进行了研究,建立了由生产商、消费者、报废回收中心等多节点集成的绿色回收系统结构模型;认为实现绿色回收需要提高全民意识且法律手段与经济杠杆并行,提高再制造技术理论应用,推行汽车绿色设计。 周丹等［２６］研究了回收中EPR(extended producer responsibility)的实施手段,包括强制法律手段以及非强制经济(价格补贴等)和教育手段(环境意识、绿色消费)等。刘笑萍等［２７］分析了用户主动返回的激励性因素,其中回收距离、手续的便利性、经济性、再制造能力、企业形象规模、个人的经济状况、社会责任感等都与用户主动参与回收息息相关。周育红等［２８］从法制建设、回收网络构建、回收技术研究、宣传教育等方面提出了针对回收与再制造的建议。 赵宜等［２９］针对回收产品收集、预处理和再制造等问题,建立了回收物流设施选址模型。毛玉如等［３０］从立法、循环经济、政策和回收体系等方面探讨了回收处理情况。周永圣等［３１］对政府监控行为进行了定量描述,研究了政府监视下的三种回收模式。刘志峰等［３２］探讨了废旧产品有效的回收途径,并基于工艺、环境、经济、设备等相关数据和专家知识,建立了回收工艺流程评价决策系统。谢家平等［３３］构建了废弃产品返回数量及时间、回收处理过程中的再造零部件和可再生材料的比例等预测模型。李清等［３４］从产品维(产品磨损),市场维(认可度、销售水平、价格水平),过程维(环境和处理成本、投资、处理能力、经济效益),政策维(政府支持与关注),环境维五个方面研究了回收处理策略的决策要素。顾巧论等［３５］在再制造系统信息网络模型研究过程中发现,再制造政策法规、废旧产品信息、新产品需求以及回收方式价格、相关宣传等会严重影响再制造与制造系统之间的博弈,此外,他们还研究了再制造库存问题。曹华军等［３６］以低成本、节能、环境友好为改进目标,提出了再制造技术框架。张萌等［３７］阐述了回收成本包括回收能力建设和投资以及支付给消费者的成本。
综上所述,回收与再制造系统是考虑回收、拆解、再制造、再利用各个过程环节,围绕主体、过程、技术、物流、资源、资本、政策、社会、人因等不同维度,将过程、主体、结构、功能等要素集成的系统。因此回收与再制造系统是在资本和技术的支撑控制下,寻找系统所需信息,将系统组织集成,在主体参与下实现绿色绩效输出的过程。本文从技术、过程、主体、组织、控制、信息、资本七个维度归纳出回收与再制造绿色系统中控制因素属性集,并提炼出分类属性集因素,形成回收与再制造系统项目控制因素集,如表1所示。
1.2 回收与再制造绿色系统绿色绩效输出因素
经济因素方面,倪霖等［１３］从利润率、运输储存、拆卸清洗、废品处理、管理服务等成本经济角度评价了回收与再制造价值;代应等［２４－２５］提出经济绩效水平包含盈利能力如资金周转、净资产利用率、总资产利用率,成本水平包含运输成本、投资成本、运营成本、补偿和监督成本,以及惩罚成本和环境污染治理成本;魏洁等［３８］考虑了回收物流主体的利润;黄祖庆等［３９］研究了回收中主体间期望收益及税收价格;李响等［４０］分析了回收价格对再制造企业收益的影响;董景峰等［４１］以物流成本最小为目标进行了网络设计;范体军等［４２］分析了考虑激励与不考虑激励情况下再制造产品成本对回收率和利润关系;李丽等［４３］分析了系统中回收价格、转移价格、回收量、制造商利益、分销商利益、消费者利益和政府利益之间的相互制约关系;谢家平等［４５］分析了废弃处理策略的成本和效益,从制造费用、销售收入、材料采购费用、环保费用等方面量化分析了再用收益、再生收益、填埋成本、回收净收益、再生项数等目标。在人因方面,倪霖等［１３］评价了体系中企业核心竞争力,包括顾客满意度、信誉度、快速响应、品牌保护、拆解利用技术水平、三废处理能力,社会角度涉及满足国家法律要求、改善环境等;代应等［２４?２５］提出改善员工素质、信誉度、工作环境等相关内容;陆莹莹等［４６］讨论了消费者的态度、主观性意识、习惯和回收信息及经济因素等主导回收行为的发生条件;余福茂等［４４］探究了知觉行为控制、环境意识、舆论宣传等因素对回收行为的影响。在环境方面,胡剑波等［１６］分析了基于绿色再制造的企业运营,从资源综合利用率、排放物利用率、环境污染率、原材料减量使用、减少三废排放、减少噪声产生、减少对工人健康危害等方面对环境污染进行了阐述;代应等［２４?２５］从环境方面出发提出研究总能耗以及三废处理问题的方法;刘志峰等［４７］提出环境污染包含大气影响、水质影响、固体废弃物排放和噪声影响。在资源方面,倪霖等［１３］研究了废旧汽车回收率、材料再利用率等指标;王旭等［１４］指出绿色资源属性方面包含人力、设备、再利用三个方面,具体包括员工素质、拆解设施利用率、环保设施利用率、材料回收率;代应等［２４?２５］讨论了材料利用率和包装利用率以及增加就业岗位等指标。结合引言中关于文献[13?16]的总结以及经济［４８］、环境［４９］、资源数据库［５０］对上述绩效指标进行总结归纳,最终得到绿色绩效输出为以下四个方面——— 经济集、环境集、资源集、人因集。表2归纳出了绿色绩效输出Tｒ,包含经济集Eｃ、环境集Eｎ、资源集Rｅ、人因集Hｆ。
2.1 关联模型
2.1.1 定义关联规则
分析系统结构因素,定义项目控制因素集合P、T、S、O、C、F、I;项目控制集合It={Tx,Py,Sz,On,Cm,Ij,Fl}(x,y,z,n,m,j,l∈N);序列δ={x,y,z,n,m,j,l};项目数据库;It中的任一子集X⊆D、Y⊆D;定义绿色事务输出集合Tr={Ec,En,Re,Hf},控制函数为fx,系统结构集合M={It,fx,Tr}。
规则1系统结构关联规则。绿色事务生成是指由主体S经过P向另一主体S变迁过程中产生的对特定属性影响的过程。系统形式:;其中为子系统(组织O),进而对子系统进行分解为局部组织,直到不能分解后停止,此过程中由技术T、信息I、资本F提供支撑,最终形成绿色事务集输出,如图1所示。记绿色事务集生成过程为控制函数fx;参与元素组成项目集合X,以及元素下标序列δ;关联仿真表述为项目子集X在函数fx控制下对应绿色事务输出,即:。
规则2 控制项目集优化。控制项目集X形成事务集Tｒｘ,数量为项目集X的支持数σｘ,支持度sup(X)=σｘ/∑|Tｒ|,sup(X)越大,则称X为大项目集,否则X为小项目集;X中项目元素出现在各项目集中的次数称为频数,如元素P出现在各项目集中的次数,记为|P|,频数越大,项目元素越重要。
规则3绿色事务集优化。若,则存在X⊆Y或Y⊆X;定义Y的置信度con(Y)=|X∩Y|/|Y|;X的置信度con(X)=|X∩Y|/|X|;|X|为序列δ元素个数。若X⊆Y,显然con(X)≥con(Y),称为强规则,为弱规则。关联规则以强规则执行,去除弱规则。
规则4 系统结构集合输出。根据规则1~3中控制项目集Iｔ与绿色事务集Tｒ以及关联控制函数f得到系统结构集合M(X,f,Tｒ)。
2.1.2 关联仿真程序流程
根据上述规则制定系统结构仿真程序流程如图2所示,具体步骤如下:
(1)数据库D根据规则1产生项目子集Xｉ,若Xｉ≠ Xｉ－ｎ转到步骤(2),否则继续执行步骤(1)。
(2)根据规则1判断Xｉ是否能通过控制函数fｘｉ产生事务集;若不能产生事务集,则i←i+1,返回步骤(1);否则,判断支持度与频数,输出大项目集Xｉ中元素,转到步骤(3)。
(3)判断事务目标数据库T中是否存在元素Tｒｘｉ;若存在,转步骤(4);否则返回步骤(1)。
(4)计算支持度sup(Xｉ),记录序列δ,记录关联；转到步骤(5)。
(5)判断是否存在;如果存在,计算con(X),如果不存在,记录，删除；若con(Xｉ)≥con(Xｉ－ｎ),则删除M中，记录；转到步骤(6)。
(6)判断项目数据库D是否能产生有效子集;若是,i←i+1,跳转到步骤(1);若不是,则输出系统结构集合M{X,f,Tｒ},程序结束。
2.2 回收与再制造绿色系统关联仿真结果聚类分析
(1)系统结构集合结果。根据表1和表2中因素,进行系统关联仿真,得到结构集合M{X,f,Tｒ},以环境事务集为例,结果如表3所示。
(2)绿色绩效输出聚类分析。针对表3环境子系统中未回收报废产品导致土地污染为例进行分析;项目集X = {T１,P１,８,S１,３,４,８,O１,６,７,C１,２,７,８,I５～７，９,F１，３},根据图1映射规则,对绿色事务集生成做出解释,在子系统中发生,即回收体系(O7)中的回收网络(O1)段,作用主体包括消费者、回收商、物流供应商和其他外部主体;事务形成的函数表达过程如下:
依据绿色绩效事务形成过程(式(1)~式(8),对回收与再制造绿色系统内绿色绩效输出进行聚类分析。环境事务集元素项目控制集均为(T5,P5,S6,8,O4,5,8,C4,I1,2,5~10,F1);的控制集因素均为(T1,P1,S1,3,6,8,O1,C2,7,8,I5~7,9,F1,3),控制集之间很相似,且形成过程一致;故可以将两元素进行合并,进而对系统结果进行简化,生成新的元素代替原有的两种元素,如将再制造气体排放和再制造污染水量合并为再制造污染,未回收品搁置土地污染和未回收品搁置气体排放合并为未回收产品导致污染;填埋固体废弃物与再处理(拆卸清洗)污染实行合并构成再处理污染,从而达到系统最简化的效果。具体聚类结果如表4所示。
3 回收与再制造绿色系统结构模型
3.1 回收与再制造绿色系统因素
总结系统结构集合中项目控制因素(表1)和聚类后的绿色绩效输出因素(表4),得到回收与再制造绿色系统因素,如表5所示。
*表示多属性因素
3.2 回收与再制造系统绿色系统解释结构模型
根据上述关联规则,根据系统结构集合M中映射关系、仿真结果(表3)以及过程分析(式(1)~式(8)),建立回收与再制造绿色系统有向图,如图3所示。
根据上述有向图信息确定邻接矩阵,运用布尔运算得到系统结构的可达矩阵如下:
在可达矩阵的基础上,划分系统要素之间的关联类型,分析要素类型,找出整个系统中重要要素。确定系统共分17层,并分析系统结构如图4所示。
3.3回收与再制造绿色系统解释结构模型分析
依据可达矩阵及可达集和先行集的概念,即可达集R(Si)为系统要素Si可达要素的集合;先行集A(Si)为可达系统要素Si要素的集合;计算系统元素可达总数和先行总数。可达总数为系统要素Si可达其他要素的总数(可达矩阵元素行1的个数总数),为系统驱动力因素;先行总数为可达系统要素Si要素的总数(可达矩阵中元素列1的个数总数),为系统依赖性因素;统计结果见图5。
为了更清晰地分清系统要素的依赖性和驱动性,并找出关键性的要素,将元素消除自身影响,建立可达数Y和先行数X坐标系,元素坐标为(X,Y)。构建因素可达性与因素依赖性为相对概念。第一步,将X,Y分别减去1。第二步,如果X =0,则X =-Y;若Y =0,则Y =-X;其他情况X、Y值不变。得到依赖驱动因素坐标如图6所示。由此可知,第一象限为中间元素集,要素具有驱动性,也具有依赖性;第二象限为纯驱动元素集,第四象限为纯依赖元素集,故第二象限内不分析因素依赖性,第四象限不分析因素驱动性,即图6中负值不予以考虑。
从图4的结构角度分析,S28基础设施建设投入成本和S49 经济水平及人口分布以及S11市场退役机电产品拥有总量为回收与再制造系统的基础输入层,经济性投入为系统人为主动发生因素,而经济水平制约下的机电产品数量是系统发生客观因素,主动发生因素以及客观因素分别对系统绿色输出起着决定性作用;技术设施类因素是系统技术层,是构建专业化生产体系的基础性因素。外部环境如S46、S45、S4、S23、S3等共同影响着消费者对产品的购买,市场需求、产品分布等是背景范畴系统性影响因素;S44和S40从回收角度影响报废产品回收率;S22和S9从再制造角度对系统中生产和协同等过程产生影响。中间层控制因素包含再制造生产计划、拆卸计划、运输物流网络等,属于决策执行结果层,在底层控制因素影响下由系统结构输出。最上层因素为绿色绩效输出因素,即经济、环境、资源和人因等,是系统结构集合输出的系统绿色影响因素。由图5和图6可知,在依赖区域内包含S21、S24、S34、S1、S2、S18、S48 等元素,此区域内元素为系统的输出要素,从坐标图中可以看出S34、S24与S21为第一梯队依赖性元素,在调节输出时外部环境的影响因素复杂;其次,S1、S2、S18、S48 属于依赖元素的第二梯队,依赖数值介于10~20 之间,为中等复杂输出因素;第三梯队中数值介于1~10之间,如S5、S14、S7、S27、S35、S37、S47 等系统输出,这类系统输出元素受到其他因素的影响较小;由图6可知,为了调节系统输出,首先应该针对依赖性较小元素进行改进,如S37、S7等,输出要素的影响因素少,改进时具有更加明确的针对性。在系统的输入要素区域(第二象限),S28 是整个系统根本驱动力因素;其次,S49、S22、S23、S43、S45、S46是系统次级重要影响因素;可达数越大说明元素的影响力越大,故在进行系统分析及改进时应该考虑驱动数大的因素,即应考虑S28、S49等。同理,在驱动因素和依赖因素交叉区域的第一象限内,S26、S17、S33、S29等依赖性明显大于驱动性,故应为系统上层因素;而S11、S12、S20、S25等系统元素驱动性比较大,为系统底层因素。S19、S39、S10 等依赖性与驱动性均很大,为较重要中间元素。
综上所述,找出关键绿色影响因子对回收与再制造系统进行优化,依据图4~图6 综合分析可知,从绿色输出的角度,政府投入收益、材料回收利用率、设施利用率、环境污染治理成本处于第一级依赖性指标,这类绿色输出指标的影响要素很多,优化过程需要涉及系统全过程,涉及诸多方面的因素,优化时需要重点控制,以保证有效的绿色输出;物质资源消耗、再制造成本与收益、节约总能耗、报废产品回收率处于依赖性第二级,仅次于第一级指标,为了实现有效的绿色输出同样需要对全系统进行控制;第三级依赖性指标为公众满意度、再处理成本与收益、工作环境和质量、创造职业岗位数量、报废产品回收便利度、支付消费者资金等,这类绿色输出指标的影响要素较少,为系统局部输出,只需要对系统某个局部组织加以控制就能得到很好的绿色输出,这类指标的调控应该放在首位,只有在这些指标较好输出的前提下才能对第一级和第二级的输出指标进行优化,最终取得全系统绿色输出最优。
为获得更好的输出,需要调节系统输入,故对系统的输入因素进行分析。首先从系统角度,基础设施投入、经济水平以及人口分布从根本上制约着回收与再制造系统,故应该考虑加大对再制造行业的投入,如再制造技术、回收技术和先进设施的研发和应用,增大行业的投入,促使技术的进步以提高资源利用率。其次研究外部环境,从市场的购买与回收等方面分析再制造系统,研究市场情况与经济水平、增强消费者意识以及相关环保意识,从再制造的源头提高回收利用率;加强宣传教育投入,增强再制造品的市场竞争力;调节再制造品销售价格以及策略,促进对再制造品的使用,提高消费者对再制造产品的接受认可度,只有在市场接受认可的情况下,再制造才能得到更深层次的发展。再次制定完善环境法律,制定行业技术规范,加强运行监管,只有强有力的市场规范,才能使再制造系统从宏观背景层上得以完善。最后,从回收与再制造系统中的骨架因素进行分析,第一,需要完善回收物流网络,保证回收产品的数量和质量,并赢得社会的认可;第二,对再制造生产系统,需要制定生产计划以实现生产过程有序控制,应用先进技术减少污染,在节约成本的同时改善生产环境;第三,建立信息化系统网络,实行节点间信息共享,充分节约资源和能源,节约成本,减少环境污染和资源浪费。
4 结语
本文从系统工程和智能仿真的角度分析回收与再制造系统绿色影响因素间的关联关系,充分挖掘出系统因素以及系统因素间的相关关系,通过制定关联规则进行关联仿真,消除主观影响,形成回收与再制造系统边界,得出回收与再制造系统内环境、资源、经济、人因等绿色影响子系统因素,并在找出因素相关性的基础上构建解释结构模型,得到系统递阶结构,清楚系统整体结构以及层级关系,找出关键影响因素,为系统结构研究优化提供理论依据。
摘要：从系统工程的角度分析提炼了系统的绿色影响因子,从技术、过程、主体等多维度归纳了控制因素集,从经济、资源、环境、人因等维度归纳了绿色绩效输出集。提出关联规则并进行关联仿真,结合仿真结果对绿色绩效输出集进行聚类分析,最终得到了50个系统因素。建立了系统结构有向图,基于解释结构矩阵建立了整体结构,分析了要素之间的层级关联以及对比关系,为回收与再制造系统绿色绩效输出提供了优化方向。