虛擬制造環(huán)境的信息規(guī)范及其Z描述研究.pdf

1、虛擬制造技術因能在產品實際制造之前，在計算機中模擬產品生產制造的不同過程，從而及時發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化生產，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VR平臺上定制開發(fā)專用的虛擬制造系統(tǒng)的方法，由于能夠滿足企業(yè)多方面的復合需求，而應用廣泛，但這種途徑的開發(fā)難度較大。本文通過分析指出數(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、臺之外應設計一個虛擬制造通用平臺，由該平臺定義規(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)在表達制造相關數(shù)據(jù)時，沒有規(guī)范數(shù)據(jù)模型可以參照，在數(shù)據(jù)共享時，缺乏產品制造信息規(guī)范。本文通過分析指出，要實現(xiàn)虛擬制造系統(tǒng)的快速創(chuàng)建與數(shù)據(jù)共享，就有必要對制造數(shù)據(jù)進行規(guī)范化研究。
　　 在虛擬制造通用平臺的很多研究內容中，本文在分析了通用平臺的功能定位和模型構成的基礎上，選擇通用平臺的形式化開發(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內容。
　　 在工具選擇上，由于形式化方法與面向過程和面向對象兩類方法相比，在系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的描述方面更嚴謹、準確、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，并進行相關數(shù)據(jù)的形式化規(guī)范研究。
　　 通過綜合分析和總結規(guī)范化方法的步驟和工具，本文提出了虛擬制造通用平臺制造數(shù)據(jù)的規(guī)范描述方案，利用Z語言形式化地描述了與制造相關的產品、資源和過程模型，并在此基礎上

4、采用基于元模型的規(guī)范化技術對相關數(shù)據(jù)進行了文本設計。
　　 本文提出的虛擬制造通用開發(fā)平臺，有助于形成一種新的虛擬制造系統(tǒng)開發(fā)模式或構建途徑，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)范化設計的結果，可以實現(xiàn)虛擬制造通用開發(fā)平臺的數(shù)據(jù)規(guī)范化，有助于實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，對虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)和系統(tǒng)集成有重要的指導意義和應用價值。
　　 完成的主

5、要研究工作包括：
　　 (1)研究了基于Z語言的虛擬制造系統(tǒng)形式化描述過程，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。
　　 針對面向過程和面向對象的開發(fā)方法在使用自然語言或圖形符號描述系統(tǒng)時，可能存在冗余、錯誤、矛盾的現(xiàn)狀，本文采用具有嚴格數(shù)學基礎的形式化技術描述系統(tǒng)。研究了如何以集合的觀點描述虛擬制造系統(tǒng)，按照Z語言描述的一般過程，對較高層次的虛擬制造系統(tǒng)進行了完整的形式化描述。并指出了在通用平臺制造信息

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)中產品模型的Z語言形式化描述技術。
　　 按照形式化方法的要求，從集合的觀點，將產品模型設計為通用屬性、零件、部件、拓撲關系、裝配及機構約束、各種精度屬性(含尺寸精度、形狀位置公差、表面結構、配合等)以及各種基準等要素的集合。
　　 在分析虛擬制造系統(tǒng)對產品模型在顯示方便性、可編輯性、工程語義等方面要求的基礎上，提出了一種能夠表達各種

7、產品工程語義的產品模型。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品幾何模型。該幾何模型保留了現(xiàn)有規(guī)范對產品最終表面的描述，不改變現(xiàn)有規(guī)范便于顯示的特點，同時增加了產品造型過程描述，并將最終狀態(tài)表面與產品造型過程進行了關聯(lián)，支持了對產品造型過程和加工工藝的描述。在產品模型中設計了產品特征表面層，能夠支持產品裝配關系的描述。在產品模型中設計增加了基準要素集合的描述，能夠支持產品尺寸、形位公差、配合精度、表面結構等

8、工程信息的描述。
　　 在裝配和機構約束方面，設計了兩種描述方法。一種是采用裝配法描述零部件間的靜態(tài)位置關系，一種是采用運動副鏈接法描述零部件間的動態(tài)運動約束關系。鏈接法通過父子構件間的位姿關系和運動關系完成構件間運動約束關系的定義，能夠滿足軸數(shù)不限、平動或轉動方向任意的串聯(lián)結構機床的機構模型表達。
　　 拓撲關系方面，解決了使用Z語言描述產品零部件間的包含關系，零件與CSG模型及B-rep模型的關聯(lián)關系，以及B-rep

9、模型內部的層次關系等關鍵問題。
　　 同時對于各Z語言模式中使用的類型，按照從上到下的層次順序，逐步進行了細化描述，基本完成了一個兼顧顯示、可編輯特性的，并包含制造信息的產品模型的Z語言形式化描述。
　　 (3)研究了虛擬制造系統(tǒng)中資源模型的Z語言形式化描述技術。
　　 從集合的觀點，本文將設備資源模型設計為通用屬性、構成設備的零部件集合、零部件間的拓撲關系集合、操作面板集合、操作控制關系集合、可動零部件集合、不

10、可動零部件集合、以及功能類型等要素的集合。除去在產品模型部分已經完成的部分外，本文重點描述了設備的操作面板、操作控制過程、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、動靜態(tài)文本、旋鈕、按鈕五類，本文分別對五類組件進行了Z語言描述，并完成了操作面板模式的定義。
　　 在操作控制過程方面，采用了基于元模型建立操作控制過程模型的方法，并提出了一種設備操作控制過程元模型。該元模

11、型定義每個操作控制過程都由標志節(jié)點、連接弧和受控運動節(jié)點三種元素構成，每個受控運動節(jié)點都包括驅動部件、從動部件、運動模式、相關數(shù)據(jù)、扇入及扇出邏輯節(jié)點共六類要素。同時本文設計了基于此元模型進行操作控制過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程的建模方法，使建模更簡單、易于理解。
　　 在功能屬性方面，根據(jù)面向生產類的虛擬制造系統(tǒng)需求，設計采用抽象功能、狀態(tài)集、規(guī)則集簡要描述各類資源的功能屬性。為區(qū)分部件的運動能力

12、，將部件分為有動力運動、有動力靜止、無動力運動、無動力靜止四類，同時，為區(qū)分運動能力和承載狀態(tài)的不同，為部件設計了四種主從運動狀態(tài)。解決了抽象功能和狀態(tài)集的Z語言描述問題。
　　 (4)研究了面向生產的過程模型的Z語言形式化描述技術。
　　 從集合和狀態(tài)的角度，將生產過程設計為具有相同生產方案的同種產品的制造過程模型的集合。
　　 在制造過程模型的設計中，本文在深入研究了工作流過程元模型、企業(yè)生產中的“方法研究分

13、析技術”、及過程描述的圖形工具IDEF3的基礎上，提出了面向車間加工、裝配的虛擬制造系統(tǒng)過程元模型。按照該過程元模型，一個制造過程被設計為開始節(jié)點、終止節(jié)點、任務節(jié)點、控制連接弧、單對節(jié)點運輸弧、多對節(jié)點運輸弧等要素的集合。每個過程模型都由子過程和過程核心元素組成，過程核心元素包括節(jié)點和連接弧，節(jié)點和連接弧都包含產品、資源、相關數(shù)據(jù)和轉移條件四個要素，分別回答加工裝配過程中處理什么產品、用什么設備、采用什么方式處理，處理之后產品去向哪里

14、的問題。活動由節(jié)點表示，包括三種標志節(jié)點、七種任務節(jié)點，每種任務節(jié)點分別對應固定資源中的一個設備；連接弧兩端各連接一個節(jié)點，根據(jù)是否涉及產品運輸，分為控制連接弧和對象連接弧兩種，對于只表達節(jié)點間順序關系的連接，采用控制連接弧，對于除順序關系外還涉及產品運輸?shù)?，采用對象連接弧。設備資源，分為固定資源和運輸資源，固定資源必須關聯(lián)某任務節(jié)點，而運輸資源則與對象連接弧關聯(lián)。
　　 同時，借鑒活動網(wǎng)絡圖方法，本文還針對該過程元模型，設計了

15、一種生產過程的圖形描述工具，具體包括九種符號。任務節(jié)點符號的設計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、暫存和存儲四要素的描述符號，運輸要素轉由對象連接弧，另外增加了裝配、合成、拆分等任務及相應符號。
　　 企業(yè)車間加工和裝配過程建模的示例，驗證了上述元模型的有效性。
　　 (5)進行了虛擬制造系統(tǒng)產品、資源、生產過程模型規(guī)范文本設計。
　　 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)平臺的功能需要，并實現(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，需要對虛擬制造系統(tǒng)的產品、資源、過程等相關數(shù)據(jù)進行規(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)范化方法三個步驟，第一步數(shù)據(jù)及其關系描述方面，使用了本文前面利用UML對產品、資源、過程模型的描述成果；第二步數(shù)據(jù)屬性描述方面，使用了前面相關模型的Z語言描述成果；第三步共享技術研究方面，本文在參考ST

17、EP文本的基礎上，設計了相關模型的規(guī)范文本。
　　 簡而言之，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)的更廣泛應用，有必要研究虛擬制造系統(tǒng)的通用開發(fā)平臺，并圍繞其開展相關研究。本文選擇了通用平臺的形式化開發(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內容。給出了采用Z語言開發(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)。設計了通用平臺中的制造信息模型，并