产品制造中的仿真和建模

小黄豆

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持下， 采取多学科团队、过程重叠以及自动化的设计工具CAx/DFx等手段，使产品设计人员从一 开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个产品生命周期里的所有因素，包括质量、成本、 作业调度以及用户需求，以减少产品开发过程下游的设计更改，缩短整个产品的开发过程周 期。并行工程中的产品模型是以三维实体几何模型为基础的包括物理信息、工艺信息、成本 信息、装配信息及其他管理信息的集成的模型。在并行工程中，仿真应用也更为集成化。 　　并行工程的着眼点虽然是产品的开发，但实际已涉及到 企业的方方面面，其进一步发展的结果就是整个企业经营过程的集成和重组，并进一步扩展 到企业间的集成（供应链、扩展企业、虚拟企业），这些信息反过来在产品模型上也将有所 反映。 2．制造系统模型及其仿真 　　制造系统模型及其仿真是随着制造设备自动化的发展而 发展的。比如针对数控机床的NC代码仿真、刀位轨迹仿真，针对加工中心的加工过程仿真， 针对立体仓库的库存操作和控制仿真，针对机器人的仿真，等等。柔性制造系统出现后，针 对柔性制造车间的设计和运行，各国的研究人员进行了大量的仿真系统开发。 3．开发过程模型及其仿真 　　从开发过程模型发展的角度来看，最初是对局部加工过 程的研究和仿真，仿真内容包括加工对象和加工设备在加工过程中的运行和状态；然后是对 整个制造系统及生产过程的建模和仿真，仿真内容包括控制策略、库存水平、负载能力等。 并行工程使人们把目光从单纯的制造过程转移到设计过程，更加注重设计过程和制造过程的 一体化。设计过程的仿真和加工过程的仿真有很大的不同，设计过程的主体是设计人员，仿 真的目的主要是为了缩短产品开发周期，使设计人员能更有效地协作。经营过程重组进一步 把过程集成的概念扩展到整个企业，而供应链、扩展企业、虚拟企业则研究多个企业合作中 的经营过程管理问题。供应链调度方面的仿真是目前研究的热点之一。 4．三类模型及其仿真的综合集成 　　随着并行工程方法与仿真技术在制造业中应用的深入， 人们又进一步提出虚拟样机和虚拟制造的概念。 　　虚拟样机（virtual prototyping，VP） 利用计算机仿真 技术建立与物理样机相似的模型，并对该模型进行评估和测试，从而获取关于候选的物理模 型设计方案的特性。虚拟样机环境则是将多个不同运行规律的模型集成起来，通过仿真测试 来指导设计人员将设计思路转化为原型，并通过子系统的优化、集成和仿真测试得到关于该 样机的性能描述，并能够提高样机模型开发的效费比和缩短新产品的研制周期。 　　虚拟制造（virtual manufacturing，VM） 一个集成的、 综合的可运行制造环境，它通过在计算机上对新产品设计、制造乃至生产设备引进及车间布 局等各个方面进行模拟和仿真，使设计者在真正的加工之前就能够模拟地制造产品。 　　从以上定义我们可以看出，虚拟样机和虚拟制造强调同 一问题的不同方面，虚拟样机强调数字化的产品模型及其产生过程；虚拟制造则强调产生该 模型的仿真运行环境，也就是虚拟样机环境。为了叙述方便，以下我们统称虚拟样机。 　　虚拟样机虽然是一个新的概念，但是其基本内容还是建 立在本文所讨论的三类模型及其仿真的基础之上。它以开发过程模型、产品模型和制造系统 模型为基础，将CAx/DFx技术、CSCW技术、设计过程管理、虚拟现实技术集成起来，形 成一个分布、集成的交互式环境，以支持产品设计过程中的并行工程方法，从而缩短新产品 研制开发周期，降低开发费用，提高效费比。