虚拟制造技术第3章虚拟制造系统体系结构.ppt

虚拟制造技术,北京邮电大学自动化学院 宋荆洲 Email: sjz2008 Tel: 62282543,第三章 虚拟制造系统体系结构,虚拟制造系统的目标需求 虚拟制造系统的分类 虚拟制造系统的体系结构 分布式虚拟制造系统,虚拟制造的定义 虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术、虚拟现实及可视化技术，在计算机网络环境下群组协同工作，模拟产品的整个制造过程，对产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、生产调度与管理、销售及售后服务等做出综合评价，以增强制造过程各个层次或环节的正确决策与控制能力。,虚拟制造系统的定义 它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。,虚拟制造与实际制造的关系 虚拟制造是实际制造（真实制造）在计算机上的映射 虚拟制造系统是通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合得到实际生成的全部数字化模型 虚拟制造的最终目标是指导实际生产 虚拟制造是实际制造的抽象，实际制造是虚拟制造的实例,几个概念,RPS: Real Physical System，真实物理系统 RIS: Real Information System，真实信息系统 VPS: Virtual Physical System，虚拟物理系统 VIS: Virtual Information System，虚拟信息系统 RPS+RIS：真实制造系统 RPS+VIS：自动化制造系统 VPS+RIS：虚拟制造系统 VPS+VIS：虚拟制造系统,虚拟制造系统 VIS+VPS,真实制造系统 RIS+RPS,计算机仿真/ 虚拟现实,VPS,技术人员,客户,虚拟产品,需求,工人,工 厂,RPS,实际产品,抽象与综合,虚拟制造与实际制造的关系,虚拟制造系统的目标需求,虚拟制造系统的功能需求 工厂和产品生命周期中的全部活动的集成 各种硬件、软件、人员以及标准的集成 虚拟制造系统只起一个桥梁作用 虚拟世界与真实世界的集成 虚拟制造系统与真实制造系统具有信息上的等价性,虚拟制造系统的目标需求,虚拟制造系统的仿真需求 全生命周期仿真：虚拟设计、生产、试验分析等 多通道交互、真实感输出 仿真过程用户可以实时干预,虚拟制造系统的目标需求,虚拟制造系统的结构需求 与实际系统的结构相似性，而非一致性 结构应具有开放性、柔性：易扩展、重用、重组 满足分布式协同工作和动态运行操作,虚拟制造系统的分类,虚拟制造系统 以模型为核心：产品模型、过程模型、活动模型、资源模型,产品设计进程,虚拟产品模型的特点,虚拟产品模型的特点,虚拟制造系统的分类,1996年，美国马里兰大学提出三种模式： 以设计为中心的虚拟制造(DCVM) 以生产为中心的虚拟制造(PCVM) 以控制为中心的虚拟制造(CCVM),虚拟制造系统的分类,虚拟制造系统的分类,虚拟制造系统的分类,产品概念设计,CAD/CAM,M1 M2 M3 M4,供设计者参考的制造信息,虚拟产品原型 成本估算,新产品模型、工艺、制造信息,虚拟生产计划,质量 评估,新工艺及对应信息、如成本,车间机床 及控制系统,工厂资源（人、设备）,M1：已有的模型和工艺 M2：日程模型、逻辑模型 M3：过程模型 M4：成品模型参数 M5：工艺模型 M6：生产计划模型,虚拟制造系统的分类,实现多种模式的虚拟制造系统的集成， 是虚拟制造的发展趋势和最终目标。,M5 M6,怎样的体系结构才算好？ 能把虚拟产品开发过程中的设计、制造及装配、生产调度、质量管理等环节有机集成起来 实现产品开发全过程的信息、功能、过程的集成 实现并行运作，包括异地并行 发挥人在其中的能动性 实现人、组织、管理、技术的协同工作 支持生产活动、生产资源的分布式特性 开放式的结构：层次化的控制、即插即用等 不同应用目标和应用环境下，体系结构各有不同,Mediator体系结构： 开放式的信息和知识体系，4个扇面（用户、设计应用、体系内核、通用软件包），4个轮圈（ 用户界面层、应用层、活动层、通信层） 侧重于知识信息的管理体系，着重处理和解决多软件、多地域情况下的知识支持与通讯技术；未涉及产品开发周期、未体现模型技术和数据管理技术在其中的地位,Iwata体系结构： VIS、VPS、定时控制器、数据浏览器。,活动过程模型描述决策过程和信息流 仿真引擎解释过程描述和执行决策过程,Iwata体系结构的VIS： 建模与仿真活动，由7部分组成,上海交通大学：基于虚拟总线的VMS体系结构,各层之间的信息运作通过“虚拟总线”以统一的协议进行,上海交通大学：VM研究的实验环境,虚拟制造的功能框图,清华大学虚拟制造系统,产品数据管理（PDM）,实 际 制 造 过 程,技术人员和用户,数字化模型,计算机仿真、虚拟现实,清华大学虚拟制造系统,清华大学虚拟制造系统,西北工业大学 冯涛等,数字制造对飞机制造流程的改变,分布式虚拟制造系统,分布式虚拟制造系统的特点 分布式虚拟制造系统的框架结构 分布式虚拟制造系统的通讯方式,分布式虚拟制造系统 的特点,人员分布的广域性：internet/Intranet 虚拟资源的分布性：共享数据、知识、信息 仿真工具的分散性：不同终端的各种工程应用工具 虚拟指令的远程性 知识领域的多样性 实时交互、共享时钟 多用户、多媒体通信方式,集中式结构 应用系统运行在中心服务器； 优点：结构简单，便于同步 缺点：所有活动通过中心服务器，对网络带宽要求高 复制式 每个客户节点都复制有一个应用系统 优点：网络带宽小； 缺点：结构复杂，各个节点的状态、数据的一致性维护困难,分布式虚拟制造系统的框架结构,例：分布式协同设计系统（同步协同建模系统 ） 集中式 客户机/服务器结构，服务器放置共享的建模应用，提供建模服务，生成共享模型，客户端负责建模操作的交互输入和显示。优点：结构简单、并发控制容易，但网络负载重、通讯延迟明显、中心服务器易成瓶颈。 复制式 每个站点放置建模系统和存储共享模型，使所有站点同步执行相同的建模操作，生成同样的三维模型，实现同步协同建模。优点：网络负载轻、站点交互功能强、响应速度快，不足：结构复杂、不同建模系统之间的语义通讯和数据通讯困难、难以有效地进行并发控制。,分布式虚拟制造系统的框架结构,复制式协同应用系统的框图,集中式协同应用系统的框图,分布式虚拟制造系统的通讯,通信协议: TCP, UDP, 广播, 组播的区别 TCP：点点连接；使用确认和再传机制，可靠性高，基于流的数据语义 UDP:轻量级数据传输方法，速度快，可靠性地，基于数据报的数据语义 广播：把数据快速传给局域网所有主机，适用于小型LAN和窄带宽传输 组播：把数据快速传送给多个目标主机，适用于Internet和大规模系统,组播技术(Multicast)：减少带宽瓶颈 将数据包以尽力传送(best-efort)的形式发送到网络中的某个确定节点子集 IP组播的基本思想：只有组播组内的主机(目标主机)可以接收该数据，网络中其它主机不能收到，组播组用D类IP地址(224.0.0.0239.255.255.255)来标识 组播组的成员可以在任何时间加入或离开组播组。组播组的成员在位置与数量上都没有限制，一个主机可以同时是一个以上组播组的成员。 一点对多点的通信，是节省网络带宽的有效方法之一,分布式虚拟制造系统的通讯,分布式虚拟制造系统的通讯,多协议模型：交换各种不同信息 连接管理协议：处理用户的进入和退出 导航控制协议：传输变换矩阵 几何协议：压缩传输，渐进传输 动画协议：只传改变的增量信息等 场景管理协议：对象管理,分布式虚拟制造案例,武汉理工大学提出：面向分布式虚拟设计的协同工作环境,ERCP: 实体实时通信协议,使能工具 企业建模和诊断、远程设备诊断,CAX/PDM/PLM/ERP/SCM/CRM,产品资源库 制造资源库 基础数据库.,制造网络协议,基础技术体系 体系结构、标准规范、指南 .,制造网络平台 EAI,信息服务,制造工艺服务,在线/远程制造服务,应用软件服务,应用服务, ,设计协同,制造协同,商务协同,供应链协同,区域 制造网络,区域 制造网络,制造业信息化工程 技术服务中心支撑体系,区域 制造网络,Internet Intranet Extranet,过程与项目管理,制造网络-山东大学,EAI: 企业应用集成技术,联合攻击战斗机JSF,洛克希德马丁公司JSF 基于全球虚拟企业制造的飞机,JSF 采用信息技术，建立了全球30个国家50家公司参与研发的数字化协同环境，形成了无缝连接、紧密配合的全球虚拟企业，快速地实现了以数字化技术为研制基础的三种变型、四个军种、客户化程度高的飞机设计。 2006亿美元，3002 架飞机； 每架飞机成本控制在3000万美元； 首批交货在2008年； 寿命在40至50年。,JSF 从设计到飞行实行全线数字化,全球数字协同网络 整个系统实行PLM 与任何CAX系统兼容 超过50,000用户 超级保密，迅即访问 可快速和低风险地扩展 在一条生产线上生产和装配 使用同一种通用的支援和维护系统 各种机型之间的零部件/系统/设备的通用性应在80%以上,未来制造技术的发展趋势,大量生产方式,机械化自动化,常规制造技术,大量定制方式,智能化网络化,极限制造技术,单项技术应用,资源不可再生,全面技术集成,资源循环利用,物质转换功能,知识参与增值,下一代先进制造系统体系,制造企业信息系统,产品定义、设计和数据交换,生产计划和 制造执行系统,企业资源 管理与运作,信息化 基础设施,产品设计过程,产品定义和配