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

　　

【正文】 真技術(shù)應(yīng)用的對(duì)象不同，可將制造業(yè)中應(yīng)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(gè)方面，介紹計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的具體應(yīng)用。本文最后還介紹了虛擬現(xiàn)實(shí)和擬實(shí)制造的概念，作為計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中應(yīng)用的展望。 關(guān)鍵詞 ：仿真技術(shù)應(yīng)用，制造業(yè) 1 制造技術(shù)的發(fā)展歷程 制造業(yè)（包括機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)總值一般占各國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的20%~55%。在各國(guó)的企業(yè)生產(chǎn)力構(gòu)成中，制造技術(shù)的作用一般占 60%左右。所以有的專家認(rèn)為，世界上各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)，主要是制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展以及顧客需求和市場(chǎng)環(huán)境的不斷變化，這種競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，各國(guó)政府都非常重視對(duì)制造業(yè)的研究。 為了改進(jìn)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(wù)）、E（環(huán)境污染程度）為主要衡量指標(biāo)的產(chǎn)品及產(chǎn)品開發(fā)過程，美國(guó)在 80 年代末提 10 出了包括系統(tǒng)總體技術(shù)、管理技術(shù)、設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)、制造工藝與裝備技術(shù)、支撐技術(shù)五大技術(shù)群在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)（ AMT： Advanced Manufacturing Technology）的概念。經(jīng)過十余年的發(fā)展，五大技術(shù)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(shù)群：研究如柔性制造、計(jì)算機(jī)集成制造、敏捷制造、智能制造等先進(jìn)制造技術(shù)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、集成等總體技術(shù)。 管理技術(shù)群：研究與制造企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和組織管理相關(guān)的各種技術(shù)，如計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn)管理、物料需求計(jì)劃 /制造資源計(jì)劃 /企業(yè)資源計(jì)劃、供應(yīng)鏈管理、全面質(zhì)量管理、準(zhǔn)時(shí)制造、精良生產(chǎn)、企業(yè)經(jīng)營(yíng)過程重構(gòu)等技術(shù)。 設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)群：研究與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、直到檢測(cè)等全過程相關(guān)的各種技術(shù)，如并行工程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) /計(jì)算機(jī)輔助工程 /計(jì) 算機(jī)輔助制造、擬實(shí)制造、可靠性設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、質(zhì)量功能配置、數(shù)控技術(shù)、物料儲(chǔ)運(yùn)、自動(dòng)控制、檢測(cè)監(jiān)控、以及質(zhì)量保證等技術(shù)。制造工藝與裝備技術(shù)群：研究與制造工藝及裝備相關(guān)的各種技術(shù)，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(wú)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(shù)群：這一技術(shù)群是以上技術(shù)群賴以生存并不斷取得進(jìn)步的相關(guān)技術(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件工程、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、多媒體 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、材料科學(xué)、人員教育和培訓(xùn)、人機(jī)工程學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。 以上涉及的主要制造技術(shù)的發(fā)展歷程及其在產(chǎn)品生命周期中所應(yīng)用的階段從市場(chǎng)需求形成開始，經(jīng)過概念設(shè)計(jì)（外形、特征、材料、價(jià)格、批量）、初步（總體）設(shè)計(jì)、詳細(xì)（部件）設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃制定（材料采購(gòu)）、生產(chǎn)（加工、裝配、測(cè)試），一直到銷售、維護(hù)，涉及企業(yè)的各個(gè)部門。通過對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展及在制造業(yè)中應(yīng)用的概況 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門新興的高技術(shù)，其方 法學(xué)建立在計(jì)算機(jī)能力的基礎(chǔ)之上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域及其作用也越來(lái)越大。尤其在航空、航天、國(guó)防及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程 11 中，計(jì)算機(jī)仿真一直是不可缺少的工具，它在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、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(shè)計(jì)到制造以至測(cè)試維護(hù)的整個(gè)生命周期中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿始終（圖 1 中的陰影部分代表仿真技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步歸納為表 1）。從發(fā)展的歷程來(lái)看，仿真技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域（生產(chǎn)計(jì)劃制定、加工、裝配、測(cè)試）正向產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和銷 售領(lǐng)域擴(kuò)展?？偟膩?lái)說，先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用提供了新的舞臺(tái)，也提出了更高的要求，目前仿真技術(shù)的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)和趨勢(shì)： 1) 仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍空前的擴(kuò)大了。在仿真的對(duì)象及目的方面，已由研究制造對(duì)象（產(chǎn)品）的動(dòng)力學(xué)特性，運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，研究產(chǎn)品的加工、裝配過程，擴(kuò)大到研究制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，并進(jìn)一步擴(kuò)大到后勤供應(yīng)、庫(kù)存管理、產(chǎn)品開發(fā)過程的組織、產(chǎn)品測(cè)試等，涉及到制造企業(yè)的各個(gè)方面； 2) 與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合所帶來(lái)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(luò)實(shí)現(xiàn)異地協(xié)作的含義； 3) 與圖形和傳感器技術(shù)相結(jié)合，使仿真的交互性大大增強(qiáng)。并由此形成了擬實(shí)制造（ VM: Virtual Manufacturing）、虛擬產(chǎn)品開發(fā)（ VPD: Virtual Product Development）、虛擬測(cè)試（ VT: Virtual Test）等新概念； 4) 仿真技術(shù)應(yīng)用的集成化。即綜合運(yùn)用仿真技術(shù)，形成可運(yùn)行的產(chǎn)品開發(fā)和制造環(huán)境。 就仿真技術(shù)應(yīng)用的對(duì)象來(lái)看，可將制造業(yè)中應(yīng)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(gè)方面，介紹計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的具體應(yīng)用。除此以外，虛擬現(xiàn)實(shí)和擬實(shí)制造的概念，集中體現(xiàn)了仿真技術(shù)應(yīng)用的分布、交互和集成化趨勢(shì)，所以簡(jiǎn)單加以介紹，作為計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中應(yīng)用的展望。 3 計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)中的具體應(yīng)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(dòng)態(tài)性能的分析。產(chǎn)品的靜態(tài)特性主要指應(yīng)力、強(qiáng)度等力學(xué)特性；產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性主要指產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)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(shù)分析和經(jīng)濟(jì)分析。技術(shù)分析根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求及實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境對(duì)可制造性進(jìn)行全面分析；經(jīng)濟(jì)分析進(jìn)行費(fèi)用分析，根據(jù)反饋時(shí)間、成本等因素，對(duì)零件加工的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 3) 產(chǎn)品的可裝配性分析（ DFA）。 DFA 分析裝拆可能性，進(jìn)行碰撞干涉檢驗(yàn)，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(xiàn) [16]描述了裝配工藝規(guī)劃仿真原型系統(tǒng)的構(gòu)造與實(shí)現(xiàn)。 面向制造工藝和裝備的仿真主要指對(duì)加工中心加工過程的仿真和機(jī)器人的仿真。、 加工 過程仿真（ MPS）：由 NC 代碼驅(qū)動(dòng)，主要用于檢驗(yàn) NC 代碼，并檢驗(yàn)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(shè)備及加工對(duì)象在加工過程中的運(yùn)動(dòng)及狀態(tài)； 2) 加工過程仿真的每一步均由 NC 代碼驅(qū)動(dòng)； 3) 零件加工過程具有三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警。 參考文獻(xiàn) [15]介紹了應(yīng)用于并行工程中的 MPS 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和主要算法。 機(jī)器人的仿真：隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人在制造系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于機(jī)器人是一種綜合了機(jī)、電、液的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)， 使得只有通過計(jì)算機(jī)仿真來(lái)模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，才能揭示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過程中的問題。機(jī)器人仿真技術(shù)大致可分為以下幾類 [13]： 1)針對(duì)制造系統(tǒng)中機(jī)器人的應(yīng)用開展的研究，如柔性制造系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)中機(jī)器人的仿真問題； 2)針對(duì)機(jī)器人操作手本身的特性進(jìn)行的仿真研究，如運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真、軌跡規(guī)劃和碰撞檢驗(yàn)等問題； 13 3)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究，如利用仿真生成滿意的運(yùn)動(dòng)方案自動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人控制程序去驅(qū)動(dòng)控制器動(dòng)作。 面向生產(chǎn)管理的仿真 生產(chǎn) 管理的基本功能是計(jì)劃、調(diào)度和控制。就仿真技術(shù)在生產(chǎn)管理中的應(yīng)用來(lái)說，大致有以下三個(gè)方面： 1)確定生產(chǎn)管理控制策略； 2) 用于車間層的設(shè)計(jì)和調(diào)度； 3) 用于庫(kù)存管理。 下面將從以上三個(gè)方面介紹仿真技術(shù)的應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)管理控制策略中的應(yīng)用 用于生產(chǎn)管理控制策略的仿真包括確定有關(guān)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(yù)測(cè)，綜合考慮生產(chǎn)設(shè)備能力、原材料可用量和庫(kù)存量來(lái)制定生產(chǎn)計(jì)劃； 2) KANBAN（看板）： 這是一種“拉”式的控制策略，根據(jù)訂單來(lái)制定生產(chǎn)計(jì)劃，即通常所說的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)； 3) LOC：面向負(fù)載能力的控制策略。根據(jù)庫(kù)存水平來(lái)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(lái)控制整個(gè)流程。 比較的衡量指標(biāo)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(kù)存水平等。 參考文獻(xiàn) [8]中提供了一個(gè)對(duì)于不同控制策略比較的仿真過程。 計(jì)算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 一般可以把車間的設(shè)計(jì)過程分為兩個(gè)主要階段：初步設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。 初步設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是研究用戶的需求，然后由此確定初步設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)車間各個(gè)組成單元的詳盡而完整的描述，使設(shè)計(jì)結(jié)果能夠達(dá)到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和投產(chǎn)決策的程度，具體來(lái)說即確定設(shè)備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)、車間布局等。而仿真技術(shù)則主要用于方案的評(píng)價(jià)和選擇。具體來(lái)說： 14 在初步設(shè)計(jì)階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟(jì)效益分析算法，運(yùn)行根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案所建立的仿真模型，給出以下評(píng)價(jià)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(xì)設(shè)計(jì)階段，使用仿真技術(shù)可以對(duì)候選方案的以下方面做出評(píng)價(jià)： 在制造主要零件時(shí)，車間中主要加工設(shè)備是否能夠得到充分的利用？ 負(fù)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(yīng)？ 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(shí)，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(guó)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(shè)計(jì)，如 PURDUE 大學(xué)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(xué)開發(fā)的 IMMS 等 [2]。 計(jì)算機(jī)仿真在制造車間運(yùn)行中的應(yīng)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(jī)器、自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸工具（ AGV）、機(jī)器人以及加班的時(shí)間等，以滿足指定的目標(biāo)。這些目標(biāo)可以是滿足交貨日期、產(chǎn)量達(dá)到最大，機(jī)器的利用率達(dá)到最高，或上述目標(biāo)的組合。 FMS 中的調(diào)度過程包括： 選擇進(jìn)入 FMS 的工件； 為工件加工選擇加工路線； 選擇在機(jī)器上進(jìn)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(duì)調(diào)度問題進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。 目前已經(jīng)有一些成熟的軟件可用來(lái)解決調(diào)度問題，如： Autosched，JobTimePlus， FACTOR， FACTOR/AIM， SIMNETD 等。我國(guó)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(xué)研制的 JobShop 調(diào)度仿真軟件，清華大學(xué)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(chǔ)上開發(fā)的智能規(guī)則調(diào)度系統(tǒng)等 [3]。 計(jì)算機(jī)仿真在庫(kù)存管理中的應(yīng)用 在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，庫(kù)存子系統(tǒng)起著重要的作用。按照庫(kù)存材料在生產(chǎn)線中作用 分，可分為在線倉(cāng)庫(kù)和中央倉(cāng)庫(kù)。按庫(kù)存材料性質(zhì)分，可分為原材料及外購(gòu)件庫(kù)、在制品庫(kù)、成品庫(kù)和維修備件及工具庫(kù)。庫(kù)存控制的目的在于，使庫(kù)存投資最少，且要滿足生產(chǎn)和銷售的要求。 對(duì)于庫(kù)存管理的仿真包括： 1) 確定訂貨策略； 2) 確定訂貨點(diǎn)和訂貨批量； 3) 確定倉(cāng)庫(kù)的分布； 4. 確定安全庫(kù)存水平。 參考文獻(xiàn) [9]描述了一個(gè)遞階、分布、動(dòng)態(tài)的庫(kù)存管理系統(tǒng)的建模和仿真。