计算机仿真技术的应用与发展趋势摘要在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。

从发展的历程来看，仿真技术应用的领域空前的扩大，已从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）扩展到产品设计开发和销售领域。

而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势。

按照仿真技术应用的对象不同，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。

本文将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。

本文最后说明了虚拟现实和拟实制造的概念，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。

绪论计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。

计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。

其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。

根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。

20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。

现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。

1. 制造技术的发展历程制造业（包括机械制造、电子制造、非金属制品制造、成衣制造以及各种型材制造等部类）是国民经济的支柱产业，其生产总值一般占各国国内生产总值的 20%~55% 。

在各国的企业生产力构成中，制造技术的作用一般占 60% 左右。

所以有的专家认为，世界上各个国家经济的竞争，主要是制造技术的竞争。

随着经济技术的高速发展以及顾客需求和市场环境的不断变化，这种竞争日趋激烈，各国政府都非常重视对制造业的研究。

为了改进以 T （开发周期）、 Q （产品质量）、 C （开发成本）、 S （售后服务）、 E （环境污染程度）为主要衡量指标的产品及产品开发过程，美国在 80 年代末提出了包括系统总体技术、管理技术、设计制造一体化技术、制造工艺与装备技术、支撑技术五大技术群在内的先进制造技术（ AMT ： Advanced ManufacturingTechnology ）的概念。

经过十余年的发展，五大技术群的内容到现在已大大丰富，其具体含义如下：l.1.系统总体技术群：研究如柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造、智能制造等先进制造技术的设计、规划、集成等总体技术。

l.2. 管理技术群：研究与制造企业的生产经营和组织管理相关的各种技术，如计算机辅助生产管理、物料需求计划 / 制造资源计划 / 企业资源计划、供应链管理、全面质量管理、准时制造、精良生产、企业经营过程重构等技术。

l.3. 设计制造一体化技术群：研究与产品设计、制造、直到检测等全过程相关的各种技术，如并行工程、计算机辅助设计 / 计算机辅助工程 / 计算机辅助制造、拟实制造、可靠性设计、智能优化设计、质量功能配置、数控技术、物料储运、自动控制、检测监控、以及质量保证等技术。

l.4. 制造工艺与装备技术群：研究与制造工艺及装备相关的各种技术，如材料生产工艺及装备（冶炼、轧钢等）、常规加工工艺及装备（铸造、锻造、焊接、热处理等）、少无切削加工工艺及装备、高速超高速加工工艺及装备、精密超精密与纳米加工工艺及装备、特种加工工艺及装备（激光、电子束等）。

l.5. 支撑技术群：这一技术群是以上技术群赖以生存并不断取得进步的相关技术，如标准化技术、计算机技术、软件工程、数据库技术、多媒体技术、网络通信技术、人工智能、虚拟现实技术、材料科学、人员教育和培训、人机工程学、环境科学等。

通过对先进制造技术的研究与应用，大大提高了产品的质量和生产效率。

2 .计算机仿真的发展及在制造业中应用的概况计算机仿真技术作为一门新兴的高技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。

随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。

尤其在航空、航天、国防及其他大规模复杂系统的研制开发过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。

在从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期中，计算机仿真技术贯穿始终（图 1 中的阴影部分代表仿真技术的应用，进一步归纳为表 1 ）。

从发展的历程来看，仿真技术应用的领域从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）正向产品设计开发和销售领域扩展。

总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求，目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势：表 1 计算机仿真在整个产品生命周期中的应用阶段计算机仿真的应用概念设计产品动力学分析（如：应力分析、强度分析）产品运动学仿真（如：机构之间的连接与碰撞）详细设计刀位轨迹仿真加工过程的仿真（检查 NC 代码）装配仿真加工制造制造车间设计（布局、设备选择）生产计划及作业调度制定各级控制器设计故障处理测试测试用仿真器培训 / 维训练用仿真器护销售供应链仿真器2.1. 仿真技术的应用范围空前的扩大了。

在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象（产品）的动力学特性，运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面；2.2. 与网络技术结合所带来的仿真的分布性。

仿真的分布性是由制造的分布性决定的。

敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的含义；2.3. 与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。

并由此形成了拟实制造（ VM: Virtual Manufacturing ）、虚拟产品开发（ VPD: Virtual Product Development ）、虚拟测试（ VT: Virtual Test ）等新概念；2.4.仿真技术应用的集成化。

即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。

就仿真技术应用的对象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。

在本文的第三部分中，将从以上四个方面，介绍计算机仿真在制造业中的具体应用。

除此以外，虚拟现实和拟实制造的概念，集中体现了仿真技术应用的分布、交互和集成化趋势，所以简单加以介绍，作为计算机仿真在制造业中应用的展望。

3. 计算机仿真在制造业中的具体应用3.1 面向产品的仿真面向产品的仿真主要包括以下方面：a. 产品的静态、动态性能的分析。

产品的静态特性主要指应力、强度等力学特性；产品的动态特性主要指产品运动时，机构之间的连接与碰撞；b. 产品的可制造性分析（ DFM ）。

DFM 包括技术分析和经济分析。

技术分析根据产品技术要求及实际的生产环境对可制造性进行全面分析；经济分析进行费用分析，根据反馈时间、成本等因素，对零件加工的经济性进行评价。

c. 产品的可装配性分析（ DFA ）。

DFA 分析装拆可能性，进行碰撞干涉检验，拟定出合理的装配工艺路线，并直观显示装配过程和装配到位后的干涉、碰撞问题。

参考文献 [16] 描述了装配工艺规划仿真原型系统的构造与实现。

3.2面向制造工艺和装备的仿真面向制造工艺和装备的仿真主要指对加工中心加工过程的仿真和机器人的仿真。

、加工过程仿真（ MPS ）：由 NC 代码驱动，主要用于检验 NC 代码，并检验装夹等因素引起的碰撞干涉现象。

其具体功能包括：a、仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态；b、加工过程仿真的每一步均由 NC 代码驱动；c、零件加工过程具有三维实时动画功能，当发现碰撞时，会发出报警。

参考文献 [15] 介绍了应用于并行工程中的 MPS 系统的结构、关键技术和主要算法。

机器人的仿真：随着机器人技术的迅速发展，机器人在制造系统中也得到了广泛的应用。

然而由于机器人是一种综合了机、电、液的复杂动态系统，使得只有通过计算机仿真来模拟系统的动态特性，才能揭示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题。

机器人仿真技术大致可分为以下几类 (参考文献[13]) ：a、针对制造系统中机器人的应用开展的研究，如柔性制造系统或计算机集成制造系统中机器人的仿真问题；b、针对机器人操作手本身的特性进行的仿真研究，如运动学仿真、动力学仿真、轨迹规划和碰撞检验等问题；c、机器人离线编程系统的研究，如利用仿真生成满意的运动方案自动转换成机器人控制程序去驱动控制器动作。

3.3 面向生产管理的仿真生产管理的基本功能是计划、调度和控制。

就仿真技术在生产管理中的应用来说，大致有以下三个方面：a、确定生产管理控制策略；b、用于车间层的设计和调度；c、用于库存管理。

下面将从以上三个方面介绍仿真技术的应用。

3.3.1 计算机仿真在生产管理控制策略中的应用用于生产管理控制策略的仿真包括确定有关参数以及用于不同控制策略之间的比较。

比较常见的控制策略有：1. MRP ：这是一种“推”式的控制策略，通过需求预测，综合考虑生产设备能力、原材料可用量和库存量来制定生产计划；2. KANBAN （看板）：这是一种“拉”式的控制策略，根据订单来制定生产计划，即通常所说的准时生产；3. LOC ：面向负载能力的控制策略。

根据库存水平来控制生产过程；4. DBR ：面向瓶颈的控制策略。

根据生产过程中的瓶颈环节来控制整个流程。

比较的衡量指标一般包括产量、生产率等。

每种控制策略中需要确定的参数包括：批量大小、看板数量、库存水平等。

参考文献 [8] 中提供了一个对于不同控制策略比较的仿真过程。

3.3.2 计算机仿真在制造车间设计中的应用一般可以把车间的设计过程分为两个主要阶段：初步设计阶段和详细设计阶段。

初步设计阶段的任务是研究用户的需求，然后由此确定初步设计方案。

详细设计阶段的主要任务是在初步设计的基础上，提出对车间各个组成单元的详尽而完整的描述，使设计结果能够达到进行实验和投产决策的程度，具体来说即确定设备、刀具、夹具、托盘、物料处理系统、车间布局等。