仿真技术在制造业中的应用与发展
nove
熊光楞 王昕 （作者向PRDM供稿）
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。制造业竞争的日趋激烈，促使各国研究和应用先进制造技术。先进制造技术的应用和发展，为计算机仿真的应用提供新的舞台，提出更高的要求。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。本文最后还介绍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。
关键词：仿真技术应用，制造业
Application and Development of Simulation Technology in Manufacturing
Abstract
Simulation is a necessary aid for product development and manufacture.
It can greatly reduce losses, save costs, shorten product development
cycles and improve product quality. Since 1970s, Advanced Manufacturing
Technology (AMT) has been studied and applied by institutes and
enterprises all over the world as a strategy to adapt to global
competition of manufacture. Application and development of AMT promotes
the research and application of simulation technology in manufacturing.
From the viewpoint of evolution, the application fields of simulation
technology in manufacturing are obviously enlarged. Addition to
conventional fields of manufacture (including production planning,
machining, assembling and testing), simulation tools are developed in
the fields of product design and development, supply chain, etc. And
the most notable three trends of simulation application in
manufacturing are: 1. Distributed, due to network technology; 2.
Interactive, due to technology of graphics and sensory-motor; 3.
Integrated, such as VM, VPD, VFT, etc. According to different objects
to be simulated, simulation in manufacturing can be classified as: 1.
Product-oriented; 2. Production-management-oriented; 3.
Process-and-device-oriented; 4. Other. This paper will describe
simulation in manufacturing from above aspects. And Virtual Reality
(VR) and Virtual Manufacturing (VM) are introduced in the last section
as prospect of simulation in manufacturing.
Keywords：application of simulation technology, manufacturing
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
Manufacturing
Technology）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[12]：
l
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
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
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
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
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。
以上涉及的主要制造技术的发展历程及其在产品生命周期中所应用的阶段可归纳为图1。图1中，纵轴代表年代，横轴代表产品的生命周期，从市场需求形成开始，经过概念设计（外形、特征、材料、价格、批量）、初步（总体）设计、详细（部件）设计、工艺设计、生产计划制定（材料采购）、生产（加工、装配、测试），一直到销售、维护，涉及企业的各个部门。
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。
图1 制造技术的发展历程及计算机仿真的应用概况
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/维护
训练用仿真器
销售
供应链仿真器
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.
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；
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；
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：
1.
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；
2.
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。
3.
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：
1.
仿真加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态；
2. 加工过程仿真的每一步均由NC代码驱动；
3.
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。
图2 加工过程仿真
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[13]：
1.
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；
2.
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；
3.
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：
1. 确定生产管理控制策略；
2. 用于车间层的设计和调度；
3. 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。而仿真技术则主要用于方案的评价和选择。具体来说：
在初步设计阶段，可以在仿真程序中包含经济效益分析算法，运行根据初步设计方案所建立的仿真模型，给出以下评价信息：
在新车间中生产的产品类型和数量能否满足用户要求？
产品的质量和精度是否能够满足要求？
新车间的效率和投资回收率是否合理？
在详细设计阶段，使用仿真技术可以对候选方案的以下方面做出评价：
在制造主要零件时，车间中主要加工设备是否能够得到充分的利用？负载是否比较平衡？
物料处理系统是否能够和车间的柔性程度相适应？
新车间的整体布局是否能够满足生产调度的要求？是否具有一定的可重构能力？
在发生故障时，车间生产系统是否能够维持一定程度的生产能力？
目前国内外都已经开发出了一些成熟的软件可用于辅助车间生产系统的设计，如PURDUE大学开发的GCMS、System
Modeling公司开发的SIMAN/CINEMA、Auto
Simulation公司开发的AUTOMOD/AUTOGRAM、清华大学开发的IMMS等[2]。
3.3.3 计算机仿真在制造车间运行中的应用
FMS中的调度问题可以定义为分配和协调可获得的生产资源，如加工机器、自动引导运输工具（AGV）、机器人以及加班的时间等，以满足指定的目标。这些目标可以是满足交货日期、产量达到最大，机器的利用率达到最高，或上述目标的组合。FMS中的调度过程包括：
选择进入FMS的工件；
为工件加工选择加工路线；
选择在机器上进行加工的工作；
为AGV选择派遣规则。
仿真方法主要就以上方面对调度问题进行分析和评价。
目前已经有一些成熟的软件可用来解决调度问题，如：Autosched，JobTimePlus，FACTOR，FACTOR/AIM，SIMNETD等。我国也已研制开发了用于车间调度层的仿真软件，如：南开大学研制的JobShop调度仿真软件，清华大学与航天部204所等单位开发的工厂仿真调度环境FASE，以及在此基础上开发的智能规则调度系统等[3]。
3.3.4 计算机仿真在库存管理中的应用
在整个生产系统中，库存子系统起着重要的作用。按照库存材料在生产线中作用分，可分为在线仓库和中央仓库。按库存材料性质分，可分为原材料及外购件库、在制品库、成品库和维修备件及工具库。库存控制的目的在于，使库存投资最少，且要满足生产和销售的要求。
对于库存管理的仿真包括：
1. 确定订货策略；
2. 确定订货点和订货批量；
3. 确定仓库的分布；
4. 确定安全库存水平。
参考文献[9]描述了一个递阶、分布、动态的库存管理系统的建模和仿真。
3.4面向制造企业其它环节的仿真
3.4.1 计算机仿真在产品开发过程中的应用
产品开发过程可分为概念设计、详细设计、评审和再设计等阶段。每一阶段又可进一步细分，如详细设计可分为总体CAD、零部件CAD、计算机辅助工程、可制造性设计、可装配性设计等。为了减少产品开发时间，降低开发成本，需要将上述过程所用的各种工具集成起来，以实现并行作业。产品开发过程仿真就是用于模拟上述各种可行方案，从中选择集成的最优方案。仿真的指标包括进度、资源、成本等。清华大学开发了产品开发过程的建模和仿真工具，作为并行工程实施的支撑软件之一[17]。
3.4.2 计算机仿真在供应链中的应用
产品价值链上商业伙伴间的合作和协调是虚拟企业的核心概念之一，因此供应链管理是其研究和开发的主要焦点。供应链管理涉及到整个产品价值链上事务过程的集成，包括供应商、制造商、销售商和用户。它被认为是虚拟企业业务流程集成的关键所在。
参考文献[11]应用CIM-OSA来进行供应链分析和设计，描述了两个仿真工具的开发和设计。其一为在Arena仿真平台上开发的单机后勤链仿真器，其二为基于Internet的虚拟企业内供应链集成仿真环境。在基于Internet仿真器的功能设计上，每个供应链模块包括在线的Internet应用和离线的信息管理两个模块。Internet应用系统在通用的WWW环境中进行开发以支持各类广泛应用的Web服务器和浏览器。根据不同供应链伙伴的不同需求，如在线定购、在线库存量检索等，它们的应用系统将有所不同。离线应用系统为不同的供应链伙伴单独开发，并单独安装，以完成各自的事务和操作功能。这两个仿真器目前主要用作学生和中小型企业的教育和培训工具。
4 拟实制造和虚拟现实
4.1 拟实制造的提出及含义
美国在90年代初提出了敏捷制造的概念，作为21世纪美国制造业的发展战略。它强调在无法预测、持续变化的市场环境中，制造企业能够按照客户需求快速做出响应，而拟实制造（VM:
Virtual Manufacturing）是实现此目的的手段。
具体地说，拟实制造是一个集成的、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，使得设计者在真正的加工之前就能够模拟的制造产品。这样不仅可以提高加工过程的质量，而且可以预测和控制产品成本、质量和开发周期。
4.2 拟实制造与传统的建模和仿真
VM依靠建模和仿真技术模拟制造、生产和装配过程，使设计者可以在计算机中“制造”产品，建模和仿真是VM的基础。VM是建模和仿真的应用，但是它扩展了传统的建模和仿真技术。VM并不是单个的解决方案、结构或数据库，它是许多小的、相对独立的工具的集合，这些工具都利用了建模和仿真技术。从全局的观点来讲，在一个IPPD环境下，通过在计算机中完成“制造”，
VM提供了对部分或全部设计过程的评价方法。
4.3 拟实制造的分类和体系结构
在VM研究的过程中，由于应用的不同要求，各有不同的侧重点，因此出现了三种不同的VM：以设计为中心的VM，以生产为中心的VM，以控制为中心的VM[5]。拟实制造系统的体系结构如图3所示[6]：
图3 拟实制造系统的体系结构
4.4 虚拟现实在制造业中的其它应用
除了拟实制造外，虚拟现实的技术在虚拟样机的研制以及测试中得到了广泛的应用。如美国Deere工厂建立计算机模型后，由用户小组检查虚拟装载机。用户头戴观察镜，手系位置传感器，坐进司机位置后，就可以接触各种操纵装置。再如美国田纳西州阿诺德工程开发中心的“虚拟飞行试验”就是综合集成内场和外场各种实验与鉴定设施，把各种硬件软件及计算机仿真手段互连成网并和其它指挥、控制和战场管理系统闭环，从而构成“虚拟飞行环境”，在此环境下构筑和运行航空航天系统[4]。
5 参考文献
1.
计算机仿真及其在制造业中的应用，熊光楞，计算机仿真
1996.1.
2.
计算机仿真在制造车间设计中的应用，熊光楞
徐晓萍，计算机仿真 1996.2.
3.
计算机仿真在制造车间运行中的应用，熊光楞
徐晓萍，计算机仿真 1996.3.
4. 并行工程与仿真技术，戴金海
瞿继双，计算机仿真 1998.3.
5. 虚拟制造技术，卢继平 郑力
徐家球，计算机辅助设计与制造 1998.5/6
6. 拟实制造系统的体系结构，熊光楞 吴祚宝
张玉云，计算机集成制造系统 1997.2.
7. Using Simulation in Production Management, Simulation, Vol.
66, No. 2, Feb. 1996, P73
8. Simulation: Strategic Technique for the Factory’s Future,
Simulation, Vol. 69, No. 5, Nov. 1997, P291
9. Modeling and Simulation of a Hierarchical, Distributed,
Dynamic Inventory Management Scheme, Simulation, Vol. 68, No. 6, Jun.
1997, P340
10. Parallel discrete event simulation of manufacturing systems:
a technology survey, Computers and industrial engineering Vol. 31, No.
1/2, Oct. 1996, P327
11.
面向扩展企业的供应链仿真器的开发，中欧国际CIMS技术交流会论文集，1998年10月
12.
国外先进制造技术发展战略，北京先进柔性集成制造技术咨询中心，1998年8月
13.
计算机集成制造系统导论，刘文剑等编著，哈尔滨工业大学出版社，1994年7月
14.
863/CIMS关键技术攻关项目“并行工程”初步设计报告
15. CIMS工程中的加工过程仿真技术，韩向利 杨刚
肖田元，并行工程关键技术论文集，1996.12
16.
并行工程环境下的集成化装配设计系统，张林煊
童秉枢 王涛，并行工程关键技术论文集，1996.12
17. 并行工程产品开发过程的建模方法学，彭毅
吴祚宝 张珂殊 熊光楞，系统仿真学报，1996.3
系统仿真软件提供商：www.nove.cn