浅谈计算机仿真技术在机械制造业的应用

浅谈计算机仿真技术在机械制造业的应用[摘要]本文介绍了与计算机仿真相关的一些概念，着重论述了计算机系统仿真在机械制造领域的应用与进展状况，并给出了当前系统仿真研究热点及它们对制造业的影响。[关键词]计算机仿真；制造业；应用；发展计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可重复使用等优点，已经成为对许多复杂系统进行分析、设计、实验等的必不可少的手段。它是以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为设备工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出现以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支撑。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。一、计算机仿真技术的种类计算机仿真技术是一门利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的技术，目前主要有以下几种：1.面向对象的仿真面向对象仿真是当前仿真研究领域中最引人关注的研究方向之一，面向对象仿真就是将面向对象的方法应用到计算机仿真领域中，以产生面向对象的仿真系统。面向对象仿真则在理论上突破了传统仿真方法观念，使建模过程接近人的自然思维方式，从人类认识世界模式出发，使问题空间和求解空间相一致，提供更自然直观，所建立的模型具有内在的可扩充性和可重用性，有利于可视化建模仿真环境的建立，从而为大型复杂系统的仿真分析提供了方便的手段。2.分布交互式仿真分布交互式仿真是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连，构成时间与空间互相耦合的虚拟仿真环境。实现分布交互仿真的关键技术是：网络技术、支撑环境技术、组织和管理。其中：网络技术是实现分布交互仿真的基础，支撑环境技术是分布交互仿真的核心，组织和管理是完善分布交互仿真的信号。3.智能仿真智能仿真是把以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术引入整个建模与仿真过程，构造智能仿真平台。智能仿真技术的开发途径是人工智能与仿真技术的集成化。因此，近年来各种智能算法，如模糊算法、神经算法、遗传算法的探索也形成了智能建模与仿真中的一些研究热点。4.虚拟现实仿真虚拟现实仿真是在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功能，支持触、嗅、味知觉，就得到VR仿真系统。虚拟现实技术使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，不仅拉近了用户与计算机之间的距离，改变了人机交流方式，更重要的是使用户可以进入虚拟世界内部直接观察或感受事物内在的变化，并可以直接参与到事物的相互作用中去，成为虚拟世界中的一部分。虚拟现实技术系统与现有的计算机环境相比，有着不可比拟的优越性，在仿真中具有十分广阔的应用前景。5.可视化仿真为数值仿真过程及结果增加文本提示、图形、图像、动画表现，使仿真过程更加直观，结果更容易理解，并能验证仿真过程是否正确。近年来还提出了动画仿真，主要用于系统仿真模型建立之后动画显示，所以原则上仍属于可视化仿真。6.多媒体仿真它是在可视化仿真的基础上再加入声音，就可以得到视觉和听觉媒体组合的多媒体仿真。7.定性仿真用于复杂系统的研究，由于传统的定量数字仿真的局限，仿真领域引入定性研究方法将拓展其应用。定性仿真力求非数字化，以非数字手段处理信息输入、建模、行为分析和结果输出，通过定性模型推导系统定性行为描述。二、计算机仿真在制造业中的应用制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，随着全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，系统仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到它们当中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。从本质上讲，仿真技术就是建立仿真模型和对模型实验的一种技术。计算机仿真过程的实现一般都可由计算机高级语言、仿真语言和仿真软件来完成(如图1所示)。典型的仿真软件有仿真环境、仿真语言和程序包三种形式，其功能覆盖是不完全相同的。从下到上，大体反映了仿真软件的发展过程。现在，面向制造系统的仿真出现了一体化支撑软件，实现了仿真建模、仿真运行、输出分析的集成环境，仿真监控运用了并发执行机制，在数据库管理的基础上实现了模型数据、实验数据、仿真结果的统一管理，人工智能技术也应用在仿真建模、仿真运行和仿真结果的分析中。此外，广义制造系统仿真器的出现，实现了对某类制造系统的非语言建模、模型数据驱动等功能。图1典型仿真软件的功能覆盖三、计算机仿真对制造业的影响由于系统仿真不断地朝着纵、横方向发展，在制造业方面，一个比较明显的进展就是“虚拟制造”。根据虚拟制造的概念，整个产品的设计和制造首先在计算机上进行，这样可以发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种问题。虚拟现实技术(VR——VirtualReality)是一种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。它是在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的基础上发展起来的。它有两个基本特征，仿真环境仿真语言程序包仿真实验的规范及处理数据与结果的分析、显示与处理对模型、实验程序、数据图形或知识的索引与管理仿真实验的执行与控制即“灵境感”和“交互感”。通过这两个基本特征，虚拟现实技术能描述事物内部及其相互间真实的作用和交互，使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，从而拉近了用户与环境之间的距离，改变了人机交流的方式。利用VR技术的这些特性，可以对产品的各个阶段提供支持，例如在虚拟环境下设计产品及其生产流水线，测试和装配产品的零部件，客户可以验证产品是否符合要求等。计算机仿真技术在制造业应用的另一个研究热点——虚拟产品开发也是引人注目的。虚拟产品开发(VPD——VirtualProductDevelopment)首先源于并行工程(CE——ConcurrentEngineer)思想。这种思想将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程(制造过程、使用过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。CE能在产品开发一开始就考虑到投资、生产制造、装配、销售和维护以及报废等产品的整个生命周期的所有因素，这对解决产品设计与开发的矛盾是非常有益的。VPD就是在CE方法论的指导下，把CAD、CS和大规模产品数据管理系统综合起来，形成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产品、预测产品在真实环境下的性能、特征以及真实工况下所具有的响应，从而减少反复和变更的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，如此就能很好地检验设计、指导和优化设计，有效地缩短产品的开发周期和大量地节省开发费用。VPD仿真技术是仿真技术发展的又一重要领域，它能深入到各种复杂产品的制造中，能够产生巨大的经济效益。四、结束语围绕产品从概念设计到终止使用的整个生命周期，再从决策者、设计师、制造商、销售商和用户等全方位地去观察和研究产品，仿真技术已显示出它强大的生命力和发展潜力。面向21世纪，同其他领域一样，制造领域的仿真技术的仿真规模正在不断地扩大，仿真功能也在不断地朝智能化、可视化、集成化、并行化、分布交互化的方向发展。参考文献[1]蒋琴仙,等.实验仿真的CAI课件设计[J]金陵职业大学学报.2003,(3)[2]游景玉.实时仿真技术及其应用，珠海出版社，1997