制造系统讲座（第四章）课件

2019/5/15,Manufacturing System,1,制造系统 何汉武,2019/5/15,Manufacturing System,2,主要内容 4.1 虚拟制造的产生与流派 4.2 虚拟制造的定义 4.3 虚拟制造的特点 4.4 虚拟制造与实际制造之间的关系 4.5 虚拟制造的理论基础 4.6 虚拟制造的技术体系 4.7 虚拟制造系统的体系结构 4.8 分布式虚拟制造系统 4.9 数字原型与虚拟培训 4.10 虚拟制造的应用案例,第四章 虚拟制造系统,2019/5/15,Manufacturing System,3,产生背景,社会发展、科技进步、生活节奏加快 全球经济一体化：全球制造网络、WTO 制造产业信息化：电子商务、CPC 消费个性化：顾客化大生产,制造业竞争重点的变迁,2019/5/15,Manufacturing System,4,制造业的发展必然,2019/5/15,Manufacturing System,5,先进制造技术计划（美国） 关键技术(制造)计划（美国） 敏捷制造使能技术计划(TEAM) （美国） 智能制造(IMS)技术国际合作计划（日本) 制造2000年计划（德国） 高级先进制造技术计划(G-7) （韩国）,相关研究计划,2019/5/15,Manufacturing System,8,虚拟制造的流派,2019/5/15,Manufacturing System,9,虚拟制造的相关定义（1）,日本Kimura ：通过对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真。 佛罗里达大学Gloria J. Wiens ：虚拟制造与实际一样在计算机上执行制造过程，其中虚拟模型是在实际制造之前用于对产品的功能及可制造性的潜在问题进行预测。,2019/5/15,Manufacturing System,10,虚拟制造的相关定义（2）,美国空军Wright实验室 ：虚拟制造是仿真、建模和分析技术及工具的综合应用，以增强各层设计制造和生产决策与控制的能力。 Marinov ：虚拟制造是一个系统，在这个系统中，制造对象、过程、活动和准则的抽象原型被建立在基于计算机的环境中，以增强制造过程的一个或多个方面的属性。,2019/5/15,Manufacturing System,11,虚拟制造的相关定义（3）,马里兰大学Edward Lin ：虚拟制造是一个用于增强各级决策与控制的一体化的、综合性的制造环境。 清华大学肖田元 ：虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品开发、制造，以及管理与控制等制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。,2019/5/15,Manufacturing System,12,虚拟制造的定义,一个在计算机网络及虚拟现实环境中完成的，利用制造系统各层次及不同侧面的数学模型，对包括设计、制造、管理和销售等各个环节的产品全生命周期的各种技术方案和技术策略进行评估和优化的综合过程。,2019/5/15,Manufacturing System,13,虚拟制造技术的定义,是一门以计算机仿真技术、制造系统与加工过程建模理论、VR技术、分布式计算理论、产品数据管理技术等为理论基础，研究如何在计算机网络环境及虚拟现实环境下，利用制造系统各层次及各环节的数字模型，完成制造系统整个过程的计算与仿真的技术。,2019/5/15,Manufacturing System,14,虚拟制造系统的定义,是一个在虚拟制造技术的指导下，在计算机网络和虚拟现实环境中建立起来的，具有集成、开放、分布、并行、人机交互等特点的，能够从产品生产全过程的高度来分析和解决制造系统各个环节的技术问题的软硬件系统。,2019/5/15,Manufacturing System,15,虚拟制造的特点,集成性 反复性 并行性 人机交互性,2019/5/15,Manufacturing System,16,虚拟制造与实际制造的关系,虚拟制造是对实际制造活动的抽象 实际制造是虚拟制造的实例 虚拟制造是一种更高层次上的计算机技术在设计、制造、管理等实际制造的各个环节中的应用,2019/5/15,Manufacturing System,17,虚拟制造的理论基础,虚拟制造的理论基础,2019/5/15,Manufacturing System,18,可视化交互建模体系结构,2019/5/15,Manufacturing System,19,虚拟制造企业建模,具有不同资源与技术优势的企业为共同开拓市场，共同对付其他的竞争者而组织的建立在信息网络基础上的技术与信息共享的、联合开发的、互利的企业联盟体。 是一种为实现某一特定市场目标，由协同自治的独立单元通过动态组合而构成的新型制造系统。,虚拟制造企业定义,2019/5/15,Manufacturing System,20,虚拟制造企业特点,虚拟制造企业使传统企业界限模糊化 虚拟制造企业具有流动性和灵活性的特点 虚拟制造企业是建立在当今发达的信息网络基础之上的企业合作 虚拟制造企业运用并行工程来分解和安排各参与企业的工作 虚拟制造企业一般在技术上占有优势 虚拟制造企业可以看作是一个企业网络,2019/5/15,Manufacturing System,21,虚拟制造企业的功能,并发活动控制 分布式信息流管理,2019/5/15,Manufacturing System,22,虚拟制造企业的体系结构,2019/5/15,Manufacturing System,23,虚拟制造企业的决策模型,2019/5/15,Manufacturing System,24,分布式虚拟制造企业网络,2019/5/15,Manufacturing System,25,虚拟制造单元建模,2019/5/15,Manufacturing System,26,基于Agent的层次结构,2019/5/15,Manufacturing System,27,实时仿真系统,2019/5/15,Manufacturing System,28,虚拟环境下的多任务仿真,2019/5/15,Manufacturing System,29,虚拟环境下的多任务仿真,2019/5/15,Manufacturing System,30,多任务仿真的控制策略,信号机对象同步：加工中心、加工缓冲区与自动仓库等作为独立线程对象共享搬运资源，采用信号机对象同步防止共享冲突。 事件对象同步：采用事件对象同步来保持加工缓冲站与加工中心，运输小车与立体仓库之间的合作。 互斥体对象同步：多线程的图形仿真需要共享图形设备资源。实现中采用互斥体对象同步各线程共享计算机图形设备资源。,2019/5/15,Manufacturing System,31,产品虚拟装配仿真,虚拟装配规划,2019/5/15,Manufacturing System,32,虚拟装配设计环境VADE,生产线可视化仿真,虚拟装配的模型及装配过程,2019/5/15,Manufacturing System,35,虚拟制造的使能技术,使能技术,多通道交互,网络环境下知识获取与建库,基于VR的计算可视化,虚拟环境建模,产品建模,数据转换与处理,2019/5/15,Manufacturing System,36,虚拟制造的关键技术,关键技术,虚拟设计与装配技术,虚拟实验技术,虚拟生产技术,虚拟产品实现技术,虚拟检测与评价技术,虚拟纹理分析技术,2019/5/15,Manufacturing System,37,使能技术之一,多通道交互技术,虚拟现实设备的软硬件接口驱动技术,大面积纹理的可见性快速显示技术,信息与时间的同步技术,真实感渲染的三维图形加速技术,三维定位跟踪设备的定标技术,人像分离与多传感信息的融合技术,2019/5/15,Manufacturing System,38,虚拟环境建模技术,图像图形混合建模技术,场景预处理技术,虚拟声的生成与增强技术,多细节层次建模技术,智能化视区裁剪技术,基于图像的绘制技术,使能技术之二,2019/5/15,Manufacturing System,39,产品建模技术,零部件的物理建模方法,工程分析的有限元计算方法,工程分析结果的多准则图示方法,基于物理的工程行为特征建模方法,工程对象的单元化划分方法,使能技术之三,2019/5/15,Manufacturing System,40,数据转换与处理技术,数据文件格式转换技术,产品数据管理技术,使能技术之四,2019/5/15,Manufacturing System,41,网络环境下知识获取与建库技术,网络化异构知识与数据信息的统一表达,基于VR的产品设计与制造集成过程链,网络环境下虚拟产品数据与指令的传输与共享,分布式虚拟仿真节点的协同与自治,虚拟场景的快速漫游、绘制与网络传输,基于多Agent的虚拟企业信息重组与集成,使能技术之五,2019/5/15,Manufacturing System,42,基于VR的科学计算可视化技术,多通道技术与可视化技术的映射机理与操纵方法,特征可视化与拓扑结构分析,基于VR的可视化与驾驭计算,分布式的计算与可视化环境的协同,使能技术之六,2019/5/15,Manufacturing System,43,关键技术之一,虚拟设计与装配技术,虚拟产品形状设计,虚拟装配/拆卸设计与优化,虚拟样机,具有力觉的虚拟装配,2019/5/15,Manufacturing System,44,虚拟产品实现技术,基于表面质量分析的切削参数选择,远程机器人操作与监控,虚拟测量技术,关键技术之二,虚拟加工,2019/5/15,Manufacturing System,45,虚拟检测与评价技术,虚拟表面接触刚度分析,基于应力的加工质量评价,装配信息建模,刀位轨迹检查及碰撞干涉检验,工艺过程规划与仿真,关键技术之三,2019/5/15,Manufacturing System,46,虚拟实验技术,虚拟测试,虚拟样机的性能评价,虚拟试验的运行平台,关键技术之四,虚拟试验的物理建模,2019/5/15,Manufacturing System,47,虚拟生产技术,虚拟生产线/车间实时三维布局,基于VR的网络化分散制造仿真与评价,生产线/车间生产过程虚拟仿真,关键技术之五,2019/5/15,Manufacturing System,48,现有体系结构,Mediator体系。是一个侧重于知识信息的管理体系，考虑了多软件、多地域的集成方法。强调合作和分布式的用户环境。缺点：没有涉及到产品开发周期，没有体现模型技术和数据管理技术在其中的地位。 Iwata体系。与现实制造系统中的RPS和RIS相对应，将VMS分成VPS和 VIS，该体系建立了一个车间内的制造活动和数据模型，集成性较强。缺点：忽略了虚拟制造的控制行为，且开放性有所欠缺。 基于socket的分布式体系。注重对活动/数据的网络分布性研究，初步解决了虚拟制造下的项目管理、设计和制造等事务的支持。缺点：缺乏产品开发过程的层次化控制，难以解决虚拟制造系统的复杂性要求。 工具集体系。认为可以用工具思想表达产品开发过程的各类活动，缺点：不支持产品开发活动中产品和制造数据间的反馈和交互。,2019/5/15,Manufacturing System,49,虚拟制造的功能框图,2019/5/15,Manufacturing System,50,分布式虚拟制造系统体系结构,2019/5/15,Manufacturing System,51,分布式虚拟制造,虚拟制造中的多智能体结构 多智能体系统与虚拟现实仿真 分布式虚拟环境 DVE,2019/5/15,Manufacturing System,52,分布式集成环境的特点,支持智能体的自主性和相对独立性，使其能够根据内部状态和外部消息事件控制自身的行为； 支持数据、过程以及通信设施的封装，使智能体有明确的边界、标识和引用的概念； 支持消息的通信，直接给出与通信意图有关的信息； 支持新的过程加入以及数据与通信信息修改的重组能力。,2019/5/15,Manufacturing System,53,多智能体的通用框架结构,2019/5/15,Manufacturing System,54,多智能体对虚拟制造的作用,通过智能体间的通讯，开发新的规划或求解方法来处理不完全或不确定的知识； 通过智能体间合作，可以改善各智能体的基本能力，并从智能体的交互中进一步理解其社会行为； 系统的程序空间与它所描述的现实空间有一致的对应关系，符合人的认知习惯，对系统代码的理解、修改、维护和移植都带来了方便。,2019/5/15,Manufacturing System,55,分布式虚拟环境 DVE,DVE系统无集中控制节点，无全局模拟时钟，同时支持实时交互和共享虚拟工作空间； DVE系统的各节点都采用了“协议数据单元”（PDU）通过网络交换实体状态信息和事件信息； DVE系统必须支持节点频繁动态地加入或退出虚拟系统，支持多个用户以多种方式相互通信。,是一个由多台计算机经网络连接而成的虚拟控制与操作环境，各计算机之间可通过网络高频率地交换实体状态更新信息，并由异地操作人员对大量动态实体进行控制操作，以保证该虚拟环境的参与者之间的实时交互，保证整个虚拟世界在显示设备上变化的平滑性和一致性。其特点为：,2019/5/15,Manufacturing System,56,DVE的关键技术,规模和功能可扩展的异构型软件结构 自然的人-机交互技术 网络通信和网络协议 异构性分布式环境 动态可扩展性 安全性设施 DVE系统与工具的开发,2019/5/15,Manufacturing System,57,开发DVE所要考虑的因素,网络带宽 异构性（硬件异构、软件异构、网络异构） 分布交互性 规模可扩展性、可扩充性及可配置性 失败管理,2019/5/15,Manufacturing System,58,DVE的发展方向,建立协同虚拟环境(cooperative virtual environment，简称CVE)以支持协同工作； 使用Internet网和ATM网，并将几何场景数据库分布存储以节省传送量； 使用限时计算技术保证实时交互性； DVE中几何模型数据的管理； 将三维真实感声音集成到DVE中，从而增加环境的沉浸感； 人工智能技术的引入。,2019/5/15,Manufacturing System,59,数字原型的基本概念,在产品的设计和加工规划的过程中，将物理试验模型用数字的形式来表示，即实物模型数字化，这就是数字原型。 采用数字原型的目标是保证对产品的造型、功能及其技术关联从多个角度进行实时和可靠的操作。,2019/5/15,Manufacturing System,60,基于数字原型的分析与设计,2019/5/15,Manufacturing System,61,三维动感的数字原型建模,几何建模 对象的表面处理 动态建模 物理属性建模,波音777飞机数字化装配,福特汽车公司的数字原型件,虚拟自动生产线,2019/5/15,Manufacturing System,65,虚拟制造培训系统组成,培训任务规划器 培训仿真器 行为评估器 指导器和用户接口,2019/5/15,Manufacturing System,66,基于多智能体的体系结构,2019/5/15,Manufacturing System,67,网络环境下的系统软件构成,2019/5/15,Manufacturing System,68,基于网络的VM培训系统,2019/5/15,Manufacturing System,69,虚拟汽车原型,2019/5/15,Ma