虚拟制造技术虚拟制造系统体系结构

1、虚拟制造技术北京邮电大学自动化学院宋荆洲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

2、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

3、，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虚拟信息系统 确认和验证 技术人员客户虚拟产品 真实信息系统 样机 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

4、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、资源模型模型产品模型：产品信息在计算机上的表示。过程模型：设计过程、工艺规划过程、加工制造过程 装配过程、性能分析过程。活动模型：对企业生产组织和经营活动建立的模型 资源模型：对企业人力、物力建立的模型 产品设计进程机械电子材料能源控制力学需求功能行为结构形状工艺虚拟产品模型的特点虚拟产品模

5、型的特点T0 T1 T2 T3 T4 时间适度保真的模型维护运行成本计划管理需求后勤培训制造布局市场分析系统定义设计与分析制造、测试发射、入轨轨道运行经营的系统模型，供市场详细分析与投资决策考虑到系统各方面性能和潜在风险混合保真虚拟原型用于作成本性能分析虚拟制造和标准的生产过程，用于改进质量和生产成本仿真发射，应用MDO最小化进入轨道时间早期，逐步地用相应的、保真度也逐步提高的虚拟产品模型进行仿真分析,以减少风险、获得最大利益。虚拟企业用于无缝集成系统管理和运行功能以获得最大利益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(

6、PCVM)以控制为中心的虚拟制造(CCVM)类别特点主要目标以设计为中心在设计阶段为设计人员提供制造信息 使用基于制造的仿真以优化产品和工艺的设计 通过“在计算机上制造”产生多个“软”样机 产品设计、评价可制造性 虚拟制造系统的分类类别特点主要目标以生产为中心将仿真能力用于生产过程模型，对产品全过程进行仿真，以便寻求资源的最佳配置和生产组织、调度的最佳方式。 用于资源需求规划、生产计划的产生及评价的环境 动态的预演整个生产过程。评价可生产性 虚拟制造系统的分类类别特点主要目标以控制为中心将仿真加到控制模型和实际处理中 可“无缝”地仿真使得实际生产周期不间断地优化 解决“应该如何去控制”的问题虚

7、拟制造系统的分类设计为核心优化产品设计、工艺设计加工方案评价生产为核心优化资源选择评价工艺验证新工艺控制为核心优化车间控制优化制造过程产品概念设计CAD/CAMM1 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

8、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、V

9、PS、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研究的实验环境产品建模产品异地设计零部件分析优化快速原型生产工艺优化工具设计优化刀位控制参数优化刀位轨迹参数优化加工方案评 估虚拟实验虚拟检测工艺模型验证产品模型实验：虚拟机床生产计划仿真优化虚拟生产布局虚拟设备集成虚拟装配虚拟生产平台服务器虚拟企业平台服务器企业协同工作环境企业虚拟运行企业运行仿真产品优化设计产品性能评价可制造性评价

10、虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业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、虚拟现实虚拟开发平台虚拟设计 有限元分析 运动学分析 动力学分析虚拟加工 工艺过程优化 工具设计优化 单元工艺优化 加工过程分析虚拟装配 装配工艺规划 装配路线规划 装配分配规划 装配质量规划虚拟生产平台虚拟布局虚拟实际生产环境虚拟生产动态过程优化生产环境布局虚拟设备虚拟集成支撑环境优化集成方案虚拟调度虚拟产品生产过程优化生产调度方案虚拟企业平台协同工作环境 支持异地设计、装配、测试的环境。虚拟企业动态组合 系统集成 任务调度清华大学虚拟制造系统人机交互接

11、口个性化用户界面通讯协议和数据交换标准 ( IGES、STEP等)网络及物理链路、硬件设备产品模型、数据、只是和规则基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架虚拟设计平台虚拟加工平台虚拟控制平台界面层框架层应用层数据层协议层网络层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、

12、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

13、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用户输入应用程序显示用户1用户输入应用程序显示用户2合并输入事件广播会议Agent复制式协同应用系统的框图用户输入应用程序显示用户1用户输入显示用户2合并输入显示广播会议Agent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

14、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

15、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

16、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