利用 3D 运动学仿真实现先进制造工程

09
九月

使用 3D 运动学（真实世界）模拟的制造工程

• 作者：布莱恩·麦克莫里斯
• abb
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Futura Automation 的使命过去是：“通过实施工业物联网 (IIOT) 和机器人解决方案，为北美制造商提供关于工业 4.0 优势的咨询和支持”。  Futura Automation 咨询团队拥有多元化的背景和经验。  作为一个团队，我们拥有化学、电气、制造、机械和控制工程以及物理、数学和计算机科学领域的学位工程师，有时还拥有高级学位。  团队中的许多人都拥有机器人编程和应用经验，以及 IT、ERP、MES、电机驱动、运动和可编程控制方面的经验。  我们有能力协助客户满足其先进的制造设计要求。

客户目标：

Futura Automation 客户寻求提高制造业务的质量和生产力，以实现企业目标。  由于现在和不久的将来劳动力短缺，自动化和机器人技术越来越被视为降低成本和提高生产率的答案。  但机器人并不能直接取代全部人类劳动力。  大多数情况下，机器人的任务必须简化，因为机器人缺乏人类操作员的智力、判断力、创新力和灵活性。  Futura Automation 将与客户的 KPI（关键绩效指标）合作，推动实现满足这些 KPI 的解决方案。

解决方案：

当 Futura Automation 能够在开发过程的早期协助制造流程设计并帮助客户重新构想流程以提高效率和效果时，这对我们的客户来说是最好的。  改进制造实践的关键是现实世界模拟，以便可以在虚拟世界中测试各种解决方案的有效性。  Futura Automation 与其合作伙伴 OCTOPUZ 仿真软件可以为所有类型的制造设备提供此类运动学（真实世界）仿真，直至机器和机器人编程级别。  我们将能够找到维持系统内每个制造流程之间关系的解决方案。  该解决方案必须准确模拟系统内的容量和瓶颈，并以“运动学”准确的方式进行模拟，同时考虑到设备和产品的质量以及现实世界的物理约束。  该解决方案还必须能够显示对每个制造子系统所做的更改如何影响整个制造运营。

实施

制造优化需要对整个当前制造流程进行全面分析，并重新设想如何通过改变制造流程、工作流程、工厂布局、机械以及工业物联网、自动化和机器人技术的实施来改进流程。  以下是强大的解决方案所需的一些关键方面：

制造优化解决方案应提供什么？

• 物流：组件如何从生产商进入制造工厂以及成品如何运出？
• 仓储：如何在设施中存储组件以最大限度地减少处理和运输时间？
• 物料搬运：物料如何通过地面或高架输送机、叉车或自动驾驶车辆从仓库输送到生产区域？
• 组件组装：如何以最少的劳动力组装和检查组件，以满足设计制造对生产率和质量的要求？
• 组件精加工：组装后的产品如果在组装前没有进行喷漆、抛光或精加工，如何进行？
• 生产线末端包装：如何将成品包装在箱子、纸箱、托盘上以及用捆扎带或包装物运输？
• HR：执行该解决方案所需的人员配置水平、资格、培训和设备技术？
• 库存：根据历史和实时数据优化库存分析，以减少库存，同时又不失去对产品变更或定制的支持
• 订单管理：优化制造解决方案的调度和排序，最大限度地缩短设置和转换时间
• 如何将模拟可视化并传达给所有利益相关者？
• 如何评估并实施对流程工作流程的更改？
• 将制造流程和每个子流程与前台 (ERP) 系统联系起来的信息技术 (IT) 系统有哪些？

优化制造流程的 KPI

由于整个制造运营中有多个潜在且相互竞争的目标，因此必须确保每个单独的 KPI 或目标都有助于提高制造的整体效率。以下是运动学仿真解决方案可以提供的潜在制造改进机会：

• 库存利用率分析
• OEE 或资源分配
• 劳动力分配或生产力分析
• 材料流程和限制
• 设备正常运行时间和维护计划
• 工厂产能分析和扩张规划
• 质量控制目标；即“6西格码”
• 工厂绩效可见性；即仪表板
• 制造升级和设备采购投资回报率模拟
• 人力资源劳动力绩效跟踪培训
• 调度和生产平衡

在努力改进运营时，衡量一个替代方案与另一个替代方案或一组其他替代方案之间的权衡非常重要。这可以并且已经通过电子表格等静态分析工具来完成。但这种“单一状态”工具未能考虑到大多数制造业务中存在的典型相互关联的制造流程、人员、材料、设备和系统的动态。

解决方案 - 运动学仿真

运动仿真不仅可以分析各种生产场景，还可以在获取和设置所述设备之前测试设备类型的最佳性能。可以在几天或几周内开发和测试各种场景，而不是需要数月或数年的静态工程、设备评估和购买、部署和培训。这允许用户与虚拟环境进行交互，并“即时”测试布局、流程、人员、设备、自动化实施、时间表、库存选项、排序模式的任何和所有更改，以及几乎任何您能想到的可能对操作产生积极影响的更改，而无需在实时环境中测试更改的风险和成本。运动学模拟使用户能够灵活地实时查看变化，从而节省时间和金钱。对未来事件的主动预测使用户可以自由地尝试不同的场景，从而促进主动且具有经济优势的决策。

OCTOPUZ 是智能离线机器人编程和 #kinematic_simulation 软件，非常适合任何路径敏感应用。  除了运动学仿真之外，OCTOPUZ 还通过将机器人离线编程与制造过程仿真相结合，采用了革命性的机器人编程方法。  OCTOPUZ 为任何机器人或制造仿真挑战提供主流、多功能、强大且有效的解决方案。

仿真模型构建：

通常，来自任意数量的 CAD 开发工具的 2D 或 3D CAD 布局将被导入到模型中，以实现劳动力和工作流程的可视化。然后，流程、连接/输送机、行进路径和其他定义的数据将输入到模型中。模型以图形方式构建，无需编写代码。这是传统仿真环境和运动仿真环境之间的重要区别。定义时间表、顺序、流程等历来都是手动完成的。   随着技术的进步和全球劳动力成本竞争的加剧，与ERP订单输入（需求）系统实时交互，将产品组合、工艺路线和其他相关数据输入到生产模型中，以实现流程微调的目标变得越来越重要。  模拟可以通过测试多种生产解决方案（包括设备的添加、减少或重新安置）来进行“蒙特卡罗”预测。  这种主动预测允许用户根据实际收集的输入数据以及预测来查看预测场景。  用户能够在仿真模型仍在运行时与其进行交互，从而节省时间并立即提供反馈。然后，用户可以利用这些信息更好地了解可能的结果、变革的优点和缺点，并最终选择最合乎逻辑、有效、可行和经济上有利的行动方案。集成优化分析、2D 和 3D 可视化使我们的运动仿真解决方案成为满足客户制造优化需求的理想选择。

好处：

运动学仿真通过集成报告和场景分析，立即提供有关攻击点效率增益的反馈，以及变化如何在整个系统中传播。 Simcad 允许用户根据需求变化制定运营方式，对计划内和计划外的供应中断做出反应，以及产品组合的变化将如何影响整体运营。此外，运动学仿真对用户有利，因为它允许在虚拟环境中对系统进行大量更改，用户无需承担与试错相关的大量成本，也无需使用 Excel 表格进行漫长耗时的过程。运动学模拟使用户有机会检查和设置最佳计划，获取实时更新以增强对生产力的控制，以及播放“假设”场景以优化资源、设备、计划和生产。运动学仿真允许用户在整个制造过程中保持关系，以便更好地了解不同的变化如何影响整个系统。用户还可以分析基于自动化与手工劳动的效率可能存在的差异。可以建立最佳生产路径，以提高生产率并减少非增值时间。通过 Futura Automation 和 OCTOPUZ 的运动学仿真环境，所有这些以及更多操作都可以在 Futura Automation 的指导下完成。

结论

运动学仿真是一种可行且准确的工具，用于了解当前的制造限制、识别机械和流程变化的影响，最终实现可视化和传达从当前制造环境转移到未来制造环境的影响。

运动模拟环境的优点和好处

• Futura Automation 拥有一支经验丰富且合格的工程专业人员团队，他们将帮助开发制造过程模拟的细节
• Futura Automation 提供一系列资源来协助财务和运营决策
• Futura Automation 可以通过 Tulip Interfaces 实施物联网和集成 MES 系统，以完善自动化制造环境
• OCTOPUZ 包含一个 CAD 库，其中包含超过 200 万个机器人、机械和工具模型组件，可以通过启用运动学功能快速导入以进行过程仿真
• OCTOPUZ 提供
  • 与外部数据源实时连接，确保计算准确
  • 对制造设备和系统流程进行交互式“即时”更改
  • 使用本地制造商语言（大多数主要品牌）进行机器人编程，然后可以下载到现实世界的机器人
  • 通过互联网实时更新虚拟工程评审会议
  • 生产预测的动态精益分析

制造建模的运动仿真是未来。  Futura Automation 是您训练有素、能力超群的工程合作伙伴，可为您指明通向未来的道路，为制造环境的各个方面提供帮助，包括流程的成本核算和财务回报方面。