虛擬制造環(huán)境的信息規(guī)范及其Z描述研究.pdf

1、虛擬制造技術(shù)因能在產(chǎn)品實(shí)際制造之前，在計(jì)算機(jī)中模擬產(chǎn)品生產(chǎn)制造的不同過(guò)程，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化生產(chǎn)，避免重大失誤，而受到廣泛重視。
　　 虛擬制造系統(tǒng)有兩種開發(fā)途徑，其中在虛擬現(xiàn)實(shí)VR平臺(tái)上定制開發(fā)專用的虛擬制造系統(tǒng)的方法，由于能夠滿足企業(yè)多方面的復(fù)合需求，而應(yīng)用廣泛，但這種途徑的開發(fā)難度較大。本文通過(guò)分析指出數(shù)據(jù)模型、規(guī)范的接口文件、仿真工具是影響虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)效率的重要因素。為提高虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)效率，本文提出在VR平

2、臺(tái)之外應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬制造通用平臺(tái)，由該平臺(tái)定義規(guī)范的數(shù)據(jù)模型，并提供規(guī)范接口和仿真工具。
　　 另外，虛擬制造系統(tǒng)在表達(dá)制造相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，沒有規(guī)范數(shù)據(jù)模型可以參照，在數(shù)據(jù)共享時(shí)，缺乏產(chǎn)品制造信息規(guī)范。本文通過(guò)分析指出，要實(shí)現(xiàn)虛擬制造系統(tǒng)的快速創(chuàng)建與數(shù)據(jù)共享，就有必要對(duì)制造數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化研究。
　　 在虛擬制造通用平臺(tái)的很多研究?jī)?nèi)容中，本文在分析了通用平臺(tái)的功能定位和模型構(gòu)成的基礎(chǔ)上，選擇通用平臺(tái)的形式化開發(fā)方法、制造模型的

3、形式化描述、制造模型的數(shù)據(jù)規(guī)范化作為本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
　　 在工具選擇上，由于形式化方法與面向過(guò)程和面向?qū)ο髢深惙椒ㄏ啾龋谙到y(tǒng)及數(shù)據(jù)的描述方面更嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確、清晰，因此，本文研究如何使用形式化方法開發(fā)虛擬制造系統(tǒng)平臺(tái)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的形式化規(guī)范研究。
　　 通過(guò)綜合分析和總結(jié)規(guī)范化方法的步驟和工具，本文提出了虛擬制造通用平臺(tái)制造數(shù)據(jù)的規(guī)范描述方案，利用Z語(yǔ)言形式化地描述了與制造相關(guān)的產(chǎn)品、資源和過(guò)程模型，并在此基礎(chǔ)上

4、采用基于元模型的規(guī)范化技術(shù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了文本設(shè)計(jì)。
　　 本文提出的虛擬制造通用開發(fā)平臺(tái)，有助于形成一種新的虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)模式或構(gòu)建途徑，能夠降低虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)難度；其次，形式化方法的使用利于開發(fā)出高穩(wěn)定性、高可靠性的虛擬制造系統(tǒng)；而且，形式化描述和規(guī)范化設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)虛擬制造通用開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)規(guī)范化，有助于實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，對(duì)虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)和系統(tǒng)集成有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 完成的主

5、要研究工作包括：
　　 (1)研究了基于Z語(yǔ)言的虛擬制造系統(tǒng)形式化描述過(guò)程，并指出了基于此形式化方法的各類虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)模式。
　　 針對(duì)面向過(guò)程和面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法在使用自然語(yǔ)言或圖形符號(hào)描述系統(tǒng)時(shí)，可能存在冗余、錯(cuò)誤、矛盾的現(xiàn)狀，本文采用具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的形式化技術(shù)描述系統(tǒng)。研究了如何以集合的觀點(diǎn)描述虛擬制造系統(tǒng)，按照Z(yǔ)語(yǔ)言描述的一般過(guò)程，對(duì)較高層次的虛擬制造系統(tǒng)進(jìn)行了完整的形式化描述。并指出了在通用平臺(tái)制造信息

6、元數(shù)據(jù)的支持下，各類虛擬制造系統(tǒng)相似的開發(fā)模式。
　　 (2)研究了虛擬制造系統(tǒng)中產(chǎn)品模型的Z語(yǔ)言形式化描述技術(shù)。
　　 按照形式化方法的要求，從集合的觀點(diǎn)，將產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)為通用屬性、零件、部件、拓?fù)潢P(guān)系、裝配及機(jī)構(gòu)約束、各種精度屬性(含尺寸精度、形狀位置公差、表面結(jié)構(gòu)、配合等)以及各種基準(zhǔn)等要素的集合。
　　 在分析虛擬制造系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品模型在顯示方便性、可編輯性、工程語(yǔ)義等方面要求的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠表達(dá)各種

7、產(chǎn)品工程語(yǔ)義的產(chǎn)品模型。其中在幾何模型部分，提出了一種CSG和B-rep相融合的基于特征的產(chǎn)品幾何模型。該幾何模型保留了現(xiàn)有規(guī)范對(duì)產(chǎn)品最終表面的描述，不改變現(xiàn)有規(guī)范便于顯示的特點(diǎn)，同時(shí)增加了產(chǎn)品造型過(guò)程描述，并將最終狀態(tài)表面與產(chǎn)品造型過(guò)程進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，支持了對(duì)產(chǎn)品造型過(guò)程和加工工藝的描述。在產(chǎn)品模型中設(shè)計(jì)了產(chǎn)品特征表面層，能夠支持產(chǎn)品裝配關(guān)系的描述。在產(chǎn)品模型中設(shè)計(jì)增加了基準(zhǔn)要素集合的描述，能夠支持產(chǎn)品尺寸、形位公差、配合精度、表面結(jié)構(gòu)等

8、工程信息的描述。
　　 在裝配和機(jī)構(gòu)約束方面，設(shè)計(jì)了兩種描述方法。一種是采用裝配法描述零部件間的靜態(tài)位置關(guān)系，一種是采用運(yùn)動(dòng)副鏈接法描述零部件間的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系。鏈接法通過(guò)父子構(gòu)件間的位姿關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系完成構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系的定義，能夠滿足軸數(shù)不限、平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)方向任意的串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床的機(jī)構(gòu)模型表達(dá)。
　　 拓?fù)潢P(guān)系方面，解決了使用Z語(yǔ)言描述產(chǎn)品零部件間的包含關(guān)系，零件與CSG模型及B-rep模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及B-rep

9、模型內(nèi)部的層次關(guān)系等關(guān)鍵問(wèn)題。
　　 同時(shí)對(duì)于各Z語(yǔ)言模式中使用的類型，按照從上到下的層次順序，逐步進(jìn)行了細(xì)化描述，基本完成了一個(gè)兼顧顯示、可編輯特性的，并包含制造信息的產(chǎn)品模型的Z語(yǔ)言形式化描述。
　　 (3)研究了虛擬制造系統(tǒng)中資源模型的Z語(yǔ)言形式化描述技術(shù)。
　　 從集合的觀點(diǎn)，本文將設(shè)備資源模型設(shè)計(jì)為通用屬性、構(gòu)成設(shè)備的零部件集合、零部件間的拓?fù)潢P(guān)系集合、操作面板集合、操作控制關(guān)系集合、可動(dòng)零部件集合、不

10、可動(dòng)零部件集合、以及功能類型等要素的集合。除去在產(chǎn)品模型部分已經(jīng)完成的部分外，本文重點(diǎn)描述了設(shè)備的操作面板、操作控制過(guò)程、及功能屬性。
　　 操作控制面板方面，通常根據(jù)功能和形式不同，面板組件被分為輸出顯示區(qū)、指示燈、動(dòng)靜態(tài)文本、旋鈕、按鈕五類，本文分別對(duì)五類組件進(jìn)行了Z語(yǔ)言描述，并完成了操作面板模式的定義。
　　 在操作控制過(guò)程方面，采用了基于元模型建立操作控制過(guò)程模型的方法，并提出了一種設(shè)備操作控制過(guò)程元模型。該元模

11、型定義每個(gè)操作控制過(guò)程都由標(biāo)志節(jié)點(diǎn)、連接弧和受控運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)三種元素構(gòu)成，每個(gè)受控運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)都包括驅(qū)動(dòng)部件、從動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)模式、相關(guān)數(shù)據(jù)、扇入及扇出邏輯節(jié)點(diǎn)共六類要素。同時(shí)本文設(shè)計(jì)了基于此元模型進(jìn)行操作控制過(guò)程建模的圖形描述方法。元模型的提出統(tǒng)一了資源操作控制過(guò)程的建模方法，使建模更簡(jiǎn)單、易于理解。
　　 在功能屬性方面，根據(jù)面向生產(chǎn)類的虛擬制造系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)采用抽象功能、狀態(tài)集、規(guī)則集簡(jiǎn)要描述各類資源的功能屬性。為區(qū)分部件的運(yùn)動(dòng)能力

12、，將部件分為有動(dòng)力運(yùn)動(dòng)、有動(dòng)力靜止、無(wú)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)、無(wú)動(dòng)力靜止四類，同時(shí)，為區(qū)分運(yùn)動(dòng)能力和承載狀態(tài)的不同，為部件設(shè)計(jì)了四種主從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。解決了抽象功能和狀態(tài)集的Z語(yǔ)言描述問(wèn)題。
　　 (4)研究了面向生產(chǎn)的過(guò)程模型的Z語(yǔ)言形式化描述技術(shù)。
　　 從集合和狀態(tài)的角度，將生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)為具有相同生產(chǎn)方案的同種產(chǎn)品的制造過(guò)程模型的集合。
　　 在制造過(guò)程模型的設(shè)計(jì)中，本文在深入研究了工作流過(guò)程元模型、企業(yè)生產(chǎn)中的“方法研究分

13、析技術(shù)”、及過(guò)程描述的圖形工具IDEF3的基礎(chǔ)上，提出了面向車間加工、裝配的虛擬制造系統(tǒng)過(guò)程元模型。按照該過(guò)程元模型，一個(gè)制造過(guò)程被設(shè)計(jì)為開始節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)、任務(wù)節(jié)點(diǎn)、控制連接弧、單對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸弧、多對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸弧等要素的集合。每個(gè)過(guò)程模型都由子過(guò)程和過(guò)程核心元素組成，過(guò)程核心元素包括節(jié)點(diǎn)和連接弧，節(jié)點(diǎn)和連接弧都包含產(chǎn)品、資源、相關(guān)數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)移條件四個(gè)要素，分別回答加工裝配過(guò)程中處理什么產(chǎn)品、用什么設(shè)備、采用什么方式處理，處理之后產(chǎn)品去向哪里

14、的問(wèn)題?；顒?dòng)由節(jié)點(diǎn)表示，包括三種標(biāo)志節(jié)點(diǎn)、七種任務(wù)節(jié)點(diǎn)，每種任務(wù)節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)固定資源中的一個(gè)設(shè)備；連接弧兩端各連接一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)是否涉及產(chǎn)品運(yùn)輸，分為控制連接弧和對(duì)象連接弧兩種，對(duì)于只表達(dá)節(jié)點(diǎn)間順序關(guān)系的連接，采用控制連接弧，對(duì)于除順序關(guān)系外還涉及產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)?，采用?duì)象連接弧。設(shè)備資源，分為固定資源和運(yùn)輸資源，固定資源必須關(guān)聯(lián)某任務(wù)節(jié)點(diǎn)，而運(yùn)輸資源則與對(duì)象連接弧關(guān)聯(lián)。
　　 同時(shí)，借鑒活動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖方法，本文還針對(duì)該過(guò)程元模型，設(shè)計(jì)了

15、一種生產(chǎn)過(guò)程的圖形描述工具，具體包括九種符號(hào)。任務(wù)節(jié)點(diǎn)符號(hào)的設(shè)計(jì)部分繼承了工程分析中的流程程序圖五要素，其中完整保留了操作、檢驗(yàn)、暫存和存儲(chǔ)四要素的描述符號(hào)，運(yùn)輸要素轉(zhuǎn)由對(duì)象連接弧，另外增加了裝配、合成、拆分等任務(wù)及相應(yīng)符號(hào)。
　　 企業(yè)車間加工和裝配過(guò)程建模的示例，驗(yàn)證了上述元模型的有效性。
　　 (5)進(jìn)行了虛擬制造系統(tǒng)產(chǎn)品、資源、生產(chǎn)過(guò)程模型規(guī)范文本設(shè)計(jì)。
　　 分析了目前虛擬制造系統(tǒng)間可共享交換的數(shù)據(jù)少，

16、且產(chǎn)品模型僅限于幾何模型規(guī)范的現(xiàn)狀。為了滿足虛擬制造通用開發(fā)平臺(tái)的功能需要，并實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)虛擬仿真環(huán)境的快速重建與數(shù)據(jù)共享，需要對(duì)虛擬制造系統(tǒng)的產(chǎn)品、資源、過(guò)程等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化研究。
　　 依據(jù)目前廣泛使用的基于元模型的數(shù)據(jù)規(guī)范化方法三個(gè)步驟，第一步數(shù)據(jù)及其關(guān)系描述方面，使用了本文前面利用UML對(duì)產(chǎn)品、資源、過(guò)程模型的描述成果；第二步數(shù)據(jù)屬性描述方面，使用了前面相關(guān)模型的Z語(yǔ)言描述成果；第三步共享技術(shù)研究方面，本文在參考ST

17、EP文本的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相關(guān)模型的規(guī)范文本。
　　 簡(jiǎn)而言之，為了提高虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)效率，從而促使虛擬制造系統(tǒng)的更廣泛應(yīng)用，有必要研究虛擬制造系統(tǒng)的通用開發(fā)平臺(tái)，并圍繞其開展相關(guān)研究。本文選擇了通用平臺(tái)的形式化開發(fā)方法、制造模型的形式化描述、制造模型的數(shù)據(jù)規(guī)范化作為本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。給出了采用Z語(yǔ)言開發(fā)虛擬制造系統(tǒng)的一般方法和模式，采用形式化的開發(fā)方法有利于開發(fā)出高可靠性、高安全性的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了通用平臺(tái)中的制造信息模型，并