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(dòng)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(biāo)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(shí)際制造過程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)，即采用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及可視化技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下群組協(xié)同工作，模擬產(chǎn)品的整個(gè)制造過程，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(píng)價(jià)，以增強(qiáng)制造過程各個(gè)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(gè)在虛擬制造技術(shù)的指導(dǎo)下，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立起來的，具有集成、開放、分布、并行、人

2、機(jī)交互等特點(diǎn)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(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問題的軟硬件系統(tǒng)。虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系虛擬制造是實(shí)際制造（真實(shí)制造）在計(jì)算機(jī)上的映射虛擬制造系統(tǒng)是通過對(duì)實(shí)際制造系統(tǒng)進(jìn)行抽象、分析、綜合得到實(shí)際生成的全部數(shù)字化模型虛擬制造的最終目標(biāo)是指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)虛擬制造是實(shí)際制造的抽象，實(shí)際制造是虛擬制造的實(shí)例幾個(gè)概念RPS: Real Physical System，真實(shí)物理系統(tǒng)RIS: Real Information System，真實(shí)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(shí)制造系統(tǒng)RPS+VIS：自動(dòng)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(shí)制造系統(tǒng)RIS+RPS計(jì)算機(jī)仿真/虛擬現(xiàn)實(shí)VPS虛擬信息系統(tǒng) 確認(rèn)和驗(yàn)證 技術(shù)人員客戶虛擬產(chǎn)品 真實(shí)信息系統(tǒng) 樣機(jī) 需求工人工 廠RPS實(shí)際產(chǎn)品 抽象與綜合虛擬制造與實(shí)際制造的關(guān)系虛擬制造系統(tǒng)的目標(biāo)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(dòng)的集成各種硬件、軟件、人員以及標(biāo)準(zhǔn)的集成虛擬制造系統(tǒng)只起一個(gè)橋梁作用虛擬世界與真實(shí)世界的集成虛擬制造系統(tǒng)與真實(shí)制造系統(tǒng)具有信息上的等價(jià)性虛擬制造系統(tǒng)的目標(biāo)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(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)分析等多通道交互、真實(shí)感輸出仿真過程用戶可以實(shí)時(shí)干預(yù)虛擬制造系統(tǒng)的目標(biāo)需求虛擬制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需求與實(shí)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(kuò)展、重用、重組滿足分布式協(xié)同工作和動(dòng)態(tài)運(yùn)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(dòng)模型、資源模型模型產(chǎn)品模型：產(chǎn)品信息在計(jì)算機(jī)上的表示。過程模型：設(shè)計(jì)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?dòng)模型：對(duì)企業(yè)生產(chǎn)組織和經(jīng)營活動(dòng)建立的模型 資源模型：對(duì)企業(yè)人力、物力建立的模型 產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程機(jī)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(diǎn)虛擬產(chǎn)品模

5、型的特點(diǎn)T0 T1 T2 T3 T4 時(shí)間適度保真的模型維護(hù)運(yùn)行成本計(jì)劃管理需求后勤培訓(xùn)制造布局市場(chǎng)分析系統(tǒng)定義設(shè)計(jì)與分析制造、測(cè)試發(fā)射、入軌軌道運(yùn)行經(jīng)營的系統(tǒng)模型，供市場(chǎng)詳細(xì)分析與投資決策考慮到系統(tǒng)各方面性能和潛在風(fēng)險(xiǎn)混合保真虛擬原型用于作成本性能分析虛擬制造和標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)過程，用于改進(jìn)質(zhì)量和生產(chǎn)成本仿真發(fā)射，應(yīng)用MDO最小化進(jìn)入軌道時(shí)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(jìn)行仿真分析,以減少風(fēng)險(xiǎn)、獲得最大利益。虛擬企業(yè)用于無縫集成系統(tǒng)管理和運(yùn)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(jì)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(diǎn)主要目標(biāo)以設(shè)計(jì)為中心在設(shè)計(jì)階段為設(shè)計(jì)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(jì) 通過“在計(jì)算機(jī)上制造”產(chǎn)生多個(gè)“軟”樣機(jī) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)可制造性 虛擬制造系統(tǒng)的分類類別特點(diǎn)主要目標(biāo)以生產(chǎn)為中心將仿真能力用于生產(chǎn)過程模型，對(duì)產(chǎn)品全過程進(jìn)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(jì)劃的產(chǎn)生及評(píng)價(jià)的環(huán)境 動(dòng)態(tài)的預(yù)演整個(gè)生產(chǎn)過程。評(píng)價(jià)可生產(chǎn)性 虛擬制造系統(tǒng)的分類類別特點(diǎn)主要目標(biāo)以控制為中心將仿真加到控制模型和實(shí)際處理中 可“無縫”地仿真使得實(shí)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(jì)為核心優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)加工方案評(píng)價(jià)生產(chǎn)為核心優(yōu)化資源選擇評(píng)價(jià)工藝驗(yàn)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(jì)CAD/CAMM1 M2 M3 M4供設(shè)計(jì)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(jì)劃質(zhì)量評(píng)估新工藝及對(duì)應(yīng)信息、如成本車間機(jī)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(jì)劃模型虛擬制造系統(tǒng)的分類 實(shí)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(shì)和最終目標(biāo)。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(jì)、制造及裝

8、配、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量管理等環(huán)節(jié)有機(jī)集成起來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程的信息、功能、過程的集成實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)作，包括異地并行發(fā)揮人在其中的能動(dòng)性實(shí)現(xiàn)人、組織、管理、技術(shù)的協(xié)同工作支持生產(chǎn)活動(dòng)、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(biāo)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(shí)體系，4個(gè)扇面（用戶、設(shè)計(jì)應(yīng)用、體系內(nèi)核、通用軟件包），4個(gè)輪圈（ 用戶界面層、應(yīng)用層、活動(dòng)層、通信層） 側(cè)重于知識(shí)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(shí)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(shí)控制器、數(shù)據(jù)瀏覽器?；顒?dòng)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(dòng)，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(yùn)作通過“虛擬總線”以統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行上海交通大學(xué)：VM研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)境產(chǎn)品建模產(chǎn)品異地設(shè)計(jì)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(jì)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(píng) 估虛擬實(shí)驗(yàn)虛擬檢測(cè)工藝模型驗(yàn)證產(chǎn)品模型實(shí)驗(yàn)：虛擬機(jī)床生產(chǎn)計(jì)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(tái)服務(wù)器虛擬企業(yè)平臺(tái)服務(wù)器企業(yè)協(xié)同工作環(huán)境企業(yè)虛擬運(yùn)行企業(yè)運(yùn)行仿真產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)可制造性評(píng)價(jià)

10、虛擬設(shè)計(jì)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(shí)際制造過程技術(shù)人員和用戶數(shù)字化模型計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬開發(fā)平臺(tái)虛擬設(shè)計(jì) 有限元分析 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 動(dòng)力學(xué)分析虛擬加工 工藝過程優(yōu)化 工具設(shè)計(jì)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(tái)虛擬布局虛擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境虛擬生產(chǎn)動(dòng)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(tái)協(xié)同工作環(huán)境 支持異地設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試的環(huán)境。虛擬企業(yè)動(dòng)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(jī)交互接

11、口個(gè)性化用戶界面通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn) ( 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(jì)平臺(tái)虛擬加工平臺(tái)虛擬控制平臺(tái)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(duì)飛機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)、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(yuǎn)程性知識(shí)領(lǐng)域的多樣性實(shí)時(shí)交互、

12、共享時(shí)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(yùn)行在中心服務(wù)器；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于同步缺點(diǎn)：所有活動(dòng)通過中心服務(wù)器，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高復(fù)制式每個(gè)客戶節(jié)點(diǎn)都復(fù)制有一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)帶寬??；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)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(jì)系統(tǒng)（同步協(xié)同建模系統(tǒng) ） 集中式 客戶機(jī)/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(fù)責(zé)建模操作的交互輸入和顯示。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、并發(fā)控制容易，但網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重、通訊延遲明顯、中心服務(wù)器易成瓶頸。 復(fù)制式 每個(gè)站點(diǎn)放置建模系統(tǒng)和存儲(chǔ)共享模型，使所有站點(diǎn)同步執(zhí)行相同的建模操作，生成

13、同樣的三維模型，實(shí)現(xiàn)同步協(xié)同建模。優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕、站點(diǎn)交互功能強(qiáng)、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(jìn)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(huì)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(huì)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(diǎn)點(diǎn)連接；使用確認(rèn)和再傳機(jī)制，可靠性高，基于流的數(shù)據(jù)語義UDP:輕量級(jí)數(shù)據(jù)傳輸方法，速度快，可靠性地，基于數(shù)據(jù)報(bào)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(jī)，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(gè)目標(biāo)主機(jī)，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(gè)確定節(jié)點(diǎn)子集IP組播的基本思想：只有組播組內(nèi)的主機(jī)(目標(biāo)主機(jī))可以接收該數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中其它主機(jī)不能收到，組播組用D類IP地址(224.0.0.0239.255.255.255)來標(biāo)識(shí)組播組的成員可以在任何時(shí)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(gè)主機(jī)可以同時(shí)是一個(gè)以上組播組的成員。一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(jìn)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(jìn)傳輸動(dòng)畫協(xié)議：只傳改變的增量信息等場(chǎng)景管理協(xié)議：對(duì)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(jì)的協(xié)同工作環(huán)境ERCP: 實(shí)體實(shí)時(shí)通信協(xié)議使能工具企業(yè)建模和診斷、遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、指南 .制造網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) EAI 信息服務(wù)制造工藝服務(wù)在線/遠(yuǎn)程制造服務(wù)應(yīng)用軟件服務(wù)應(yīng)用服務(wù) 設(shè)計(jì)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(xiàng)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(jī)JSF洛克希德馬丁公司JSF 基于全球虛擬企業(yè)制造的飛機(jī)JSF 采用信息技術(shù)，建立了全球30個(gè)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(shí)現(xiàn)了以數(shù)字化技術(shù)為研制基礎(chǔ)的三種變型、四個(gè)軍種、客戶化程度高的飛機(jī)設(shè)計(jì)。2006億美元，3002 架飛機(jī)；每架飛機(jī)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(jì)到飛行實(shí)行全線數(shù)字化全球數(shù)字協(xié)同網(wǎng)絡(luò)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)行PLM與任何CAX系統(tǒng)兼容超過50,000用戶超級(jí)保密，迅即訪問可快速和低風(fēng)險(xiǎn)地?cái)U(kuò)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(hù)系統(tǒng)各種機(jī)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(shì)大量生產(chǎn)方式機(jī)械化自動(dòng)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(xiàng)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(shí)參與增值下一代先進(jìn)制造系統(tǒng)體系制造企業(yè)