计算机仿真在机械制造中的应用.docx

1、计算机仿真在机械制造中的应用计算机仿真在制造业的应用学院： 班级：测控技术与仪器 08-2班学号： 姓名： 摘要本文主要介绍计算机仿真技术在制造业中的广泛应用。 制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，自 70 年代以来，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，产品 的更新期和交货期都在缩短， 一些自动化技术如 CAD、CAM 、CAPP、NC、FMS、MRPH及CIMS都得到快速发展。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。在 50 年代，最引人注目的仿真领域 是火炮控制和飞行控制系统； 60

2、 年代，是火箭和导弹控制系统； 70 年代是航天、核能和经济管理系统；到 80 年代，最引人注目的仿真 领域就逐步转向了制造系统，并且呈现出一种生机勃勃的局面。 关键字：计算机仿真，制造业，应用，发展1.计算机仿真技术简介 ,1.1计算机仿真 ,1.2MATLAB 简介 ,2计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用 3计算机仿真在汽车制造研究方面的应用 , 4计算机仿真在齿轮设计方面的应用 , 5计算机仿真在故障诊断方面的应用 , 6计算机仿真在疲劳寿命判断方面的应用 ,7计算机仿真在机械制造其他领域中的应用 ,8.Matlab 在数据采集与分析中的应用 , 总结 参考文献、八 、，刖言计算

3、机仿真技术广泛应用于国防，工业及其他人类生产生活的各 个方面，如：航空，航天，兵器，国防电子，船舶，电力，石化等行 业，特别是应用于现代高科技装备的论证，研制，使用和维护过程。 由于工业领域中大量系统项目具有复杂性和大型化的特定， 出于安全 性和经济性考虑，计算机仿真技术广泛应用于包括航天，航空，船舶, 汽车，虚拟电子产品，仪器，能源，石油化工等多个领域，在各大型 的复杂工程系统和项目建设之前的概念研究与系统的需求分析过程 中，发挥着越来越重要的作用。本文通过对计算机仿真技术在工业中 的广泛应用，突出强调计算机仿真技术的重要作用。1.计算机仿真技术简介1.1计算机仿真计算机仿真是应用电子计算机

4、对系统的结构、功能和行为以及参 与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。 它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系 统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的 计算机仿真实验来刻画系统的特征， 从而得出数量指标，为决策者提 供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统 的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性 技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间 比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤 其是复杂系统）的重要工具。仿真是对

5、现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这 样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实 世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼 真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。 仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需 求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。1.2MATLAB 简介MATLAB是美国MathWorks公司开发的一种功能极其强大的高技术计算机语言和内容极其丰富的软件库，它适合于工程各领 域的分析设计与复杂计算的软件，该软件包括基本部分和专业扩 展两大部分扩展部分称为工具箱，用于解决某一方面的专业问 题它以矩阵和向量的运

6、算以及运算结果的可视化为基础 , 把广泛 应用于各个学科领域的数值分析、矩阵计算、函数生成、信号处 理、图形及图像处理、建模与仿真等诸多强大功能集成在一个便 于用户使用的交互式环境中 , 为使用者提供了一个高效的编程工 具及丰富的算法资源。对于信号处理和图像处理等数字处理领 域,MATLAB更是得天独厚，它丰富的 M文件和强大的绘图可视功 能为使用者带来了极大的方便 , 被广泛的应用于信号与图像处 理、控制系统设计、通信、系统仿真等诸多领域，尤其对初学者 可起到事半功倍之效。MATLAB是 一种解释语言，所有的程序和指令都必须在 MATLAB解释器中读入后才能运行，因而极大地限制了代码执行速度

7、。MATLAB虽大的计算功能只能在其平台上才能使用，也就是说，必 需在安装了其解释器的机器上才能使用 MATLAB勺M文件，这样就给工程应用带来了很大不便。对于一般用户来讲， MATLAB只能作为离线的计算和分析工具，而不能作为实时的工程工具。幸运的 是，开发MATLAB勺MathWorks公司为广大的应用者提供了应用程 序 接 口 (API ， ApplicationProgram Interface) 和 编 译 器 (Compiler)。利用MATLAB C语言交互，也可以开发基于 MATLAB 的数据采集系统。如果配上数据采集线路，该系统就可以作为一 个虚拟仪器来使用。2计算机仿真在复

8、杂机械加工过程研究方面的应用机械加工过程， 是机械行业进行生产的基础。 利用计算机仿真， 有助于发现其机理， 为提高机械加工性能提供理论支持。 如磨削方面， 吉林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的 各个数学模型，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质 量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。李国 发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型， 利用计算机仿真得 到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。 还有山东大学机械工程 学院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统， 实现了对磨削温 度场的预测及优化， 为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理 论依

9、据。铣削方面， 同济大学机械工程系的李沪曾教授等建立了多齿 端铣切削过程动力学模型， 开发了切削振动仿真的微机通用软件， 采 用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。 佳木斯大学 的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形 仿真技术；上海交通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿 真系统，实现了加工效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面， 上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算机仿真模型， 并通 过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。 3计算机仿真在汽车制造研究方面的应用汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。 它有很多实验课题， 难度大、

10、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方 面的问题。如发动机方面， 装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建 立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型， 其仿真结果与实际测量 值比较吻合， 可用于多缸柴油机的起动性能仿真。 江苏理工大学的蔡 忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程， 为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。 汽车流场方面， 华 东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的 气流分离和拖曳涡现象， 建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模 型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学 动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根

11、据汽车碰撞的事故形态 与乘员伤害之间的规律， 建立了乘员动力学响应的数学模型， 并开发 出了相应的仿真软件， 该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动 安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制 动过程进行了仿真研究， 一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研 究了汽车转向的轻便性问题等。 4计算机仿真在齿轮设计方面的应用齿轮是机械产品的主要基础部件， 对其进行仿真研究具有重要意 义，很多的科研工作者在这方面做了相关的研究。 如太原理工大学的 庞桂兵等采用 Visual Lisp 语言从几何角度讨论了任意端面齿形的齿 轮建模及其传动仿真， 山东矿业学院的张广军等利用计算机仿真研

12、究 了圆弧针齿行星传动的动力学问题， 南京航空航天大学机电工程学院 的曾英等通过计算机仿真探讨了主动齿轮与刀具齿数差、 齿数比、模 数等主要参数对正交面齿轮传动接触点的影响。 计算机仿真在齿轮泵 的齿轮的设计与制造中，也有着重要的应用。5计算机仿真在故障诊断方面的应用故障诊断是机械研究中的一个重要领域， 以往的研究主要是对经 验案例的汇集和小规模的工况模拟实验， 其局限性较大。 计算机仿真 技术的介入， 使我们提高了故障机理研究、 故障定量分析和对故障进 行预测和诊断的能力。 北京机械工业学院机械工程系的张胜等利用计 算机仿真的方法计算了不平衡转子上关键点的振动烈度， 与试验台测 试数据基本一

13、致，为进一步对旋转机械故障作精确诊断奠定了基础。 福建农业大学机电工程系的黄键教授用计算机仿真代替故障定位法 来对电喷发动机进行故障诊断，取得了良好的效果。 6计算机仿真在疲劳寿命判断方面的应用 在机械的运行中，疲劳问题不可避免。为了研究疲劳问题，往 往要做大量的疲劳实验， 这不仅耗时、耗费、需要大量的人力、 物力， 而且对于有些复杂的问题， 目前还无法在试验机上实现。 计算机仿真 技术为解决这一问题提供了新的疲劳试验研究途径。 东北大学机械工 程与自动化学院的王雷博士等利用调质 45 钢的单轴试验数据和正火 45 钢的多轴拉扭试验数据建立的仿真模型，能够比较精确的预测单 轴疲劳和多轴疲劳的寿

14、命。 郭浩等将随机离散仿真方法运用于模拟材 料性能变化的全过程， 通过仿真统计出其寿命的分布， 预测精度较高。 武汉科技大学的郭宏等利用线性相关原理实现了机械零件寿命判定 的计算机仿真，这种方法计算工作量较小，判定准确性较高。 7计算机仿真在机械制造其他领域中的应用除了上面所提到的， 计算机仿真还在机械行业的其他领域之中有着广泛的应用。例如应用于刀具设计、 微钻头设计、渗碳层浓度分布、 含间隙机构、 空调制冷系统的研制和包装机械的开发等等。 美国波音 (BOEING公司可以把777飞机的研制、生产做到几乎“无图纸”的程 度。波音 777 飞机的研制、 整机设计、装配、部件测试以及各种试飞， 都

15、是由计算机完成的。 它能将开发周期从原来的 8年缩短到 5 年，节 约了数百万美元经费。 内燃机在促进国民经济发展中发挥了十分重要 的作用, 对内燃机的研究已经引起很多人的重视 . 计算机仿真技术的 应用给人们在研究内燃机时提供了一种十分方便、有效的途径 . 8.Matlab 在数据采集与分析中的应用在智能仪器、 信号处理以及工业自动控制等领域， 都存在着数据 的测量与控制问题，常常需要对外部的温度、压力、流量、位移等模 拟量进行采集。 数据采集技术是一种流行且实用的电子技术。 它广泛 应用于信号检测、信号处理、仪器仪表等领域。近年来，随着数字化 技术的不断发展，数据采集技术也呈现出速度更高、

16、通道更多、数据 量更大的发展态势。数据采集系统是一种应用极为广泛的模拟量测量设备， 其基本任 务是把信号送入计算机或相应的信号处理系统， 根据不同的需要进行 相应的计算和处理。它将模拟量采集、转换成数字量后，再经过计算 机处理得出所需的数据。 同时，还可以用计算机将得到的数据进行储 存、显示和打印， 以实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将 被用作生产过程中的反馈控制量。数据采集系统是计算机测控系统中非常重要的环节， 目前，有各 种数据采集卡或采集系统可供选择， 以满足生产和科研试验等各方面 的不同需要， 但由于数据源以及用户需求的多样性， 有时并不能满足 要求。特别是在某些应用中，需要同

17、时高速采集多个通道的数据，而 且为了分析比较各通道信号间的相互关系， 常常要求所有通道的采集 必须同步。 现有的数据采集系统能够满足上述要求的比较少， 且价格 十分昂贵，体积较大，分量较重，使用十分不方便。一般模拟量是通过各种数据采集卡进行数据采集。 目前常用的是 具有ISA总线、PCI总线等接口形式的A/D采集卡，虽然数据传输 率很高，但是还存在整个系统笨重， 缺乏灵活性， 不能实现即插即用， 不适合小型、 便携设备采用等缺点。 另外这些类型的采集卡在计算机 上安装比较麻烦，而且由于受计算机插槽数量、地址、中断资源的限 制不可能挂接很多设备。 因此，工程师们往往需要花费大量的时间和 资源用于

18、系统搭建。数据采集卡是中低端数据采集系统设计的必选产品。基于 ISA、 PCI 的插卡式数据采集设备存在以下缺陷：安装麻烦；价格昂贵；受 计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差；在一些电磁干 扰性强的测试现场， 无法专门对其做电磁屏蔽， 导致采集的数据失真。 而现代工业生产和科学研究的发展要求数据采集卡具有更好的数据 采集、处理能力，传统的 CPU 已经不能满足这一要求。针对以上要 求，本文将论述一种基于PC机的声卡技术，它安装容易，成本较低。 只需利用计算机本身的软硬件资源， 而不需添加其他任何设备即可构 成数据采集与分析系统，使用MATIAB语言编制简洁的图形用户界面， 该界面操作

19、方便，并且可以根据用户的需求进行功能扩充。数据分析在整个科研工作中是个重要的必不可少的环节， 它的目 的是把隐没在一大批看来杂乱无章的数据中的信息集中、 萃取和提炼出来，以找出所研究对象的内在规律。在实用中，数据分析可帮助人 们作出判断，以便采取适当行动。数据分析是组织有目的地收集数据、 分析数据，使之成为信息的过程。这一过程是质量管理体系的支持过 程。在产品的整个寿命周期，包括从市场调研到售后服务和最终处置 的各个过程都需要适当运用数据分析过程，以提升有效性。例如，一 个企业的领导人要通过市场调查，分析所得数据以判定市场动向，从 而制定合适的生产及销售计划。因此数据分析有极其广泛的应用范 围

20、。数据分析系统工作的质量和速度如何， 对整个科研工作的影响也 是很大的。因此研究一种质量性能高的通用数据采集平台具有很大的 意义总结随着现代工业技术的迅猛发展，生产规模的不断壮大，生产过程和制作工艺的日趋复杂，对自动测试和各种信息集成的要求也就越来 越高。数据采集系统的好坏将直接影响自动测试系统的可靠性和稳定 性，为了满足不同的测试需求，以及减少对资源的浪费，在系统的设 计上应该尽量满足通用性和可扩展性。 在高度发展的当今社会中，科 学技术的突飞猛进和生产过程的高度自动化已成为人所共知的必然 趋势，而它们的共同要求是必须建立在有着不断发展与提高的信息工 业基础上。人们只有从外界获取大量准确、

21、可靠的信息经过一系列的 科学分析、处理、加工与判断，进而认识和掌握自然界与科学技术中 的各种现象与其相关的变化规律，并通过相应的系统和方法实现科学 实验研究与生产过程的高度自动化。 换言之，生产过程的自动化面临 的第一个问题就是必须根据从各种传感器得到的数据来检测、 监视现场，以保证现场设备的正常工作。所以对现场进行数据采集是重要的 前期基础工作，然后再对现场数据进行传输和相应的处理工作， 以满足不同的需要。参考文献1. 李彬轩 ; 徐航; 何文华 柴油机实时仿真中燃烧模型的建立 期刊论文 - 内燃机学报 2001(02)2.张宜华 ：精通 MATLAB 5.清华大学出版社 . 99 年 6月第 1版3.张延华，许阳明：MATLA使用指南.科学技术文献出版社.98年8 月第 1 版4.飞思科技产品研发中心编著 MATLAB 6 5辅助图像处理.北京：电子工业出版社 2003， 1905.1罗辉.冯平，哈力旦A,等.编著 MATLAB 7 0在图像处理中的应用北京：机械下业出版社 2005， 205