产品制造中的建模仿真座人

产品制造中的建模仿真

产品总是为特定的需求而存在，产品的制造过程是把特定的功能需求映射为模型并加以实现的过程。而以计算机技术为基础的建模和仿真是人类模型化思维的延伸，因此，建模和仿真在产品制造中具有重要的作用。

建模和仿真在产品制造中的应用大致包括三个方面：以产品模型为中心的仿真、以制造系统模型为中心的仿真和以产品开发过程模型为中心的仿真。这三方面的应用随着制造企业信息化进程的发展而发展，总的趋势是由局部到全局，由分散到实验机的安全防护功能在保护操作人员的人身安全及保护实验装备正常工作方面起着极为重要的作用集成，并更研发机翼的高温时效成形的高强度铝合金的快速超塑成形加注重可视化技术的应用及与用户之间的交互。

三类模型及其仿真

模型是进行仿真的基础，仿真是模型在计算机上的运行。基于这种考虑，我们首先分析产品制造中所涉及的模型，并以模型分类为基础描述仿真的内容。

就产品制造中所涉及的模型种类来说，大致可以分为三类，即产品模型、制造系

仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的：

(1)以产品模型为中心的仿真

包括产品的静态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配性分析。在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品本身的仿真，如

(2)以制造系统模型为中心的仿真

包括对于复杂制造装备（如加工中心、机器人等）的仿真、对于复杂制造系统（柔性制造车间的设计和运行）的仿真。仿真的目的在于，确定设备能力和运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。

(3)以开发过程模型为中心的仿真

包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。产品的开发大致包括设计和制造两个阶段。在设计阶段，产品的性能和成本就基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要性，以及设计过程中多学科协作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和仿真越来越受到人们的重视。仿真的目的在于缩短周期，降低成本。制造过程是仿真应用的传统方面，制造过程的仿真必须把产品模型和制造系统模型结合起来加以考虑，但它不仅仅是两者的简单相加，还需考虑控制策略、库存能力、负载能力等方面的问题。这三个方面的仿真是相互联系、相互影响的，有时在内容上还会有重叠。

发展历程

就仿真技术在制造业中应用的发展脉络来看，总的趋势是由局部到全局，由分散到集成，并更加注重可视化技术的应用及与用户之间的交互。仿真的集成化是统一、全面地考虑产品生命周期中所有因素的需要，也是局部、单点仿真应用不断发展、综合的结果。图1描述了三类模型的发展历程，图2描述了仿真应用的发展历程。几乎每一种制造技术的进步都带来了相应的模型和仿真应用的发展，而仿真又是以模型为基础的，所以，图1又是图2的基础。下面我们分别详细叙述每一类模型及其仿真的发展历程，以便更清楚地说明仿真技术逐步应用并走向集成化的过程。

1．产品模型及其仿真

在传统的设计方式下，二维工程图是产品设计描述的基本方式。由于计算机绘图具有便于存储和修改等优点，最初的计算机应用便从二维计算机辅助设计开始，从而使产品模型第一次以数字的形式存在。虽然此时的产品模型只是二维几何模型，并没有太多的仿真应用，但它意味着一个质的飞跃，因(3)开齿是关键工序为只有存在数字化的模型，才有可能应用仿真技术。

接下来是计算机技术在各个单点应用的铺开，如CAE（计算机辅助分析）、CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺规划）等，从而形成完整的CAx系列。这个过程也是对产品描述逐步完善的过程，如CAE中包含了对于大量产品物理信息（力学、热学）的描述，CAPP是对产品工艺信息的描述。这一时期的仿真主要针对产品静态、动态性能的分析，如有限元分析。

随着单点应用的发展，逐渐形成了所谓的“自动化孤岛”，即由于缺