自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真

第八章自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真第_節(jié)概述一、計(jì)算機(jī)仿真類(lèi)型“仿真”一詞譯自英語(yǔ)單詞“Simulation〃，有時(shí)也譯作“模擬”，是“模仿真實(shí)世界”的意思。在工程技術(shù)界，系統(tǒng)仿真是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)，去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。系統(tǒng)仿真分類(lèi)見(jiàn)表8-1。?8-1羸垸彷JE分奏泰忸真類(lèi)型禁邸類(lèi)型計(jì)算機(jī)類(lèi)垂折性 折用很膺 半翌理仿HfiR合制IP堰住計(jì)算機(jī)頁(yè)用中天 計(jì)算機(jī)伯毒《數(shù)字仿舞）敏學(xué)棋型牧字汁輯機(jī)切n不高由表8-1可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)仿真已成為系統(tǒng)仿真的一個(gè)重要分支，系統(tǒng)仿真一般指計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程及計(jì)算機(jī)工程的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。一方面，控制工程、系統(tǒng)工程的發(fā)展，促進(jìn)了仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用；另一方面，計(jì)算機(jī)的出觀以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又為仿真技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持。計(jì)算機(jī)仿真一直作為一種必不可少的工具，在減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)開(kāi)支、縮短開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面發(fā)揮著重要的作用。二、計(jì)算機(jī)仿真在制造業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一般都占有最大的比重，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展，產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短，一些自動(dòng)化技術(shù)如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPII及CIMS都得到了快速發(fā)展。系統(tǒng)仿真作為一種重要手段，通?？梢詽B透到它們當(dāng)中去，并幫助它們實(shí)現(xiàn)集成，從而促進(jìn)了一些先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。在20世紀(jì)最引人注目的仿真領(lǐng)域：50年代，是火炮控制和飛行控制系統(tǒng)；60年代，是火箭和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)；70年代，是航天、核能和經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)；到了80年代，就逐步轉(zhuǎn)向了制造系統(tǒng)，并且呈現(xiàn)出一派生機(jī)勃勃的局面。三、計(jì)算機(jī)仿真的研究熱點(diǎn)及對(duì)制造業(yè)的影響20世紀(jì)80年代以來(lái)，系統(tǒng)仿真不斷地朝著縱、橫方向發(fā)展。在制造業(yè)方面，一個(gè)比較明顯的進(jìn)展就是“虛擬制造”。根據(jù)虛擬制造的概念，整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造在計(jì)算機(jī)上模擬進(jìn)行，這樣可以發(fā)現(xiàn)并解決該產(chǎn)品在制造之前可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VirtualReality，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)亦稱(chēng)虛擬環(huán)境技術(shù)、靈境技術(shù)，是一種最有效地模仿人在自然環(huán)境中的視、聽(tīng)、動(dòng)等行為的高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)。它是在綜合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、傳感技術(shù)等多門(mén)科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它有兩個(gè)基本特征 ，即“靈境感(Immersive)‘和"交互感(Interactive)"，通過(guò)這兩個(gè)基本特征，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能描述事物內(nèi)部及其相互間真實(shí)的作用和交互，使用戶(hù)仿佛置身于一個(gè)虛擬的世界中，從而拉近了用戶(hù)與環(huán)境之間的距離，改變了人機(jī)交流的方式。利用VR技術(shù)的這些特性，可以對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)階段提供支持，例如在虛擬環(huán)境下設(shè)計(jì)產(chǎn)品及其生產(chǎn)流水線，測(cè)試和裝配產(chǎn)品的零部件，客戶(hù)可以驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合要求等。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)研究熱點(diǎn)一虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，它也是引人注目的。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)(VirtualProductDevelopment，簡(jiǎn)稱(chēng)VPD）首先源于并行工程（ConcurrentEngineering，簡(jiǎn)稱(chēng)CE）思想。這種思想將現(xiàn)代先進(jìn)的組織形式跟現(xiàn)代的哲學(xué)、文化混合為一體，是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過(guò)程（制造過(guò)程、使用過(guò)程和支持過(guò)程）進(jìn)行并行的、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化工作模式。CE能在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一開(kāi)始就考慮到投資、生產(chǎn)制造、裝配、銷(xiāo)售和維護(hù)以及報(bào)廢等產(chǎn)品的整個(gè)生命周期的所有因素，這對(duì)解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的矛盾是非常有益的°VPD就是在CE方法論的指導(dǎo)下，把CAD、CS和大規(guī)模產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)綜合起來(lái)，形成一個(gè)虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員能夠在這種環(huán)境下策劃產(chǎn)品、設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境下的性能、特征以及真實(shí)工況下所具有的響應(yīng)，從而減少反復(fù)和變更的次數(shù)，減少甚至取消制作物理原型樣機(jī)，如此就能很好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和大量地節(jié)省開(kāi)發(fā)費(fèi)用。VPD仿真技術(shù)是仿真技術(shù)發(fā)展的又一重要領(lǐng)域，它能深入到各種復(fù)雜產(chǎn)品的制造中，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在，仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開(kāi)放復(fù)雜的大系統(tǒng)。當(dāng)仿真對(duì)象分布于廣闊的時(shí)空領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求將不同地理位置、不同類(lèi)型（包括人在內(nèi)）的仿真對(duì)象構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時(shí)，產(chǎn)生了分布交互化仿真（DistributedInteractiveSimulation，簡(jiǎn)稱(chēng)DIS）。這種仿真系統(tǒng)里包含有不同類(lèi)型的實(shí)體一虛體、真實(shí)實(shí)體和構(gòu)造實(shí)體，這些實(shí)體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成，并允許它們交互操作。DIS實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將不同地點(diǎn)的仿真設(shè)備連接起來(lái)，通過(guò)實(shí)體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時(shí)空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在這種復(fù)雜分布綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真時(shí)，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應(yīng)的處理。美國(guó)是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國(guó)家，已經(jīng)完成了多項(xiàng)基于虛擬仿真的DISX程項(xiàng)目，相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在完成。在制造行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了類(lèi)似于DIS的虛擬研究開(kāi)發(fā)中心或虛擬企業(yè)。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港城市大學(xué)共建的快速科技中心就是一個(gè)虛擬研究開(kāi)發(fā)中心。此外，為了適應(yīng)快速變化的世界市場(chǎng)，克服單個(gè)企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)限內(nèi)，為了某一市場(chǎng)機(jī)遇，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)連接的一種動(dòng)態(tài)連接一虛擬企業(yè)。美國(guó)波音(BOEINC)公司可以把777飛機(jī)的研制、生產(chǎn)做到幾乎“無(wú)圖樣”的程度。波音777飛機(jī)的研制、整機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、部件測(cè)試以及各種試飛，都是由計(jì)算機(jī)完成的。它能將開(kāi)發(fā)周期從原來(lái)的8年縮短到5年，節(jié)約了數(shù)百萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)。第二節(jié)計(jì)算機(jī)仿真的基本理論和方法一、計(jì)算機(jī)仿真理論概述計(jì)算機(jī)仿真是近30年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性很強(qiáng)的新興技術(shù)學(xué)科，它涉及到系統(tǒng)分析、控制理論、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)。系統(tǒng)仿真就是利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程。當(dāng)在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究比較困難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，仿真技術(shù)就變成了十分重要，甚至是不可少的工具。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)硬件與軟件的發(fā)展，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真也迅速發(fā)展起來(lái)。數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)是精度高、重復(fù)性好、通用性強(qiáng)、價(jià)格便宜。至今已發(fā)展了許多計(jì)算機(jī)仿真程序包和仿真語(yǔ)言，使用起來(lái)特別方便。因此，仿真技術(shù)在生產(chǎn)管理、工程技術(shù)、軍事研究、科學(xué)試驗(yàn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、重大決策以及在社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，其效果是十分顯著的。在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前，人們只采用物理仿真，當(dāng)時(shí)的仿真技術(shù)附屬在其他有關(guān)學(xué)科之間。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在仿真領(lǐng)域內(nèi)提出了大量共同性的理論、方法和技術(shù)問(wèn)題，致使仿真逐漸形成一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。二、 計(jì)算機(jī)仿真的基本理論計(jì)算機(jī)仿真以相似論作為其理論基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)仿真模型的選擇、計(jì)算和建造，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理和綜合，都是以相似論為基礎(chǔ)的。相似論的方法似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單，但是，要正確運(yùn)用這種方法，則既要具備分析問(wèn)題的理論知識(shí)，又要有試驗(yàn)方面的能力?！跋嗨啤笔且环N認(rèn)識(shí)，它同人們的感覺(jué)、思維、經(jīng)驗(yàn)以及使用的儀器、方法等都有直接的關(guān)系。認(rèn)識(shí)的世界并不是完全真實(shí)的客觀世界，而僅是其相似物而已。從哲學(xué)的角度來(lái)講，“相似”是普通的、絕對(duì)的，而與之對(duì)應(yīng)的“相同”則是特殊的、相對(duì)的。因此，應(yīng)用相似論的研究結(jié)果，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的模型試驗(yàn)去研究復(fù)雜的現(xiàn)象。在計(jì)算機(jī)仿真中，矩陣?yán)碚撚鷣?lái)愈被廣泛應(yīng)用，它已成為不可缺少的數(shù)學(xué)工具之一。三、 計(jì)算機(jī)仿真的方法自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，面向?qū)ο蠓抡娴难芯亢桶l(fā)展有了顯著的進(jìn)步。在通用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的基礎(chǔ)之上，人們開(kāi)發(fā)了許多支持仿真的類(lèi)庫(kù)，甚至是面向?qū)ο蟮姆抡姝h(huán)境。仿真使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的典型優(yōu)點(diǎn)是能建立與實(shí)體非常相似的系統(tǒng)模型。而使開(kāi)發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的速度更快、質(zhì)量更高、可維護(hù)性更好、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)更小等也是面向?qū)ο蠓抡娴膬?yōu)點(diǎn)。然而，面向?qū)ο蠓抡娼?jīng)常需要更多的基礎(chǔ)程序和仿真機(jī)制的知識(shí)，初始類(lèi)的開(kāi)發(fā)也很費(fèi)時(shí)間。隨著面向?qū)ο蠓抡姝h(huán)境的拓寬，在仿真環(huán)境下應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)有著自己的特點(diǎn)。特別是仿真的高層體系結(jié)構(gòu)中的對(duì)象模型與通常面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的對(duì)象模型有著不同的地方。所以面向?qū)ο蠹夹g(shù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的重要方法之一。計(jì)算機(jī)圖形圖像從早期學(xué)術(shù)研究與軍事應(yīng)用已發(fā)展成為在研究、教育、產(chǎn)業(yè)等方面均十分活躍的領(lǐng)域，并逐漸滲透到現(xiàn)實(shí)生活中，如從電影的高技術(shù)特技效果到WWW網(wǎng)絡(luò)、從建筑設(shè)計(jì)到人工智能、從計(jì)算機(jī)游戲到計(jì)算機(jī)化的腦外科手術(shù)、從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造到虛擬環(huán)境技術(shù)、從科學(xué)計(jì)算可視化到三維實(shí)時(shí)仿真等。計(jì)算機(jī)圖形圖像在我國(guó)也得到長(zhǎng)足的發(fā)展，但從整體水平與研究規(guī)模以及與圖形圖像相關(guān)的軟硬件產(chǎn)業(yè)效益等方面來(lái)衡量，與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較大差距。當(dāng)前驚人的技術(shù)發(fā)展速度，使一些理論上不能圓滿(mǎn)解決的問(wèn)題，采用技術(shù)手段可獲得較圓滿(mǎn)的解決。如應(yīng)用掃描器和3D跟蹤器創(chuàng)作的人體動(dòng)畫(huà)，其逼真度超出算法描述的人體動(dòng)畫(huà)，就是極其生動(dòng)的例子。從而，促使我們考慮如何充分利用不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)和硬件功能來(lái)設(shè)計(jì)全新的算法，所以圖像技術(shù)在計(jì)