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产品制造中的建模和仿真铁力

时间:2022年08月18日

产品制造中的建模和仿真

产品制造中的建模和仿真 2011年12月09日 来源:   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 分散到集成,并更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、制造系统模型和开发过程(包括设计、加工、装配、测试等)模型。其中 产品模型是所有活动的目的和中心,制造系统模型是产品开发必须要考虑的约束,开发过程 模型是产品开发的使能器,也是对产品开发活动进行管理和控制的基础。这里的制造系统是 一个广义的概念,包括物料供应、加工、装配和检验等所有方面。 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CAE、DFA等,是仿真技术在制造业应用的基本方面。 (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”, 即由于缺乏集成,各个应用系统之间无法进行数据交换,从而造成大量的重复工作。CIMS (计算机集成制造系统)的概念就是在这种背景下提出来的,它主要强调物理层和应用层的 信息交换。   产品模型从二维工程图到三维实体几何造型又是一个巨 大的进步。围绕三维的产品集成定义模型,人们可以建立关于产品的完全的信息库,对产品 进行分析、设计、仿真,直至制造、装配、销售和售后服务。基于三维产品模型,可以进行 产品物理性能、可制造性、可装配性等方面的仿真。   进入20世纪90年代后,设计阶段的重要性越来越被人 们所认识,并行工程的概念应运而生。所谓并行工程,就是在计算机和网络技术的支

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