计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用

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结
语
பைடு நூலகம்
计算机仿真技术是一门综合性强的技术， 具有 可靠、 无破坏性、 可多次重复、 安全、 经济、 不受气候 条件和场地空域的限制等特点。它不仅可以用来验 证设计结果， 而且能够指导设计过程， 在概念设计阶 段就可以优化产品的结构， 以保证得到最优的结果， （下转第 ’( 页）
万方数据
包装工程
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段。由于计算机仿真可以替代费时、 费力、 费钱的真 正试验， 它已成为各种系统分析、 运筹规划和预测、 决策等的强有力工具。 仿真作为一门技术科学是在 !* 世纪末 ." 世纪 初， 科学与工业技术有了长足的发展之后而确定下 来的， 而且伴随着科学与工业技术的发展， 计算机仿 真技术也在不断地进步与发展。 利用计算机进行仿真必须要建立能够被计算机 识别与运行的系统模型。这就是说， 先要通过对系 统进行分析， 建立起能描述系统行为规律的系统模 型， 然后再将系统模型转换为计算机仿真程序， 仿真 运算过程就是对系统模型求解的过程， 因此， 仿真就 是模型试验。为了使通过仿真分析能够准确地反映 实际系统内在的运动规律， 仿真科研人员一直在探 索和研究建模、 建立准确的系统模型和获得正确的 仿真结果。
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计算机仿真技术的应用
作者简介： 黄志刚 （!*(( , ） ， 男， 上海人， 博士生， 北京工商大学副教授。主要研究包装机械设计制造及仿真。发表论文 ." 余篇。
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黄志刚
计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用
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计算机仿真技术在包装机械设计制造中的应用
! 计算机仿真技术
计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础， 以计算机及其软件为工具对系统进行实验研究的理 论和方法体系。它是根据系统实验为目的， 建立系 统模型， 并在不同的条件下， 利用计算机对模型进行 动态运行 （实验） 的一门综合性技术。而系统、 模型 和计算机则是构成计算机仿真的三个要素。计算机 是科研人员进行系统分析设计、 运行、 评估的重要手
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " !"# 传统开发与利用仿真技术的开发过程的比较 在包装机械的制造行业中， 为了使产品以更快 的速度、 更低的成本打入市场， 国内外众多厂商都已 将计算机辅助设计技术应用于包装机械的开发过程 中， 但是要想保证产品的单个零部件和整个系统都 是优化的设计， 则必须采用机械系统的计算机仿真 技术。该技术用设计过程中的反馈信息指导设计， 以顺利完成产品的开发过程。它可以使科研人员通 过虚拟的样机试验得到准确可靠的设计方案， 在此 基础上再建造昂贵的物理样机， 从而降低了物理样 机试验的失败率， 在降低开发成本的同时， 加快了产 品的开发过程。 传统的新产品开发过程是： 形成概念! 原理构 思!方案设计! 结构设计 ! 建 造物理样机 ! 反复 进行物理样机试验， 一般首次试验是很难达到设计 指标的， 故 需要反复进行物理样机试验： 试验分析 直至物理样机达 !修改物理样机! 物理样机试验， 到设计指标。由于通过物理样机试验直接获得的反 馈信息无法直接反映 包装机械系统内部的动力学 缺陷， 即使通过加装传感器等检测手段也收效甚微， 这给在试验分析阶段所进行的失败原因的分析和故 障的排除， 带来很大的难度。同时， 由于物理样机的 造价很高， 因试验失败而引起的物理样机零件与模 具的报废， 将大大增加开发的成本。这种开发方法 的特点是周期长、 节奏慢， 耗资大、 反馈信息不全面 而且难于分析。 利用计算机仿真技术的开发过程是： 形成概念 与原理构思!虚拟样机建模!反复进行仿真试验! 建造物理样机! 反复进行物理样机试验， 在开发的 过程中， 不仅需要进行物理样机的试验， 而且要反复 进行仿真试验： 仿真!分析!修改!仿真， 由于仿真 试验的建模、 分析、 修改、 测试都是在计算机上进行 的， 因而快捷有效。而且通过仿真试验的反复进行， 排除了设计中的大多数的动力学故障， 从而大大降 低了物理样机试验的失败率。通过仿真试验所获得 的包装机械系统的动力学反馈信息较为全面， 便于 对故障原因的理论分析， 因而也可以作为物理样机 试验分析的辅助手段。其开发方法具有开发周期 短、 节奏快、 开发成本低、 反馈信息迅速全面、 容易掌 握等特点。 !"! 仿真技术的应用实例 机械系统虚拟样机技术是建立在多刚体系统动 力学的理论基础上的， 并已得到了较快的发展。从
" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 态的信息。查询作业简便迅速， 信息及时准确。 ! ! 通过货物信息可以确认货物是否在规定的 时间内送到顾客手中， 能即时发现有没有在规定的 时间内把货物交付给顾客的情况， 从而提高运送货 物的准确性和及时性， 提高顾客服务水平。 提高包装物流运 " ! 作为获得竞争优势的手段， 输效率， 提供差别化包装物流服务。 # ! 通过货物跟踪系统所得到的有关货物运送 状态的信息丰富了供应链的信息分享源， 有关货物 运送状态信息的分享有利于顾客预先做好接货以及 后续工作的准备。建立货物跟踪系统需要较大的投 资， 如购买设备、 系统运行费用等。因此只有具备实 力的大型包装物流运输企业才能够应用货物跟踪系 统。 指令， 由车辆上装备的接收装置接收装货指令并打 印出来。利用 $%& 技术的车辆运行管理系统不仅 能提高包装物流运输企业效率， 而且能提高顾客服 务的满足度。 " ! " 应用通讯卫星、 123 技术和 143 技术的车辆运 行管理系统 在全国范围甚至跨国范围进行车辆运行管理就 需要采用通讯卫星、 全球定位系统（ 123） 和地理信 息系统 （143） 。采用通讯卫星、 123 技术和 143 技术 的车辆运行管理系统中， 包装物流运输企业的计划 调度中心和运行车辆通过通讯卫星进行双向联络。 这样 包 装 物 流 运 输 企 业 通 过 应 用 通 讯 卫 星、 123 技术和 143 技术不仅可以对车辆运行状况进行 控制而且可以实现全企业车辆的最佳配置， 提高包 装物流运送业务效率和顾客服务满足程度。在地域 辽阔的美国， 由于采用通讯卫星、 123 技术和 143 技 术的车辆运行系统能提高配车运送效率、 缩短等待 装货时间， 越来越多的企业开始采用这一系统。 例如， 美国包装物流运输租赁企业 5 ・6 ・7&89 公司在出租车辆上安装卫星通讯和车辆控制系统， 该公司不仅利用这些系统进行双向联络通讯、 车辆 调配管理、 装货信息管理， 而且利用这些系统对交通 规则的遵守情况、 车辆空载、 燃料费等方面进行实时 管理， 职工 #::; 年该企业的年营业额达 #; 亿美元， 卡车台数约 =<<< 辆。 #"<<< 人， 但是， 采用通讯卫星、 123 技术和 143 技术的车 辆运行管理系统初期投资大， 并且利用通讯卫星进 行通信联络的费用高。在发达国家， 目前只有大型 包装物流运输企业采用通讯卫星、 123 技术和 143 技术进行车辆运行管理。由于我国国土辽阔， 随着 经济的快速发展对包装物流运输服务的要求将越来 越高， 利用通讯卫星、 123 技术和 143 技术的车辆运 行管理是今后大型货车运输企业的发展趋势。
包装机械是现代包装工业的基本装备， 是商品 生产中必不可少的关键性技术设备。随着高新技术 在包装机械上的不断应用， 其性能越来越好， 产品的 种类也越来越多。随着科学技术的进步， 人们对其 质量、 品种和类型的要求也日益提高。激烈的市场 竞争， 促使生产单位必须不断缩短新产品的开发周 期， 以个性化、 多功能、 高质量、 低成本的产品尽快占 领市场， 才能在激烈的竞争中， 获得发展。
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” 虚拟产品开发” 技术引起了 !$ 世纪 %$ 年代以来， 人们的广泛关注。 虚拟样机技术是实际制造过程在计算机上的本 质实现， 是仿真技术以制造过程为对象的全方位的 应用。即采用计算机仿真与虚拟现实技术， 在计算 机上群组协同工作， 建立产品的三维全数字化模型， 在计算机上生成许多虚拟样机。从而， 在设计阶段， 就可以对所设计的零件甚至整机进行可制造性分 析， 可包括加工过程的工艺分析、 铸造过程的热力学 分析、 运动部件的运动学分析以及整机的动力学分 析等， 甚至包括加工时间、 加工费用、 加工精度分析 等。设计人员或用户甚至可” 进入” 虚拟的制造环境 检验其设计、 加工、 装配和操作， 而不依赖于传统的 原型样机的反复修改。这样使得产品开发走出主要 依赖于经验的狭小天地， 发展到了全方位预报的新 阶段。 ! " ! " # 以设计为中心的虚拟制造 以设计为中心的虚拟制造， 是把设计信息引入 到整个的设计过程， 利用仿真来优化产品设计， 通过 计算机生成许多虚拟样机。因而在设计阶段， 就可 以对所设计的零件甚至整机进行可行性分析。 ! " ! " ! 以生产为中心的虚拟制造 以生产为中心的虚拟制造， 是在生产过程模型 中融入仿真技术， 以此来评估和 优化生产过程， 以 便低费用、 快速地评价不同的工艺方案、 资源需求规 划、 生产计划等， 其主要目标是评价可生产性。以生 产为中心的虚拟制造技术使得可生产 性评价达到 了极高的水平， 不但可以用动画显示在某一生产计 划驱动下的生产线 的制造过程， 还可考虑在各种资 源约束 （机器故障， 刀、 夹具有限， 人力有限等）条件 下的动态调度过程， 可” 无缝” 地仿真， 使得在实际生 产周期期间不断地优 化， 使生产者能进入” 未来” 的 或” 计划” 的系统中， 动态地预演生产过程。
黄志刚 （中国农业大学， 北京 !"""#$）
［摘要］ 介绍了计算机仿真技术及其在包装机械设计制造中的应用。总结了利用此项技术开 发产品的特点。得出了其将被广泛应用的结论。 关键词： 计算机仿真技术； 包装机械； 应用 中图分类号： %&’#(； %)$*! + * 文献标识码： & 文章编号： （."".） !""! , $-($ "$ , ""/( , ".