系統建模與仿真在機械制造工業(yè)信息技術中的應用

系統建模與仿真在機械制造工業(yè)信息技術中的應用摘要：企業(yè)的發(fā)展與建模的必要性不言而喻，分制造系統的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中有著作用及意義，制造系統的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中的具體應用也將越來越廣泛。關鍵詞：制造系統；建模與仿真；企業(yè)優(yōu)化；仿真應用一、系統建模與仿真1、含義系統建模與仿真技術是以相似原理、模型理論、系統技術、信息技術以及建模與仿真應用領域的有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統、與應用相關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型參與已有或設想的系統進行研究、分析、設計、加工生產、試驗、運行、評估、維護、和報廢(全生命周期)活動的一門多學科的綜合性技術。2、仿真科學和技術的通用性和戰(zhàn)略性仿真的通用性表現在一切基礎學科(如物理、化學、天文…)都可以通過仿真來研究；并可以極大地提高研究的安全性。仿真的戰(zhàn)略性表現在一切復雜巨系統的研究都離不開仿真技術，可以說研究復雜巨系統采用仿真技術是唯一的途徑。正如宋健院士所說：“系統仿真是科學實驗的利器。3、國內仿真技術發(fā)展現狀在我國仿真技術經過半個多世紀的發(fā)展，已經從軍工走向國民經濟。已經從工程走向非工程；已經從確定的小系統走向不確定的復雜巨系統。最初的仿真技術只是用計算機來求解方程，為了實時性，大都采用電子模擬計算機。現在的仿真技術已經融合了信息技術、網絡技術、系統技術、控制技術和高性能的計算技術，以完全嶄新的面貌出現在我們的面前?，F在，擺在我們仿真工作者面前的任務是：在虛擬世界與真實世界之間架起一座橋梁；通過仿真技術構筑起一個平臺，來勾畫出創(chuàng)新型國家的輪廓。仿真技術的廣度、深度、高度的提高，正反映了我國仿真技術和應用的發(fā)展。二、系統建模與仿真在機械制造工藝信息中的應用1、制造系統的建模與仿真在優(yōu)化企業(yè)資源中的作用及意義計算機仿真技術作為一門高新技術，其方法學建立在計算機能力的基礎之上。隨著計算機技術的發(fā)展，仿真技術也得到迅速的發(fā)展，其應用領域及其作用也越來越大。尤其在航空、航天、國防及其他大規(guī)模復雜系統的研制開發(fā)過程中，計算機仿真一直是不可缺少的工具，它可優(yōu)化企業(yè)結構、組織和生產的各個方面。當今的制造系統是集現代機械制造、計算機科學和管理工程于一體的綜合應用。在制造系統的設計階段，通過仿真可以選擇系統的最佳結構和配置方案，以保證系統既能完成預定的設計要求又能獲得很好的經濟性、柔性和可靠性，又能有效防止較大的經濟損失；在制造過程階段，通過仿真可以預測系統在不同調度下的性能，以確定合理的、高效的作業(yè)計劃，找出系統的“瓶頸”環(huán)節(jié)，從而能充分發(fā)揮制造系統的生產能力，提高經濟效益。在仿真中，建模是關鍵。模型是進行仿真的基礎，仿真是模型在計算機上的運行?；谶@種原因，我們在分析產品制造中所涉及的模型，以模型分類為基礎描述仿真的內容。就產品制造中所涉及的模型大致可分為三類：產品模型、制造系統模型和開發(fā)(包括設計、制造和測試)過程模型。它們之間的關系是：產品模型是所有活動的目的和中心，制造系統模型則是產品開發(fā)受到的各種約束，開發(fā)模型是產品開發(fā)的使能器，也是對產品開發(fā)活動進行管理和控制的基礎。當今，產品模型已從二維工程圖到三維實體幾何造型。針對三維產品集成定義模型，人們可以對產品進行物理性能、可制造性、可裝配性等方面的仿真。通過引入并行工程，使得產品自設計開始就涉及到產品的概念設計到消亡整個產品生命周期里的所有因素，包括質量、成本、作業(yè)調度和用戶需求。開發(fā)過程的仿真已從起初的加工對象在加工過程的仿真轉移到對整個制造過程的建模和仿真，仿真內容包括控制策略、庫存水平、負載能力等。隨著并行工程的應用，使得人們將注意力從單純的制造過程轉移到設計過程方面來，更加注重設計過程和制造過程的一體化。仿真技術的應用正是以這三類模型為中心展開的。以產品模型為中心的仿真包括：產品的靜態(tài)、動態(tài)性能分析；產品的可制造性和可裝配性分析。以制造系統模型為中心的仿真包括：對于復雜制造裝備的仿真；對于復雜制造系統的仿真。以開發(fā)過程模型為中心的仿真包括：設計過程的仿真和制造過程的仿真。以上三個方面的仿真是相互聯系、相互影響的，有時在內容上也會交替重疊。通過系統的建模與仿真，實現信息共享，借助于現代計算機網絡技術和CAD、CAM、STEP、MRPII等計算機輔助設計、制造及管理軟件系統，可高效率地在一個制造企業(yè)的設計、工藝、供銷和管理部門之間，在各車間以及各生產設備之間，在集團內的各企業(yè)之間乃至企業(yè)與用戶之間充分地、及時地溝通各類信息，并在此基礎上保證企業(yè)系統內各環(huán)節(jié)、各部門的高度協調，以確保企業(yè)實現最優(yōu)整體效益。2、制造系統的建模與仿真在企業(yè)中對優(yōu)化企業(yè)資源具體應用在從產品的設計到制造以至測試維護的整個生命周期中，計算機仿真技術貫穿始終。（一）面向產品的仿真面向產品的仿真主要包括以下三個方面：(1)產品的靜態(tài)、動態(tài)性能的分析。產品的靜態(tài)特性主要指應力、強度等力學特性；產品的動態(tài)特性主要指產品運動時，機構之間的連接與碰撞；(2)產品的可制造性分析(DFM)。DFM包括技術分析和經濟分析。技術分析根據產品技術要求及實際的生產環(huán)境對可制造性進行全面分析；經濟分析進行費用分析，根據反饋時間、成本等因素，對零件加工的經濟性進行評價。(3)產品的可裝配性分析(DFA)。DFA分析裝拆可能性，進行碰撞干涉檢驗，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。（二）面向制造工藝和裝備的仿真面向制造工藝和裝備的仿真主要指對加工中心加工過程的仿真和機器人的仿真。加工過程仿真(MPS)：由Nc代碼驅動，主要用于檢驗Nc代碼，并檢驗裝夾等因素引起的碰撞干涉現象。其具體功能包括：(1)仿真加工設備及加工對象在加工過程中的運動及狀態(tài)；(2)加工過程仿真的每一步均由NC代碼驅動；(3)零件加工過程具有三維實時動畫功能，當發(fā)現碰撞時，會發(fā)出報警。機器人的仿真：隨著機器人技術的迅速發(fā)展，機器人在制造系統中也得到了廣泛的應用。然而由于機器人是一種綜合了機、電、液的復雜動態(tài)系統，使得只有通過計算機仿真來模擬系統的動態(tài)特性，才能揭示機構的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設計、制造以及運行過程中的問題。機器人仿真技術大致可分為以下幾類：(1)針對制造系統中機器人的應用開展的研究，如柔性制造系統或計算機集成制造系統中機器人的仿真問題；(2)針對機器人操作手本身的特性進行的仿真研究，如運動學仿真、動力學仿真、軌跡規(guī)劃和碰撞檢驗等問題；(3)機器人離線編程系統的研究，如利用仿真生成滿意的運動方案自動轉換成機器人控制程序去驅動控制器動作。（三）面向制造企業(yè)其它環(huán)節(jié)的仿真產品開發(fā)過程可分為概念設計、詳細設計、評審和再設計等階段。每一階段又可進一步細分，如詳細設計可分為總體CAD、零部件CAD、計算機輔助工程、可制造性設計、可裝配性設計等。為了減少產品開發(fā)時間，降低開發(fā)成本，需要將上述過程所用的各種工具集成起來，以實現并行作業(yè)。產品開發(fā)過程仿真就是用于模擬上述各種可行方案，從中選擇集成的最優(yōu)方案。仿真的指標包括進度、資源、成本等。清華大學開發(fā)了產品開發(fā)過程的建模和仿真工具，作為并行工程實施的支撐軟件之一。產品價值鏈上商業(yè)伙伴間的合作和協調是虛擬企業(yè)的核心概念之一，因此供應鏈管理是其研究和開發(fā)的主要焦點。供應鏈管理涉及到整個產品價值鏈上事務過程的集成，包括供應商、制造商、銷售商和用戶。它被認為是虛擬企業(yè)業(yè)務流程集成的關鍵所在。參考文獻:[