系统建模与仿真课程设计

生产系统建模与仿真课程设计任务书

问题描述：

系统由四台加工中心、两个托盘及装夹工具A和B、一套搬运轨道和小车、一个工件装夹区组成，其布局如图1所示。系统所包含的主要时间类别及大致时间如下：

(1) 工件安装时间。是指待加工工件装夹并固定在托盘上的时间，由于模具工件均为长方体，因此，该时间稳定在3mins左右。

(2) 小车等待时间。工件安装完成后，如机床都在工作状态，则小车需等待有机床完成工作后，开始运出待加工工件。该等待时间不是固定的值，需要计算得出。 (3) 机床等待时间。当有多个机床处于空置状态时，由于运输容量的限制，有的机床就处于空置等待状态，该状态所经历的时间，就是该机床的等待时间。 (4) 工件运出时间。将已安装好工件的托盘，从安装区运出至数控设备。大约2mins。

(5) 更换托盘时间。将设备上装载已加工好的零件的托盘与小车上装载待加工工件的托盘进行更换。大约需要1min。

(6) 工件运回时间。更换托盘后，将载有已加工好的工件的托盘运回安装区，并卸载。大约需要3mins。

工件装夹区 CNC CNC CNC 搬运轨道 小车 CNC 图1 系统布局图

设计内容：

1

系统建模与仿真课程设计

1 任务队列如表1所示，计算该队列条件下的任务总完成时间、四台设备各自的设备等待时间，绘制四台设备的工序图。

2 对任务队列进行排序优化，阐述优化的思路和方法，计算优化后的任务总完成时间、四台设备各自的设备等待时间，绘制四台设备的工序图。

表1 设计案例参数表 (单位：分钟) 安装 3 任务1 17 任务5 15 任务9 18 任务13 36 任务17 29 运出 2 任务2 5 任务6 13 任务10 A 任务14 17 任务18 21 运回 3 任务3 11 任务7 27 任务11 12 任务15 B 任务19 8 更换 1 任务4 15 任务8 18 任务12 15 任务16 26 任务20 15 A: 2*10+QQ号第2位。

B: 3*12+QQ号第1位。

2

系统建模与仿真课程设计

目录

一、课程设计背景…………………………………………………………………….……….1 二、问题分析……………………………………………………………………………………….2

2.1 初步分析………………………………………………………………………………….2 2.2 原始条件分析…………………………………………………………………….……2 2.3 小车运动分析………………………………………………………………….………2 2.4 加工中心加工分析……………………………………………………….…………3 2.5 运动分析原则……………………………………………………………….…………3 2.6 时间分析…………………………………………………………………………….……3

三、原始加工顺序分析…………………………………………………………………………3

3.1 原始加工顺序工序图……………………………………………………4 3.2 原始数据分析……………………………………………………………………..….4 四、目标优化……………………………………………………………………………….………5

4.1 原始加工零件时间分析…………………………………………………….……5 4.2 优化分析思路………………………………………………………………………….5 4.3 优化过程…………………………………………………………………………………5 4.4 选择原则…………………………………………………………………………………7 4.5 加工顺序表………………………………………………………………..……………7 4.6 优化后的零件工序图……………………………………………………………..7 4.7 优化后零件的时间指标…………………………………………………….……7 五、优化方案的结果分析…………………………………………………………………...8 5.1 优化结果比较……………………………………………………………………………8

1

系统建模与仿真课程设计

5.2 优化结果分析……………………………………………………………………………8 六、小结………………………………………………………………………………………….……9 七、参考文献………………………………………………………………………………..……..9

2

系统建模与仿真课程设计

一课程设计背景

工厂某车间系统由四台加工中心、两个托盘及装夹工具A和B、一套搬运轨道和小车、一个工件装夹区组成，其布局如图1所示。系统所包含的主要时间类别及大致时间如下：

(1) 工件安装时间。是指待加工工件装夹并固定在托盘上的时间，由于模具工件均为长方体，因此，该时间稳定在3mins左右。

(2) 小车等待时间。工件安装完成后，如机床都在工作状态，则小车需等待有机床完成工作后，开始运出待加工工件。该等待时间不是固定的值，需要计算得出。 (3) 机床等待时间。当有多个机床处于空置状态时，由于运输容量的限制，有的机床就处于空置等待状态，该状态所经历的时间，就是该机床的等待时间。 (4) 工件运出时间。将已安装好工件的托盘，从安装区运出至数控设备。大约2mins。

(5) 更换托盘时间。将设备上装载已加工好的零件的托盘与小车上装载待加工工件的托盘进行更换。大约需要1min。

(6) 工件运回时间。更换托盘后，将载有已加工好的工件的托盘运回安装区，并卸载。大约需要3mins。

图1 系统布局图

现有20个加工任务，加工时间如下表所示：

1

工件装夹区 搬运轨道 CNC CNC CNC CNC 小车 系统建模与仿真课程设计

表1 设计案例参数表 (单位：分钟) 安装 3 任务1 17 任务5 15 任务9 18 任务13 36 任务17 29 运出 2 任务2 5 任务6 13 任务10 20 任务14 17 任务18 21 运回 3 任务3 11 任务7 27 任务11 12 任务15 37 任务19 8 更换 1 任务4 15 任务8 18 任务12 15 任务16 26 任务20 15

二问题分析

2.1 初步分析

根据整个系统运作的方式分析来看，显而易见，任务加工顺序不同的话，那么小车利用情况就会不同，整个系统的加工时间也会不同，所以就需要找提出一种合理的加工方案，使小车得到充分的利用，使整个系统的加工时间和等待时间最少。

2.2 原始条件分析

有一辆小车和四台机工设备，有6个托盘。

在加工开始前，工件装夹区有两个托盘，四台加工中心分别有一个托盘，上面放着前一个班次加工完的零件。也就是说刚开始加工时，小车到达加工中心时需要更换托盘，然后把加工完成的零件运回。同时装夹区的工人可以对另外一个托盘进行安装，当小车返回后可以直接从装夹区运出装有待加工零件的托盘。 2.3 小车运动分析

加工的过程中，小车的运动过程可以分为以下几个阶段：

1、小车接收到加工中心的信号，准备开始运动 2、从装夹区运出待加工零件的托盘，用时2分钟

2

系统建模与仿真课程设计

3、到达加工中心，更换托盘，用时1分钟 4、运回已加工零件，用时3分钟 2.4 加工中心加工分析

当加工中心加工完成后，加工中心向小车发出信号，然后小车开始向此加工中心运送零件，在此期间加工中心处于等待状态，当小车到达此加工中心，小车更换托盘，在此期间加工中心仍处在等待状态，当更换完毕后，开始加工零件，直至加工完成，重复以上过程。 2.5 运动分析原则

1、小车第一次从加工中心运出装有待加工零件的托盘时，需要等待工人装夹托盘。在以后工作过程中，根据条件分析可知，小车从装夹区离开然后回到装夹区，这个过程共用时6分钟，装夹区的工人足以装夹另外一个托盘，故小车不需要再次等待。

2、四个加工中心互不影响，所以零件并不需要按照加工中心顺序来加工，小车首先向已加工完的工作中心运送零件。 2.6 时间分析

2.6.1小车等待时间分析：

有以下两个时间：1在装夹区等待工人装夹的时间（由2.3中分析可知，○此过程的时间只会在加工开始出现）2小车等待加工中心发出加工完成的信○

号这一过程的时间。（当四个加工中心均在工作时，小车上装载的未加工零件无处可运，小车需要等待）

2.6.2加工中心等待时间分析：

有以下两个时间：○1必须等待时间：小车从装夹区运出和更换托盘的等待时间，这个时间不可避免○2额外等待时间：加工中心发出信号到小车接到信号从加工中心运出这一过程的时间， 2.6.3总加工时间

最后一个零件加工完成所用时间

三原始加工顺序分析

3

系统建模与仿真课程设计

通过对原始加工顺序的时间分析，找出加工过程中存在的问题和不足，提出解决方案，得到优化结果。 3.1

原始加工顺序的工序图

根据20个零件的加工时间和加工过程的分析达到它们的工序

10零件安装3333203303340335036033703803390310033110312031303140150149小车运出2424242424242424242724242424242621126242小车更换11111111111111111111小车运回33333333333333333333加工中心16⑴ 1730⑸ 1554⑼ 1881⒀ 3687⒁ 17120⒅ 2112加工中心2⑵ 536⑹ 1360⑽ 20107⒄ 2918加工中心3⑶ 1124加工中心4⑷ 1542⑺ 2748⑻ 186975⑿ 1593⑾ 1299⒃ 26128⒆ 8134⒂ 37149⒇ 15

图（二）原始数据加工工序图 例如：

6⑴ 17 6表示开始加工的时间是第6分钟

（1）里面的数表示的是任务1:；17表示任务1加工时间为17分钟

3.2 原始数据分析

根据图（二）得到原始任务加工顺序的各项指标

4

系统建模与仿真课程设计

小车等待时间：从图中小车运出时间表中可以看到，正常状态下两间隔时间为4，图中有四处间隔大于4，故小车共有四处任务小车需要等待，分别为

加工（11）号零件时，需要等待3分钟（7-4=3） 加工（17）号零件时，需要等待2分钟（6-4=3） 加工（18）号零件时，需要等待7分钟（11-4=7） 加工（19）号零件时，需要等待2分钟（6-4=3）

加工中心等待时间：某个加工中心，两零件之间的间隔即为等待时间。 经过分析计算得到表（二）

表（二）原始加工顺序指标

总加工时间小车等待时间加工中心1等待时间加工中心2等待时间加工中心3等待时间加工中心4等待时间总等待时间

1491428403128127 四目标优化 4.1 原始加工时间分析

从表（二）中的数据来看，小车的等待时间为14分钟，等待时间比较长，小车利用率不高；加工中心2的等待时间为40分钟，加工中心3的等待时间为31分钟，等待时间过长，机器设备的利用效率较低。 所以，需要对这两个时间进行优化，使小车的等待时间和加工中心的等待时间降到最低。

4.2 优化分析思路

（1）加工的过程中只有1辆小车在运动，要同时为四台加工中心运送零件，所以小车为瓶颈工序。在优化的过程中就需要将小车的等待时间降到最低。这是优化的一项重要目标。

（2）加工中心的等待时间也较长，在优化的过程中减少小车等待时间的同时也要降低加工中心的等待时间，加工中心的等待时间减少的话，总加工时间也会相应的减少。

（3）减少加工的总时间，开始加工时让四台加工中心尽量早的投入使用。

4.3 优化过程

第一步：首先将前四个零件依次运往四台加工中心，使四台加工中心尽早的投入使用。

第二步：以小车为研究对象，建立刚开始小车运动时间分析图，如下图（三）

5

系统建模与仿真课程设计

加工中心1加工中心2加工中心3加工中心4安装托盘3运回2更换16126666运回3运回2更换1小车位于装配区小车位于加工中心运回3运回2更换118624运回3运回2更换1小车位于加工中心图（三）小车运动过程分析图

从图中可以看到四台加工设备进入工作状态的时间分别为第6、12、18、24分钟，而且在第24分钟时，加工中心4刚好开始工作，此时加工中心1工作的时间为18分钟，加工中心2工作的时间为12分钟，加工中心3工作的时间为6分钟。

小车的下一个动作为从加工中心4回到装配区，用时为3分钟，同时加工中心加工3分钟。若让小车没有等待时间，这个过程应该为：当小车回到装配区时，接收到某台加工中心的信号，就立即往此加工中心运送零件，然后更换托盘，接着加工中心继续加工，小车返回，重复这样的过程。

这就意味着，当小车从加工中心4回到装配区时，加工中心1、2、3至少有一个已加工完零件。这样加工中心1加工的时间为21分钟，加工中心2加工的时间为15分钟，加工中心3加工的时间为9分钟，这就说明如果零件的加工时间为21分钟或者15分钟，9分钟的话，小车没有等待时间同时加工中心也没有额外等待时间。

由20个零件的加工时间表可以看到，（4）号零件的加工时间为15分钟，所以我们把4号零件放在加工中心2，则小车的下一个运动路径为如下图（四）

加工中心1加工中心2加工中心3加工中心4安装托盘3运回2更换16661566工件46运回3运回2更换1运回3运回2更换1小车位于装配区小车位于加工中心运回3运回2更换1666小车位于装夹区运回3运回2更换1小车位于加工中心图（四）小车运动路径分析图

此时小车位于加工中心2，此时加工中心1加工的时间为24分钟，加工中心3加工的时间为12分钟，加工中心4加工的时间为6分钟，小车下一个动作为用

6

系统建模与仿真课程设计

时3分钟回到装配区，此时加工中心1加工的时间为27分钟，加工中心3加工的时间为15分钟，加工中心4加工的时间为9分钟，所以我们在零件区找到加工时间为27分钟或者15分钟，9分钟的零件，把这个零件填入到相应的时间区间内。当然零件的加工时间没有这么恰当，所以我们就要按照一定的原则（详见4.4）将工件填入到相应的时间区间，使得加工中心的等待时间最少。这样依次排列下去就可以得到加工顺序。

4.4 选择原则

1、首先选择零件的加工时间等于加工中心加工时间的工件。

2、若没有适合的，选择零件加工时间大于加工中心加工时间的工件。 3、最后选取零件加工时间小于加工中心加工时间的工件。

4.5加工顺序表，如表（三）

顺序任务号加工时间1153721215341545155162662015713368727925101981118211211713141714172915311161112179181810201981820613表（三）优化后加工顺序表

所在加工中心12342341323214321342

4.6优化后的零件加工工序图，如图（五）

7

系统建模与仿真课程设计

10零件安装3333203303340335036033703380390331003110331203130133140小车运出22222222222222222222小车更换11111111111111111111小车运回333333333333333333336加工中心14878102⒂ 37⑺ 27⒁ 17⑼ 18加工中心21230607296114⑿ 1518⒃ 263654⒆8⑴ 176690⑾ 12108⑻ 18加工中心3⑷ 1524⒇ 1542⑵5⒅ 2184⑶ 11⑽ 20120133加工中心4⑸ 15 ⒀ 36⒄ 29⑹ 13图（五）优化后的零件加工工序图

4.7优化后的零件各种时间指标

项目指标总加工时间小车等待时间加工中心1等待时间加工中心2等待时间加工中心3等待时间加工中心4等待时间总等待时间

8

时间（分钟）13301524231678 系统建模与仿真课程设计

五优化方案的结果分析

5.1 优化结果比较

项目指标总加工时间小车等待时间加工中心1等待时间加工中心2等待时间加工中心3等待时间加工中心4等待时间总等待时间优化前时间（分钟）1491428403128127优化后时间（分钟）减少时间减少率1331612.03%014100.00%151386.67%241666.67%23834.78%161275.00%784962.82%

5.2 优化结果分析

根据优化前后的指标可以看到，优化后的总时间从149分钟减少到133分钟，小车的等待时间从14分钟减少到0分钟，加工中心的等待时间从127分钟减少到78分钟，尤其是加工中心1和加工中心4的等待时间减少率最为明显，大大的提高的机器的利用效率。这样的优化是很有意义的，这对于降低生产成本，减少浪费，减少产品的生产周期，提高竞争力。

六小结

通过本次课程设计，让我系统了解零件的一般生产过程，同时培养了我优化的思想观念，让我以后对这样的问题有更多的优化思考。在系统优化的过程中我也学习到了一些优化的基本方法，以及如何分析解决问题的方法，加深了我对系统建模与仿真这门课的理解和运用，这对我以后的工作学习都有帮助。在完成优化的过程中我也学会了如何利用viso，excel软件。

七参考文献

[1]罗亚波.<<系统建模与仿真>>.华中科技大学出版社2004

9