虛擬制造技術(shù)虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1、虛擬制造技術(shù)北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院宋荊洲Tel: 62282543第三章 虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)虛擬制造系統(tǒng)的目標需求虛擬制造系統(tǒng)的分類虛擬制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分布式虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造的定義 虛擬制造是實際制造過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機建模與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及可視化技術(shù)，在計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下群組協(xié)同工作，模擬產(chǎn)品的整個制造過程，對產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、生產(chǎn)調(diào)度與管理、銷售及售后服務(wù)等做出綜合評價，以增強制造過程各個層次或環(huán)節(jié)的正確決策與控制能力。虛擬制造系統(tǒng)的定義 它是一個在虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)下，在計算機網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實環(huán)境中建立起來的，具有集成、開放、分布、并行、人

2、機交互等特點的，能夠從產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的高度來分析和解決制造系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的技術(shù)問題的軟硬件系統(tǒng)。虛擬制造與實際制造的關(guān)系虛擬制造是實際制造（真實制造）在計算機上的映射虛擬制造系統(tǒng)是通過對實際制造系統(tǒng)進行抽象、分析、綜合得到實際生成的全部數(shù)字化模型虛擬制造的最終目標是指導(dǎo)實際生產(chǎn)虛擬制造是實際制造的抽象，實際制造是虛擬制造的實例幾個概念RPS: Real Physical System，真實物理系統(tǒng)RIS: Real Information System，真實信息系統(tǒng)VPS: Virtual Physical System，虛擬物理系統(tǒng)VIS: Virtual Information System

3、，虛擬信息系統(tǒng)RPS+RIS：真實制造系統(tǒng)RPS+VIS：自動化制造系統(tǒng)VPS+RIS：虛擬制造系統(tǒng)VPS+VIS：虛擬制造系統(tǒng)虛擬制造系統(tǒng)VIS+VPS真實制造系統(tǒng)RIS+RPS計算機仿真/虛擬現(xiàn)實VPS虛擬信息系統(tǒng) 確認和驗證 技術(shù)人員客戶虛擬產(chǎn)品 真實信息系統(tǒng) 樣機 需求工人工 廠RPS實際產(chǎn)品 抽象與綜合虛擬制造與實際制造的關(guān)系虛擬制造系統(tǒng)的目標需求虛擬制造系統(tǒng)的功能需求工廠和產(chǎn)品生命周期中的全部活動的集成各種硬件、軟件、人員以及標準的集成虛擬制造系統(tǒng)只起一個橋梁作用虛擬世界與真實世界的集成虛擬制造系統(tǒng)與真實制造系統(tǒng)具有信息上的等價性虛擬制造系統(tǒng)的目標需求虛擬制造系統(tǒng)的仿真需求全生命周

4、期仿真：虛擬設(shè)計、生產(chǎn)、試驗分析等多通道交互、真實感輸出仿真過程用戶可以實時干預(yù)虛擬制造系統(tǒng)的目標需求虛擬制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需求與實際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似性，而非一致性結(jié)構(gòu)應(yīng)具有開放性、柔性：易擴展、重用、重組滿足分布式協(xié)同工作和動態(tài)運行操作虛擬制造系統(tǒng)的分類虛擬制造系統(tǒng) 以模型為核心：產(chǎn)品模型、過程模型、活動模型、資源模型模型產(chǎn)品模型：產(chǎn)品信息在計算機上的表示。過程模型：設(shè)計過程、工藝規(guī)劃過程、加工制造過程 裝配過程、性能分析過程?；顒幽Ｐ停簩ζ髽I(yè)生產(chǎn)組織和經(jīng)營活動建立的模型 資源模型：對企業(yè)人力、物力建立的模型 產(chǎn)品設(shè)計進程機械電子材料能源控制力學(xué)需求功能行為結(jié)構(gòu)形狀工藝虛擬產(chǎn)品模型的特點虛擬產(chǎn)品模

5、型的特點T0 T1 T2 T3 T4 時間適度保真的模型維護運行成本計劃管理需求后勤培訓(xùn)制造布局市場分析系統(tǒng)定義設(shè)計與分析制造、測試發(fā)射、入軌軌道運行經(jīng)營的系統(tǒng)模型，供市場詳細分析與投資決策考慮到系統(tǒng)各方面性能和潛在風(fēng)險混合保真虛擬原型用于作成本性能分析虛擬制造和標準的生產(chǎn)過程，用于改進質(zhì)量和生產(chǎn)成本仿真發(fā)射，應(yīng)用MDO最小化進入軌道時間早期，逐步地用相應(yīng)的、保真度也逐步提高的虛擬產(chǎn)品模型進行仿真分析,以減少風(fēng)險、獲得最大利益。虛擬企業(yè)用于無縫集成系統(tǒng)管理和運行功能以獲得最大利益虛擬制造系統(tǒng)的分類1996年，美國馬里蘭大學(xué)提出三種模式：以設(shè)計為中心的虛擬制造(DCVM)以生產(chǎn)為中心的虛擬制造(

6、PCVM)以控制為中心的虛擬制造(CCVM)類別特點主要目標以設(shè)計為中心在設(shè)計階段為設(shè)計人員提供制造信息 使用基于制造的仿真以優(yōu)化產(chǎn)品和工藝的設(shè)計 通過“在計算機上制造”產(chǎn)生多個“軟”樣機 產(chǎn)品設(shè)計、評價可制造性 虛擬制造系統(tǒng)的分類類別特點主要目標以生產(chǎn)為中心將仿真能力用于生產(chǎn)過程模型，對產(chǎn)品全過程進行仿真，以便尋求資源的最佳配置和生產(chǎn)組織、調(diào)度的最佳方式。 用于資源需求規(guī)劃、生產(chǎn)計劃的產(chǎn)生及評價的環(huán)境 動態(tài)的預(yù)演整個生產(chǎn)過程。評價可生產(chǎn)性 虛擬制造系統(tǒng)的分類類別特點主要目標以控制為中心將仿真加到控制模型和實際處理中 可“無縫”地仿真使得實際生產(chǎn)周期不間斷地優(yōu)化 解決“應(yīng)該如何去控制”的問題虛

7、擬制造系統(tǒng)的分類設(shè)計為核心優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計加工方案評價生產(chǎn)為核心優(yōu)化資源選擇評價工藝驗證新工藝控制為核心優(yōu)化車間控制優(yōu)化制造過程產(chǎn)品概念設(shè)計CAD/CAMM1 M2 M3 M4供設(shè)計者參考的制造信息虛擬產(chǎn)品原型 成本估算新產(chǎn)品模型、工藝、制造信息虛擬生產(chǎn)計劃質(zhì)量評估新工藝及對應(yīng)信息、如成本車間機床及控制系統(tǒng)工廠資源（人、設(shè)備）M1：已有的模型和工藝M2：日程模型、邏輯模型M3：過程模型M4：成品模型參數(shù)M5：工藝模型M6：生產(chǎn)計劃模型虛擬制造系統(tǒng)的分類 實現(xiàn)多種模式的虛擬制造系統(tǒng)的集成，是虛擬制造的發(fā)展趨勢和最終目標。M5 M6怎樣的體系結(jié)構(gòu)才算好？能把虛擬產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計、制造及裝

8、配、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)有機集成起來實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的信息、功能、過程的集成實現(xiàn)并行運作，包括異地并行發(fā)揮人在其中的能動性實現(xiàn)人、組織、管理、技術(shù)的協(xié)同工作支持生產(chǎn)活動、生產(chǎn)資源的分布式特性開放式的結(jié)構(gòu)：層次化的控制、即插即用等不同應(yīng)用目標和應(yīng)用環(huán)境下，體系結(jié)構(gòu)各有不同Mediator體系結(jié)構(gòu)： 開放式的信息和知識體系，4個扇面（用戶、設(shè)計應(yīng)用、體系內(nèi)核、通用軟件包），4個輪圈（ 用戶界面層、應(yīng)用層、活動層、通信層） 側(cè)重于知識信息的管理體系，著重處理和解決多軟件、多地域情況下的知識支持與通訊技術(shù)；未涉及產(chǎn)品開發(fā)周期、未體現(xiàn)模型技術(shù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)在其中的地位Iwata體系結(jié)構(gòu)：VIS、V

9、PS、定時控制器、數(shù)據(jù)瀏覽器。活動過程模型描述決策過程和信息流仿真引擎解釋過程描述和執(zhí)行決策過程Iwata體系結(jié)構(gòu)的VIS： 建模與仿真活動，由7部分組成上海交通大學(xué)：基于虛擬總線的VMS體系結(jié)構(gòu)各層之間的信息運作通過“虛擬總線”以統(tǒng)一的協(xié)議進行上海交通大學(xué)：VM研究的實驗環(huán)境產(chǎn)品建模產(chǎn)品異地設(shè)計零部件分析優(yōu)化快速原型生產(chǎn)工藝優(yōu)化工具設(shè)計優(yōu)化刀位控制參數(shù)優(yōu)化刀位軌跡參數(shù)優(yōu)化加工方案評 估虛擬實驗虛擬檢測工藝模型驗證產(chǎn)品模型實驗：虛擬機床生產(chǎn)計劃仿真優(yōu)化虛擬生產(chǎn)布局虛擬設(shè)備集成虛擬裝配虛擬生產(chǎn)平臺服務(wù)器虛擬企業(yè)平臺服務(wù)器企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境企業(yè)虛擬運行企業(yè)運行仿真產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)品性能評價可制造性評價

10、虛擬設(shè)計虛擬制造虛擬生產(chǎn)虛擬企業(yè)虛擬制造的功能框圖清華大學(xué)虛擬制造系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）實際制造過程技術(shù)人員和用戶數(shù)字化模型計算機仿真、虛擬現(xiàn)實虛擬開發(fā)平臺虛擬設(shè)計 有限元分析 運動學(xué)分析 動力學(xué)分析虛擬加工 工藝過程優(yōu)化 工具設(shè)計優(yōu)化 單元工藝優(yōu)化 加工過程分析虛擬裝配 裝配工藝規(guī)劃 裝配路線規(guī)劃 裝配分配規(guī)劃 裝配質(zhì)量規(guī)劃虛擬生產(chǎn)平臺虛擬布局虛擬實際生產(chǎn)環(huán)境虛擬生產(chǎn)動態(tài)過程優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境布局虛擬設(shè)備虛擬集成支撐環(huán)境優(yōu)化集成方案虛擬調(diào)度虛擬產(chǎn)品生產(chǎn)過程優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度方案虛擬企業(yè)平臺協(xié)同工作環(huán)境 支持異地設(shè)計、裝配、測試的環(huán)境。虛擬企業(yè)動態(tài)組合 系統(tǒng)集成 任務(wù)調(diào)度清華大學(xué)虛擬制造系統(tǒng)人機交互接

11、口個性化用戶界面通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)交換標準 ( IGES、STEP等)網(wǎng)絡(luò)及物理鏈路、硬件設(shè)備產(chǎn)品模型、數(shù)據(jù)、只是和規(guī)則基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虛擬設(shè)計平臺虛擬加工平臺虛擬控制平臺界面層框架層應(yīng)用層數(shù)據(jù)層協(xié)議層網(wǎng)絡(luò)層清華大學(xué)虛擬制造系統(tǒng)西北工業(yè)大學(xué) 馮濤等 數(shù)字制造對飛機制造流程的改變分布式虛擬制造系統(tǒng)分布式虛擬制造系統(tǒng)的特點分布式虛擬制造系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)分布式虛擬制造系統(tǒng)的通訊方式分布式虛擬制造系統(tǒng) 的特點人員分布的廣域性：internet/Intranet虛擬資源的分布性：共享數(shù)據(jù)、知識、信息仿真工具的分散性：不同終端的各種工程應(yīng)用工具虛擬指令的遠程性知識領(lǐng)域的多樣性實時交互、

12、共享時鐘多用戶、多媒體通信方式 集中式結(jié)構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)運行在中心服務(wù)器；優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，便于同步缺點：所有活動通過中心服務(wù)器，對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高復(fù)制式每個客戶節(jié)點都復(fù)制有一個應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)帶寬?。蝗秉c：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個節(jié)點的狀態(tài)、數(shù)據(jù)的一致性維護困難分布式虛擬制造系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)例：分布式協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)（同步協(xié)同建模系統(tǒng) ） 集中式 客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)器放置共享的建模應(yīng)用，提供建模服務(wù)，生成共享模型，客戶端負責建模操作的交互輸入和顯示。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、并發(fā)控制容易，但網(wǎng)絡(luò)負載重、通訊延遲明顯、中心服務(wù)器易成瓶頸。 復(fù)制式 每個站點放置建模系統(tǒng)和存儲共享模型，使所有站點同步執(zhí)行相同的建模操作，生成

13、同樣的三維模型，實現(xiàn)同步協(xié)同建模。優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)負載輕、站點交互功能強、響應(yīng)速度快，不足：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同建模系統(tǒng)之間的語義通訊和數(shù)據(jù)通訊困難、難以有效地進行并發(fā)控制。分布式虛擬制造系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)用戶輸入應(yīng)用程序顯示用戶1用戶輸入應(yīng)用程序顯示用戶2合并輸入事件廣播會議Agent復(fù)制式協(xié)同應(yīng)用系統(tǒng)的框圖用戶輸入應(yīng)用程序顯示用戶1用戶輸入顯示用戶2合并輸入顯示廣播會議Agent集中式協(xié)同應(yīng)用系統(tǒng)的框圖分布式虛擬制造系統(tǒng)的通訊通信協(xié)議: TCP, UDP, 廣播, 組播的區(qū)別TCP：點點連接；使用確認和再傳機制，可靠性高，基于流的數(shù)據(jù)語義UDP:輕量級數(shù)據(jù)傳輸方法，速度快，可靠性地，基于數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)語義廣

14、播：把數(shù)據(jù)快速傳給局域網(wǎng)所有主機，適用于小型LAN和窄帶寬傳輸組播：把數(shù)據(jù)快速傳送給多個目標主機，適用于Internet和大規(guī)模系統(tǒng)組播技術(shù)(Multicast)：減少帶寬瓶頸將數(shù)據(jù)包以盡力傳送(best-efort)的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的某個確定節(jié)點子集IP組播的基本思想：只有組播組內(nèi)的主機(目標主機)可以接收該數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中其它主機不能收到，組播組用D類IP地址(224.0.0.0239.255.255.255)來標識組播組的成員可以在任何時間加入或離開組播組。組播組的成員在位置與數(shù)量上都沒有限制，一個主機可以同時是一個以上組播組的成員。一點對多點的通信，是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效方法之一分布式虛擬

15、制造系統(tǒng)的通訊分布式虛擬制造系統(tǒng)的通訊多協(xié)議模型：交換各種不同信息連接管理協(xié)議：處理用戶的進入和退出導(dǎo)航控制協(xié)議：傳輸變換矩陣幾何協(xié)議：壓縮傳輸，漸進傳輸動畫協(xié)議：只傳改變的增量信息等場景管理協(xié)議：對象管理分布式虛擬制造案例武漢理工大學(xué)提出：面向分布式虛擬設(shè)計的協(xié)同工作環(huán)境ERCP: 實體實時通信協(xié)議使能工具企業(yè)建模和診斷、遠程設(shè)備診斷CAX/PDM/PLM/ERP/SCM/CRM產(chǎn)品資源庫制造資源庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫.制造網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)技術(shù)體系體系結(jié)構(gòu)、標準規(guī)范、指南 .制造網(wǎng)絡(luò)平臺 EAI 信息服務(wù)制造工藝服務(wù)在線/遠程制造服務(wù)應(yīng)用軟件服務(wù)應(yīng)用服務(wù) 設(shè)計協(xié)同制造協(xié)同商務(wù)協(xié)同供應(yīng)鏈協(xié)同區(qū)域制造網(wǎng)絡(luò)區(qū)域

16、制造網(wǎng)絡(luò)制造業(yè)信息化工程技術(shù)服務(wù)中心支撐體系區(qū)域制造網(wǎng)絡(luò)Internet Intranet Extranet過程與項目管理制造網(wǎng)絡(luò)-山東大學(xué)EAI: 企業(yè)應(yīng)用集成技術(shù)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機JSF洛克希德馬丁公司JSF 基于全球虛擬企業(yè)制造的飛機JSF 采用信息技術(shù)，建立了全球30個國家50家公司參與研發(fā)的數(shù)字化協(xié)同環(huán)境，形成了無縫連接、緊密配合的全球虛擬企業(yè)，快速地實現(xiàn)了以數(shù)字化技術(shù)為研制基礎(chǔ)的三種變型、四個軍種、客戶化程度高的飛機設(shè)計。2006億美元，3002 架飛機；每架飛機成本控制在3000萬美元；首批交貨在2008年；壽命在40至50年。JSF 從設(shè)計到飛行實行全線數(shù)字化全球數(shù)字協(xié)同網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)實行PLM與任何CAX系統(tǒng)兼容超過50,000用戶超級保密，迅即訪問可快速和低風(fēng)險地擴展在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)和裝配使用同一種通用的支援和維護系統(tǒng)各種機型之間的零部件/系統(tǒng)/設(shè)備的通用性應(yīng)在80%以上未來制造技術(shù)的發(fā)展趨勢大量生產(chǎn)方式機械化自動化常規(guī)制造技術(shù)大量定制方式智能化網(wǎng)絡(luò)化極限制造技術(shù)單項技術(shù)應(yīng)用資源不可再生全面技術(shù)集成資源循環(huán)利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換功能知識參與增值下一代先進制造系統(tǒng)體系制造企業(yè)