基于SysML的機電系統(tǒng)建模與設計方法研究

黃國輝

（杭州電子科技大學機械工程學院,杭州 310018）

基于SysML的機電系統(tǒng)建模與設計方法研究

黃國輝

（杭州電子科技大學機械工程學院,杭州 310018）

介紹了一種支持復雜系統(tǒng)設計過程的建模方法，現(xiàn)代工業(yè)應用中主要挑戰(zhàn)是在設計過程中進行相關數(shù)據(jù)的整合。即使使用高層次的抽象來管理這個數(shù)據(jù)，并“作為一個整體”分析整個系統(tǒng)，設計師還需要保留系統(tǒng)所有低級別的信息，以便能夠在今后進行優(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層次與其他層次有關系。

計算機輔助工程;系統(tǒng)建模語言;統(tǒng)一建模語言;面向對象

1 　引言

面向對象（OO）的方法和工具，使程序員能夠在短時間內建立復雜的軟件系統(tǒng)，同時保證高級別的可維護性。OO技術達到標準化出版的統(tǒng)一建模語言（UML）[1]，制造系統(tǒng)正變得越來越復雜，許多研究者的開發(fā)正努力尋找新的設計解決方案來管理這種復雜性。

在本文中，目標是用SysML[2]提供機電制造機械建模和設計的方法，作為整合與組織層次結構模型來描述系統(tǒng)所有方面的一個手段。說明如何利用SysML在不同模型之間建立明確的關系，以獲得制造系統(tǒng)的理解和相關表示。

2　所提出方法概述

2.1 模型的層次結構

三個主要層次的模型對于建模和設計制造機是必要的：

（1）細節(jié)層次。是傳統(tǒng)建模活動的結果，其中每個子系統(tǒng)的行為是準確地模擬使用最好的工具，這可能會產(chǎn)生高的計算需求，如有限元/多體模型（高維模型），因為它們對于捕捉子系統(tǒng)的內部動態(tài)可能是必要的。（2）整體層次。分析整體的全部動力學是必要的，通過接口與每個代表單個子系統(tǒng)的其他模型得到整體模型。有時，在細節(jié)層次上開發(fā)的模型在這個層次上可以重復使用，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節(jié)和全局的水平，我們得到這一個層次的模型。為了管理這個結構，一個高層次的模型是必要的。它將被用來描述一個功能和需求層次的系統(tǒng)，它也將包含需要驅動開發(fā)活動的來自整體和詳細水平的所有信息。每個子模型是一個組件，可以是物理或軟件的詳細建模過程的輸出。集合接口的子模型形式的整體模型（例如機器的一部分），可能與其他整體模型形成層次結構模型。高層次模型描述模型的層次結構方式。陳述一個高層次的系統(tǒng)模型，通過從系統(tǒng)角度明確模型間的關系。這種高層次的模型將使用SysML開發(fā)，與其特有的功能和物理/機電系統(tǒng)建模相關。

2.2 設計過程

高層次模型是在問題定義階段一個多步驟的過程產(chǎn)生的（圖1），以驗證階段的每一個步驟結束時確保設計活動是連貫的。

高層次模型是描述系統(tǒng)的一組圖。該系統(tǒng)被描述的細節(jié)層次稱為模型的細化級別。一個系統(tǒng)最一般的描述稱為第一次細化，它是設計過程的起點，在這里只有核心概念和機器的一般結構被完全定義。然后逐步向這個模型中添加細節(jié)獲得其他級別的細化，直到呈現(xiàn)出產(chǎn)生所有需要信息的一個完整性的可執(zhí)行模型。

一旦一個替代達到其最終的細化級別，建模過程應該能夠產(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)的詳細設計階段呈現(xiàn)。驗證然后確定原型，一個合適的控制策略程序，是能夠滿足所有要求列出的項目，這是相當于，問題的定義階段結束。成功的虛擬原型，然后選擇成為機器的物理原型。

3　案例研究

利樂包裝解決方案公司的包裝機包裝部分的主要活動是開發(fā)無菌包裝系統(tǒng)，為了滿足典型的無菌包裝的強大的質量/法律要求，對灌裝機采取了創(chuàng)造性的選擇：開發(fā)滾動-進給（相反，空白-進給）系統(tǒng)。一卷包裝材料滅菌的過氧化物浴在無菌室內，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）封裝到單個包。

圖1　細化過程

系統(tǒng)在分解下，成形過程中的核心部件，被稱為顎系統(tǒng)單元（JSU）。本機模塊基本上是由兩個三自由度并聯(lián)機器人細胞組成：每個機器人的兩個關節(jié)，分別叫做顎和叉，移動由伺服電機通過皮帶輪連接而實現(xiàn)。顎和叉的速度的差異導致雙方的下巴打開和關閉，這使兩個機器人折疊和形成單獨封裝的管狀包裝材料，填滿來自上面的細胞的產(chǎn)品。第三個自由度由一個伺服驅動機械的“手指”安裝在每一個下巴，確保輕微調整到管位置，以確保在管上的圖像將出現(xiàn)在包裝上正確的位置。伺服電機移動組件的組稱為驅動裝置及其驅動通過SERCOS總線連接到可編程邏輯控制器（PLC）同步運行到機器發(fā)生的其他過程。

每個機器人還安裝一個密封裝置（一個電感，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）和兩個液壓缸：首先應用于包裝材料的壓力是密封工藝的需要量；二是刀割管成單獨的包，一次由兩個機器人釋放，落在底部輸送帶。

4　結論

證明了面向對象的方法如何生成一個高層次的，復雜系統(tǒng)的全局描述。利用SysML的架構，制定了迭代設計過程，描述了包裝機應用例子闡述了這種方法。未來發(fā)展應解決這種方法目前主要的局限性，主要的新語言SysML和軟件工具的成熟度為：這些問題實際上是密切相關的，作為有效的工具來開發(fā)一個用戶社區(qū)的必要前提，而這又是能力，一旦一一確定“臨界質量”達成，引導市場走向一個給定的標準，一個更廣泛的支持。

[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