桌面式微型工厂原型系统建模研究

　　1　引言

　　微型工厂是一种微小型柔性生产系统,其组织结构以体积小、耗能少、节约原材料、减少污染环节、机动性强、微生产环境的抗干扰性好等为目标。因此,人们将其视为节省能源和空间的环保型生产模式,是绿色制造的发展方向之一。典型的微型工厂是桌面式微型工厂(desktop micro-factory),其表现形式包括生产小型机械电子部件的可移动工厂,特殊环境下(如真空、冷冻室、高压、水下或太空失重等情况下)的微小型制造系统,家庭或车间用微型制造系统(可生产隐型眼镜、化妆品等小产品,并以高的柔性满足不同用户要求),在最适宜的当地定量生产所需产品的微型制造系统,生产药品、疫苗或贵重化学品的微型化学工厂等等。

　　微机械技术为研制微小型生产设备注入了活力[1~3],同时随着微机械研究从加工技术向制造系统的深入发展,针对微机械自身产品的微型工厂的研究也被提上议事日程,已经制造出世界上第一台微型车床和第一座台式微型机械加工工厂。硅基微集成机构(Integrated mechanism, IM)在微机械产品中占据重要地位,因此针对IM的微型生产系统的研究更具有重要意义。

　　然而,建立针对IM的桌面式微型工厂还缺乏可借鉴的范例。有必要首先对微型工厂的硬件及行为进行建模和仿真,即借助计算机对微型工厂的设计、微器件的加工、装配等进行统一建模,形成虚拟的微型工厂环境,通过仿真及结果分析,确定最佳建设方案。以准分子激光直写刻蚀加工为主要加工手段,以集成微机构为产品对象,作者开展了桌面式微型工厂的建模研究。

　　2　桌面式微型工厂的体系结构

　　借鉴虚拟制造(VM)的建模方法,在微型工厂中应对系统所有要素进行数字化表达[4~9]。

　　桌面式微型工厂的概念框架如图1所示。其信息体系结构用以下三个模型描述。

　　1)生产系统模型:包括静态描述(系统生产能力和生产特性的描述,用于描述特定制造系统下特定产品的可行性)和动态描述(系统动态行为和状态的描述,用于在已知系统状态和需求特性的基础上预测生产的全过程)。

　　2)产品模型:产品结构明细表、产品外形几何与拓扑结构、产品形状特性等静态信息。

　　3)工艺模型:将工艺参数与产品设计属性联系起来,以反映生产系统模型与产品模型之间的交互作用。微型工厂的整个运作过程可以看作生产系统模型、产品模型和工艺模型的静态或动态的交互作用。其中生产系统模型是构建微型工厂原型的基础。根据桌面式微型工厂的建模与仿真的要求,可以将其分为两个层次,即微层次和宏层次。微层次包括操作层和操作单元层,对每个操作单元的详细操作进行建模和仿真,分析加工和装配的每个细节,及时发现潜在的缺陷。宏层次则根据来自微层次的结果对整个工厂进行仿真,包括工厂级和处理单元级。微型工厂的层次结构如图2所示。