虚拟制造技术 第3章 虚拟制造系统体系结构

网络层
网络及物理链路、硬件设备
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
车间机床 及控制系统
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
虚拟制造系统的分类
类别
以 生 产 为 中 心
特点
主要目标
· 将仿真能力用于生产过程模型，对 评价 产品全过程进行仿真，以便寻求资 可生产性 源的最佳配臵和生产组织、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。
虚拟制造系统的分类
类别 以 控 制 为 中 心 特点 主要目标
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
组合
系统集成 任务调度
技 术 人 员 和 用 户
产品数据管理（PDM）
清华大学虚拟制造系统
界面层
人机交互接口
个性化用户界面
框架层
基于COBRDA（DCOM）的分布集成框架
应用层
虚拟设计 平台
虚拟加工 平台
虚拟控制 平台
数据层 产品模型、数据、只是和规则
协议层
通讯协议和数据交换标准 ( IGES、STEP等)
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
清华大学虚拟制造系统
产品建模 产品异地设计 产品优化设计 产品性能评价 零部件分析优 化 工具设计优化 刀位控制 参数优化 刀位轨迹 参数优化 可制造性评价 虚拟设计 快速原型
生产工艺优化
加工方案 评 估
虚拟制造
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
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
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
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。
维护 成本
适度保真的模型
·将仿真加到控制模型和实际处理 解决“应该 中 如何去控制” 的问题 可“无缝”地仿真使得实际生 产周期不间断地优化
虚拟制造系统的分类
CAD/CAM
设计为核心
供设计者参考、工艺、制造信息 工厂资源（人、设备）
生产为核心
产品概念设计
优化产品设计、 工艺设计 加工方案评价
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
有限元分析 运动学分析 动力学分析
虚拟布局
虚 虚拟实际生产环境 拟 虚拟生产动态过程 优化生产环境布局 生 产 虚拟设备 平 虚拟集成支撑环境 台 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 协同工作环境 支持异地设 拟 企 计、装配、测试 的环境。 业 平 台 虚拟企业动态
资源模型：对企业人力、物力建立的模型
虚拟产品模型的特点
产 品 设 计 进 程
机力 械学
需 求
功 能
行 为
结 构
形 状
电 子 材 料 能控 源制
工 艺
虚拟产品模型的特点
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
制造网络-山东大学
④ ③ ②
区域 制造网络 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
Internet Intranet Extranet
过程与项目管理
制造网络平台 EAI
应用服务
设计协同 制造协同 制造工艺服务 商务协同 供应链协同 应用软件服务 ……
信息服务
在线/远程制造服务
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
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，服务器放臵共享的建模应 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 每个站点放臵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。
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
分布式虚拟制造系统的通讯
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
虚拟制造与实际制造的关系
虚拟制造系统
VIS+VPS
虚拟信息系统
技术人员 客户
真实制造系统
RIS+RPS
虚拟产品 真实信息系统
需求 工人
实际产品
计算机仿真/ 虚拟现实
VPS
工 厂
RPS
确认和验证
样机
抽象与综合
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
CAX/PDM/PLM/ERP/SCM/CRM
使能工具
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(224.0.0.0——239.255.255.255)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 组的成员在位臵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
虚拟装配 虚拟生产
虚拟生产平台服务器
虚 拟 制 造 的 功 能 框 图
虚拟企业平台服务器 虚拟企业
企业协同工作环境
企业虚拟运行
企业运行仿真
清华大学虚拟制造系统
数字化模型 计算机仿真、虚拟现实 虚拟设计
实 际 制 造 过 程
虚 拟 开 虚拟加工 工艺过程优化 发 工具设计优化 平 单元工艺优化 台 加工过程分析
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
需求 后勤 计划管理 培训 布局
制造
运行
T0
T1
T2
时
间
T3
T4
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
类别 以 设 计 为 中 心 特点 主要目标 · 在设计阶段为设计人员提供制造 产品设计、 信息 评价 · 使用基于制造的仿真以优化产品 可制造性 和工艺的设计 通过“在计算机上制造”产生多 个“软”样机
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
分布式虚拟制造系统的框架结构
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
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。
模 型
活动模型：对企业生产组织和经营活动建立的模型
虚拟生产计划 新工艺及对应信息、如成本
M1 M2 M3 M4
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
优化资源 选择评价工艺 验证新工艺
控制为核心
M5
M6
优化车间控制 优化制造过程
质量 评估
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。
复制式协同应用系统的框图
用户1 用户 输入 应用 程序 显示
用户2
用户 输入 应用 程序 显示
合并 输入
事件 广播
会议Agent
集中式协同应用系统的框图
用户1 用户 输入 显示 用户2 用户 输入 显示
合并 输入 应用程序
显示 广播
会议Agent
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
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。