基于SysML的機(jī)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)方法研究

黃國(guó)輝

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

基于SysML的機(jī)電系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)方法研究

黃國(guó)輝

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

介紹了一種支持復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的建模方法，現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中主要挑戰(zhàn)是在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的整合。即使使用高層次的抽象來(lái)管理這個(gè)數(shù)據(jù)，并“作為一個(gè)整體”分析整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師還需要保留系統(tǒng)所有低級(jí)別的信息，以便能夠在今后進(jìn)行優(yōu)化和修改。這里提出的解決方案是使用層次模型，在每一個(gè)不同層次抽象地描述系統(tǒng)，并安排其以這樣一種方式盡可能容易地使每個(gè)層次與其他層次有關(guān)系。

計(jì)算機(jī)輔助工程;系統(tǒng)建模語(yǔ)言;統(tǒng)一建模語(yǔ)言;面向?qū)ο?/p>

1 　引言

面向?qū)ο螅∣O）的方法和工具，使程序員能夠在短時(shí)間內(nèi)建立復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，同時(shí)保證高級(jí)別的可維護(hù)性。OO技術(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化出版的統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）[1]，制造系統(tǒng)正變得越來(lái)越復(fù)雜，許多研究者的開(kāi)發(fā)正努力尋找新的設(shè)計(jì)解決方案來(lái)管理這種復(fù)雜性。

在本文中，目標(biāo)是用SysML[2]提供機(jī)電制造機(jī)械建模和設(shè)計(jì)的方法，作為整合與組織層次結(jié)構(gòu)模型來(lái)描述系統(tǒng)所有方面的一個(gè)手段。說(shuō)明如何利用SysML在不同模型之間建立明確的關(guān)系，以獲得制造系統(tǒng)的理解和相關(guān)表示。

2　所提出方法概述

2.1 模型的層次結(jié)構(gòu)

三個(gè)主要層次的模型對(duì)于建模和設(shè)計(jì)制造機(jī)是必要的：

（1）細(xì)節(jié)層次。是傳統(tǒng)建?；顒?dòng)的結(jié)果，其中每個(gè)子系統(tǒng)的行為是準(zhǔn)確地模擬使用最好的工具，這可能會(huì)產(chǎn)生高的計(jì)算需求，如有限元/多體模型（高維模型），因?yàn)樗鼈儗?duì)于捕捉子系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)可能是必要的。（2）整體層次。分析整體的全部動(dòng)力學(xué)是必要的，通過(guò)接口與每個(gè)代表單個(gè)子系統(tǒng)的其他模型得到整體模型。有時(shí)，在細(xì)節(jié)層次上開(kāi)發(fā)的模型在這個(gè)層次上可以重復(fù)使用，并成為整體模型的一部分。在高維子模型的情況下，以減少它們的低階近似是可行的，這是足夠忠實(shí)于再現(xiàn)的操作條件的子系統(tǒng)行為。（3）高層次模型。一旦模型的集合被安排在細(xì)節(jié)和全局的水平，我們得到這一個(gè)層次的模型。為了管理這個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)高層次的模型是必要的。它將被用來(lái)描述一個(gè)功能和需求層次的系統(tǒng)，它也將包含需要驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)活動(dòng)的來(lái)自整體和詳細(xì)水平的所有信息。每個(gè)子模型是一個(gè)組件，可以是物理或軟件的詳細(xì)建模過(guò)程的輸出。集合接口的子模型形式的整體模型（例如機(jī)器的一部分），可能與其他整體模型形成層次結(jié)構(gòu)模型。高層次模型描述模型的層次結(jié)構(gòu)方式。陳述一個(gè)高層次的系統(tǒng)模型，通過(guò)從系統(tǒng)角度明確模型間的關(guān)系。這種高層次的模型將使用SysML開(kāi)發(fā)，與其特有的功能和物理/機(jī)電系統(tǒng)建模相關(guān)。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

高層次模型是在問(wèn)題定義階段一個(gè)多步驟的過(guò)程產(chǎn)生的（圖1），以驗(yàn)證階段的每一個(gè)步驟結(jié)束時(shí)確保設(shè)計(jì)活動(dòng)是連貫的。

高層次模型是描述系統(tǒng)的一組圖。該系統(tǒng)被描述的細(xì)節(jié)層次稱(chēng)為模型的細(xì)化級(jí)別。一個(gè)系統(tǒng)最一般的描述稱(chēng)為第一次細(xì)化，它是設(shè)計(jì)過(guò)程的起點(diǎn)，在這里只有核心概念和機(jī)器的一般結(jié)構(gòu)被完全定義。然后逐步向這個(gè)模型中添加細(xì)節(jié)獲得其他級(jí)別的細(xì)化，直到呈現(xiàn)出產(chǎn)生所有需要信息的一個(gè)完整性的可執(zhí)行模型。

一旦一個(gè)替代達(dá)到其最終的細(xì)化級(jí)別，建模過(guò)程應(yīng)該能夠產(chǎn)生高維模型和整體可執(zhí)行模型，組成系統(tǒng)的虛擬原型，所有的信息必須在系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段呈現(xiàn)。驗(yàn)證然后確定原型，一個(gè)合適的控制策略程序，是能夠滿足所有要求列出的項(xiàng)目，這是相當(dāng)于，問(wèn)題的定義階段結(jié)束。成功的虛擬原型，然后選擇成為機(jī)器的物理原型。

3　案例研究

利樂(lè)包裝解決方案公司的包裝機(jī)包裝部分的主要活動(dòng)是開(kāi)發(fā)無(wú)菌包裝系統(tǒng)，為了滿足典型的無(wú)菌包裝的強(qiáng)大的質(zhì)量/法律要求，對(duì)灌裝機(jī)采取了創(chuàng)造性的選擇：開(kāi)發(fā)滾動(dòng)-進(jìn)給（相反，空白-進(jìn)給）系統(tǒng)。一卷包裝材料滅菌的過(guò)氧化物浴在無(wú)菌室內(nèi)，然后折疊（縱向）密封在管中，充滿了產(chǎn)品最終成形，剪切（橫向）封裝到單個(gè)包。

圖1　細(xì)化過(guò)程

系統(tǒng)在分解下，成形過(guò)程中的核心部件，被稱(chēng)為顎系統(tǒng)單元（JSU）。本機(jī)模塊基本上是由兩個(gè)三自由度并聯(lián)機(jī)器人細(xì)胞組成：每個(gè)機(jī)器人的兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別叫做顎和叉，移動(dòng)由伺服電機(jī)通過(guò)皮帶輪連接而實(shí)現(xiàn)。顎和叉的速度的差異導(dǎo)致雙方的下巴打開(kāi)和關(guān)閉，這使兩個(gè)機(jī)器人折疊和形成單獨(dú)封裝的管狀包裝材料，填滿來(lái)自上面的細(xì)胞的產(chǎn)品。第三個(gè)自由度由一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械的“手指”安裝在每一個(gè)下巴，確保輕微調(diào)整到管位置，以確保在管上的圖像將出現(xiàn)在包裝上正確的位置。伺服電機(jī)移動(dòng)組件的組稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)裝置及其驅(qū)動(dòng)通過(guò)SERCOS總線連接到可編程邏輯控制器（PLC）同步運(yùn)行到機(jī)器發(fā)生的其他過(guò)程。

每個(gè)機(jī)器人還安裝一個(gè)密封裝置（一個(gè)電感，能將熔化的聚乙烯涂層和密封包裝的鋁箔橫向產(chǎn)生渦流電流）和兩個(gè)液壓缸：首先應(yīng)用于包裝材料的壓力是密封工藝的需要量；二是刀割管成單獨(dú)的包，一次由兩個(gè)機(jī)器人釋放，落在底部輸送帶。

4　結(jié)論

證明了面向?qū)ο蟮姆椒ㄈ绾紊梢粋€(gè)高層次的，復(fù)雜系統(tǒng)的全局描述。利用SysML的架構(gòu)，制定了迭代設(shè)計(jì)過(guò)程，描述了包裝機(jī)應(yīng)用例子闡述了這種方法。未來(lái)發(fā)展應(yīng)解決這種方法目前主要的局限性，主要的新語(yǔ)言SysML和軟件工具的成熟度為：這些問(wèn)題實(shí)際上是密切相關(guān)的，作為有效的工具來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)用戶社區(qū)的必要前提，而這又是能力，一旦一一確定“臨界質(zhì)量”達(dá)成，引導(dǎo)市場(chǎng)走向一個(gè)給定的標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)更廣泛的支持。

[1]G.Booch,J.Rumbaugh,and I.Jacobson,The UML User Guide. Addison-Wesley,2000.

[2]“The SysML Specification,v 1.0,”available at http:// www.sysml.org.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.162