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饮料灌装生产线设计支持技术与系统

  饮料灌装生产线主要由输送设备、输瓶系统、输箱系统等组成,其设计过程主要包括布局设计、结构设计和运行设计等环节。由于组成生产线的零部件绝大多数是标准件和通用件,因此布局设计是饮料灌装生产线设计的重点。然而在布局设计中,设计人员无法综合考虑单机产能、整线产能、车间布局、生产线平衡等诸多约束,设计方案中的缺陷和问题只能在结构设计甚至在制造和使用过程中才能被发现,从而降低了生产线的性能和设计质量。充分利用数字化的手段,建立集成化产品模型有效地支持生产线的布局设计,是提高生产线设计效率和效益的关键。
  本文以饮料灌装生产线为对象,研究提出支持布局设计和结构设计的集成化产品模型,以及基于该模型的生产线设计支持技术和系统。
  饮料灌装生产线的设计过程大致可以分为布局设计、结构设计和运动设计3个阶段。由于生产线的运动设计从内容上相对独立,而布局设计和结构设计的关系较为紧密,因此本文面向设计的集成化生产线设备模型主要是指支持布局设计和结构设计的生产线模型,其重点是支持生产线的布局设计。
  1、生产线的布局设计与结构设计
  布局设计主要是指在针对特定产品、满足产能需求的情况下,完成设备的定型、设备的定位、生产线的排布、车间大小的确定、成本估算等工作。产生的结果包括布局方案图、粗略成本等。如果将生产线全生命周期各阶段产生的关于生产线的描述结果看作针对输送线的视图,那么布局方案是其中的一个,也是生产线设计阶段的第一个重要视图。而从设计过程来看,生产线的进一步细化,跟结构设计是分不开的。由于布局方案图对后续设计的重要性,因此要对布局方案进行运行仿真,以优化设计结果。
  2、生产线集成化产品模型框架

生产线集成化产品模型框架
图1  生产线集成化产品模型框架

  生产线集成化模型框架如图1 所示,分为对象层、过程层、模型层和工具层4个层次。该框架是一个以抽象或实际的生产线产品为对象,利用通用和专用工具,建立和应用相关模型,实现对生产线产品生命周期的数字化。在生产线的设计阶段,其主要模型包括支持设计的布局模型、结构模型、部件模型、零件模型等,以及支持设计分析的布局仿真模型、装配仿真模型、运动仿真模型等。
  本文重点对生产线产品设计中的布局设计和结构设计部分进行研究。
  3、生产线产品设计过程模型
  生产线是典型的面向订单设计的产品,其设计过程的核心是布局设计。面向生产线的设计过程模型由3个层次组成,分别是布局设计层、结构设计层和详细设计层,如图2所示。

生产线设计过程模型
图2  生产线设计过程模型

  (1)布局设计
  布局设计过程是以生产线设备位置、车间大小为空间约束,以设备连接为性能约束,对输送单元进行选择和排列的过程,属于概念设计的范畴。通过在部件层建立模块简化的三维几何模型,并应用布局设计工具来辅助生产线的布局设计,一方面由于简化的三维几何模型省略了模块的具体结构从而提高布局设计处理的效率,另一方面每一个简化的三维几何模型对应着详细的三维结构模型从而实现布局设计与结构设计的集成。
  模块的布局模型主要包括基本信息和几何信息,其中基本信息指输送模块的基本信息,如模块的名称、编码、类型和模块的组成等信息;几何信息指与模块布局的几何构造相关的信息,反映了布局设计时重点关注模块的几何形状和尺寸等。由模块拼接而成的生产线布局模型包括模块的组成、位姿信息、关系信息、序列信息、运动信息等,其中位姿信息指模块在产品布局坐标系中的坐标位置和姿态;关系信息指模块之间的装配关系,可分为描述模块间相对位置和配合的定位关系,以及描述模块间直接连接关系;序列信息指模块装配顺序。
  (2)结构设计
  产品结构是企业进行产品设计、生产组织的重要依据。产品结构树反映了产品的各零部件之间的层次关系,而且能够通过不同的过滤方式在同样的结构树基础上生成不同的BOM视图,这样,企业的各个部门可以从不同BOM视图中得到需要的产品信息。
  ①扩展的赋权结构模型的建立
  根据模块化设计的最大凝聚性理论,输送模块可分为H型支撑组合、侧板组合、底部接水盘组合、输送链组合和其他辅件等,除输送链与运动有关外,其它模块不参与实际运行过程,其参数表主要是结构参数而不需要运动参数。
  ②基于结构模型的参数传递与计算
  首先要进行参数分析,参数分析是参数化产品变型设计的前提。参数分析包括产品总体参数分析、零件参数分析和参数间的关联分析。本文以产品结构模型为依据,采取层次逐渐深入的参数传递机制,同时最大限度发限制参数在隶属不同“父件”的“子件”之间横向交叉传递,更不允许参数在无结构隶属关系的零部件之间直接传递。
  (3)详细设计(CAD软件层)
  本文使用离线参数化方法,将输送线单元的参数化过程与图形生成过程相分离,用参数化尺寸驱动图形生成。详细设计层包括零件模型生成、输送单元装配、生产线总装等过程。
  详细设计层模型主要由零件模型和装配模型组成。其中零件模型包括零件几何模型和信息模型。装配模型主要描述零部件间的连接关系、运动关系、配合关系和顺序关系。装配模型信息可扩展,以支持产品的装配仿真和运动仿真。
  由于生产线的组成零部件通用性较好,结构组成规律性强,应用面向大批量定制的开发技术和成组技术,建立基于SML表的零部件族模型。由结构设计层最终计算得到的一组参数,指导零件族模型几何图形的变型生成和部件族模型配置设计,从而完成详细设计的几何造型和装配部分。






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