基于数字规划验证的数字化工厂技术研究与应用

摘要

在计算机技术日新月异飞速发展下，计算机集成制造、并行工程、虚拟制造、敏捷制造、协同网络制造、数字化制造等新技术、新思想、新模式、新哲理应运而生。制造企业面临诸多挑战，随着产品日益复杂性，装配设计规划与复杂制造系统优化日益困难，传统的产品设计和制造方法已经很难满足企业当前生存和发展的需要。建模与仿真技术的飞速发展，给复杂系统的设计与分析带来的巨大帮助，是解决制造领域规划与优化问题的一种有效的途径。企业为了能在激烈的市场竞争中处于有利位置，实现产品设计与制造的数字化势在必行。本文以中德政府合作项目为背景，研究了数字化工厂相关理论与技术、数字化制造系统建模与仿真理论、数字规划验证理论与技术；应用智能理论与数字化仿真技术相结合的方法，研究解决数字装配工艺规划中的装配序列规划与优化问题，解决制造系统中的装配生产线平衡规划与优化问题；建立了数字化预装配体系和面向生产工程的数字化工厂规划与优化的集成体系。主要的研究内容如下。首先对数字化制造与数字化工厂系统的理论、概念、关键技术做了阐述。数字化制造是实际制造过程在计算机上的实现，即采用计算机仿真和虚拟现实技术，对产品设计、工艺规划、加工制造等进行统一建模。数字化工厂是数字制造系统中关键环节之一，是在计算机虚拟环境中，对整个生产制造过程进行规划、仿真、评估和优化的新型生产组织方式，它是在数字空间中将生产制造过程压缩和提前，使生产制造过程在数字空间中得以验证。虚拟制造是数字化工厂的基础，数字化工厂是虚拟制造发展的必然结果，是对虚拟制造在更高层次上的深化和统一。基于并行工程的数字规划验证是实现数字化制造的关键技术。本文在分析了产品可制造性和可装配性的基础上，研究数字规划验证的步骤方法和关键技术，提出了数字规划与验证体系总体框架，分析数字化工艺与生产系统规划优化的工作流程。数字规划与验证方法在产品的设计阶段就可以开始进行生产线的设计规划，对装配过程进行优化仿真和工艺验证，有助于达到虚拟制造系统全局优化的目的。数字化制造系统的建模和仿真是数字规划验证的关键支撑技术。本文研究了数字化制造系统建模的层次结构，建立了面向生产工程的数字化制造建模、规划与优化评价的体系；分析制造系统面向对象的仿真建模框架和实现方法，应用面向对象仿真建模方法建立生产系统模型，利用仿真技术对生产系统的运行的性能进行分析与评价，因此，可以在生产计划的早期，优化生产过程、提高生产效率。数字工艺规划与数字生产规划是数字制造规划验证体系中的核心内容。DFA结合数字化预装配技术是实现数字装配工艺规划与优化验证的有效方法，本文提出数字化预装配系统的体系结构，阐述了系统运行的工作流程，在并行设计模式下，展开产品装配建模、装配工艺规划和装配过程仿真，为数字化制造系统中工艺规划与优化的实现提供合理的运作模式。在数字化产品的装配建模基础上，建立了基于装配关系结的装配联系图模型和基于共享零件的规划结构层次树模型，采用虚拟现实技术和智能规划方法相结合的方法，基于蚁群优化算法，进行装配序列的自动规划与优化，得到优化的产品装配序列方案，并通过虚拟装配过程仿真进行装配路径的有效性检验和装配干涉检验，验证产品的可装配性和验证装配工艺规划。装配工艺规划是装配生产系统规划的基础，装配系统规划是工艺规划的实现，两者是动态集成的完整体系。数字化工厂系统是基于模型和仿真的系统，以面向对象的仿真建模为支撑，以优化评价为目标，是实现数字生产规划与优化的关键技术。本文建立了数字化工厂规划与仿真的集成体系，建立装配生产线规划系统框架，以产品零部件装配顺序为输入，以装配生产线平衡为目标，建立了装配生产线平衡规划的数学模型，基于可行作业序列的遗传算法求解装配生产线平衡工位规划问题获得作业平衡静态优化解。同时，建立生产线的动态仿真模型，进行动态仿真分析验证，获得优化的装配生产线设计规划方案。最后将研究成果和技术应用到数字化汽车总装规划课题项目中，并开发出数字化工厂原型系统。关键词：数字化制造，数字化工厂，数字规划验证，规划与仿真，面向装配的设计DFA，数字化预装配，装配序列规划，生产线平衡规划，蚁群算法，遗传算法

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

1.1引言

1.2数字化制造理论与技术

1.2.1虚拟制造

1.2.2并行工程与虚拟装配

1.2.3数字化制造的概念与发展趋势

1.3数字化工厂理论体系

1.3.1数字化工厂产生的背景

1.3.2数字化工厂的概念

1.3.3数字化工厂与虚拟制造的关系

1.3.4数字化工厂关键技术

1.4课题的背景与意义

1.5论文研究的内容框架和主要贡献

1.5.1论文的主要内容与组织框架

1.5.2论文的主要贡献和创新点

第2章数字制造规划验证的体系结构

2.1数字化制造过程中的规划与验证体系

2.1.1数字化产品开发过程

2.1.2数字规划与验证

2.1.3数字化产品开发与规划验证的体系结构

2.1.4数字规划与验证的原则和评价

2.2数字化工厂规划与仿真的集成体系结构

2.2.1面向生产工程的数字化工厂

2.2.2数字化工厂规划与仿真的集成体系结构

2.3小结

第3章数字制造规划的关键支撑技术

3.1基于并行工程的同步DFA

3.1.1 DFX技术

3.1.2数字化产品开发过程中的广义设计观

3.1.3基于广义设计过程的同步DFA方法

3.2数字化制造系统建模与仿真

3.2.1数字化制造模型分类

3.2.2数字化制造对模型的要求

3.2.3制造系统模型的层次关系

3.2.4离散制造系统建模方法

3.2.5制造系统面向对象的仿真建模

3.2.6制造系统规划与优化建模的体系结构

3.3数字化制造单元规划

3.3.1制造规划单元

3.3.2数字化工厂规划过程模型

3.3.3虚拟装配车间规划过程

3.4制造系统布局规划

3.4.1车间布局的分类

3.4.2数字化工厂布局规划功能分析

3.4.3虚拟车间布局规划方法

3.5数字化生产线的规划

3.5.1数字化生产线的规划设计

3.5.2数字化生产线面向对象的仿真建模

3.5.3数字化生产线规划的评价模型

3.6小结

第4章基于仿真的数字装配工艺与生产规划及优化

4.1数字化协同预装配体系

4.2数字化产品装配建模

4.2.1产品装配零件建模

4.2.2产品装配信息建模

4.2.3基于共享零件面向装配规划的层次树模型

4.3数字化产品可装配性分析与评价

4.3.1产品的结构可装配性分析

4.3.2装配工艺可装配性分析与评价

4.3.3装配系统可装配性评估

4.4基于蚁群算法的装配序列规划与优化

4.4.1装配序列规划的研究

4.4.2蚁群算法的基本原理

4.4.3基于蚁群算法的装配序列规划与优化

4.4.4装配序列合并

4.5装配工艺过程仿真及干涉检查

4.6虚拟装配生产线规划

4.6.1装配生产线总体规划结构

4.6.2装配线的静态规划和动态仿真规划

4.7装配生产线平衡工位规划

4.7.1装配生产线平衡工位规划的分类

4.7.2装配生产线平衡规划的数学模型

4.7.3基于遗传算法求解ALB问题

4.7.4混合装配生产线平衡规划

4.7.5装配线静态规划的动态仿真分析

4.8小结

第5章数字规划验证与数字化工厂技术的应用

5.1工艺规划验证在轿车总装配中的应用

5.1.1总装规划的流程

5.1.2数字化工艺规划

5.1.3数字化预装配

5.1.4装配顺序规划与仿真验证

5.1.5生产线规划验证与仿真评估

5.2数字化工厂软件系统开发

5.2.1数字化工厂软件系统框架

5.2.2面向产品装配的工艺规划模块开发

5.2.3数字化生产线物流仿真模块开发

5.3小结

第6章结论与展望

6.1全文总结

6.2进一步研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果