計算機仿真在制造業的應用

時間：2025-10-01 04:53:42 計算機應用論文

計算機仿真在制造業的應用

　　計算機仿真在制造業的應用【1】

　　摘要：在現代新產品的設計、研究和開發中計算機仿真技術發揮著巨大的作用，它是設計、研究和開發工作必要的工具和手段，為整個制造產業帶了一場革命。

　　未來的制造業，仿真技術和數字化設計將成為一種發展趨勢。

　　計算機仿真技術不僅規模越來越大，并且更加集成化、智能化、可視化和交互化。

　　計算機仿真計算的發展以及在各行業的廣泛應用，必將對我國制造業的產品開發產生巨大的推動力，也必將對民族工業的發展做出更大的貢獻。

　　關鍵詞：計算機;仿真;制造業

　　計算機仿真技術在制造業的作用越來越明顯，它在產品設計和整個生產流程中都發揮著不可估量的作用。

　　這種技術的應用為開發和制造企業節約了大量的經費，減少了不必要的損失，大大縮短了產品的開發周期并提高了產品質量。

　　計算機仿真技術在日趨激烈的制造業競爭中占有越來越重要的地位。

　　現代制造業的飛速發展為計算機仿真技術帶了新的機遇，同時也提出了新的要求。

　　我們放眼計算機仿真技術的發展歷程，它已經突破了在傳統領域的運用，發展到了產品的設計開發以及銷售方面。

　　現代社會網絡技術的發展也為計算機仿真技術開辟了新的發展空間，使得這種技術表現出許多新的特點。

　　如交互性、分布性，集成化等。

　　這也將成為計算機仿真技術新的應用趨勢。

　　1 在制造業中，計算機仿真技術應用的分類

　　計算機仿真技術在制造業中按照模型種類，可大致分為三種，它以產品模型、開發模型以及制造系統模型為中心進行拓展。

　　1.1 仿真技術以產品模型為中心的應用。

　　在產品模型中，計算機仿真技術的應用對產品的靜態與動態性能，可制造型、可裝配性進行分析。

　　因為設計者在開發產品的時候，不僅要考慮它的實用功能和需求，還要考慮諸如外形，外觀以及尺寸等方面的因素，而且還要考慮產品的可制造性，可批量生產或者是在裝配、保養、維護等方面的因素。

　　這就需要計算機仿真技術在產品模型中發揮作用。

　　1.2 仿真技術以制造系統模型為中心的應用。

　　制造系統模型包括制造設備的高仿真智能運用、相對復雜的制造系統的模擬運行。

　　在檢測設備的運行能力與實際運行狀況時，如物料供給、資源分配或者是加工流程上發揮著巨大作用。

　　1.3 仿真技術以開發過程模型為中心的運用。

　　以開發模型為中心的仿真包括設計和制造過程的仿真。

　　很多產品的性能以及生產成本在設計階段就基本定型了，設計階段對于一種新產品的開發非常重要，它需要反復設計和試驗，復雜的計算以及多學科的共同協作，這些特點決定產品的開發過程迫切需要一種能建立模型并仿真試驗的計算機仿真技術。

　　而在制造過程中運用仿真技術將制造系統模型和產品模型結合到一起，多方位模擬，整體運算，再綜合考慮庫存、成本控制以及負載等因素，開發出合格的新產品。

　　2 在當代制造業中計算機仿真技術的廣泛應用

　　計算機仿真技術是一門高新科學技術，在當代制造業中，產品的設計和制造都離不開它，尤其是一些諸如航空航天工業、國防工業等規模大，復雜性強的系統研發中，作用更加明顯。

　　它作為一種新型的科學手段和工具，有效地減少了不必要的經濟損失，節約了大量研究經費，并大大縮短了產品的開發周期和提高了產品質量。

　　計算機仿真技術貫穿于產品的設計、制造和測試運行的全過程。

　　當代企業的研發部門只有重視質量、成本、時間、服務和環境這五項指標，才能獲得更好的發展。

　　這種需求也促進了計算機集成技術、模擬測試系統，仿真運行環境等技術的相互結合。

　　他們已經成為制造業不可缺少的重要技術手段。

　　上世紀八十年代以后，計算機仿真技術的發展越來越快，應用最為廣泛的就是“虛擬制造”。

　　通過在計算機上模擬產品的設計和制造過程，提前發現在制造中可能出現的問題，減少不必要的經濟損失。

　　虛擬運行環境，也稱虛擬現實技術或者是靈境技術，它通過模擬人在自然環境中的感官和行動，實現高級人機互動，對產品的性能和運行狀況進行測試。

　　它綜合運用了計算機圖形學、高仿真技術以及計算機傳感技術等多種科學技術手段。

　　“靈境感”和“交互感”是虛擬現實技術的基本特征。

　　通過計算機虛擬現實技術，將事物內部各種關系的交互與真實作用模擬運行，仿真出一個幾乎真實的虛擬環境讓用戶體驗，從而使用戶的感受更加真實，人機交流的方式更為先進。

　　這種計算機虛擬現實技術，可以支持產品的各個階段，客戶可以通過虛擬的現實環境，驗證產品的各個部件是否合格，產品的性能是否穩定，功能是否能夠滿足人們的日常需要。

　　隨著當代制造業的發展，人們開始對仿真技術的另一個應用熱點，即虛擬產品開發技術越來越重視。

　　并行工程的運用促進了虛擬產品開發技術的出現和發展。

　　并行工程思想將現代哲學、文化等與現代先進組織思想集合起來，將產品的設計、制造、使用和支持過程并行運作，進行一體化的設計和開發。

　　并行工程從產品開發之初就將投資、制造、裝配以及銷售維護等產品生命周期中各種因素考慮在內，有效地解決了產品設計與開發之間存在的矛盾。

　　而虛擬產品開發技術就是在并行工程思想的指導下，將計算機輔助設計、CS和大型的產品數字化管理系統綜合運用，虛擬一個產品的開發環境。

　　方便產品開發人員在近乎真實的環境下進行策劃、設計和預測產品在現實環境中的性能及其他狀況，將產品在現實工況下的真實運行能力，這樣就可以避免反復設計，不斷變更設計方案，避免因反復制作樣機而造成的資源浪費和經濟損失;方便對產品的設計進行檢驗、指導和優化，使產品的開發周期大大縮減，從而節省了大筆開發費用。

　　在計算機仿真技術的發展中，虛擬產品開發技術是又一重要發展，它深入到產品復雜的制造過程中，產生的經濟效益不可小覷。

　　現在，仿真技術的應用已經從單一的系統走向開放復雜的大系統。

　　當仿真對象分布于廣闊的時空領域，仿真任務要求將不同地理位置、不同類型(包括人在內)的仿真對象構成一個統一整體進行仿真時，產生了分布交互化仿真(DIS――Districted InteractiveSimulation)。

　　這種仿真系統里包含有不同類型的實體―虛體、真實實體和構造實體，這些實體可以基于不同目的系統、不同年代的技術、不同廠商的產品和不同產品組成，并允許它們交互操作。

　　DIS實現用計算機網絡將不同地點的仿真設備連接起來，通過實體間的數據交換構成時空到合成仿真環境的一種先進仿真技術。

　　在這種復雜的分布綜合的系統進行實時仿真時，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應的處理。

　　美國是最早研究這種技術并投入使用的國家，已經完成了多項基于虛擬仿真的DIS工程項目，相關的協議與標準已經完成或正在完成。

　　在制造行業，已經產生了類似于DIS的虛擬研究開發中心或虛擬企業。

　　香港生產力促進局和香港城市大學共建的快速科技中心就是一個虛擬研究開發中心。

　　此外，為了適應快速變化的世界市場，克服單個企業難以在短期內具備所需資源的局限性，出現了在一定時限內，為了某一市場機遇，通過網絡臨時聯結的一種動態聯盟――虛擬企業。

　　美國波音(BOEING)公司可以把777飛機的研制、生產做到幾乎“無圖紙”的程度。

　　波音777飛機的研制、整機設計、裝配、部件測試以及各種試飛，都是由計算機完成的。

　　它能將開發周期從原來的8年縮短到5年，節約了數百萬美元經費。

　　3 結論

　　當代制造業中，計算機仿真技術已經成為一種綜合性的高新科學技術，它綜合了計算機技術、計算機輔助設計技術、多媒體技術、網絡技術、信息技術、軟件工程、數字化控制技術等多種科學技術，在制造業中發揮著越來越大的作用，在一些大型的復雜形同研發中，更是必不可少的重要工具，它有效地減少了企業的經濟損失，節省了大量的研發經費，使產品的開發周期大大縮減，產品質量得到顯著提高。

　　參考文獻：

　　[1]吳秀平，梅江平.大批量、多類型電池自動分選裝備的建模與仿真[J].組合機床與自動化加工技術，2008，4.

　　[2]尚煒，寧汝新.一種以拓撲結構信息為骨架的線纜數字化模型[J].計算機集成制造系統，2012，12.

　　[3]來炳恒，李昌華，趙佳.虛擬現實技術在建筑中的應用[J].安徽建筑，2010，4.

　　計算機仿真在制造業的應用與發展【2】

　　摘要

　　隨著我國科學技術的快速發展，使得我國的計算機仿真技術得到了質的變化，并且，它也是當前我國信息化社會下的產物。

　　另外，我國本來就是一個制造業大國，通過把計算機仿真技術應用到我國制造業的發展中具有非常重要的作用。

　　本論文對系統仿真類型進行了簡單介紹，接下來，對計算機仿真在制造業中的應用及發展現狀進行了詳細的概述，最后對計算機仿真技術的熱點以及對我國制造業的影響進行了研究，希望本論文的研究工作能夠為我國計算機仿真技術在制造業中的應用與發展提供一點借鑒意義。

　　【關鍵詞】計算機仿真技術信息化制造業

　　1 對系統仿真類型進行概述

　　顧名思義，“仿真”就是對現實世界的物體進行模擬的一種狀態，使其達到逼真的情形。

　　在工程技術領域，經常采用系統仿真技術來研究相關事物，如通過系統模型的相關實驗來研究設計或者存在的某個系統。

　　表1為系統仿真分類表。

　　2 對計算機仿真技術在制造業中的應用以及發展現狀進行概述

　　由于我國是一個制造業大國，并且制造業在我國的國民經濟收入中也占很大的比例，因此，國家及企業都非常重視我國制造業技術的發展。

　　隨著我國科學技術及制造業的進步，使得CIMS、NC、FMS、CAPP、MRP等都得到了快速發展。

　　而系統仿真技術作為工程領域里面的一個重要手段，其被大量應用到我國制造業進行研究及實踐，從而產生出一些先進制造技術。

　　對于系統仿真技術而言，如果從本質上面來講，其就是通過建立仿真模型，然后再對仿真模型不斷進行實踐模擬的一種先進技術。

　　它的實現過程主要是由仿真語言、計算機高級語言、以及計算機仿真軟件來實現，具體情況如上圖2-1所示。

　　可以很明�@的看出，對于一個典型的仿真軟件來講，它主要包括程序包、仿真語言、仿真環境三種不同的形式，它的覆蓋功能也不是完全相同的，并且，從下到上是大致的反映了計算機仿真軟件的一個發展情況。

　　隨著相關技術的發展，直到上個世紀80年代后期，出現了一體化的仿真環境。

　　隨著我國計算機技術的進一步發展，開始出現了面向對象的并發執行機制，這樣，就非常容易的實現在數據庫管理的基礎之上來對實驗及模型數據、以及實驗仿真的結果等進行統一的管理，與此同時，人工智能等相關的先進技術也開始應用到仿真建模、運行以及對仿真的結果進行分析之中。

　　另外，廣義的制造系統的相關仿真器也開始大量出現，在某種程度上面很好的實現了對制造系統進行的非語言建模、以及模型數據驅動等相關的重要功能。

　　比較典型的一體化仿真軟件有TESS等，廣義的仿真器有FATOR等。

　　3 計算機仿真研究的熱點以及對我國制造業的相關影響

　　自從上世紀末以來，隨著我國制造業的競爭不斷加劇，產品生產周期不斷縮短，這樣就導致系統仿真技術不斷向橫向的方向發展，在制造業里面比較典型的就是“虛擬制造技術”的發展。

　　根據虛擬制造的概念可以得知，需要先采取計算機來模擬整個產品的設計及制造過程，這樣便于發現各種問題，并且在產品制造之前就把問題解決掉，從而提高生產效率及產品質量。

　　隨著制造業的發展，仿真技術在我國制造行業里面的又一個重要研究熱點誕生，即虛擬產品的開發(VPD)，它最早是來源于并行工程的思想。

　　并行工程技術(CE)在對產品進行開發之前就對產品的整個生命周期進行全面的考慮，這樣，對解決相關產品的設計以及開發之間的矛盾是非常有益的。

　　而虛擬產品開發是在并行工程的指導下，把大規模的產品數據管理系統以及CAD等產品設計系統等進行綜合起來，從而進一步的形成虛擬產品的開發環境，這樣就可以在該環境下進行產品的策劃、設計等，以及預測產品在真實環境下的相關特征、功能及性能等，這樣在進行實際設計、生產的過程中，可以減少反復或者變更等的次數。

　　VPD技術能夠深入到各種復雜產品的制造之中，從而為企業產生巨大的經濟效益。

　　隨著計算機技術的高度快速發展，對仿真技術的相關應用已由單一的形式向復雜性的方向進行發展。

　　由于現代制造企業面向全國甚至全世界，因此，它的仿真對象也是分布在不同的時空，在這樣的背景下就產生了分布交互化仿真技術(DIS)。

　　對于這種仿真系統來講，它所包括的內容有：構造實體、實體-虛體、真實方面的實體等，并且，這些實體是可以基于不同時期的相關技術、不同產品的相互組成、不同的系統方面的目的、以及不同生產廠家的相關技術等，對于這樣的復雜情況是允許他們進行交換操作的。

　　分布交互化仿真技術(DIS)通過采用計算機網絡將分布在不同地點的仿真設備進行連接起來，這樣便可以通過實體之間的數據方面的交換構成時空到合成仿真環境的一種比較先進的仿真技術。

　　如今，在我國制造業中已經產生了虛擬企業或者類似于DIS的虛擬研究開發中心等。

　　就目前來講，比較出名的就是香港城市大學與香港生產力方面的促進局共同構建的快速科技中心，它就是虛擬研究開發中心。

　　由于當今社會是動態快速發展變化的，人們的需求更多轉向個性化、多樣化等方向，因此，對于制造企業來講，它們就要抓住市場的需求，然后采取方式(如柔性生產制造)來快速響應市場需求，這樣才能夠為企業獲取更多的市場利潤，但是，通常情況之下，由于企業在短期內存在相關資源欠缺等方面的局限性，在這樣的背景下，企業要想獲得市場機會，它們就有可能通過互聯網來臨時連接成一種動態方面的聯盟-也就是所謂的虛擬企業。

　　4 結束語

　　隨著我國社會的不斷發展，導致計算機仿真技術的發展也日新月異。

　　在制造業中，對于整個產品的生命周期來講，仿真技術都表現出其強大的發展潛力。

　　在當今制造業競爭激烈的社會，計算機仿真技術在制造領域的應用及發展在不斷的擴展，其功能也更多的面向可視化、智能化生產、綠色制造等方面不斷發展。

　　參考文獻

　　[1]戴金海等.并行工程與仿真技術[J].計算機仿真，2013(23)：54-59.

　　[2]熊光楞.計算機仿真及其在制造業中的應用[J].計算機仿真，2012，2(14)：20-27.

　　[3]鄭力，盧繼平等.虛擬制造技術[J].計算機輔助設計與制造，2013(09)：62-67.

　　[4]王濤等.并行工程環境下的集成化裝配設計系統[A].并行工程關鍵技術論文集[C]，2011：162-167.

　　計算機集成制造系統在機械制造業的應用【3】

　　摘要：近年來，隨著計算機技術的飛速發展，傳統的機械加工制造技術發生了極為廣泛的變化。

　　計算機輔助制造系統的集成，可實現產品訂貨、設計、制造、管理和銷售過程的高度自動化和總體最優化，從而提高企業的競爭能力和生存能力。

　　關鍵詞：計算機集成制造系統;計算機輔助制造;TQCS;數據庫

　　在日趨激烈的競爭市場和科研發展的不斷推動下，機械加工制造業不斷吸收機械、電子、信息材料、能源及現代管理技術的最新成果，將其綜合應用于機械制造全過程，實現優質、高效、低耗、清潔無污染和靈活的柔性生產。

　　一、計算機集成制造系統及其特征

　　1.計算機集成制造系統定義

　　計算機集成制造系統(Computer Integrated Making System，簡稱CIMS)又稱計算機綜合制造系統。

　　在產品生命周期中，各項作業都已有了其相應的計算機輔助系統，如計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助工藝規劃(CAPP)、計算機輔助測試(CAT)、計算機輔助質量控制(CAQ)等。

　　2.計算機集成制造系統特征

　　與傳統機械制造技術相比，計算機集成技術具有如下特征：

　　(1)傳統機械制造技術的學科、專業單一，界限分明，而計算機集成制造系統技術的引入及與傳統機械制造技術的結合，形成能駕馭生產過程的物質流、能量流和信息流的多學科交叉的生產制造系統。

　　(2)傳統制造技術一般僅指加工制造過程的工藝方法，而計算機制造系統技術則貫穿了從產品設計、加工制造到產品銷售及使用維修的全過程，強調了“市場―產品設計―制造―市場”的一體化，以實現“TQCS”生產的綜合指標為宗旨，進而滿足不斷的多樣化需求。

　　(3)生產規模的擴大及最佳技術經濟效果的追求，使計算機集成制造系統技術更加重視技術與管理的結合，重視制造過程的組織和管理體制的簡化及合理化，產生了一系列技術與管理相結合的新的生產方式。

　　二、計算機集成制造系統組成及應用

　　1.計算機集成制造系統的組成

　　計算機集成制造系統的主要技術基礎是柔性制造系統，是集成化的柔性制造系統。

　　作為一個復雜系統的集成，計算機集成制造系統必須是有層次的。

　　其組成如圖1所示,一般分為五層：

　　(1)第一層為工廠層，它是決策工廠的整體資源、生產活動和經營管理的最高層。

　　(2)第二層為車間層，又稱為區間層，這里的車間并不是目前工廠中“車間”概念，車間層僅表示它要執行工廠整體活動中的某部分功能，進行資源調配和任務管理。

　　(3)第三層為單元層，這一層將支配一個產品的加工或裝配過程。

　　(4)第四層為工作站層，這將協調站內的一組設備。

　　(5)第五層為設備層，這是一些具體的設備，如機床、測量機等，將執行具體的加工，裝配或測量任務。

　　按照上述層級原理組成的計算機集成制造系統，一般可看成是由管理信息系統、計算機輔助工程系統、生產過程控制和管理系統及物料的儲存、運輸和保障系統等四個子系統和一個數據庫組成的大系統。

　　如圖2所示：

　　2.計算機集成制造系統的應用

　　(1)管理信息系統。

　　這是生產系統的最高層次，是企業的靈魂，它將對生產進行戰略決策和宏觀管理。

　　它根據市場需求和物質供應等信息，從全局和長遠的觀點出發，通過決策模型來決定投資策略和生產計劃。

　　同時，將決策結果的信息和數據，通過數據庫和通信網絡與各子系統進行聯系和交換，對各子系統進行管理。

　　(2)計算機輔助工程系統。

　　這是企業產品研究的開發系統，并能進行生產技術的準備工作。

　　能根據決策信息進行產品的計算機輔助設計，對零件、產品的使用性能、結構、強度等進行分析計算，利用成組技術的方法對零件、刀具和其他信息進行分類和編碼，并在此基礎上進行零件加工的計算機輔助工藝設計和編制數控加工程序，以及進行相應的工、夾具設計等生產技術準備工作。

　　(3)生產過程控制與管理系統。

　　它從數據庫中取出由管理信息系統和計算機輔助工程系統中傳出的相應的信息數據，對生產過程進行實時控制和管理，并把生產中出現的新信息通過數據庫反饋給有關的子系統，如產品質量問題，生產統計數據，廢次品率等，以便決策機構作出相應的反應，及時調整生產。

　　(4)物料的儲存、運輸和保障系統。

　　這是組織原材料和配件的供應，成品和半成品的管理與輸送及各功能部門與車間之間的物流系統。

　　(5)數據庫。

　　計算機集成制造系統中的數據庫涉及的部門繁多，含有不同類型、不同邏輯結構和物理結構的數據及不同語言和不同定義等。

　　因此，除各部門經常使用的某些信息可由中央數據庫統一管理外，一般都在各部門或地區內建立專用的數據庫，即在整個系統中建立一個分布或數據庫。

　　三、計算機輔助制造

　　利用計算機分析結構將產品的設計信息自動地轉換成制造信息，以控制產品的加工、裝配、檢驗、試驗、包裝等全過程，以及與這些過程有關的全部物流系統和初步的生產調度，這就是計算機輔助制造。

　　計算機輔助制造的應用可以概括為兩大類。

　　一類是計算機直接與制造過程連接，對制造過程及其設備實施監視和控制，這是計算機輔助制造的直接應用。

　　另一類是計算機不直接與制造過程連接，而是用計算機提供生產計劃、進行技術準備和發出各種指令和信息，以便使生產資源和管理更為有效，從而對制造過程進行支持，這是計算機輔助制造的間接應用。

　　目前，計算機集成制造系統已經實現了在計算機網絡及分布式數據庫支持下，將不同類型的計算機及設備控制器按信息共享，柔性生產的目的集成起來，從而形成了從工程設計、生產調度與控制加工制造的集成試驗制造系統，建立了包括加工制造、物料儲存、刀具與夾具管理及測量等8個工作站的柔性制造單元，實現了車間層、工作站層、設備層的遞階調度與控制。

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