制造系统讲座(第四章)

制造系统何汉武2/3/20231ManufacturingSystem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2/3/20232ManufacturingSystem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规模60s成本70s质量80s速度90s2/3/20233ManufacturingSystem市场竞争的新要求对市场需求的快速反应各种资源的集成与共享各种资源的合理利用基于网络的信息获取与融合网络技术创新机制虚拟现实信息技术设计与制造系统与过程分布式虚拟制造制造业的发展必然2/3/20234ManufacturingSystem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2/3/20235ManufacturingSystem最新研究进展利用DFMA技术，MD公司对MD-11型飞机压式空气门的再设计,使零件数减少36%，装配操作减少34%，重量减少107镑。美国国防先进研究工程机构创建了基于因特网的制造系统的敏捷基础结构。美国海军开发的集成制造数据环境系统中已采用美国Computervision公司研制的虚拟制造系统软件EPD.Connect。福特汽车公司的FordC3P集成系统，为公司的内给部门或其供应商提供了各种信息，使每年的成本下降了2亿多美元。波音公司的777客机，在IBM公司的计算机辅助三维交互式系统Catia的支持下，在虚拟制造环境中，由2200个工作站和8个大型机分布式处理大量数据，分别在美国、日本、巴西和澳大利亚等地生产的机身部件一次装配成功，偏差仅为0.3毫米。2/3/20236ManufacturingSystem虚拟制造对未来制造业的影响

对制造系统中的五大要素（人、管理、物流、信息流、能量流）高度集成；

促进生产过程和制造系统的优化配置，推动生产力的巨大跃升；全面改进企业的组织管理工作，及时发现问题并改进现实制造过程；

加快企业人才的培养速度，对生产人员进行操作训练以及异常工艺的应急处理等。

2/3/20237ManufacturingSystem以设计为中心的VM目标：1优化设计及优选工艺2加工方案评价产品设计概念以生产为中心的VM目标：1资源优化2选择评价工艺3验证新工艺供设计者参考的制造信息新产品模型新产品工艺产品制造信息工厂资源以控制为中心的VM目标：1优化车间控制2优化制造过程车间机床控制系统虚拟生产计划新工艺及对应的信息质量估计虚拟产品原型、成本估算CAD/CAM已有的模型和工艺日程模型逻辑模型过程模型成品模型参数虚拟制造的流派2/3/20238ManufacturingSystem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GloriaJ.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。

2/3/20239ManufacturingSystem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。

2/3/202310ManufacturingSystem虚拟制造的相关定义（3）马里兰大学EdwardLin：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。

2/3/202311ManufacturingSystem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。2/3/202312ManufacturingSystem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。

2/3/202313ManufacturingSystem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。2/3/202314ManufacturingSystem虚拟制造的特点

集成性反复性并行性人机交互性2/3/202315ManufacturingSystem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2/3/202316ManufacturingSystem虚拟制造的理论基础虚拟制造的理论基础建模理论连续系统建模离散系统建模机理建模

辩识建模

神经网络建模

模糊神经网络建模

模糊建模

实体流图法

活动周期图法

Petri网法

仿真理论连续系统仿真离散系统仿真实时仿真事件调度法活动扫描法

进程交互法

并行计算点对点通信

全局通信

并行控制与任务组

处理机拓扑

并行I/O

2/3/202317ManufacturingSystem可视化交互建模体系结构模型说明语言运行参数实验VIM环境体系结构可视化参数分析可视化VIS环境体系结构交互式用户模型生成器模型说明模型分析模型转换结果可执行模型2/3/202318ManufacturingSystem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2/3/202319ManufacturingSystem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2/3/202320ManufacturingSystem虚拟制造企业的功能

并发活动控制联盟虚拟动作分布式信息流管理设计制造优化结盟行为市场需求并发活动控制分布式信息流管理

2/3/202321ManufacturingSystem虚拟制造企业的体系结构人机交互接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2/3/202322ManufacturingSystem组织学习9.联盟治理机制4.交易成本及其它成本的期望净现值3.期望收益的净现值1.问题定义政府目标一致相互吸引共同需求5.额外的风险补偿费用6.基于净利润的选择文化2.解决方案的确定和合作机会的认知7.目标风险8.风险评估联盟障碍外部激励虚拟制造企业的决策模型2/3/202323ManufacturingSystem分布式虚拟制造企业网络Internet市场机遇机遇1机遇2机遇n企业网络成员企业虚拟企业1虚拟企业2虚拟企业32/3/202324ManufacturingSystem虚拟制造单元建模单元管理Agent任务Agent资源/资源单元Agent

多智能体结构混合式层次结构

单元管理Agent层任务Agent层资源单元/资源Agent层虚拟资源层

KQML

STEP/SDAI

各Agent间通信

与CIMS间通信

2/3/202325ManufacturingSystem基于Agent的层次结构NP,KQML任务管理Agent任务Agent（1）任务Agent（2）任务Agent（n）虚拟资源Agent(1)CIM-ISNegotiationProtocol(NP),KQML虚拟资源Agent(2)虚拟资源Agent(m)用户订单2/3/202326ManufacturingSystem仿真计算机（实体动力学模型、环境模型）

接

口

伺服控制回路物理量传感器物理效应设备物理效应设备计算机生成环境、数据库

实物系统或操作人员实时仿真系统2/3/202327ManufacturingSystem虚拟环境下的多任务仿真加工中心1加工中心2装卸站运输小车缓冲站1缓冲站2立体仓库柔性制造单元的组成2/3/202328ManufacturingSystem虚拟环境下的多任务仿真多任务系统L0运输类L11P1运毛坯P2运零件P3空闲缓冲站类L12P4有零件P5有毛坯P6空闲加工类L13P7加工P8空闲立体仓库类L14P9有加工任务P10空闲计算机管理类L15P11数据库操作FMC多任务仿真对象模型2/3/202329ManufacturingSystem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。

2/3/202330ManufacturingSystem产品虚拟装配仿真虚拟装配规划

真实的生产环境CAD系统数据表示交互式装配模拟装配序列生成装配数据库装配规划图流程图装配时间表规划者（佩戴数据手套、头盔式显示器等设备）输入接口输出结果操作界面虚拟装配规划生成器2/3/202331ManufacturingSystem虚拟装配设计环境VADE基于虚拟现实的训练系统计算机辅助过程规划系统机器人路径规划系统专用的装配设备设计VADE环境CAD环境DFA分析轨迹信息序列信息部件几何特征属性及装配信息等轨迹及序列信息设计变化的建议2/3/202332ManufacturingSystem生产线可视化仿真2/3/202333ManufacturingSystem虚拟装配的模型及装配过程2/3/202334ManufacturingSystem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

2/3/202335ManufacturingSystem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2/3/202336ManufacturingSystem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

2/3/202337ManufacturingSystem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二2/3/202338ManufacturingSystem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

使能技术之三2/3/202339ManufacturingSystem

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

使能技术之四2/3/202340ManufacturingSystem

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

使能技术之五2/3/202341ManufacturingSystem

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

使能技术之六2/3/202342ManufacturingSystem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2/3/202343ManufacturingSystem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2/3/202344ManufacturingSystem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

关键技术之三2/3/202345ManufacturingSystem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2/3/202346ManufacturingSystem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五2/3/202347ManufacturingSystem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。2/3/202348ManufacturingSystem虚拟制造的功能框图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虚拟设计虚拟制造虚拟生产虚拟企业2/3/202349ManufacturingSystem分布式虚拟制造系统体系结构人机交互接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2/3/202350ManufacturingSystem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DVE2/3/202351ManufacturingSystem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。2/3/202352ManufacturingSystem多智能体的通用框架结构客户应用服务请求Agent系统服务Agent客户环境服务环境客户应用公共服务Agent2/3/202353ManufacturingSystem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。

2/3/202354ManufacturingSystem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：

2/3/202355ManufacturingSystemDVE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

2/3/202356ManufacturingSystem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2/3/202357ManufacturingSystemDVE的发展方向建立协同虚拟环境(cooperativevirtualenvironment，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。

2/3/202358ManufacturingSystem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。2/3/202359ManufacturingSystem基于数字原型的分析与设计2/3/202360ManufacturingSystem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

2/3/202361ManufacturingSystem波音777飞机数字化装配2/3/202362ManufacturingSystem福特汽车公司的数字原型件2/3/202363ManufacturingSystem虚拟自动生产线2/3/202364ManufacturingSystem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

2/3/202365ManufacturingSystem基于多智能体的体系结构培训仿真器培训任务规划器指导器行为评估器用户接口培训用户2/3/202366ManufacturingSystem网络环境下的系统软件构成数控系统编程软件信息输入模块几何仿真软件系统物理仿真软件系统建模、智能决策模块基于网络的系统软件集成调度管理平台CAD/CAPP/CAM系统信号分析、智能诊断与预测维修软件系统数据库模型库2/3/202367ManufacturingSystem基于网络的VM培训系统2/3/202368ManufacturingSystem虚拟汽车原型2/3/202369ManufacturingSystem基于图像的虚拟布局系统原型2/3/202370ManufacturingSystem虚拟汽车设计（内部）2/3/202371Manu