【導讀】(productquality),C's(developmentcost),S's(after-saleservice)andE(pollutionofthe. generallythought.

　　

【正文】 真技術應用的對象不同，可將制造業(yè)中應用 的仿真分為四類：面向產(chǎn)品的仿真；面向制造工藝和裝備的仿真；面向生產(chǎn)管理的仿真；面向企業(yè)其它環(huán)節(jié)的仿真。本文將從以上四個方面，介紹計算機仿真在制造業(yè)中的具體應用。本文最后還介紹了虛擬現(xiàn)實和擬實制造的概念，作為計算機仿真在制造業(yè)中應用的展望。 關鍵詞 ：仿真技術應用，制造業(yè) 1 制造技術的發(fā)展歷程 制造業(yè)（包括機械制造、電子制造、非金屬制品制造、成衣制造以及各種型材制造等部類）是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)總值一般占各國國內(nèi)生產(chǎn)總值的20%~55%。在各國的企業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術的作用一般占 60%左右。所以有的專家認為，世界上各個國家經(jīng)濟的競爭，主要是制造技術的競爭。隨著經(jīng)濟技術的高速發(fā)展以及顧客需求和市場環(huán)境的不斷變化，這種競爭日趨激烈，各國政府都非常重視對制造業(yè)的研究。 為了改進以 T（開發(fā)周期）、 Q（產(chǎn)品質(zhì)量）、 C（開發(fā)成本）、 S（售后服務）、E（環(huán)境污染程度）為主要衡量指標的產(chǎn)品及產(chǎn)品開發(fā)過程，美國在 80 年代末提 10 出了包括系統(tǒng)總體技術、管理技術、設計制造一體化技術、制造工藝與裝備技術、支撐技術五大技術群在內(nèi)的先進制造技術（ AMT： Advanced Manufacturing Technology）的概念。經(jīng)過十余年的發(fā)展，五大技術群的內(nèi)容到現(xiàn)在已大大豐富，其具體含義如下： 系統(tǒng)總體技術群：研究如柔性制造、計算機集成制造、敏捷制造、智能制造等先進制造技術的設計、規(guī)劃、集成等總體技術。 管理技術群：研究與制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營和組織管理相關的各種技術，如計算機輔助生產(chǎn)管理、物料需求計劃 /制造資源計劃 /企業(yè)資源計劃、供應鏈管理、全面質(zhì)量管理、準時制造、精良生產(chǎn)、企業(yè)經(jīng)營過程重構(gòu)等技術。 設計制造一體化技術群：研究與產(chǎn)品設計、制造、直到檢測等全過程相關的各種技術，如并行工程、計算機輔助設計 /計算機輔助工程 /計 算機輔助制造、擬實制造、可靠性設計、智能優(yōu)化設計、質(zhì)量功能配置、數(shù)控技術、物料儲運、自動控制、檢測監(jiān)控、以及質(zhì)量保證等技術。制造工藝與裝備技術群：研究與制造工藝及裝備相關的各種技術，如材料生產(chǎn)工藝及裝備（冶煉、軋鋼等）、常規(guī)加工工藝及裝備（鑄造、鍛造、焊接、熱處理等）、少無切削加工工藝及裝備、高速超高速加工工藝及裝備、精密超精密與納米加工工藝及裝備、特種加工工藝及裝備（激光、電子束等）。支撐技術群：這一技術群是以上技術群賴以生存并不斷取得進步的相關技術，如標準化技術、計算機技術、軟件工程、數(shù)據(jù)庫技術、多媒體 技術、網(wǎng)絡通信技術、人工智能、虛擬現(xiàn)實技術、材料科學、人員教育和培訓、人機工程學、環(huán)境科學等。 以上涉及的主要制造技術的發(fā)展歷程及其在產(chǎn)品生命周期中所應用的階段從市場需求形成開始，經(jīng)過概念設計（外形、特征、材料、價格、批量）、初步（總體）設計、詳細（部件）設計、工藝設計、生產(chǎn)計劃制定（材料采購）、生產(chǎn)（加工、裝配、測試），一直到銷售、維護，涉及企業(yè)的各個部門。通過對先進制造技術的研究與應用，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 2 計算機仿真的發(fā)展及在制造業(yè)中應用的概況 計算機仿真技術作為一門新興的高技術，其方 法學建立在計算機能力的基礎之上。隨著計算機技術的發(fā)展，仿真技術也得到迅速的發(fā)展，其應用領域及其作用也越來越大。尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程 11 中，計算機仿真一直是不可缺少的工具，它在減少損失、節(jié)約經(jīng)費、縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮了巨大作用。 在從產(chǎn)品的設計到制造以至測試維護的整個生命周期中，計算機仿真技術貫穿始終（圖 1 中的陰影部分代表仿真技術的應用，進一步歸納為表 1）。從發(fā)展的歷程來看，仿真技術應用的領域從傳統(tǒng)的制造領域（生產(chǎn)計劃制定、加工、裝配、測試）正向產(chǎn)品設計開發(fā)和銷 售領域擴展。總的來說，先進制造技術的發(fā)展，為計算機仿真的應用提供了新的舞臺，也提出了更高的要求，目前仿真技術的應用具有以下特點和趨勢： 1) 仿真技術的應用范圍空前的擴大了。在仿真的對象及目的方面，已由研究制造對象（產(chǎn)品）的動力學特性，運動學特性，研究產(chǎn)品的加工、裝配過程，擴大到研究制造系統(tǒng)的設計和運行，并進一步擴大到后勤供應、庫存管理、產(chǎn)品開發(fā)過程的組織、產(chǎn)品測試等，涉及到制造企業(yè)的各個方面； 2) 與網(wǎng)絡技術結(jié)合所帶來的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分布性決定的。敏捷制造、虛擬企業(yè)等概念本身 就有基于網(wǎng)絡實現(xiàn)異地協(xié)作的含義； 3) 與圖形和傳感器技術相結(jié)合，使仿真的交互性大大增強。并由此形成了擬實制造（ VM: Virtual Manufacturing）、虛擬產(chǎn)品開發(fā)（ VPD: Virtual Product Development）、虛擬測試（ VT: Virtual Test）等新概念； 4) 仿真技術應用的集成化。即綜合運用仿真技術，形成可運行的產(chǎn)品開發(fā)和制造環(huán)境。 就仿真技術應用的對象來看，可將制造業(yè)中應用的仿真分為四類：面向產(chǎn)品的仿真；面向制造工藝和裝備的仿真；面向生產(chǎn)管 理的仿真；面向企業(yè)其它環(huán)節(jié)的仿真。在本文的第三部分中，將從以上四個方面，介紹計算機仿真在制造業(yè)中的具體應用。除此以外，虛擬現(xiàn)實和擬實制造的概念，集中體現(xiàn)了仿真技術應用的分布、交互和集成化趨勢，所以簡單加以介紹，作為計算機仿真在制造業(yè)中應用的展望。 3 計算機仿真在制造業(yè)中的具體應用 面向產(chǎn)品的仿真 面向產(chǎn)品的仿真主要包括以下方面： 12 1) 產(chǎn)品的靜態(tài)、動態(tài)性能的分析。產(chǎn)品的靜態(tài)特性主要指應力、強度等力學特性；產(chǎn)品的動態(tài)特性主要指產(chǎn)品運動時，機構(gòu)之間的連接與碰撞； 2) 產(chǎn)品的可制造性分 析（ DFM）。 DFM 包括技術分析和經(jīng)濟分析。技術分析根據(jù)產(chǎn)品技術要求及實際的生產(chǎn)環(huán)境對可制造性進行全面分析；經(jīng)濟分析進行費用分析，根據(jù)反饋時間、成本等因素，對零件加工的經(jīng)濟性進行評價。 3) 產(chǎn)品的可裝配性分析（ DFA）。 DFA 分析裝拆可能性，進行碰撞干涉檢驗，擬定出合理的裝配工藝路線，并直觀顯示裝配過程和裝配到位后的干涉、碰撞問題。 參考文獻 [16]描述了裝配工藝規(guī)劃仿真原型系統(tǒng)的構(gòu)造與實現(xiàn)。 面向制造工藝和裝備的仿真主要指對加工中心加工過程的仿真和機器人的仿真。、 加工 過程仿真（ MPS）：由 NC 代碼驅(qū)動，主要用于檢驗 NC 代碼，并檢驗裝夾等因素引起的碰撞干涉現(xiàn)象。其具體功能包括： 1) 仿真加工設備及加工對象在加工過程中的運動及狀態(tài)； 2) 加工過程仿真的每一步均由 NC 代碼驅(qū)動； 3) 零件加工過程具有三維實時動畫功能，當發(fā)現(xiàn)碰撞時，會發(fā)出報警。 參考文獻 [15]介紹了應用于并行工程中的 MPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關鍵技術和主要算法。 機器人的仿真：隨著機器人技術的迅速發(fā)展，機器人在制造系統(tǒng)中也得到了廣泛的應用。然而由于機器人是一種綜合了機、電、液的復雜動態(tài)系統(tǒng)， 使得只有通過計算機仿真來模擬系統(tǒng)的動態(tài)特性，才能揭示機構(gòu)的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題。機器人仿真技術大致可分為以下幾類 [13]： 1)針對制造系統(tǒng)中機器人的應用開展的研究，如柔性制造系統(tǒng)或計算機集成制造系統(tǒng)中機器人的仿真問題； 2)針對機器人操作手本身的特性進行的仿真研究，如運動學仿真、動力學仿真、軌跡規(guī)劃和碰撞檢驗等問題； 13 3)機器人離線編程系統(tǒng)的研究，如利用仿真生成滿意的運動方案自動轉(zhuǎn)換成機器人控制程序去驅(qū)動控制器動作。 面向生產(chǎn)管理的仿真 生產(chǎn) 管理的基本功能是計劃、調(diào)度和控制。就仿真技術在生產(chǎn)管理中的應用來說，大致有以下三個方面： 1)確定生產(chǎn)管理控制策略； 2) 用于車間層的設計和調(diào)度； 3) 用于庫存管理。 下面將從以上三個方面介紹仿真技術的應用。 計算機仿真在生產(chǎn)管理控制策略中的應用 用于生產(chǎn)管理控制策略的仿真包括確定有關參數(shù)以及用于不同控制策略之間的比較。比較常見的控制策略有： 1) MRP：這是一種“推”式的控制策略，通過需求預測，綜合考慮生產(chǎn)設備能力、原材料可用量和庫存量來制定生產(chǎn)計劃； 2) KANBAN（看板）： 這是一種“拉”式的控制策略，根據(jù)訂單來制定生產(chǎn)計劃，即通常所說的準時生產(chǎn)； 3) LOC：面向負載能力的控制策略。根據(jù)庫存水平來控制生產(chǎn)過程； 4) DBR：面向瓶頸的控制策略。根據(jù)生產(chǎn)過程中的瓶頸環(huán)節(jié)來控制整個流程。 比較的衡量指標一般包括產(chǎn)量、生產(chǎn)率等。 每種控制策略中需要確定的參數(shù)包括：批量大小、看板數(shù)量、庫存水平等。 參考文獻 [8]中提供了一個對于不同控制策略比較的仿真過程。 計算機仿真在制造車間設計中的應用 一般可以把車間的設計過程分為兩個主要階段：初步設計階段和詳細設計階段。 初步設計階段的任務是研究用戶的需求，然后由此確定初步設計方案。詳細設計階段的主要任務是在初步設計的基礎上，提出對車間各個組成單元的詳盡而完整的描述，使設計結(jié)果能夠達到進行實驗和投產(chǎn)決策的程度，具體來說即確定設備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)、車間布局等。而仿真技術則主要用于方案的評價和選擇。具體來說： 14 在初步設計階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟效益分析算法，運行根據(jù)初步設計方案所建立的仿真模型，給出以下評價信息： 在新車間中生產(chǎn)的產(chǎn)品類型和數(shù)量能否滿足用戶要求？ 產(chǎn)品的質(zhì)量和精度是否能夠滿足要求？ 新車間 的效率和投資回收率是否合理？ 在詳細設計階段，使用仿真技術可以對候選方案的以下方面做出評價： 在制造主要零件時，車間中主要加工設備是否能夠得到充分的利用？ 負載是否比較平衡？ 物料處理系統(tǒng)是否能夠和車間的柔性程度相適應？ 新車間的整體布局是否能夠滿足生產(chǎn)調(diào)度的要求？ 是否具有一定的可重構(gòu)能力？ 在發(fā)生故障時，車間生產(chǎn)系統(tǒng)是否能夠維持一定程度的生產(chǎn)能力？ 目前國內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)出了一些成熟的軟件可用于輔助車間生產(chǎn)系統(tǒng)的設計，如 PURDUE 大學開發(fā)的 GCMS、 System Modeling 公司開發(fā)的 SIMAN/CINEMA、Auto Simulation 公司開發(fā)的 AUTOMOD/AUTOGRAM、清華大學開發(fā)的 IMMS 等 [2]。 計算機仿真在制造車間運行中的應用 FMS 中的調(diào)度問題可以定義為分配和協(xié)調(diào)可獲得的生產(chǎn)資源，如加工機器、自動引導運輸工具（ AGV）、機器人以及加班的時間等，以滿足指定的目標。這些目標可以是滿足交貨日期、產(chǎn)量達到最大，機器的利用率達到最高，或上述目標的組合。 FMS 中的調(diào)度過程包括： 選擇進入 FMS 的工件； 為工件加工選擇加工路線； 選擇在機器上進行加工的工作； 為 AGV 選擇派遣規(guī)則 。 仿真方法主要就以上方面對調(diào)度問題進行分析和評價。 目前已經(jīng)有一些成熟的軟件可用來解決調(diào)度問題，如： Autosched，JobTimePlus， FACTOR， FACTOR/AIM， SIMNETD 等。我國也已研制開發(fā)了用于車間調(diào)度層的仿真軟件，如：南開大學研制的 JobShop 調(diào)度仿真軟件，清華大學與 15 航天部 204 所等單位開發(fā)的工廠仿真調(diào)度環(huán)境 FASE，以及在此基礎上開發(fā)的智能規(guī)則調(diào)度系統(tǒng)等 [3]。 計算機仿真在庫存管理中的應用 在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中，庫存子系統(tǒng)起著重要的作用。按照庫存材料在生產(chǎn)線中作用 分，可分為在線倉庫和中央倉庫。按庫存材料性質(zhì)分，可分為原材料及外購件庫、在制品庫、成品庫和維修備件及工具庫。庫存控制的目的在于，使庫存投資最少，且要滿足生產(chǎn)和銷售的要求。 對于庫存管理的仿真包括： 1) 確定訂貨策略； 2) 確定訂貨點和訂貨批量； 3) 確定倉庫的分布； 4. 確定安全庫存水平。 參考文獻 [9]描述了一個遞階、分布、動態(tài)的庫存管理系統(tǒng)的建模和仿真。