產(chǎn)品總是為特定的需求而存在，產(chǎn)品的制造過程是把特定的功能需求映射為模型并加以實(shí)現(xiàn) 的過程。而以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的建模和仿真是人類模型化思維的延伸，因此采郎，建模和仿真 在產(chǎn)品制造中具有重要的作用。

　　建模和仿真在產(chǎn)品制造中的應(yīng)用大致包括三個方面：以 產(chǎn)品模型為中心的仿真翅楼、以制造系統(tǒng)模型為中心的仿真和以產(chǎn)品開發(fā)過程模型為中心的仿 真。這三方面的應(yīng)用隨著制造企業(yè)信息化進(jìn)程的發(fā)展而發(fā)展真慢，總的趨勢是由局部到全局毅臊，由 分散到集成，并更加注重可視化技術(shù)的應(yīng)用及與用戶之間的交互黑界。

　　三類模型及其仿真

　　模型是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)管嬉，仿真是模型在計算機(jī)上的運(yùn) 行±署基于這種考慮蚯撩，我們首先分析產(chǎn)品制造中所涉及的模型，并以模型分類為基礎(chǔ)描述仿真 的內(nèi)容抵刺。

　　就產(chǎn)品制造中所涉及的模型種類來說饲悟，大致可以分為三 類，即產(chǎn)品模型衫喜、制造系統(tǒng)模型和開發(fā)過程（包括設(shè)計根朱、加工、裝配、測試等）模型敏盒。其中 產(chǎn)品模型是所有活動的目的和中心汤顷，制造系統(tǒng)模型是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的約束，開發(fā)過程 模型是產(chǎn)品開發(fā)的使能器翁凳，也是對產(chǎn)品開發(fā)活動進(jìn)行管理和控制的基礎(chǔ)递促。這里的制造系統(tǒng)是 一個廣義的概念，包括物料供應(yīng)县趴、加工送魁、裝配和檢驗(yàn)等所有方面。

　　仿真技術(shù)的應(yīng)用正是以這三類模型為中心展開的：

　　(1) 以產(chǎn)品模型為中心的仿真

　　包括產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)性能分析页衙、產(chǎn)品的可制造性分析摊滔、 產(chǎn)品的可裝配性分析。在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)時店乐，要考慮的不只局限于與功能需求有關(guān)的方面艰躺，如 形狀、尺寸眨八、結(jié)構(gòu)及各種物理特性腺兴，還要綜合考慮諸如制造、裝配廉侧、維護(hù)页响、成本等各方面的 因素。因此段誊，產(chǎn)品本身的仿真闰蚕，如CAE、DFA等连舍，是仿真技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用的基本方面没陡。

　　(2) 以制造系統(tǒng)模型為中心的仿真

　　包括對于復(fù)雜制造裝備（如加工中心、機(jī)器人等）的仿 真审亿、對于復(fù)雜制造系統(tǒng)（柔性制造車間的設(shè)計和運(yùn)行）的仿真焊循。仿真的目的在于，確定設(shè)備 能力和運(yùn)行情況最咖，包括加工路線沈跷、資源的分配、物料的供應(yīng)等碑甘。

　　(3) 以開發(fā)過程模型為中心的仿真

　　包括設(shè)計過程的仿真和制造過程的仿真亮铛。產(chǎn)品的開發(fā)大 致包括設(shè)計和制造兩個階段。在設(shè)計階段销顷，產(chǎn)品的性能和成本就基本上確定了卑聚，而正是因?yàn)?設(shè)計階段的重要性遥妒，以及設(shè)計過程中多學(xué)科協(xié)作和反復(fù)設(shè)計、試驗(yàn)帶來的復(fù)雜性纽秽，設(shè)計過程 的建模和仿真越來越受到人們的重視珍询。仿真的目的在于縮短周期，降低成本掰腌。制造過程是仿 真應(yīng)用的傳統(tǒng)方面策橘，制造過程的仿真必須把產(chǎn)品模型和制造系統(tǒng)模型結(jié)合起來加以考慮，但 它不僅僅是兩者的簡單相加娜亿，還需考慮控制策略丽已、庫存能力、負(fù)載能力等方面的問題买决。

　　這三個方面的仿真是相互聯(lián)系沛婴、相互影響的，有時在內(nèi) 容上還會有重疊督赤。

　　發(fā)展歷程

　　就仿真技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò)來看嘁灯，總的趨 勢是由局部到全局，由分散到集成躲舌，并更加注重可視化技術(shù)的應(yīng)用及與用戶之間的交互丑婿。仿 真的集成化是統(tǒng)一、全面地考慮產(chǎn)品生命周期中所有因素的需要没卸，也是局部羹奉、單點(diǎn)仿真應(yīng)用 不斷發(fā)展、綜合的結(jié)果约计。圖1描述了三類模型的發(fā)展歷程诀拭，圖2描述了仿真應(yīng)用的發(fā)展歷程。 幾乎每一種制造技術(shù)的進(jìn)步都帶來了相應(yīng)的模型和仿真應(yīng)用的發(fā)展善簸，而仿真又是以模型為基 礎(chǔ)的传撰，所以，圖1又是圖2的基礎(chǔ)畔香。下面我們分別詳細(xì)敘述每一類模型及其仿真的發(fā)展歷程类埋， 以便更清楚地說明仿真技術(shù)逐步應(yīng)用并走向集成化的過程履字。

　　1．產(chǎn)品模型及其仿真

　　在傳統(tǒng)的設(shè)計方式下猪褐，二維工程圖是產(chǎn)品設(shè)計描述的基 本方式。由于計算機(jī)繪圖具有便于存儲和修改等優(yōu)點(diǎn)攀瘟，最初的計算機(jī)應(yīng)用便從二維計算機(jī)輔 助設(shè)計開始和蛀，從而使產(chǎn)品模型第一次以數(shù)字的形式存在。雖然此時的產(chǎn)品模型只是二維幾何 模型诉玲，并沒有太多的仿真應(yīng)用搂棱，但它意味著一個質(zhì)的飛躍叔梆，因?yàn)橹挥写嬖跀?shù)字化的模型，才 有可能應(yīng)用仿真技術(shù)偏控。

　　接下來是計算機(jī)技術(shù)在各個單點(diǎn)應(yīng)用的鋪開筑凫，如CAE（計 算機(jī)輔助分析）、CAM（計算機(jī)輔助制造）并村、CAPP（計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃）等巍实，從而形 成完整的CAx系列。這個過程也是對產(chǎn)品描述逐步完善的過程哩牍，如CAE中包含了對于大量 產(chǎn)品物理信息（力學(xué)棚潦、熱學(xué)）的描述，CAPP是對產(chǎn)品工藝信息的描述膝昆。這一時期的仿真主 要針對產(chǎn)品靜態(tài)丸边、動態(tài)性能的分析，如有限元分析荚孵。

　　隨著單點(diǎn)應(yīng)用的發(fā)展妹窖，逐漸形成了所謂的“自動化孤島”， 即由于缺乏集成处窥，各個應(yīng)用系統(tǒng)之間無法進(jìn)行數(shù)據(jù)交換嘱吗，從而造成大量的重復(fù)工作。CIMS （計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的概念就是在這種背景下提出來的滔驾，它主要強(qiáng)調(diào)物理層和應(yīng)用層的 信息交換谒麦。

　　產(chǎn)品模型從二維工程圖到三維實(shí)體幾何造型又是一個巨 大的進(jìn)步。圍繞三維的產(chǎn)品集成定義模型采冕，人們可以建立關(guān)于產(chǎn)品的完全的信息庫援愁，對產(chǎn)品 進(jìn)行分析、設(shè)計孩青、仿真径揭，直至制造、裝配森肉、銷售和售后服務(wù)雌夕。基于三維產(chǎn)品模型朵泌，可以進(jìn)行 產(chǎn)品物理性能派憨、可制造性、可裝配性等方面的仿真岳舔。

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代后笔碌，設(shè)計階段的重要性越來越被人 們所認(rèn)識，并行工程的概念應(yīng)運(yùn)而生躲扣。所謂并行工程甚脉，就是在計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下丸升， 采取多學(xué)科團(tuán)隊、過程重疊以及自動化的設(shè)計工具CAx/DFx等手段牺氨，使產(chǎn)品設(shè)計人員從一 開始就考慮到產(chǎn)品從概念設(shè)計到消亡的整個產(chǎn)品生命周期里的所有因素狡耻，包括質(zhì)量、成本猴凹、 作業(yè)調(diào)度以及用戶需求酝豪，以減少產(chǎn)品開發(fā)過程下游的設(shè)計更改，縮短整個產(chǎn)品的開發(fā)過程周 期精堕。并行工程中的產(chǎn)品模型是以三維實(shí)體幾何模型為基礎(chǔ)的包括物理信息孵淘、工藝信息、成本 信息歹篓、裝配信息及其他管理信息的集成的模型瘫证。在并行工程中，仿真應(yīng)用也更為集成化庄撮。

　　并行工程的著眼點(diǎn)雖然是產(chǎn)品的開發(fā)背捌，但實(shí)際已涉及到 企業(yè)的方方面面，其進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果就是整個企業(yè)經(jīng)營過程的集成和重組湘乐，并進(jìn)一步擴(kuò)展 到企業(yè)間的集成（供應(yīng)鏈蝌飘、擴(kuò)展企業(yè)、虛擬企業(yè)）扇胀，這些信息反過來在產(chǎn)品模型上也將有所 反映跑既。

　　2．制造系統(tǒng)模型及其仿真

　　制造系統(tǒng)模型及其仿真是隨著制造設(shè)備自動化的發(fā)展而 發(fā)展的。比如針對數(shù)控機(jī)床的NC代碼仿真忌党、刀位軌跡仿真轿白，針對加工中心的加工過程仿真， 針對立體倉庫的庫存操作和控制仿真铺举，針對機(jī)器人的仿真罢摧，等等。柔性制造系統(tǒng)出現(xiàn)后劫伊，針 對柔性制造車間的設(shè)計和運(yùn)行拆聋，各國的研究人員進(jìn)行了大量的仿真系統(tǒng)開發(fā)。

　　3．開發(fā)過程模型及其仿真

　　從開發(fā)過程模型發(fā)展的角度來看姊呐，最初是對局部加工過 程的研究和仿真懒披，仿真內(nèi)容包括加工對象和加工設(shè)備在加工過程中的運(yùn)行和狀態(tài)；然后是對 整個制造系統(tǒng)及生產(chǎn)過程的建模和仿真翻默，仿真內(nèi)容包括控制策略缸沃、庫存水平恰起、負(fù)載能力等修械。 并行工程使人們把目光從單純的制造過程轉(zhuǎn)移到設(shè)計過程趾牧，更加注重設(shè)計過程和制造過程的 一體化。設(shè)計過程的仿真和加工過程的仿真有很大的不同肯污，設(shè)計過程的主體是設(shè)計人員翘单，仿 真的目的主要是為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，使設(shè)計人員能更有效地協(xié)作蹦渣。經(jīng)營過程重組進(jìn)一步 把過程集成的概念擴(kuò)展到整個企業(yè)哄芜，而供應(yīng)鏈、擴(kuò)展企業(yè)柬唯、虛擬企業(yè)則研究多個企業(yè)合作中 的經(jīng)營過程管理問題认臊。供應(yīng)鏈調(diào)度方面的仿真是目前研究的熱點(diǎn)之一。

　　4．三類模型及其仿真的綜合集成

　　隨著并行工程方法與仿真技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用的深入锄奢， 人們又進(jìn)一步提出虛擬樣機(jī)和虛擬制造的概念失晴。

　　虛擬樣機(jī)（virtual prototyping，VP） 利用計算機(jī)仿真 技術(shù)建立與物理樣機(jī)相似的模型工划，并對該模型進(jìn)行評估和測試滑信，從而獲取關(guān)于候選的物理模 型設(shè)計方案的特性。虛擬樣機(jī)環(huán)境則是將多個不同運(yùn)行規(guī)律的模型集成起來恒左，通過仿真測試 來指導(dǎo)設(shè)計人員將設(shè)計思路轉(zhuǎn)化為原型煞恭，并通過子系統(tǒng)的優(yōu)化、集成和仿真測試得到關(guān)于該 樣機(jī)的性能描述蔬旋，并能夠提高樣機(jī)模型開發(fā)的效費(fèi)比和縮短新產(chǎn)品的研制周期井翅。

　　虛擬制造（virtual manufacturing，VM） 一個集成的哩疲、 綜合的可運(yùn)行制造環(huán)境英谢，它通過在計算機(jī)上對新產(chǎn)品設(shè)計、制造乃至生產(chǎn)設(shè)備引進(jìn)及車間布 局等各個方面進(jìn)行模擬和仿真里淡，使設(shè)計者在真正的加工之前就能夠模擬地制造產(chǎn)品刃伞。

　　從以上定義我們可以看出，虛擬樣機(jī)和虛擬制造強(qiáng)調(diào)同 一問題的不同方面谎跨，虛擬樣機(jī)強(qiáng)調(diào)數(shù)字化的產(chǎn)品模型及其產(chǎn)生過程钥嫌；虛擬制造則強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生該 模型的仿真運(yùn)行環(huán)境，也就是虛擬樣機(jī)環(huán)境男杈。為了敘述方便丈屹，以下我們統(tǒng)稱虛擬樣機(jī)。

　　虛擬樣機(jī)雖然是一個新的概念伶棒，但是其基本內(nèi)容還是建 立在本文所討論的三類模型及其仿真的基礎(chǔ)之上旺垒。它以開發(fā)過程模型、產(chǎn)品模型和制造系統(tǒng) 模型為基礎(chǔ)肤无，將CAx/DFx技術(shù)先蒋、CSCW技術(shù)骇钦、設(shè)計過程管理、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來竞漾，形 成一個分布眯搭、集成的交互式環(huán)境，以支持產(chǎn)品設(shè)計過程中的并行工程方法业岁，從而縮短新產(chǎn)品 研制開發(fā)周期鳞仙，降低開發(fā)費(fèi)用，提高效費(fèi)比笔时。

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