制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统建模及关键技术研究

摘要

随着全球市场竞争的加剧，制造业作为国家经济发展的支柱产业与核心动力，将面临前所未有的严峻挑战，为了适应复杂多变的市场环境，以物联网技术为基础的智能制造战略成为制造工业发展的新方向。机械制造业为整个国民经济提供技术装备，在国民经济发展中具有举足轻重的作用，而装配是机械产品制造过程中的最后一个生产阶段，具有对产品质量影响大、管理与作业过程复杂等特点，迫切需要通过发展和应用物联网技术来提高装配系统的智能化程度。鉴于此，论文以机械产品装配系统为研究对象，主要围绕制造业物联网环境下智能高效的机械产品装配系统的建模及关键技术展开研究，旨在提高机械产品装配过程透明化与智能化水平，为构建制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统提供一种参考模式和实现途径。
　　首先，在综述智能制造相关领域研究现状的基础上，分析了物联网的产生、内涵、基本目标及其在智能制造战略中的作用，指出了制造业应用物联网技术所面临的问题，阐述了课题研究的必要性，给出了课题的主要来源、主要研究内容和整体研究框架。
　　接着，在分析制造物联的内涵与特征的基础上，提出了制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统，定义了系统的内涵和特征，构建了系统的整体运行框架、网络物理环境及拓扑结构，提炼了系统建模的关键技术。
　　然后，围绕课题的核心研究目标，分别对系统建模的关键技术进行了深入研究，具体包括:
　　(1)为了解决制造业物联网环境下的机械产品装配资源的表达、理解、封装、传递与共享等问题，论文首先提出了制造业物联网环境下的机械产品装配资源（制造物联资源）分类方法;其次，综合利用本体元建模、语义建模等理论和方法构建了制造物联资源的层次模型、整体模型、语义模型和数据模型;最后，基于资源任务匹配与闭环映射机制，设计了制造物联资源映射与组态框架，实现制造物联资源对象的结构化处理与封装。
　　(2)针对制造业物联网环境下的机械产品装配系统多源异构数据感知、集成与交互问题，设计了制造物联资源的数据结构与编码结构，提炼了多源异构数据感知与集成框架，构建了制造业物联网环境下的生产数据交互体系。
　　(3)为了实现系统由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，采用面向对象的思想将系统抽象为由若干工艺关联、功能相互独立的装配单元组成的对象集合;据此，结合物联网技术在制造业的应用模式，提出了制造业物联网环境下的机械产品智能装配单元，提炼了智能装配单元的内涵和特性，设计了智能装配单元的结构、运行框架、作业原理以及作业控制图，并对作业控制图的实现方法进行了研究。
　　(4)针对机械产品装配过程中所存在的较多不确定性因素，在形成装配资源互联感知与集成的基础上，依据装配系统的功能层次特性，设计了一种多层动态优化体系，提炼了装配过程动态优化因子完备集，构建了基于物联熵的动态优化指标计算模型，设计了一种基于实时感知信息驱动的装配过程动态优化模型，为机械产品装配过程的实时分析和动态优化提供支撑。
　　最后，采用面向对象的赋时着色Petri网与VisObjNet仿真技术对系统进行抽象、建模和仿真，并开发了制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统原型，验证了本文所提出方法的可行性和有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 与本课题相关的国内外研究现状

1．2．1 智能制造

1．2．2 智能制造系统

1．2．3 制造过程智能化技术

1．2．4 物联网技术

1．3 课题的研究目的和意义

1．4 课题的主要来源

1．5 课题的主要研究内容及整体框架

第二章 制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统的内涵及整体运行框架

2．1 引言

2．2 机械产品装配系统概述

2．3 制造物联的内涵与特征

2．3．1 制造物联的内涵

2．3．2 制造物联的特征

2．4 MIOT-IASMP内涵与整体运行框架

2．4．1 MIOT-IASMP内涵

2．4．2 MIOT-IASMP特征

2．4．3 MIOT-IASMP运行框架

2．4．4 MIOT-IASMP网络物理环境

2．5 本章小结

第三章 制造业物联网环境下的装配资源建模与组态配置

3．1 引言

3．3 制造业物联网环境下的装配资源分类

3．3 制造业物联网环境下的装配资源分类

3．3．1 智能管控资源

3．3．2 智能标识资源

3．4 制造业物联网环境下的机械产品装配资源建模

3．4．1 制造资源建模方法概述

3．4．2 制造物联资源层次结构模型

3．4．3 制造物联资源形式化表达

3．4．4 制造物联资源整体结构模型

3．4．5 制造物联资源语义模型

3．4．6 制造物联资源数据模型

3．4．7 制造物联资源映射模型

3．5 制造业物联网环境下的装配资源组态配置

3．5．1 制造物联资源组态活动模型

3．6 制造物联资源模型之间的关系

3．7 本章小结

第四章 制造业物联网环境下的机械产品装配资源感知、集成与交互模型

4．1 引言

4．2 制造物联过程数据结构

4．2．1 在制品数据结构

4．2．2 MIOT-IAUMP数据结构

4．3 制造物联资源对象数据编码

4．4 机械产品装配过程多源异构数据感知与集成模型

4．4．1 装配过程数据多源异构性分析

4．4．2 多源异构数据感知与集成模型

4．5 制造物联过程感知数据交互模型

4．5．1 常用的数据交互模式

4．5．2 单元级数据交互模型

4．5．3 系统级数据交互模型

4．6 本章小结

第五章 制造业物联网环境下的机械产品智能装配单元

5．1 引言

5．2 制造业物联网环境下的机械产品智能装配单元概述

5．2．1 MIOT-IAUMP内涵

5．2．2 MIOT-IAUMP特性分析

5．2．3 MIOT-IAUMP结构

5．2．4 MIOT-IAUMP整体运行框架

5．3 制造业物联网环境下的机械产品智能装配单元作业原理

5．3．1 MIOT-IAUMP基本作业原理

5．3．2 MIOT-IAUMP构建步骤

5．4 制造业物联网环境下的机械产品智能装配单元运行机制

5．4．1 MIOT-IAUMP作业流程

5．4．2 MIOT-IAUMP作业控制图符号定义

5．4．3 MIOT-IAUMP作业控制图构建

5．4．4 MIOT-IAUMP作业控制图的实现方法

5．5 本章小结

第六章 基于实时感知信息驱动的装配过程动态优化模型

6．1 引言

6．2 动态优化因子及层次结构

6．2．1 动态优化因子

6．2．2 动态优化层次结构

6．3 基于物联熵的动态优化指标构建

6．3．1 信息熵定义

6．3．2 物联熵度量模型

6．3．3 基于物联熵的优化指标计算

6．4 基于实时感知信息驱动的装配过程动态优化模型

6．5 实例分析

6．5．1 物料配送动态优化系统硬件架构

6．5．2 物料配送方案动态优化流程

6．6 本章小结

第七章 基于TCOPN的MIOT-IASMP建模与仿真

7．1 引言

7．2 建模方法概述

7．3 TCOPN模型定义

7．3．1 系统TCOPN模型定义

7．3．2 单元对象模型定义

7．3．3 单元关系模型定义

7．3．4 TCOPN模型建模步骤

7．4 着色数据链构建

7．5 TCOPN模型构建

7．5．1 机械产品智能装配单元TCOPN模型

7．5．2 其他主要功能模块TCOPN模型

7．5．3 系统TCOPN模型

7．6 TCOPN模型验证与仿真

7．6．1 TCOPN模型验证

7．6．2 TCOPN模型仿真

7．7 本章小结

第八章 制造业物联网环境下的机械产品智能装配系统的实现及应用

8．1 引言

8．2 原型系统的验证平台概述

8．3 原型系统的开发环境或工具

8．4 原型系统的主要功能验证及应用

8．4．1 制造物联资源的建模与组态功能验证与应用

8．4．2 装配资源的标识、感知与集成功能验证与应用

8．4．3 其他功能验证与应用

8．4．4 部分应用效果展示

8．6 本章小结

第九章 总结和展望

9．1 总结

9．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况