《数字化制造中的建模和仿真技术.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字化制造中的建模和仿真技术.doc（8页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、2006年7月宁汝新等：数字化制造中的建模和仿真技术133数字化制造中的建模和仿真技术宁汝新刘检华唐承统（北京理工大学机械与车辆工程学院北京100081）摘要：论述了面向数字化制造的三类建模和仿真技术，即产品建模和仿真技术、工艺过程建模和仿真技术以及制 造系统建模和仿真技术，并结合具体研究项目，亶点介绍了面向制造的产品数字化建模、导管数控弯曲过程建模 与仿真、虚拟装配与装配过程仿真、生产线建模与仿真技术的应用和发展。指出为提高制造系统的快速响应特性、 运行效率及可靠性，应在产品数字化建模研究的基础上，畫视对工艺过程，即产品加工过程、装配过程及生产系 统规划、重组刑仿真等技术的研究，以实现生产资
2、源和加工过程的优化以及从传统制造向可预测制造模式的转变. 畳后指出了推动数字化建樓和仿專技术朝实用化方向发展的几项关键技术。关纜词：数字化制造 全语义产品模型 工艺过程建模 虚拟装配 生产线仿真2006年7月宁汝新等：数字化制造中的建模和仿真技术1332006年7月宁汝新等：数字化制造中的建模和仿真技术133中图分类号：TH12 TH16 TH180前言先进制造技术的重要发展方向之一是数字化。 数字化技术是指利用计算机软（硬）件及网络、通信 技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、 处理、传递、分析和综合优化，从而达到精确描述 和科学决策的过程和方法。数字化技术与传统制造技术的结合即为数字
3、化 制造技术。由于数字化技术是科学分析和科学决策 的理论基础，并提供了从定性到定量、从模糊到精 确和从直觉到科学的工具，因而数字化技术推动了 制造科学的进步和发展。近年来数字化制造的应用 范围在不断扩大，并已逐渐成为提高企业竞争力的 重要手段和制造业信息化中的核心技术。与传统制造技术相比，数字化制造技术的关键 是建模与仿真技术。在数字化制造中，利用建模技 术建立与物理过程或环境相似的数字化生产过程或 环境，并通过对该过程或环境的仿真、试验、评估 和优化，达到提高生产决策水平、优化资源结构和 生产过程、减少实物原型制造及试验周期和费用以 及提髙新产品上市速度的目的，所以建模和仿真技 术不仅仅是一
4、种计算机辅助分析的支據技术，也是 企业从传统制造向可预测制造转变的一种新方法、 新模式。美国在“2010年及其以后的美国国防制造 业”计划中，将基于建模和仿真的设计工具列为优 先发展的四种重点之一，并建议制订基于仿真的设 计工具研发计划，促进武器装备研制中产品设计、国豪自然科学基金（504乃162）和国防基础研究（K1301020706）资助项目 20050726收到初稿，20060410收到修改稿制造工艺和生命周期各阶段模型的建立。波音一西 科斯基公司采用数字样机和多种仿真技术对 RAH-66直升机进行设计和验证，节省了 11 590 h 的试飞时间，使产品开发周期缩短了 55%,成本降 低
5、了 50%（21o另外，随着虚拟现实技术的发展，人 们越来越重视人的因素在数字化制造系统中的作 用，美国Arizona州立大学通过对传统工程环境和 虚拟装配环境的对比试验，得出采用虚拟装配规划 技术可以大大缩短实际装配时间、减少实际装配过 程中出现问题数量的结论。产品、过程和资源是企业的核心三要素，因此 实现数字化制造也必须从三类建模和仿真技术入 手，即产品建模和仿真技术、工艺过程建模和仿真 技术以及制造系统建模和仿真技术。这里主要围绕 数字化制造的发展方向和已开展的研究工作，重点 从产品数字化建模、加工过程建模与仿真、虚拟装 配与装配过程仿真及生产线建模与仿真等几方面叙 述数字化制造中的建模
6、和仿真技术的应用和发展。1面向制造的产品数字化建模产品数字化模型不仅是产品性能仿真的基础， 而且也是生产系统建立、工艺路线确定和工艺过程 建模的基础。产品数字化建模技术主要研究的是在 计算机内部采用什么样的数字化模型来描述、存芒 和表达现实世界中的产品，包括产品的几何形状、 结构、性能与行为状态等信息。对机械产品而言， 由于产品的几何形状和结构是最基本的信息，因此 自三维CAD系统（如Pro/E）出现以后，数字化建模技 术的首先成功应用是产品的数字化定义和数字化预装配技术。我国某飞机设计所应用CATIA V5软件, 建立了飞机三维外形数字模型以及由5万多个零组 件和43万多个标准件组成的数字化
7、全机模型，实现 了飞机结构100%的数字化定义和数字化预装配，从 而使设计周期缩短了 60%,设计反复减少了 40%。目前，在产品数字化建模技术的发展中，基于 特征和参数化的混合建模技术广为应用。图1所示 为利用混合建模技术开发的数字化建模工具，该工 具目前已在航天产品开发中得到了应用，由于特征 建模技术在设计时考虑了加工、装配和维修等问题, 因而它体现了设计与制造的并行性和集成性。当前, 以加工特征为核心的建模技术的研究和应用已经比 较成熟，但对于面向功能、面向装配、面向维修以 及面向可重用等建模技术的研究还处于探讨之中， 尤其是现有的数字化模型主要是基于理想尺寸的模 型，缺少对加工和装配十
8、分重要的公差语义信息， 导致人们在利用计算机进行产品设计利装配时，无 法对产品可能达到的精度进行预测，因此对面向制 造的产品建模技术来讲，必须研究包括公差在内的 工程语义信息表达，以使所建立的数字样机更加准 确、完善和适用化。为了实现上述目标，在特征建 模技术的基础上提出了如图2所示的三维全语义产 品模型，该产品模型包括装配级和零件级两级，装 配级全语义产品模型涵盖了零件级全语义产品模 型，它是在原有特征建模的基础上，扩充了精度要 求、尺寸邻接矩阵、形位公差邻接矩阵、装配约束 关系邻接矩阵和表面粗糙度邻接矩阵等信息产生 的。通过全语义产品模型，可以直接获取作用特征 元素及相应的邻接矩阵，从而可
9、方便地构建产品的 装配关系传递图，实现三维尺寸链的自动提取，并 为装配精度分析、表面质量分析及加工精度控制提 供了准确的基础数据。该模型已通过两个实例进行图1利用混合建模技术开发的数字化建模工具 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing全语义产品模型组成【1：则组成1：列1：11 11：1 r装驛度装配尺寸装配圾舍语义模讯（1：1d：i i. I(1:1)inBi(in（ii）rkzrA邻接矩阵邻接矩阵寧件约束 关系邻接 矩阵装配形位装配约東 公差邻接关系邻接 矩阵寧件形位 公琵邻接 矩阵装驛度掰尺寸图2全语义产品模型2加工过
10、程建模与仿真一个企业从设计、生产到销售等各个阶段都可 看成一系列过程。过程是一系列相关活动组成的有 机序列，通过过程才能形成产品和产生效益。为提 高制造的成功率和可靠性，在数字化制造中应非常 重视对工艺过程，即产品加工过程、装配过程及生 产系统规划、重组和仿真等技术的研究，以实现生 产资源和加工过程的优化及从传统制造向可预测制 造转变的目的。由于工艺过程的复杂性，很难用一个模型进行 描述，所以在工艺过程建模中往往采用多视图和复 合过程模型描述.所谓多视图，即从产品信息、开 发活动、企业资源和组织结构等多方面分别进行描 述，然后通过集成化方法产生模型间的映射机制； 复合过程模型是指对过程、产品数
11、据及资源数据的 复合描述，也包括复合各种模型的特点，如功能模 型中的结构分析，动态模型中的状态转移及对象模 型中的封装、继承等特点。目前，过程建模的描述 方法主要有基于语言的描述方法（Express语言）、基 于图形的描述方法（IDEF3、ER）、基于规则的描述 方法和基于Petri网的描述方法等。加工过程的建模和仿真一般主要包括切削加工 过程和成型加工过程的建模和仿真。切削加工过程 的建模和仿真，包括用于刀位轨迹和运动过程干涉 检测的运动学仿真以及对切削加工特性和加工精度 进行预测的动态仿真，目前前者应用较多，而后者 则需要针对不同的切削加工方法，如轧 铳、钻、 镇和磨等建立由相应的机床、刀
12、具、工装组成的切 削系统动力学模型及误差分析模型，并需要大量的 切削试验研究相配合。通过基于切削过程仿真的切 2006年7月宁汝新等：数字化制造中的建模和仿真技术135削参数数据库的研究发现：仿真和优化技术是快速 获取优化切削参数的最佳途径。目前，成形加工过程的建模和仿真应用也日益 增加，例如通过基于非线性有限元的数值模拟不仅 可以全面预测金属流动规律，如位移场、速度场、 应力应变场和温度场，还可预测成形缺陷的产生和 演化过程。美国Northrop公司通过对飯金件成形的 模拟，可预测回弾量、撕裂和起皱等缺陷，使废品 率减少了 95%,周期缩短了 78%。美国俄亥俄州州 立大学ALTAN教授等开
13、发的冷挤压系统，通过基 于知识的工艺生成和DEFORM软件进行金属成形 过程分析，获得了琴件内部应力和应变的精确分布 等方面的信息，使弹体和药筒的设计效率提高了 8倍。导管弯曲成形过程是一种复杂成形加工过程。 数控弯管机是一种先进的管材弯曲加工设备，与切 削类数控加工设备的刀位轨迹仿真不同，导管弯曲 成形过程中不正确的加工程序不仅会影响弯曲的质 It和效率，而且不断变化的导管形状还会导致设备 的干涉，甚至危及人身的安全，所以随着目前产品 轻量化的发展、导管装填密度的提高及成形精度的 提高,对数控弯管加工过程的仿真的需求日益迫切。 图3所示的数控弯管加工过程仿真系统是一种专门 化的弯管加工NC代
14、码有效性检验系统，其功能包 括弯管机床的几何建模和运动学建模、模夹具选取 与定义、机床配置定义与调整、导管毛坯建模和装 载、碰撞和干涉检验、导管动态造型等。在数控弯 管加工过程中，由于导管的成形过程是一个形状不 断变化的动态过程，如果针对每一条NC指令都重 新生成导管实体，势必造成系统运算速度降低。考 虑实际加工中只杲当前的弯曲段做变形运动，而已 成形部分仅做位置上的变换，所以可以把整个导管 表示成直段和弯曲段的集合及其之间相互位置的变3虚拟装配与装配过程仿真装配是产品生命周期中的重要环节，尤其对一 些复杂产品及髙新武器装备而言，装配已成为制约 产品质量和批量提高的最薄弱环节。目前，装配工 艺
15、规划的制定大部分仍停留在手工阶段，而利用装 配关系模型，或者由一系列优先规则推理自动生成 装配序列的研究存在如下困难。(1) 随着零件数目增多，可能的装配序列数目 会出现“组合爆炸”问题，从而导致计算复杂性很 高，效率低下。(2) 目前人工智能技术的发展现状，还很难将 装配规划人员的知识和经验抽象成具体规则表达。(3) 实际装配过程中，操作人员的创造性和装 配环境会对装配产生重要彭响。虚拟现实技术(Virtual reality, VR)的出现和发 展，为解决产品装配序列规划问题提供了新的思路 和方法。利用虚拟现实的交互性、沉浸性和想象性, 为装配工艺规划人员提供一种髙度逼真、自然的虚 拟环境
16、，在这一环境中人可以直接对虚拟原型进行 交互操作，人机协同地进行规划，并实时地观察装 配的真实过程和效果。这种虚拟装配工艺规划工作 方式改变了传统的装配工艺规划模式，并最大限度 地发挥了人的智慧和创造力；同时通过虚拟装配环 境还有效地提髙了装配车间现场的现代化管理水 平。在车间现场，提供的三维可视化装配工艺文档 (包括装配工艺过程动画、三维模型、装配工装和工 具、辅助材料清单等)使装配人员可以更清晰、更快 速地理解装配意图，从而达到减少或部分替代实物 试装、提高装配效率和降低成本的目的。图4为在WTK工具上开发的虚拟装配工艺规 划系统(VAPP)的主界面。通过该系统，可实现的功 能包括：商品化
17、三维CAD系统(如Pro/E、UG)的模 型数据向VAPP系统数据的转换；虚拟环境下的待 装配零部件、工具、夹具和吊具模型数据的重构； 虚拟环境下的产品装配顺序和装配路径的确定；装 配工具和工装的定位和安装方法的确定；装配工艺 过程信息的协调、管理以及装配过程动画的获取和 标准工艺卡片的生成等卩勺。另外，虚拟环境也为线缆和管路的布局设计与 施工提供了良好的交互环境，图5表示了虚拟环境 下线缆的布局和装配规划设计。通过在VAPP系统 中加入虚拟环境下的线缆和导管的布局与装配规划 的功能，可以综合考虑装配空间的制约、装配工具 louse. All rights reserved, http:/ww
18、wxnki.ncl图4虚拟装配工艺规划系统主界面图5虚拟环境下线缆布局和装配规划的应用以及线缆的捆扎方案，解决了长期以来线缆 和管路设计、施工和管理集成的难题。近几年来，国内外虚拟装配技术的研究主要针 对两个目标：对设计结果进行验证，实现面向装 配的设计。进行面向生产现场的产品装配工艺规 划，用于指导生产实际。两者不仅目标不同，而且 所用环境和工具也不尽相同。前者实际上是一种基 于三维CAD软件的数字化预装配技术，通常采用 面向结果的装配建模方式，即先由设计者确定零部 件间的配合约束关系，然后系统自动计算零部件的 位置变换矩阵，并将零部件变换到最终目标装配位 置。这种面向结果的建模方式主要是从
19、视觉上检测 装配的可能性和碰撞干涉问题，为可装配性设计提 供检测工具；后者是利用VR技术构建一个与实际 装配环境高度逼真的临场感环境，人机交互地、实 时地规划产品的装配过程，从而达到对产品的装配 顺序、装配路径、装配空间、装配方法、装配资源（工 具、夹具等）、人因工程指标和装配生产线等相关问 题进行辅助分析和决策的目的。虚拟装配工艺规划 强调装配过程中的实时性和交互性，即实时地检测 零部件之间、零部件与周围的环境和工夹具之间的 干涉以及不协调情况，因此其装配建模一般采用面 片化的模型表达方式，以提髙系统的实时性9目前在虚拟装配工艺规划的研究方面，从CAD 系统到虚拟环境的信息转换、装配约束识别
20、、装配 路径生成、干涉检测以及多模式人机交互等技术方 面己有较多成果，但事实上形响装配质量的因素很 多，除装配顺序、装配路径以外，装配公差、装配 力和装配变形等对装配质11也有重要影响，因此如 何提供带公差的虚拟装配以及考虑零部件的材料、 质量、转动惯*、摩擦和变形等物理特性对装配性 能的影响，促进产品装配质量的不断提高，也是虚 拟装配工艺規划技术今后要解决的重要问题之一。4数字化车间和生产线仿真虚拟制造实质上是在计算机上构建一个集成 的、综合的、可运行的制造环境，在这一环境中可 对产品性能、制造过程以及涉及的生产设备、车间 布局等各个方面的仿真和模拟，使设计者在真实加 工之前就能够了解、分析
21、和优化产品的制造过程。 因此在虚拟制造的研究中，关注的重点应该是整个 工艺过程，乃至整个生产系统，因为这直接关系到 企业如何充分利用资源、追求更大的利润问题。随着数字化产品开发和数字化制造技术的发展 和延伸，数字化车间和数字化工厂的概念也开始出 现。数字化车间不是简单的数字化产品和虚拟制造 的延伸，它更强调整个车间制造活动的有效控制与 管理，以及车间内外瓷源的合理应用与优化配置问 题。从上述意义上讲，数字化车间是数字化制造与 数字化管理技术的集成，涵盖了数字化产品建模、 数字化加工、数字化装配、数字化生产准备、生产 线仿真和重组以及虚拟企业等概念。数字化车间可 理解为一座“虚拟车间”，即设计人
22、员利用软件提供 的仿真环境，对产品及生产过程进行设计及优化， 以加快产品从构思到投产的周期，减少失误、降低 成本。因此资源调度、生产线仿真和重组是数字化 车间的具体使能技术。生产线仿真是利用数字化技术构建物理生产线 的数学模型，并通过相应仿真算法模拟实际生产线 的活动和状态，从而为生产线布局设计及调度决策 提供依据的技术。生产线仿真的主要功能包括：规 划生产系统、优化生产线布局、确定牛产能力和运 作方式、优化关键参数、确定物料管理和存放、确 定换班方式、确定库存和警戒线、优化人力资源、 预测设备故障、确定生产周期和确定控制策略等。在生产线建模中，可采用面向对象技术，依据 生产线中的各个实体对象
23、将其抽象为不同的类，图 6表示了典型生产线信息模型的构成2006年7月宁嫡等:孵化制造中的餓繃真技术137的某工丿生产找布局的三维数字化模型。2006年7月宁嫡等:孵化制造中的餓繃真技术1372006年7月宁嫡等:孵化制造中的餓繃真技术137生产线信息模型中，物流基类是生产线中所有 物资实体的抽象，其实体模型可以通过CAD系统 建模，并通过数据接口将模型信息导出，其属性信 息包括实体的ID、名称、位置、状态(如等待、工 作、阻塞和维修)和统计(如生产率、使用率)等信息; 信息流基类是为满足物流对象间通信的需要，按时 间顺序确定事件发生时的有关逻辑关系，依次触发 每个事件来驱动仿真；接口基类是为
24、满足与仿真人 员交互的需要而开发的各种人机交互界面和接口。 从面向对象的角度看，生产线是由上述的许多物理 对象组成，每个物理对象都有其自身的行为特性， 因此可采用面向对彖赋时Petri网(OOTPN)模型对 所有对象进行描述，以表达系统的整体行为。在 OOTPN模型中，系统是由相互通信的物理对象及 其内部关联组成，物理对象的动态特性就是由其内 部动作变迁和外部消息传递决定的。生产系统是典型的离散事件动态系统，其建模 方法可分为形式亿建模和非形式化建模两种。形式 化建模有排队网络法、极大代数法、扰动分析法和 Petri网方法等；非形式化建模有活动循环图、流程 图和面向对象方法等。一般建立的模型多
25、为这些方 法的复合模型。生产线仿真的方法主要有三种，即 面向事件的仿真方法、面向活动的仿真方法和面向 进程的仿真方法。这三种方法都是将生产线中的制 造活动划分为不同片段，通过模拟这些片段来驱动5结论20世纪有许多重大高新技术的应用，但没有一 项技术的影响像信息技术和数字化技术那样深、那 样广。由于数字化技术的可变性、离散性、可视性、 可控性和集成性，目前制造业的几个重要发展方向, 无一不与数字化技术的发展密切相关，尤其是数字 化建模和仿真技术与虚拟现实技术的紧密结合，使 数字化技术作为人类认识世界和改造世界的有效工 具正在发挥日益巨大的作用。在虚拟制造的研究中，关注的重点应该是整个 工艺过程，
26、乃至整个生产系统。从这一系统观点出 发，介绍了三维全语义产品模型、精度预分析、工 艺过程建模、虚拟装配工艺规划、生产线仿真等概 念和研究成果，但这些工作离实用化还有一定差距。 为加速我国装备制造业的发展和提高我国自主创新 能力，今后应进一步重视数字化建模和仿真技术实 用化方面的研究，并将建模和仿真技术与试验技术 密切结合。数字化制造中的建模和仿真技术实用化 方面的研究应主要包括：面向产品生命周期的建模 技术、考虑公差信息的虚拟装配技术、面向生产现 场的线缆和管路虚拟布局和管理技术、关键工艺过 程建模和质量分析技术、生产线仿真和生产线重构 技术和产品、过程、资源统一建模及工艺过程集成 管理平台等
27、。参考文献1张伯鹏.制造信息学(MJ.北京：清华大学出版社,2003. The Boeing-Sikorsky RAh-66 Comanche Stealth Helicopter Information on the RAH-66 Stealth Comanche helicopter and the stealth technology used in it(OL. http:/www. abovetop secret com/pages/comanche.html 2005-01-12.3 NONG Y PRASHANT B AMARNATH B. A comparative study
28、 of assembly planning in traditional and virtual environmentsJ. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, Part C： Applications and Reviews, 1999,29(4)： 546-555.4 宁振波.数字样机在飞机设计中应用J航空制造技术, 2002,10： 20-22.5 姚增，宁汝新.基于虚拟现实的装配规划研究J.机械工 程学报,2002,38(8)： 130-134.6 刘检华.姚毘，宁汝新.虚拟装配工艺规划实现技术研究J.机械工程学报,2
29、004.40(6)： 138143MODELING AND SIMULATIONTECHNOLOGY INDIGITAL MANUFACTURINGNING Ruxin LUJ Jianhua TANG Chengtong(School of Mechanical &Vehicle Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081)Abstract: Three types of modeling and simulation technology in digital manufacturing are analyzed,
30、i.e. product modeling and simulation technology, process modeling and simulation technology, manufacturing system modeling and simulation technology. Based on some research projects, digital product modeling technology oriented to manufacturing, numerical control pipe bend process modeling and simul
31、ation technology, virtual assembly and assembly process simulation technology, production line modeling and simulation technology are discussed emphatically. A conclusion is pointed out that process modeling and simulation technology, including products machining process, assembly process, productio
32、n system plannin& reorganization and simulation technology is very important to improve manufturing system efficiency and reliability, realize the optimization of production resource and machining process, transfer mode from traditional manufacturing to foreseeable manufacturing. At last, some key t
33、echniques which enhance digital modeling and simulation technology practicability are listed.Keywords： Digital manufacturingFull semantic product modelProcess modeling Virtual assemblyProduction line simulation作和介：宁妬,女，以2年出生,工学壯,ft.主JW肪向 爛字化设计与制也E-mail： nning2006年7月宁嫡等:孵化制造中的餓繃真技术1372006年7月宁嫡等:孵化制造中的餓繃真技术137 1994-2012 China Academic Journal Elcclronic Publishing House. All rights reserved.