CN109543336A - 一种复合肥配料生产线可视化模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合肥配料生产线可视化模拟方法，该方法首先在三维建模软件中建立生产线各设备三维模型并画出整个产线的二维布局图；然后将各设备模型及布局图依次导入数字化工厂仿真软件Visual Components中，将各设备模型放置在布局图相应位置并建立各设备模型的属性及行为特征；连接各设备间相关联的信号和接口，创建产线生产参数的统计图表；运行仿真，观察图表中参数是否达到目标要求，若未达到，调整各设备模型生产参数、设备数量、生产布局等，直至满足要求。此方法旨在论证生产线方案可行性，通过直观的三维动态展示和统计图表，在方案设计阶段尽可能的发现产线中潜在问题，极大降低后期产线的调试及维护成本，也可在一定程度上缩短整个项目交付周期。

Description

一种复合肥配料生产线可视化模拟方法

【技术领域】

本发明属于仿真技术领域，具体涉及一种复合肥配料生产线可视化模拟方法。

【背景技术】

近年来，世界各国为提高产品质量、降低成本、缩短研制周期，制定了多项先进制造发展战略与规划，调整产业架构，促进产业转型。为了满足市场瞬息万变的需求和激烈的竞争环境，要求制造过程有更高的灵活性、敏捷性。

在工业4.0的热潮冲击下，越来越多的企业走上了转型升级的道路，车间自动化设备的投入越来越大，但目前对整条生产线进行自动化改造升级却存在很多问题，因为整条产线的生产过程是一个动态变化的复杂过程，很难通过单纯的数学计算去评估整个产线的生产情况，这样便可能造成方案设计时不能及时发现存在的问题，增加了后期调试与维护的成本，也会出现产线布局不合理、生产效率不高的问题，另外存在的一个问题是产线的柔性化生产程度不够，无法实现多品种、小批量的生产要求，很难满足客户定制化生产的需求。所以目前大多数车间的自动化程度还是很低，大多采用一些自动化专机设备、机器人工作站实现少数几道工序的自动化升级改造，而实现整条生产线的自动化升级还有一段距离。

【发明内容】

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种复合肥配料生产线可视化模拟方法，可提前验证生产线设计方案的合理性，降低后期调试及维护的成本，提高产线的生产效率。

本发明采用的技术方案具体如下：

步骤一：在三维建模软件中建立生产线各设备模型，将设备模型按照配置文件进行布局装配组成生产线的初始模型，并导出此所述初始模型的CAD布局图；

步骤二：将各设备模型及CAD布局图导入虚拟仿真软件中，调整各设备原点位置保证各设备处于正确的姿态，调整好后通过平移旋转设备坐标系的方式将各设备模型放置在CAD布局图上相应的位置以形成仿真模型；

步骤三：根据各设备模型在实际生产中具备的功能及生产工艺流程，在仿真模型中建立相应的节点、属性、行为、几何体颜色；

步骤四：连接各设备模型间相关联的信号、接口；

步骤五：根据生产线目标要求，创建相应的统计图表；

步骤六：运行仿真，观察三维显示窗口中动态的生产过程及统计图表中仿真结果是否满足，若不满足则调整各设备工艺参数、设备数量、生产线布局等，直至满足目标要求；

步骤七：选择导出视频或导出3DPDF选项，运行满足要求的生产线布局，将生产过程导出为视频动画或3DPDF文件。

进一步的，所述步骤一进一步包括：

所述的生产线设备包括：自动配料设备、爬斗提升运输设备、混料搅拌设备、全自动包装设备、缝包设备、推袋设备、称重设备、颠带输送线设备、码垛机器人、栈板、叉车。

进一步的，步骤三中所述的工艺流程包括：a五种原料化肥的计量、称重、混料；b爬斗提升机将混料后的复合肥运输并倒入搅拌机内；c另一台爬斗提升机将搅拌后的复合肥倒入全自动包装秤中；d全自动包装秤抓取化肥包装袋并将复合肥倒入包装袋中；e将装好复合肥后的包装袋运输到缝包机上缝包；f待缝包好的化肥袋输送到推袋设备处推到；g进行整袋的称重检测，不合格则推下输送线；h码垛机器人进行码垛；g叉车将码垛好的产品叉走。

进一步的，所述建立相应的节点具体为：为每个设备建立一个对应的节点；并根据两个或者多个设备之间的相对运动关系选择一个设备的部件，所述部件的运动使得所述部件所属的设备和其它设备之间存在相对运动关系；并为所述部件创建对应的节点。

进一步的，建立相应的节点包括分析设备中的各部件是否存在相对运动关系，串联机构建立父子节点关系，并联机构建立同等层次节点关系，对于有耦合关系的机构，进行运动学分析，建立各组件的运送学关系式写入各节点属性中。

进一步的，所述建立属性、行为、几何体颜色；具体为：为每个节点添加和节点相关的属性值、行为和颜色。

进一步的，节点的属性是和节点对应的设备相关的属性；在进行属性值添加时，根据所述节点对应的设备/部件呈现所有和该设备/部件对应的属性，预先填充属性值，并将属性、预先填充属性值对的列表呈现给用户进行属性值的添加以建立所述节点的属性；当没有预先填充属性值时，将默认值作为预先填充属性值。

进一步的，统计图表中包含多项统计参数，基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取关联的调整建议列表，并将所述关联的调整建议列表提供给用户，用户基于所述调整建议列表进行调整。

进一步的，所述基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取和关联的调整建议列表，具体为：将所述不满足的统计参数进行组合以获取多个统计参数组合，基于所述统计参数组合查询和所述统计参数组合对应的调整建议；基于统计参数本身获取调整建议；将调整建议按照对应的统计参数组合的长度的大小从大到小排列，并在其后追加统计参数本身对应的调整建议，以构成调整建议列表。

进一步的，仿真软件中保存统计参数组合及其对应的调整建议对应表，根据历史仿真中出现所述统计参数组合时所采用的调整及其调整效果动态的更新所述保存的对应表；使得所述统计参数组合始终对应调整效果最佳的调整建议；类似的，仿真软件中保存统计参数及其对应的调整建议对应表。

本发明的有益效果为：具备三维动态展示功能，可直观的展示整个生产过程，交流方便，便于发现方案中存在的问题；可在模拟布局中论证设计方案的可行性，降低后期调试和维护的成本；可对产线运行结果进行分析，局部最大化产线的生产效率；当产品型号发生改变时，可在此模拟布局中进行虚拟调试而无需停线，不但保证了旧产品的产量，更是增加了产线的柔性生产能力；能够动态的进行属性值的预先填充，本发明中涉及反复的调整，属性值需要多次进行填充，通过预先填充，提高了填充效率；而在调整时能够从仿真对象出发进行全局的建议提供，提高了可视化模拟调整的效率。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明的复合肥配料生产线可视化模拟方法示意图。

图2为本发明的复合肥配料生产线总体布局图。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，其示出了本发明一种复合肥配料生产线可视化模拟方法的示意图，该方法通过在虚拟布局中模拟复合肥生产线运行情况，直观的展示了整个产线的生产过程，并可进行仿真结果数据分析，以此来评估产线设计方案的可行性，能够自动的进行属性值的填充，提高模拟效率；优化调整建议组合，能够快速的得到满足要求的可视化模拟对象；

具体方法步骤如下：

步骤一：在三维建模软件中建立生产线各设备模型，将设备模型按照配置文件进行布局装配组成生产线的初始模型，并导出此所述初始模型的CAD布局图；

优选的：所述CAD布局图为整个生产线布局的二维CAD图纸；

所述配置文件中包含生产线的设计方案中的详细信息及其目标要求；

优选的：需要建模的生产线设备包括：自动配料设备、爬斗提升运输设备、混料搅拌设备、全自动包装设备、缝包设备、推袋设备、称重设备、颠带输送线设备、码垛机器人、栈板、叉车等，另外由于肥料是颗粒，简化为流体进行演示，建模时需建出流体的外形，还需建出不同状态下(未装肥料时、夹爪抓起时、装肥料时、缝包机缝包时等)化肥包装袋的外形；建好后，将这些模型按照方案布局装配为一个整体，然后导出此整体的CAD布局图(如附图2所示)。

步骤二：将各设备模型及CAD布局图导入虚拟仿真软件中，调整各设备原点位置保证各设备处于正确的姿态，调整好后通过平移旋转设备坐标系的方式将各设备模型放置在CAD布局图上相应的位置以形成仿真模型；

优选的，所述的调整各设备模型的位置包括关键点的捕捉、各模型坐标系的平移和旋转等；

优选的，所述虚拟仿真软件为Visual Components；

步骤三：根据各设备模型在实际生产中具备的功能及生产工艺流程，在仿真模型中建立相应的节点、属性、行为、几何体颜色；

优选的：所述工艺流程包括：a五种原料化肥的计量、称重、混料；b爬斗提升机将混料后的复合肥运输并倒入搅拌机内；c另一台爬斗提升机将搅拌后的复合肥倒入全自动包装秤中；d全自动包装秤抓取化肥包装袋并将复合肥倒入包装袋中；e将装好复合肥后的包装袋运输到缝包机上缝包；f待缝包后的化肥袋输送到推袋设备处推到；g进行整袋的称重检测，不合格则推下输送线；h码垛机器人进行码垛；g叉车将码垛好的产品叉走；

具体的，以节点、属性、行为、几何体颜色的建立以爬斗机为例，由于爬斗机料斗与爬梯之间有相对运动，所以需要建立一个料斗节点，将料斗相关几何体放入此节点内，为此节点添加运动速度、加速度、限位等属性，还需添加Servo Controller、开始运动信号、到位信号、PythonScript等行为实现逻辑时序和运动的控制，考虑美观为各几何体添加颜色。

所述建立相应的节点具体为：为每个设备建立一个对应的节点；并根据两个或者多个设备之间的相对运动关系选择一个设备的部件，所述部件的运动使得所述部件所属的设备和其它设备之间存在相对运动关系；并为所述部件创建对应的节点；建立节点需分析设备中各子部件是否存在相对运动关系，串联机构建立父子节点关系，并联机构建立同等层次节点关系，对于有耦合关系的机构，进行运动学分析，建立各组件的运送学关系式写入各节点属性中；

所述建立属性、行为、几何体颜色；具体为：为每个节点添加和节点相关的属性值、行为和颜色；添加的属性和行为具体包括：整形数据属性、浮点型数据属性、布尔型数据属性、字符型数据属性、Controller行为、Container行为、Signal行为、Interface行为、PythonScript行为等；

其中：所述行为包括所述节点在当前的复合肥配料生产线中允许开放的行为以及针对所述允许开放的行为的实现逻辑时序和运动的控制；考虑到每个设备以及部件具有多种行为，但是在复合肥配料生产线中某些行为为常规的生产线中不会出现的行为，关闭部分行为并在仿真中关闭部分行为能够大大降低仿真的复杂度；

优选的：节点的属性是和节点对应的设备相关的属性；在进行属性值添加时，根据所述节点对应的设备/部件呈现所有和该设备/部件对应的属性，预先填充属性值，并将属性、预先填充属性值对的列表呈现给用户进行属性值的添加以建立所述节点的属性；当没有预先填充属性值时，将默认值作为预先填充属性值；

优选的：所述预先填充属性值不同于默认值；预先填充属性值为根据可视化模拟对象中设备属性值的历史添加情况得到的；而默认值为根据设备的一般使用情况设置的；如设备的出厂属性值就是默认值；

优选的：根据可视化模拟对象中设备属性值的历史添加情况得到预先填充属性值，具体为：获取可视化模拟对象的对象属性，基于对象属性从历史可视化模拟对象中选取同类型可视化模拟对象，计算所述可视化模拟对象和同类型可视化模拟对象之间的相似度，基于所述相似度从同类型可视化模拟对象中选择目标可视化模拟对象序列，基于所述目标可视化模拟对象序列的属性值获取预先填充属性值；

所述基于对象属性从历史可视化模拟对象中选取同类型可视化模拟对象，具体为：从所述对象属性中获取对象类型，从对象类型中选取主要类型，选取对象类型中包含所述主要类型的历史可视化模拟对象作为所选取的同类型可视化模拟对象；考虑到一个对象通常具有多种类型属性，例如：复合肥配料生产线为可视化模拟对象；所述复合肥配料生产线为生产线、废料生产类型的可视化模拟对象；需要在所述多种类型属性中选取主要类型，基于所述主要类型来选取同类型的对象能够提高后续填充的可用性；

优选的：所述主要类型为通过查询主要类型对应表获取；所述主要类型对应表中的每条记录保存了多种对象类型及其对应的主要类型；例如：当存在生产线、废料生产类型时，对应生产线为主要类型；所述主要类型对应表为根据对大量对象类型进行聚类分析后获取；还可以进行人工校对以提高所述主要类型对应表的准确度；

所述计算所述可视化模拟对象和同类型可视化模拟对象之间的相似度，具体为：将所述可视化模拟对象的对象属性和同类型可视化模拟对象的对应属性的属性值相同/或相似的次数除以所述可视化模拟对象的对象属性的个数得到的值作为所述相似度值；当所述属性值为离散值时，通过相同的次数来计算，当所述属性值为连续值时，可以通过相似的次数来计算；例如：当属性值为整数值时，当属性值之间的差异在偏离范围内(例如：5％)时，认为是相似的；

所述基于所述相似度从同类型可视化模拟对象中选择目标可视化模拟对象序列，具体为：获取相似度大于等于相似度阈值的同类型可视化模拟对象，并将所述同类型可视化模拟对象的相似度按照从大到小的顺序排列以构成目标可视化模拟对象序列；所述相似度阈值为预设值；可以根据仿真硬件的资源大小情况进行所述预设值的动态设置；

所述基于所述目标可视化模拟对象序列的属性值获取预先填充属性值，具体为：对于每个属性，从所述目标可视化模拟对象序列中获取所述属性对应的属性值序列，获取和所述属性值序列长度对应的权重值序列，基于所述权重值序列在属性值序列中复制属性值以获取属性值投票池，从属性值投票池中选择出现次数最多的属性值作为所述属性的预先填充属性值；如果最多的两个或者多个属性值的出现次数相同，则选择目标可视化模拟对象序列中第一个目标可视化模拟对象的相应属性值作为预先填充属性值；

所述获取和所述属性值序列长度对应的权重值序列，具体为：每个属性值序列长度对应固定的权重值序列，所述权重值序列为预设序列；例如：当序列长度为3时，对应的权重值序列为4，2，1；

所述基于所述权重值序列在属性值序列中复制属性值以获取属性值投票池，具体为：依次获取权重值序列中的权重值，将和权重值对应的属性值进行复制后放入属性值投票池中，复制次数等于所述权重值；然后继续处理权重值序列中的下一权重值，直到所有权重值及其对应的属性值均复制完毕为止；

步骤四：连接各设备模型间相关联的信号、接口；具体为：根可视化模拟对象的配置文件在虚拟仿真软件进行各设备模型间相关联的信号、接口等行为；例如：进行设备模型对应节点间以及设备部件对应的节点和设备节点、设备对应节点和其它设备对应节点间的相关联的信号、接口连接；

步骤五：根据生产线目标要求，创建相应的统计图表；

统计图表中的统计参数包括：生产一袋复合肥的节拍时间、产线产能统计、码垛机器人设备利用率、叉车设备利用率等；

生产线目标要求为生产线需要满足的目标要求，例如：特定设备的设备利用率、生产线产能、单位产品生产出来的节拍时间等；所述创建相应的统计图包含统计生产过程中包装好复合肥的数量来计算生产一袋复合肥的节拍时间和生产线产能；统计生产过程中码垛机器人和叉车忙碌及空闲的时间来计算两者的设备利用率等。

步骤六：运行仿真，观察三维显示窗口中动态的生产过程及统计图表中仿真结果是否满足，若不满足则调整各设备工艺参数、设备数量、生产线布局等，直至满足目标要求；

在三维显示窗口中观察产线生产过程，主要确定生产过程中各设备是否存在干涉、输送线上化肥袋是否发生堵塞、机器人、叉车能否忙的过来等；通过观察结果便于进行生产线及其相关设备各项参数的调整；

优选的：统计图表中包含多项统计参数，基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取关联的调整建议列表，并将所述关联的调整建议列表提供给用户，便于用户进行后续的调整；

所述基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取和关联的调整建议列表，具体为：将所述不满足的统计参数进行组合以获取多个统计参数组合，基于所述统计参数组合查询和所述统计参数组合对应的调整建议；基于统计参数本身获取调整建议；将调整建议按照对应的统计参数组合的长度的大小从大到小排列，并在其后追加统计参数本身对应的调整建议，以构成调整建议列表；

优选的：仿真软件中保存统计参数组合及其对应的调整建议对应表，根据历史仿真中出现所述统计参数组合时所采用的调整及其调整效果动态的更新所述保存的对应表；使得所述统计参数组合始终对应调整效果最佳的调整建议；类似的，仿真软件中保存统计参数及其对应的调整建议对应表；

步骤七：选择导出视频或导出3DPDF选项，运行满足要求的仿真布局，将生产过程导出为视频动画或3DPDF文件；

本发明提出一种复合肥配料生产线可视化模拟方法，该方法通过在虚拟布局中模拟复合肥生产线运行情况，可直观的展示整个生产过程，交流方便，便于发现方案中存在的问题；可在模拟布局中论证设计方案的可行性，降低后期调试和维护的成本；可对产线运行结果进行分析，局部最大化产线的生产效率；当产品型号发生改变时，可在此模拟布局中进行虚拟调试而无需停线，不但保证了旧产品的产量，更是增加了产线的柔性生产能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种复合肥配料生产线可视化模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在三维建模软件中建立生产线各设备模型，将设备模型按照配置文件进行布局装配组成生产线的初始模型，并导出此所述初始模型的CAD布局图；

步骤二：将各设备模型及CAD布局图导入虚拟仿真软件中，调整各设备原点位置保证各设备处于正确的姿态，调整好后通过平移旋转设备坐标系的方式将各设备模型放置在CAD布局图上相应的位置以形成仿真模型；

步骤三：根据各设备模型在实际生产中具备的功能及生产工艺流程，在仿真模型中建立相应的节点、属性、行为、几何体颜色；

步骤四：连接各设备模型间相关联的信号、接口；

步骤五：根据生产线目标要求，创建相应的统计图表；

步骤六：运行仿真，观察三维显示窗口中动态的生产过程及统计图表中仿真结果是否满足，若不满足则调整各设备工艺参数、设备数量、生产线布局等，直至满足目标要求；

步骤七：选择导出视频或导出3DPDF选项，运行满足要求的生产线布局，将生产过程导出为视频动画或3DPDF文件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一进一步包括：

所述的生产线设备包括：自动配料设备、爬斗提升运输设备、混料搅拌设备、全自动包装设备、缝包设备、推袋设备、称重设备、颠带输送线设备、码垛机器人、栈板、叉车。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中所述的工艺流程包括：a五种原料化肥的计量、称重、混料；b爬斗提升机将混料后的复合肥运输并倒入搅拌机内；c另一台爬斗提升机将搅拌后的复合肥倒入全自动包装秤中；d全自动包装秤抓取化肥包装袋并将复合肥倒入包装袋中；e将装好复合肥后的包装袋运输到缝包机上缝包；f待缝包好的化肥袋输送到推袋设备处推到；g进行整袋的称重检测，不合格则推下输送线；h码垛机器人进行码垛；g叉车将码垛好的产品叉走。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立相应的节点具体为：为每个设备建立一个对应的节点；并根据两个或者多个设备之间的相对运动关系选择一个设备的部件，所述部件的运动使得所述部件所属的设备和其它设备之间存在相对运动关系；并为所述部件创建对应的节点。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立相应的节点包括分析设备中的各部件是否存在相对运动关系，串联机构建立父子节点关系，并联机构建立同等层次节点关系，对于有耦合关系的机构，进行运动学分析，建立各组件的运送学关系式写入各节点属性中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立属性、行为、几何体颜色；具体为：为每个节点添加和节点相关的属性值、行为和颜色。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，节点的属性是和节点对应的设备相关的属性；在进行属性值添加时，根据所述节点对应的设备/部件呈现所有和该设备/部件对应的属性，预先填充属性值，并将属性、预先填充属性值对的列表呈现给用户进行属性值的添加以建立所述节点的属性；当没有预先填充属性值时，将默认值作为预先填充属性值。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，统计图表中包含多项统计参数，基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取关联的调整建议列表，并将所述关联的调整建议列表提供给用户，用户基于所述调整建议列表进行调整。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于统计图表中不满足的统计参数及其组合获取和关联的调整建议列表，具体为：将所述不满足的统计参数进行组合以获取多个统计参数组合，基于所述统计参数组合查询和所述统计参数组合对应的调整建议；基于统计参数本身获取调整建议；将调整建议按照对应的统计参数组合的长度的大小从大到小排列，并在其后追加统计参数本身对应的调整建议，以构成调整建议列表。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，仿真软件中保存统计参数组合及其对应的调整建议对应表，根据历史仿真中出现所述统计参数组合时所采用的调整及其调整效果动态的更新所述保存的对应表；使得所述统计参数组合始终对应调整效果最佳的调整建议；类似的，仿真软件中保存统计参数及其对应的调整建议对应表。