线圈卷绕制造系统模拟
2007-08-07 10:46:02
来源：《国际电子变压器》2007年8月刊
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1 引言
模拟技术已探索出了比训练飞行员和其它新型交通工具驾驶员更广阔的应用范围。这些应用项目的共同点是要求提出一种在现实生存状态的环境下，可以帮助他们及时有效地解决财产、甚至生命的重大危险。
同时，模拟技术找到了设计与改进制造系统等这样一些重要的应用领域。模拟系统的特有功能是可以精确地对复杂的系统进行预测，它将使实际的系统设计达到理想化的程度，犹如飞行模拟器技术减少了用实际的飞行训练方法造成的昂贵代价一样，系统模拟技术则减小了设备运行效率低的风险，甚至可以不要求使用最低的实际操作试验。
2 工艺规程和设备系统
制造技术由工艺规程和设备系统两部分组成。“加工”被定义为从材料输入转变为“产品”输出的工作程序。工艺规程则应应该是从原材料转变为最终产品的生产活动程序。
工艺规程的综合概念是用来实施加工制造的系统；该系统是用于完成通用目标的共有功能诸要素的汇集。为此，这一系统包含了加工方法，也包含了落实加工的设备与控制手段。在一个系统设计的初始阶段，工作的焦点往往在工艺规程上，或者说是需要用什么措施来落实加工制造。在系统设计的最后阶段，焦点则变成了规定“如何去做，什么时候去做，在什么地方做以及由谁去做”等系统的细节。制造技术的核心问题变成了机器，操作人员，管理手段以及把原材料、零部件转变成为最终产品的控制手段与方法。
3 系统设计
系统设计认为，在工厂中，完成工作程序与要求工艺系统实施的要素是一致的。由于这个主要原因，有时将系统设计定义为“有效地利用科学与工程成果，将操作的要求通过必要的定义、功能分析、归纳、优化、设计、试验和评价等自上而下的迭代程序，使其转变成为确定的系统配置。”
系统设计的本质是确立目标，检验需要以满足目标，求出达到需要的答案之迭代程序，同时满足全部目标后再评价答案的有效性（见图1）。
在有些企业，一些特殊的加工方法不能完全预先确定。为此，生产车间配置的工艺装备通常是可以加工大多数类型零件的通用设备。在这种情况下，直到产品的生产指令实际上被收到之时，车间的详细工艺设计不会发生。对于生产车间来说，在选择和配备工艺装备时，只要考虑预料之中的通用的零部件加工范围。
对于预先已知的加工要求，作出具有最佳技术规范的基本程序包括以下步骤：
步骤1：确定全部加工内容；
步骤2：选择方法与设备；
步骤3：制订详细的加工计划；
步骤4：评价计划的有效性。
这些步骤用于新建工厂的工艺设计时是比较适合的，但它们被用作改造老工厂的工艺设计时只是其原理可以被使用。在工艺设计中，这些步骤的每一项都应进行简要讨论。
3.1 确定全部加工内容
为满足产品的加工要求，新工厂设计的第一步应是确定最合适的全部加工工艺内容。下面是工艺设计的主要制约因素：①不同型号产品对制造工艺的一些不同要求；②所加工产品的技术条件；③产品产量。也就是说，对工艺设计来说，设计师应了解产品的规格、考虑产品的技术条件、标准操作方法以及任何有关的其它文件。实践表明，加班的产量也影响工艺设计。
在工艺设计的最初阶段，产品工艺流程图（见图2）常被用来证明，必要的加工步骤是由产品的特性要求决定的。在初始阶段，人们关注的仅仅是应该去做什么工作及其合适的顺序。
流程图表示产品加工逻辑和提供一般工艺评估的直观途径。它用最简单形式组成的方框图表示工序。也可更明确地用符号来表述每道工序的本质特征。例示于“表1”的流程图符号已由美国机械工程协会（ASME）确认。
一旦流程图形成，加工过程的分析即可开始。对于样品的工艺改进，可以采用工业工程长期以来规定的传统的工艺分析方法。最基本的分析是要回答下列问题：
a. 哪些工序可以简化？
b. 哪些工序可以删除？
c. 哪些工序可以合并？
d. 哪些工序可以互连？
有一种用于原始工艺过程改进的方法被称作工艺价值分析。这种方法基本上是采用各自的工艺步骤来分析成本和相关价值的系统手段，以用户的眼光看，对于产品的价值增加很小或者没有增加价值的加工步骤或者工序都属于应该删除的候选项目。
工艺价值分析包括以下步骤：
第一步：为达到加工要求，确定其合理的方法；
第二步：在满足了加工要求的时候，评估其替代方法的效果；
第三步：选择能够达到最低成本要求的加工方法。
在生产工艺过程的价值分析中，焦点应放在基本成本的或者增加了成本的工序，即对用户来说是愿意付出代价的工艺步骤。任何有可能删除的有关检验、修改或返工的工序都应该进行评估。这种评估对于看起来是任意选择的工序或者仅仅是偶然产生的工序也都是有意义的。在这样的评估方法中，无论是采取联合其它工序的流程，还是采取公用的、单一的流程都可以实现。实施工艺价值分析的方法是列出工艺流程图表，并且大多数时候是以粗略的工艺流程图来描述实施加工的顺序。
为了证明被认为是已满足了既定目标与加工要求的工艺规程有效，可以推荐适合的管理人员、老板、顾客和用户来检查工艺流程。不断地被采用的内部工艺规程常常比一次性使用的工艺方法更容易评价。前者经常帮助我们得到反馈信息或者来自其它方面的意见。
3.2 工艺方法与设备选择
一旦总的工艺流程确定，为落实加工，必须选择适合的加工方法和加工设备。在工艺规程设计的这个步骤中，设计师需要有工作的实践知识，并要利用相关的技术。工艺方法和设备的选择应当按照整个工程的实际需要，同时，还可以采用计算机辅助工艺设计（CAPP）软件。
要完成每项生产任务和其加工工序，不仅应该选择适合的设备，而且要对设备的需要量进行估算。“设备的能力”是考虑了其利用率、率效等因素后，在给定时间内能够加工出的产品数量或者被服务的客户数量的“度量”。如果设备的有效调节能力是已知的，则所需要的设备量可根据设备的有效能力，由计划分配的加工量来决定。所要求的加工量由给定时间周期内必须生产的零部件数量或者被服务的客户的最大数量来决定。
在分析所要求的生产能力时，重要的是确认基于设备数量的有效能力，并不考虑在系统中的这种设备与其它设备之间的相互影响。但这种相互影响经常使设备的实际加工能力小于其有效能力。除了系统不影响另外的一切事物的改变，则在系统内的要素是相互关联的——类似“多米诺”效应那样：在一个工作站的机器因故障不能顺利操作时，可能逐步地引起加工流程的阻塞或逻辑抑制，从而发生逆向运行直到停止工作。在系统中相互关联的其它形式是由于共享资源。在业务工作中，资源的种类与数量常常被限制于并必须满足于竞争的需要。例如，在工作室内，一个操作人员负责一台机器，可能没有能力直接地响应其它机器，而要等侯来自工作室内的其它机器去承担。
根据生产要素是怎样密切地联接的情况，可以确定系统的相互关联是紧密的还是松散的。紧密地联接的要素在系统的操作与特性上比松散联接的要素具有更大的影响。在紧密联接的系统中，当其要素是工人或机器并滞后于其他要素时，其所产生的冲击将由系统中的其它要素直接地承担。在松散联接的系统中，任何活动的分解都是次要的，子系统中的其它要素延缓了冲击力。在冗余的和致力于单一任务的设备设计中，有些方法是被用来去除联接系统要素的，包括提供缓冲器。遗憾的是这些做法经常造成多余的零部件和利用率较低的设备。根据通行的批量生产运作要求，对于预料中的加工瓶颈问题，以混合型产品加工中的相互关联设备是难以解决的。考虑到这些因素和其它一些原因，为了模拟的需要，精确地预测系统的特性将变得非常重要。
3.3 制定详细的加工计划
制造工业的加工计划常常用图表的形式确定工作路线、工艺流程、操作一览表、制造数据表等等。这些作业资料可以详细表述所具有的操作选择性以及不同工作路线时零部件加工的不同工作顺序。其它的工艺规范包括原材料供应的路线表、要求的机器精度、工模夹具、准备时间以及为了每个操作过程需要的时间容差。
详细的加工计划将在工作进度、加工件数量、设备使用率、决策规则等事项之下说明怎样去运作（谁来做，做什么，在哪里做，什么时候做以及怎样做）。从物流的角度，以及从最终会扩展到的包括加工序列的内外动作、每一工序的时间和设备需求等观点来看，这种动作规范是最好的选择。对于“加工”的完整定义，以下信息将为每个停止位或工作位的每个部件或客户作详细说明。
1.什么工作已经在车间里落实了？
2. 工作中已完成了多少工作量？
3.为完成任务，什么设备已被用上了？
4.以哪里得到材料？余料存放在什么地方？
5.下一步将材料送到哪个车间？
6.有多少数量的材料被移动了？
7.材料是怎样移动的？
8.是什么促使了材料移动（例如计划进度表、看板等）？
3.4 工艺规程评价
如何才能有助于完整地实施工艺规程，现实的评价可以由工艺规程的有效性进行。但是，仅仅把工艺规程看成是材料体系是不够的。在系统运行之前，懂得如何更好地使系统工作是重要的。我们需要确保系统具有执行所要求的任务之能力。使系统具有相互关联性和必要的可变性，这不是一件无足轻重的工作。答案要回答的问题包括：
什么部位是系统的瓶颈？
什么是期望的资源利用率？
系统有什么样的加工能力？
需要等侯多少时间，希望才能实现？
评价系统的有效性就是要看工厂是否像模拟的那样开始运行。模拟要考虑到系统的相关性和可变性。因此，在实践中，规定或准确地预测一个特殊的系统将如何工作，则可以帮助我们去除掉多余的设计、粗劣草率的设计和不完善的设计所带来的许多问题。
4 设备布置
如果条件许可，设备布置在工艺规程设计完成之前是不应该进行的。设备布置应有物流的 支持和避免不必要的返工。物流是受工艺规程设计控制的；同时，在工艺规程设计时应初步考虑工厂内部设备的排列。
在设备布置中，优良畅通的物流与人流路线是很重要的，但是它们经常被忽视。许多工厂没有完整的设备布局设计，不过在物流和人流发生阻塞时，工厂将会对怎样去改变布局作出应对。
在通常情况下，设备布局的形式大多数建立在物流路线的基础上。在零件制造车间，因为不存在单一的物流顺序，所以，在这类车间的设备布置是按照机器的功能来排列的（如执行相似加工任务的机器组合在一起），经常把包括返工在内的不同零件给出各自的工艺路线。这种设备布置的形式被称为加工工艺布局。在连续的物流中，有产品品种的流动系统和产品批量的流动系统，故设备布置是按照生产加工的顺序排列的。因此，从本质上讲，所有的物流都按相同的路线流转。这种设备布置的路线形式被叫做生产布局。在单一品种零件的制造中，机器是针对生产同族零件布置的。通常是一个加工单元由小于10个部位组成（部位以“U”字形排列，可提供共同的输出/输入点，并能够由一个工人操作单元）。
图3表示了三种不同形式的设备布置，同时其中包含了物流路线。
5模拟的含意
《牛津词典》为模拟下的定义是如下的一种方法：“为了研究、试验、训练等事项，借助模型进行仿制的工作规则”。就我们的目的而言，威兴趣的是模仿动态系统的运行动作。我们所使用的模型是一种计算机模型。从这个意义上讲，模拟可以定义为：为了研究或改进系统的性能，利用计算机模型进行仿制的动态系统。模拟就是按照上述方法模仿工艺规程或制造系统，反复生产仿制品，达到与实际制造系统生产的产品相一致。通过研究模型的特性，我们就可以理解有关实际制造系统的问题。
模拟本身不能解决什么问题，但它能够清晰地区分问题和定量地评价替代方案。如果是对设备进行分析，模拟可以对许多方案的答案提供定量的评价，并迅速地找出最佳答案。模拟也可提供如图4所示的图解的动画片，以展现系统的动态运行状态。
在工程项目进行建设以前，或者在该项目执行试验的运行策略决定之前，通过利用计算机建立模拟系统，可以在项目建设或试验中避免遇到经常容易发生的一些错误。在使用模拟的方法之前，设计开发或改进一项工程要用成年累月的时间，经过多次仔细调整才能取得较理想的结果；通过利用计算机模型求解，只需要几天甚至几个小时就能取得结果。现在，有许多模拟设备可提供最适合的自动化能力去不断地调整模型和改变模型参数，直到可行的工程方案成立。
6 为什么要进行模拟
在工程项目的设计开发以前进行模拟，可以通过鉴别多种方案，消除工程设计时许多意料不到的问题以及一些没有作用的环节，从而节省工程成本。在系统的性能指标不能确定时，因为消除了重复的设计环节和过份强调的附加因素而降低了成本。有些公司报道称，单个工程项目通过使用模拟技术，节省几十万美元是很平常的事。
这里介绍一例为完成多种不同产品组装而生产与贮存金属零件、投资为500万美元的系统设计实例。
设计的一种方案为，最初认为存放零部件所需要的容器为3000个时才能进行有效运行。然后进行了模拟试验，结果是容器数量在2250~3000个之间变化时，显然不会对生产能力产生重要改变。所以购买2250个容器变更了3000个容器的方案。为此，第一年即节省了52万美元。由于在生产场所少用了750个容器，此后每年可以节省20万美元。
即使是人们关注的节约费用或者改进性能的目的不能在每一次建立的模拟试验模型中体现，但是，将能够满足性能指标的原始系统设计与新的设计结合起来，模拟可以使工程的风险降低到最小的目标是可以办到的。
在没有足够资金投入到进行新的工艺规程和新设备改造的具体工程时，使用模拟方法通常可以帮助我们获得生产能力的改善。人们通过观察系统全部工作，可以发现系统中的“瓶颈”部位、重复发生动作的所在以及没有用处的操作等以后，对以前的设计与运作中没有被人们注意到的可以压缩的作业时间，长期存贮未能用上的物资等问题看得更加清淅。例如GE公司的核能项目，其高度专业化的电抗器部件可以使核能增加80%的输出功率；每个零部件的生产周期可以平均减少50%。一系列的模拟试验得到了这些结果。并且，每个解决生产问题的答案还进行了强化模拟试验。
下列一些问题可以帮助我们着手进行项目的设计或者改进设备。
(1)项目（设备）可以采用什么型号的机器或工作站及需要的数量？
(2)需要采用什么型号，多少数量的辅助设备？需要多少操作人员？
(3)需要多少工具和夹具？
(4)系统给定了多大的生产能力或生产力等级？
(5)系统需要使用什么型号和尺寸的材料？
(6)用作材料和零部件贮存和中转的面积要多大？能贮存和中转多少材料与零部件？
(7)工作站怎样布置为最佳？
(8)什么是最有效的控制逻辑？
(9)什么是最佳单位负载尺寸？
(10)怎样有效地利用资源？
(11)工艺规程或方法和变更会对整个生产造成什么影响？
(12)怎样平衡工作流程？
(13)生产瓶颈在什么部位？
(14)机器停工时间对生产（可靠性分析）有什么影响？
(15)准备时间对生产有什么影响？
(16)集中布置对定位存贮的关系有什么影响？
(17)车辆或运送器具的速度对零部件的流转有什么影响？
(18)需要多少维修人员？
(19)自动化操作的所有作用是什么？
图5所示为用作比较而同时选择的四种输送系统的模拟布局图。模拟系统运行后所表现出的诸如生产能力和生产周期所需要的时间等度量，决定着最佳布局。
假设它们是关于驾驶飞机的模拟分析，在模拟运行期间，各个操作者可以交互调整动画片的速度，使其平稳地变化到模型的参数值。最新的模拟技术甚至具备了使系统最优化的能力，当然，这并不是指仅仅为模拟自身的最优化。在系统设计满足规定的可行性制约因素的情况下，模拟技术可以自动地用来分析特殊规则的目标。
专门研究开发的模拟系统模型在其投入运行之前，应进行相关练习，这样才有利于保证系统操作的全部结论满足模拟试验的要求。哲学家Alfred Noth Whitehead 评述说：“我们普遍认为，人们生活在细节之中”。人们已经注意到，忽略细节的行为可能导致粗浅的决策，因此而使人们走上盲目的执行过程。模拟技术的唯一能力是设想通过模拟系统的运作细节使其不失去自我（在不良信号中模拟系统可以运行；但在无足够数量的信息时，模拟系统则不能工作）。为了使模拟试验获得良好的结果，在其设计中就有足够的理由增加练习。在模拟系统的运作练习过程中，应对系统自身不断提出改进方案。
应用模拟技术的好处可以归纳如下：
(1)获得系统的相互关联。
(2)找出造成系统变化的原因。
(3)使系统模型产生尽量多的用途。
(4)揭示因为跨越时间的性能变化。
(5)相对于采用真实的系统做试验，具有更少的成本费用，时间消耗和破坏程度。
(6)可用多种特性的测量方法来提供信息。
(7)具有视觉吸引功能和容易理解。
(8)容易使用通讯技术得到结果。
(9)在压缩运行过程中，可以真正地和均衡地减缓时间。
(10)激发人们工作兴趣，并通过动画片分享成果。
(11)有利于将注意力集中到设计的细节方面。
7 模拟技术的发展趋势
以前开发的模拟产品是用比较简单的、独立的模拟方法提供尽可能多的功能。现代模拟产品则具有基于元件技术和标准化数据接口方法（SQL等）的开放结构，为诸如CAD程序和企业平台的其它方面的应用提供了接口功能。
观察分析最普及的模拟产品，可见它们有以下的许多特点：
(1)为配置器材输入分析数据。
(2)点击鼠标显示出用户界面。
(3)可以重复使用元件和模板。
(4)二维（2-D）或三维(3-D)动画。
(5)在线支持或辅导。
(6)交互排除错误。
(7)自动生成模型。
(8)输出分析工具。
(9)优化设计。
(10)开放结构和数据库联通。
在很多场合，模拟是致力于技术改进和涉及软件开发的不断拓展的技术。模拟系统结合具有更多信息量的软件一起使用时将变得更加方便容易。模拟的这种发展趋结合补偿技术可以使实际的系统达到最优化，如三维（3-D）动画和其它形象化的图解技术将在模拟系统中扮演重要角色，这些特点也将融入到模拟产品的设计之中。
随着因特网的普及，模拟技术已融入其中而趋向集成化。这基于三种信息技术：①具备了远程传递目标位置的技术；②因特网或万维网连接到了商业和产业界的各个方面；③可以通过中介机构来配置元器件和计算标准。
8 结论
模拟技术是为了完成公司目标，确保产品设计和管理决策的一种验证方法。加工程序设计要对提供物质和服务的操作对象有一种很清晰的理解。加工过程的价值分析可以帮助我们为用户的利益作出最佳设计。模拟设计必须延伸到用作实现加工过程规定的方法和技术，设备设计应该满足加工的目的。模拟技术有能力设计出加工过程的相互关联并以动画或系统模型显示出来。
参考文献（略）
模拟技术已探索出了比训练飞行员和其它新型交通工具驾驶员更广阔的应用范围。这些应用项目的共同点是要求提出一种在现实生存状态的环境下，可以帮助他们及时有效地解决财产、甚至生命的重大危险。
同时，模拟技术找到了设计与改进制造系统等这样一些重要的应用领域。模拟系统的特有功能是可以精确地对复杂的系统进行预测，它将使实际的系统设计达到理想化的程度，犹如飞行模拟器技术减少了用实际的飞行训练方法造成的昂贵代价一样，系统模拟技术则减小了设备运行效率低的风险，甚至可以不要求使用最低的实际操作试验。
2 工艺规程和设备系统
制造技术由工艺规程和设备系统两部分组成。“加工”被定义为从材料输入转变为“产品”输出的工作程序。工艺规程则应应该是从原材料转变为最终产品的生产活动程序。
工艺规程的综合概念是用来实施加工制造的系统；该系统是用于完成通用目标的共有功能诸要素的汇集。为此，这一系统包含了加工方法，也包含了落实加工的设备与控制手段。在一个系统设计的初始阶段，工作的焦点往往在工艺规程上，或者说是需要用什么措施来落实加工制造。在系统设计的最后阶段，焦点则变成了规定“如何去做，什么时候去做，在什么地方做以及由谁去做”等系统的细节。制造技术的核心问题变成了机器，操作人员，管理手段以及把原材料、零部件转变成为最终产品的控制手段与方法。
3 系统设计
系统设计认为，在工厂中，完成工作程序与要求工艺系统实施的要素是一致的。由于这个主要原因，有时将系统设计定义为“有效地利用科学与工程成果，将操作的要求通过必要的定义、功能分析、归纳、优化、设计、试验和评价等自上而下的迭代程序，使其转变成为确定的系统配置。”
系统设计的本质是确立目标，检验需要以满足目标，求出达到需要的答案之迭代程序，同时满足全部目标后再评价答案的有效性（见图1）。
在有些企业，一些特殊的加工方法不能完全预先确定。为此，生产车间配置的工艺装备通常是可以加工大多数类型零件的通用设备。在这种情况下，直到产品的生产指令实际上被收到之时，车间的详细工艺设计不会发生。对于生产车间来说，在选择和配备工艺装备时，只要考虑预料之中的通用的零部件加工范围。
对于预先已知的加工要求，作出具有最佳技术规范的基本程序包括以下步骤：
步骤1：确定全部加工内容；
步骤2：选择方法与设备；
步骤3：制订详细的加工计划；
步骤4：评价计划的有效性。
这些步骤用于新建工厂的工艺设计时是比较适合的，但它们被用作改造老工厂的工艺设计时只是其原理可以被使用。在工艺设计中，这些步骤的每一项都应进行简要讨论。
3.1 确定全部加工内容
为满足产品的加工要求，新工厂设计的第一步应是确定最合适的全部加工工艺内容。下面是工艺设计的主要制约因素：①不同型号产品对制造工艺的一些不同要求；②所加工产品的技术条件；③产品产量。也就是说，对工艺设计来说，设计师应了解产品的规格、考虑产品的技术条件、标准操作方法以及任何有关的其它文件。实践表明，加班的产量也影响工艺设计。
在工艺设计的最初阶段，产品工艺流程图（见图2）常被用来证明，必要的加工步骤是由产品的特性要求决定的。在初始阶段，人们关注的仅仅是应该去做什么工作及其合适的顺序。
流程图表示产品加工逻辑和提供一般工艺评估的直观途径。它用最简单形式组成的方框图表示工序。也可更明确地用符号来表述每道工序的本质特征。例示于“表1”的流程图符号已由美国机械工程协会（ASME）确认。
一旦流程图形成，加工过程的分析即可开始。对于样品的工艺改进，可以采用工业工程长期以来规定的传统的工艺分析方法。最基本的分析是要回答下列问题：
a. 哪些工序可以简化？
b. 哪些工序可以删除？
c. 哪些工序可以合并？
d. 哪些工序可以互连？
有一种用于原始工艺过程改进的方法被称作工艺价值分析。这种方法基本上是采用各自的工艺步骤来分析成本和相关价值的系统手段，以用户的眼光看，对于产品的价值增加很小或者没有增加价值的加工步骤或者工序都属于应该删除的候选项目。
工艺价值分析包括以下步骤：
第一步：为达到加工要求，确定其合理的方法；
第二步：在满足了加工要求的时候，评估其替代方法的效果；
第三步：选择能够达到最低成本要求的加工方法。
在生产工艺过程的价值分析中，焦点应放在基本成本的或者增加了成本的工序，即对用户来说是愿意付出代价的工艺步骤。任何有可能删除的有关检验、修改或返工的工序都应该进行评估。这种评估对于看起来是任意选择的工序或者仅仅是偶然产生的工序也都是有意义的。在这样的评估方法中，无论是采取联合其它工序的流程，还是采取公用的、单一的流程都可以实现。实施工艺价值分析的方法是列出工艺流程图表，并且大多数时候是以粗略的工艺流程图来描述实施加工的顺序。
为了证明被认为是已满足了既定目标与加工要求的工艺规程有效，可以推荐适合的管理人员、老板、顾客和用户来检查工艺流程。不断地被采用的内部工艺规程常常比一次性使用的工艺方法更容易评价。前者经常帮助我们得到反馈信息或者来自其它方面的意见。
3.2 工艺方法与设备选择
一旦总的工艺流程确定，为落实加工，必须选择适合的加工方法和加工设备。在工艺规程设计的这个步骤中，设计师需要有工作的实践知识，并要利用相关的技术。工艺方法和设备的选择应当按照整个工程的实际需要，同时，还可以采用计算机辅助工艺设计（CAPP）软件。
要完成每项生产任务和其加工工序，不仅应该选择适合的设备，而且要对设备的需要量进行估算。“设备的能力”是考虑了其利用率、率效等因素后，在给定时间内能够加工出的产品数量或者被服务的客户数量的“度量”。如果设备的有效调节能力是已知的，则所需要的设备量可根据设备的有效能力，由计划分配的加工量来决定。所要求的加工量由给定时间周期内必须生产的零部件数量或者被服务的客户的最大数量来决定。
在分析所要求的生产能力时，重要的是确认基于设备数量的有效能力，并不考虑在系统中的这种设备与其它设备之间的相互影响。但这种相互影响经常使设备的实际加工能力小于其有效能力。除了系统不影响另外的一切事物的改变，则在系统内的要素是相互关联的——类似“多米诺”效应那样：在一个工作站的机器因故障不能顺利操作时，可能逐步地引起加工流程的阻塞或逻辑抑制，从而发生逆向运行直到停止工作。在系统中相互关联的其它形式是由于共享资源。在业务工作中，资源的种类与数量常常被限制于并必须满足于竞争的需要。例如，在工作室内，一个操作人员负责一台机器，可能没有能力直接地响应其它机器，而要等侯来自工作室内的其它机器去承担。
根据生产要素是怎样密切地联接的情况，可以确定系统的相互关联是紧密的还是松散的。紧密地联接的要素在系统的操作与特性上比松散联接的要素具有更大的影响。在紧密联接的系统中，当其要素是工人或机器并滞后于其他要素时，其所产生的冲击将由系统中的其它要素直接地承担。在松散联接的系统中，任何活动的分解都是次要的，子系统中的其它要素延缓了冲击力。在冗余的和致力于单一任务的设备设计中，有些方法是被用来去除联接系统要素的，包括提供缓冲器。遗憾的是这些做法经常造成多余的零部件和利用率较低的设备。根据通行的批量生产运作要求，对于预料中的加工瓶颈问题，以混合型产品加工中的相互关联设备是难以解决的。考虑到这些因素和其它一些原因，为了模拟的需要，精确地预测系统的特性将变得非常重要。
3.3 制定详细的加工计划
制造工业的加工计划常常用图表的形式确定工作路线、工艺流程、操作一览表、制造数据表等等。这些作业资料可以详细表述所具有的操作选择性以及不同工作路线时零部件加工的不同工作顺序。其它的工艺规范包括原材料供应的路线表、要求的机器精度、工模夹具、准备时间以及为了每个操作过程需要的时间容差。
详细的加工计划将在工作进度、加工件数量、设备使用率、决策规则等事项之下说明怎样去运作（谁来做，做什么，在哪里做，什么时候做以及怎样做）。从物流的角度，以及从最终会扩展到的包括加工序列的内外动作、每一工序的时间和设备需求等观点来看，这种动作规范是最好的选择。对于“加工”的完整定义，以下信息将为每个停止位或工作位的每个部件或客户作详细说明。
1.什么工作已经在车间里落实了？
2. 工作中已完成了多少工作量？
3.为完成任务，什么设备已被用上了？
4.以哪里得到材料？余料存放在什么地方？
5.下一步将材料送到哪个车间？
6.有多少数量的材料被移动了？
7.材料是怎样移动的？
8.是什么促使了材料移动（例如计划进度表、看板等）？
3.4 工艺规程评价
如何才能有助于完整地实施工艺规程，现实的评价可以由工艺规程的有效性进行。但是，仅仅把工艺规程看成是材料体系是不够的。在系统运行之前，懂得如何更好地使系统工作是重要的。我们需要确保系统具有执行所要求的任务之能力。使系统具有相互关联性和必要的可变性，这不是一件无足轻重的工作。答案要回答的问题包括：
什么部位是系统的瓶颈？
什么是期望的资源利用率？
系统有什么样的加工能力？
需要等侯多少时间，希望才能实现？
评价系统的有效性就是要看工厂是否像模拟的那样开始运行。模拟要考虑到系统的相关性和可变性。因此，在实践中，规定或准确地预测一个特殊的系统将如何工作，则可以帮助我们去除掉多余的设计、粗劣草率的设计和不完善的设计所带来的许多问题。
4 设备布置
如果条件许可，设备布置在工艺规程设计完成之前是不应该进行的。设备布置应有物流的 支持和避免不必要的返工。物流是受工艺规程设计控制的；同时，在工艺规程设计时应初步考虑工厂内部设备的排列。
在设备布置中，优良畅通的物流与人流路线是很重要的，但是它们经常被忽视。许多工厂没有完整的设备布局设计，不过在物流和人流发生阻塞时，工厂将会对怎样去改变布局作出应对。
在通常情况下，设备布局的形式大多数建立在物流路线的基础上。在零件制造车间，因为不存在单一的物流顺序，所以，在这类车间的设备布置是按照机器的功能来排列的（如执行相似加工任务的机器组合在一起），经常把包括返工在内的不同零件给出各自的工艺路线。这种设备布置的形式被称为加工工艺布局。在连续的物流中，有产品品种的流动系统和产品批量的流动系统，故设备布置是按照生产加工的顺序排列的。因此，从本质上讲，所有的物流都按相同的路线流转。这种设备布置的路线形式被叫做生产布局。在单一品种零件的制造中，机器是针对生产同族零件布置的。通常是一个加工单元由小于10个部位组成（部位以“U”字形排列，可提供共同的输出/输入点，并能够由一个工人操作单元）。
图3表示了三种不同形式的设备布置，同时其中包含了物流路线。
5模拟的含意
《牛津词典》为模拟下的定义是如下的一种方法：“为了研究、试验、训练等事项，借助模型进行仿制的工作规则”。就我们的目的而言，威兴趣的是模仿动态系统的运行动作。我们所使用的模型是一种计算机模型。从这个意义上讲，模拟可以定义为：为了研究或改进系统的性能，利用计算机模型进行仿制的动态系统。模拟就是按照上述方法模仿工艺规程或制造系统，反复生产仿制品，达到与实际制造系统生产的产品相一致。通过研究模型的特性，我们就可以理解有关实际制造系统的问题。
模拟本身不能解决什么问题，但它能够清晰地区分问题和定量地评价替代方案。如果是对设备进行分析，模拟可以对许多方案的答案提供定量的评价，并迅速地找出最佳答案。模拟也可提供如图4所示的图解的动画片，以展现系统的动态运行状态。
在工程项目进行建设以前，或者在该项目执行试验的运行策略决定之前，通过利用计算机建立模拟系统，可以在项目建设或试验中避免遇到经常容易发生的一些错误。在使用模拟的方法之前，设计开发或改进一项工程要用成年累月的时间，经过多次仔细调整才能取得较理想的结果；通过利用计算机模型求解，只需要几天甚至几个小时就能取得结果。现在，有许多模拟设备可提供最适合的自动化能力去不断地调整模型和改变模型参数，直到可行的工程方案成立。
6 为什么要进行模拟
在工程项目的设计开发以前进行模拟，可以通过鉴别多种方案，消除工程设计时许多意料不到的问题以及一些没有作用的环节，从而节省工程成本。在系统的性能指标不能确定时，因为消除了重复的设计环节和过份强调的附加因素而降低了成本。有些公司报道称，单个工程项目通过使用模拟技术，节省几十万美元是很平常的事。
这里介绍一例为完成多种不同产品组装而生产与贮存金属零件、投资为500万美元的系统设计实例。
设计的一种方案为，最初认为存放零部件所需要的容器为3000个时才能进行有效运行。然后进行了模拟试验，结果是容器数量在2250~3000个之间变化时，显然不会对生产能力产生重要改变。所以购买2250个容器变更了3000个容器的方案。为此，第一年即节省了52万美元。由于在生产场所少用了750个容器，此后每年可以节省20万美元。
即使是人们关注的节约费用或者改进性能的目的不能在每一次建立的模拟试验模型中体现，但是，将能够满足性能指标的原始系统设计与新的设计结合起来，模拟可以使工程的风险降低到最小的目标是可以办到的。
在没有足够资金投入到进行新的工艺规程和新设备改造的具体工程时，使用模拟方法通常可以帮助我们获得生产能力的改善。人们通过观察系统全部工作，可以发现系统中的“瓶颈”部位、重复发生动作的所在以及没有用处的操作等以后，对以前的设计与运作中没有被人们注意到的可以压缩的作业时间，长期存贮未能用上的物资等问题看得更加清淅。例如GE公司的核能项目，其高度专业化的电抗器部件可以使核能增加80%的输出功率；每个零部件的生产周期可以平均减少50%。一系列的模拟试验得到了这些结果。并且，每个解决生产问题的答案还进行了强化模拟试验。
下列一些问题可以帮助我们着手进行项目的设计或者改进设备。
(1)项目（设备）可以采用什么型号的机器或工作站及需要的数量？
(2)需要采用什么型号，多少数量的辅助设备？需要多少操作人员？
(3)需要多少工具和夹具？
(4)系统给定了多大的生产能力或生产力等级？
(5)系统需要使用什么型号和尺寸的材料？
(6)用作材料和零部件贮存和中转的面积要多大？能贮存和中转多少材料与零部件？
(7)工作站怎样布置为最佳？
(8)什么是最有效的控制逻辑？
(9)什么是最佳单位负载尺寸？
(10)怎样有效地利用资源？
(11)工艺规程或方法和变更会对整个生产造成什么影响？
(12)怎样平衡工作流程？
(13)生产瓶颈在什么部位？
(14)机器停工时间对生产（可靠性分析）有什么影响？
(15)准备时间对生产有什么影响？
(16)集中布置对定位存贮的关系有什么影响？
(17)车辆或运送器具的速度对零部件的流转有什么影响？
(18)需要多少维修人员？
(19)自动化操作的所有作用是什么？
图5所示为用作比较而同时选择的四种输送系统的模拟布局图。模拟系统运行后所表现出的诸如生产能力和生产周期所需要的时间等度量，决定着最佳布局。
假设它们是关于驾驶飞机的模拟分析，在模拟运行期间，各个操作者可以交互调整动画片的速度，使其平稳地变化到模型的参数值。最新的模拟技术甚至具备了使系统最优化的能力，当然，这并不是指仅仅为模拟自身的最优化。在系统设计满足规定的可行性制约因素的情况下，模拟技术可以自动地用来分析特殊规则的目标。
专门研究开发的模拟系统模型在其投入运行之前，应进行相关练习，这样才有利于保证系统操作的全部结论满足模拟试验的要求。哲学家Alfred Noth Whitehead 评述说：“我们普遍认为，人们生活在细节之中”。人们已经注意到，忽略细节的行为可能导致粗浅的决策，因此而使人们走上盲目的执行过程。模拟技术的唯一能力是设想通过模拟系统的运作细节使其不失去自我（在不良信号中模拟系统可以运行；但在无足够数量的信息时，模拟系统则不能工作）。为了使模拟试验获得良好的结果，在其设计中就有足够的理由增加练习。在模拟系统的运作练习过程中，应对系统自身不断提出改进方案。
应用模拟技术的好处可以归纳如下：
(1)获得系统的相互关联。
(2)找出造成系统变化的原因。
(3)使系统模型产生尽量多的用途。
(4)揭示因为跨越时间的性能变化。
(5)相对于采用真实的系统做试验，具有更少的成本费用，时间消耗和破坏程度。
(6)可用多种特性的测量方法来提供信息。
(7)具有视觉吸引功能和容易理解。
(8)容易使用通讯技术得到结果。
(9)在压缩运行过程中，可以真正地和均衡地减缓时间。
(10)激发人们工作兴趣，并通过动画片分享成果。
(11)有利于将注意力集中到设计的细节方面。
7 模拟技术的发展趋势
以前开发的模拟产品是用比较简单的、独立的模拟方法提供尽可能多的功能。现代模拟产品则具有基于元件技术和标准化数据接口方法（SQL等）的开放结构，为诸如CAD程序和企业平台的其它方面的应用提供了接口功能。
观察分析最普及的模拟产品，可见它们有以下的许多特点：
(1)为配置器材输入分析数据。
(2)点击鼠标显示出用户界面。
(3)可以重复使用元件和模板。
(4)二维（2-D）或三维(3-D)动画。
(5)在线支持或辅导。
(6)交互排除错误。
(7)自动生成模型。
(8)输出分析工具。
(9)优化设计。
(10)开放结构和数据库联通。
在很多场合，模拟是致力于技术改进和涉及软件开发的不断拓展的技术。模拟系统结合具有更多信息量的软件一起使用时将变得更加方便容易。模拟的这种发展趋结合补偿技术可以使实际的系统达到最优化，如三维（3-D）动画和其它形象化的图解技术将在模拟系统中扮演重要角色，这些特点也将融入到模拟产品的设计之中。
随着因特网的普及，模拟技术已融入其中而趋向集成化。这基于三种信息技术：①具备了远程传递目标位置的技术；②因特网或万维网连接到了商业和产业界的各个方面；③可以通过中介机构来配置元器件和计算标准。
8 结论
模拟技术是为了完成公司目标，确保产品设计和管理决策的一种验证方法。加工程序设计要对提供物质和服务的操作对象有一种很清晰的理解。加工过程的价值分析可以帮助我们为用户的利益作出最佳设计。模拟设计必须延伸到用作实现加工过程规定的方法和技术，设备设计应该满足加工的目的。模拟技术有能力设计出加工过程的相互关联并以动画或系统模型显示出来。
参考文献（略）
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