CPS環(huán)境下機械產(chǎn)品裝配過程虛擬裝配單元建模研究

王昊

（合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009）

CPS環(huán)境下機械產(chǎn)品裝配過程虛擬裝配單元建模研究

王昊

（合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，合肥 230009）

為實現(xiàn)機械產(chǎn)品裝配過程動態(tài)感知、協(xié)同交互的智能裝配目標(biāo)，在分析CPS于機械產(chǎn)品裝配過程應(yīng)用模式基礎(chǔ)上，提出CPS環(huán)境下的虛擬裝配單元（Virtual Assembly Unit，VAU）概念，然后完成單元建模和仿真交互。首先，通過分析CPS環(huán)境下機械產(chǎn)品裝配過程特點來研究裝配過程信息流動路徑及信息交互需求；其次，以裝配線工作站為研究對象，運用擴展Petri網(wǎng)將其抽象成若干具備內(nèi)部自治能力的虛擬裝配單元，VAU由單元動作功能模塊組成，以門變遷與信息庫所表示功能模塊之間的信息交互；最后，以發(fā)動機裝配中的凸輪軸涂膠工作站為例，依據(jù)工作站內(nèi)部功能邏輯和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)約束，對虛擬裝配單元功能邏輯交互進行仿真。

CPS；Petri網(wǎng)；虛擬裝配單元；交互仿真

0 引言

Rfid技術(shù)及嵌入式技術(shù)為生產(chǎn)的實時動態(tài)過程檢測與控制提供技術(shù)基礎(chǔ)[1]，IoT（Internet of Things）對于制造業(yè)影響深刻，推進了智能制造進程[2]。為了更好地實現(xiàn)生產(chǎn)要素的互聯(lián)互通，生產(chǎn)過程的網(wǎng)絡(luò)化，CPS的概念、目標(biāo)逐漸清晰[3]。

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical system，CPS）是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的智能系統(tǒng)[4]。計算系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合，賦予了CPS特有的空間屬性，文獻[5]在時間Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了空間因素，構(gòu)造了時空Petri網(wǎng)模型，文獻[6]提出以分布式代理為模塊的交互媒介的結(jié)構(gòu)，理順模塊間的信息交互。文獻[7]用顏色對裝配資源進行分類,并將裝配資源Agent內(nèi)部行為進行封裝,構(gòu)建了單元Agent，具有對象化的思維。伯克利大學(xué)的愛德華·李提出了“信息系統(tǒng)物理化，物理系統(tǒng)信息化”的概念，來解決物理實體與信息實體的建模及二者交互的問題。文獻[8]以面向?qū)ο蟮臅r間著色Petri網(wǎng)為工具搭建了管控一體平臺，完成物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)建模。

因此，文中面向CPS環(huán)境下的機械產(chǎn)品裝配過程，以裝配工作站為研究對象，利用擴展Petri網(wǎng)，抽象出基本動作模塊并完成建模，在基本動作模塊基礎(chǔ)上，構(gòu)造出虛擬裝配單元模型；根據(jù)單元內(nèi)部邏輯與信息交互需求，對虛擬裝配單元工作機制進行交互仿真，驗證交互有效性、建模可行性。

1 CPS環(huán)境下機械產(chǎn)品裝配單元資源分析

計算實體[9-10]（LP）層資源是由諸如可編程處理器、服務(wù)器等具有自主傳輸、數(shù)據(jù)存儲與邏輯判斷能力的實體組成的集合，是CPS環(huán)境下裝配單元的核心部分，負責(zé)整個單元的控制邏輯、資源分配，處于信息流的頂端。物理實體(PE)層是數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，包括設(shè)備動作、質(zhì)量數(shù)據(jù)、資源動態(tài)等數(shù)據(jù)，涵蓋感知設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、人員、物料等底層實體。信息交互（EN）層為整條信息流提供各類接口服務(wù)，在數(shù)據(jù)安全、協(xié)議轉(zhuǎn)換等方面有極重要的地位。裝配單元資源架構(gòu)如圖1所示。

2 基于擴展Petri網(wǎng)的虛擬裝配單元建模

2.1 Petri網(wǎng)建模基本定義

將現(xiàn)場物理實體對象與裝配規(guī)則、狀態(tài)等映射為庫所；改變系統(tǒng)狀態(tài)的事件、資源的消耗、信息獲取使用等映射為變遷。有時間屬性的變遷為延時變遷，具有著色功能的變遷完成決策，門變遷是單元內(nèi)部模塊之間進行交互的接口，用來表示信息交互；有向弧代表庫所與變遷之間的信息流、物料流及工藝方向等。定義庫所與變遷如圖2所示：普通庫所設(shè)備庫所，物料庫所，信息庫所虛擬庫所普通變遷，延時變遷決策變遷接口變遷（，虛擬變遷

圖2 Petri網(wǎng)基本符號

基本動作模塊。機械產(chǎn)品裝配過程中為了完成某一最小邏輯功能而涉及到的軟硬件組成的最小實體的功能性集合。

標(biāo)識模塊[11-12]（ID_mod）。負責(zé)標(biāo)識產(chǎn)品，具有識別與被識別的功能，是識別與監(jiān)測產(chǎn)品的物理實體抽象模型組合。

感知模塊（SE_mod）。負責(zé)產(chǎn)品及環(huán)境變化的感知，主要感知產(chǎn)品的坐標(biāo)、姿態(tài)以及產(chǎn)品對象的到位及離開等基本物理狀態(tài)。

執(zhí)行模塊（EX_mod）。負責(zé)接收和完成動作指令的執(zhí)行器，完成要求動作的輸出并將動作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)給出相應(yīng)反饋。

交互模塊（IN_mod）。負責(zé)獲將指定信息發(fā)送至相關(guān)模塊或者其它單元，完成信息的傳輸。

狀態(tài)模塊（ST_mod）。負責(zé)監(jiān)控所在單元基本狀態(tài)，如網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)。

2.2 虛擬裝配單元定義與建模

虛擬裝配單元（Virtual Assembly Unit，VAU）定義：抽象CPS環(huán)境下機械產(chǎn)品裝配過程物理實體的動態(tài)、靜態(tài)屬性，結(jié)合單元邏輯并融合計算實體，構(gòu)成的能夠獨立完成數(shù)據(jù)采集、信息交互與動作調(diào)控等功能的抽象模型。

以工作站為單位，結(jié)合工作站的物理實體、計算實體和單元顏色集合來構(gòu)建虛擬裝配單元OCPN(Objectoriented Colored Petri Net,OCPN)Petri網(wǎng)模型[13-14]。OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj）Petri網(wǎng)模型由4個元素組元，下標(biāo)j以區(qū)別不同的VAU；MPj={MPi,1,2,··,n,n∈N}，MPi是VAU中對象化的單元基本動作模塊集合，VAU根據(jù)工作站功能的不同來配置單元動作功能模塊，在VAU中主要負責(zé)交互接口與功能實現(xiàn)，是VAU的主體部分。PEj={PEi,1,2,··,n,n∈N}，為上文定義的環(huán)境范圍內(nèi)物理實體抽象而成的四元組模型PEj=（EID,EPRO,EINT,ESTATE），包含了工作站物理實體的實時靜態(tài)、動態(tài)屬性信息，以實現(xiàn)VAU的動態(tài)可解析化、可視化等功能。LPj={LPi,1,2,··,n,n∈N},表示VAU中物理實體與模塊間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，資源調(diào)用協(xié)議與執(zhí)行方案、上層數(shù)據(jù)配置信息、隊列處理邏輯等，是VAU的計算中樞。CPj={CPi,1,2,··,n,n∈N}，是單元中令牌顏色集合，代表邏輯條件的滿足與否，能夠表征裝配過程中產(chǎn)品基本信息、合格信息、隊列信息及產(chǎn)品在不同單元間流動及所需處理模式的差異等。虛擬裝配單元運行邏輯如圖3所示。

圖3 虛擬裝配單元運行邏輯圖

3 基于VAU的裝配單元自治交互仿真分析

基于VAU的資源集合方式、運行邏輯，以發(fā)動機裝配過程中涂膠工作站為例構(gòu)建VAU單元并完成自治實例解析。由單元模型OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj），和涂膠工作站硬件配置可得5個模塊組成虛擬涂膠單元。各個模塊的物理實體有={Rfid讀寫器，電子標(biāo)簽}={停止器，金屬傳感器，紅外線傳感器，視覺圖像傳感器，電磁閥}={OPC中間軟件，PLC，交換機等}={視覺相機，涂膠設(shè)備，電磁閥，停止器等}，{網(wǎng)絡(luò)及電力狀態(tài)監(jiān)控}。VAU物理實體集合：PEb2={視覺相機，涂膠設(shè)備，停止器，電磁閥，Rfid讀寫器···}，而且PEb2是靜態(tài)屬性與動態(tài)屬性的解析與追溯數(shù)據(jù)源。LPb2={PLC控制器，服務(wù)器數(shù)據(jù)配置，服務(wù)器執(zhí)行邏輯配置}。基于VAU的涂膠工作站交互仿真如圖4所示。

圖4 基于VAU的涂膠工作站交互仿真

4 結(jié)語

文中從對象化建模的角度，結(jié)合CPS思想，構(gòu)建了VAU的OCPN模型，在VAU模型的基礎(chǔ)上完成了單元自治仿真，此模型具有如下特點：1）該虛擬裝配單元模型具有較高的可解析性，通過索引可以實現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)的實時監(jiān)控。2）單元內(nèi)信息交互暢通，實現(xiàn)互聯(lián)互通、消除信息孤島，涉及的思想可以為智能工廠建模提供參考。

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Research on Virtual Assembly Unit Modeling of Mechanical Assembly Process under the Environment of CPS

WANG Hao
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

In order to realize the intelligent assembly target of dynamic sensing and collaborative interaction of mechanical product assembly process,this paper analyzes CPS and application model of mechanical product assembly process,and proposes the concept of virtual assembly unit(VAU)under CPS environment.Unit modeling and simulation interaction are achieved.Firstly,the flow path and information interaction of the assembly process information are analyzed based on the characteristics of the mechanical product assembly process in the CPS environment.Secondly,the assembly line workstation is used as the research object,and the extended Petri net is used to abstract it into several virtual assembly units with internal self-control capability.The VAU consists of the unit action function module,gate transition andfunction module are used to represent information interaction.Taking the camshaft gluing workstation in the engine assembly as an example,the functional logic interaction of the virtual assembly unit is simulated according to the functional logic and the operation standard of the workstation.

CPS;Petri net;virtual assembly unit;interactive simulation

TH 166

A

1002－2333（2018）01－0086－03

（編輯昊 天）

王昊（1990—），男，碩士研究生，研究方向為制造過程監(jiān)測與控制。

2017-03-30