芮延年，趙根林，管淼，廖黎莉，沈銘，蔣澄燦

（1.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215021;2.常熟理工學(xué)院，江蘇常熟 215500）

0 概述

“基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造”是近年來(lái)新提出的一種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造模式，受到了國(guó)內(nèi)外眾多研究單位與制造商的重視。

物聯(lián)網(wǎng)（intemet of things，IOT;也稱(chēng)為 web of things）是指通過(guò)各種信息傳感元件，如壓力傳感器、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)對(duì)任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，進(jìn)行識(shí)別、管理和控制。

物聯(lián)網(wǎng)通常指的是將無(wú)處不在的末端設(shè)備（devices）和設(shè)施（facilities），包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”（enabled）。如貼上RFID的各種資產(chǎn)（assets）、攜帶無(wú)線終端的個(gè)人與車(chē)輛等“智能化物件”，通過(guò)各種無(wú)線和有線的長(zhǎng)距離或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通（M2M）、應(yīng)用大集成（grand integration），以及基于云計(jì)算的SaaS營(yíng)運(yùn)等模式，在內(nèi)網(wǎng)（intranet）、專(zhuān)網(wǎng)（extranet）和互聯(lián)網(wǎng)（intemet）環(huán)境下，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程制造、安全防范、遠(yuǎn)程維保、決策支持等管理和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬(wàn)物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營(yíng)”一體化。

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造可以定義為:在物聯(lián)網(wǎng)支持的環(huán)境中，一個(gè)群體協(xié)同工作完成一項(xiàng)機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)稱(chēng)為“協(xié)同技術(shù)”。

協(xié)同技術(shù)不是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)或制造，而是集成了現(xiàn)代設(shè)計(jì)和先進(jìn)制造中許多新方法、新技術(shù)、新思想、新模式，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的抽象發(fā)展形成的。面向用戶、面向制造、面向裝配的設(shè)計(jì)制造和CIMS中的信息集成是協(xié)同技術(shù)的基本思想。傳感器技術(shù)、RIFD技術(shù)、傳輸與組網(wǎng)技術(shù)、過(guò)程重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)、CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)等都對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造產(chǎn)生直接的影響。

1 協(xié)同技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

作為機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造的物聯(lián)網(wǎng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用，不僅擁有物聯(lián)網(wǎng)典型的體系架構(gòu)，而且，要根據(jù)機(jī)電行業(yè)的特點(diǎn)，構(gòu)建具有行業(yè)特點(diǎn)的協(xié)同設(shè)計(jì)制造架構(gòu)，其架構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)

由圖1看出，基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)由感知層、傳輸層、應(yīng)用層和協(xié)同支持技術(shù)組成。其中，精確及高靈敏度的感知技術(shù)、即插即用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議、面向信息處理與融合的智能服務(wù)平臺(tái)及協(xié)同設(shè)計(jì)制造支持等是其關(guān)鍵技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 精確及高靈敏度的感知技術(shù)

感知和識(shí)別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)和前提。感知有兩層含義:一是實(shí)現(xiàn)感知產(chǎn)品及零件的深度融合，讓感知部件能夠深入地掌握產(chǎn)品每一個(gè)細(xì)節(jié)詳細(xì)信息;二是對(duì)產(chǎn)品作業(yè)環(huán)境進(jìn)行透徹的了解。

目前，高精度與高靈敏度感知由針對(duì)具體需求開(kāi)發(fā)的傳感部件與集成豐富信息采集和處理功能的物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)。如高精度三維圖像傳感器、數(shù)字壓力傳感器、數(shù)字溫度傳感器、數(shù)字編碼器等。如圖2所示的智能式壓力、溫度傳感器。其中，主傳感器為壓力傳感器，它是用來(lái)測(cè)量被測(cè)壓力參數(shù)的。輔助傳感器為溫度傳感器，他用來(lái)監(jiān)測(cè)主傳感器工作，當(dāng)環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的壓力誤差時(shí)對(duì)其進(jìn)行修正及補(bǔ)償。即智能壓力傳感器可以根據(jù)工作環(huán)境因素變化，進(jìn)行自調(diào)整，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖2 智能式壓力傳感器

一個(gè)智能式傳感器中設(shè)置哪些輔助傳感器需根據(jù)工作條件和對(duì)傳感器性能指標(biāo)的要求而定。例如，工作環(huán)境比較潮濕時(shí)，就應(yīng)設(shè)置濕度傳感器，以便修正或補(bǔ)償潮濕對(duì)測(cè)量的影響。

2.2 即插即用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議

協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)通信的難點(diǎn)是大量孤立的異構(gòu)專(zhuān)用網(wǎng)，如果沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議，將會(huì)造成這些異構(gòu)專(zhuān)用網(wǎng)的互相封閉，不能實(shí)現(xiàn)大容量機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)信息的交互，標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議是互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)的前提。

協(xié)同設(shè)計(jì)制造任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，要求具有即插即用的圖像、部件及數(shù)據(jù)識(shí)別方法，可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確識(shí)別。

協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)零部件的數(shù)量是比較隨意的。為了在設(shè)計(jì)過(guò)程中任意的增加需要的節(jié)點(diǎn)部件，并能夠自動(dòng)被網(wǎng)絡(luò)中其他部件所識(shí)別和正常應(yīng)用，“即插即用”功能必不可少。使用UPnP協(xié)議不需要零部件驅(qū)動(dòng)程序。借助UPnP技術(shù)，設(shè)備可以動(dòng)態(tài)加入到產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)中并獲得地址、傳達(dá)功能及了解物聯(lián)網(wǎng)其他零部件的存在和性能，使得“零”配置的網(wǎng)絡(luò)真正成為可能?；贑AN總線的終端部件“即插即用”原理如圖3所示。

圖3 終端部件“即插即用”原理圖

CAN總線采用基于廣播的通信機(jī)制，廣播的報(bào)文依靠標(biāo)識(shí)符進(jìn)行識(shí)別，報(bào)文標(biāo)識(shí)符在CAN網(wǎng)絡(luò)中必須是唯一的，它不僅描述報(bào)文的意義，而且還定義報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。要實(shí)現(xiàn)CAN總線部件“物理層次”的即插即用，有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):如何識(shí)別新插入的節(jié)點(diǎn)，以及來(lái)自其他網(wǎng)絡(luò)的已經(jīng)使用過(guò)的節(jié)點(diǎn);如何能夠?qū)⑿虏迦氲墓?jié)點(diǎn)和所在的物理位置綁定，即主機(jī)如何能理解從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的物理意義。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)新插入節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與識(shí)別，從節(jié)點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別的硬件要求如下:

1）每個(gè)從節(jié)點(diǎn)（產(chǎn)品、資料）都有一個(gè)全世界范圍內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的物理地址，類(lèi)似于CANOPEN中的LSS地址，如圖4所示的物理地址示例，第一個(gè)字節(jié)表示該節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型信息（如溫度傳感器、控制器等）;后三個(gè)字節(jié)作為節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)。

圖4 物理地址示例

2）每個(gè)從節(jié)點(diǎn)中含有一個(gè)標(biāo)志位F，用來(lái)標(biāo)志該節(jié)點(diǎn)是否已被網(wǎng)絡(luò)主機(jī)所識(shí)別。

F=0表示該節(jié)點(diǎn)主機(jī)未知，F(xiàn)=1表示該節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被主機(jī)識(shí)別。該標(biāo)志位在出廠時(shí)設(shè)置為0，并且該信息斷電不丟失。

3）每個(gè)從節(jié)點(diǎn)保存一個(gè)主節(jié)點(diǎn)物理地址作為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符，以區(qū)別不同網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。該標(biāo)志符長(zhǎng)度為4字節(jié)，初始全部設(shè)置為0，且該信息斷電不丟失。如果把其他網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)使用過(guò)的節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)新節(jié)點(diǎn)插入到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中去，則由于該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位已經(jīng)置1，主機(jī)將不對(duì)它進(jìn)行識(shí)別。為了識(shí)別算法的順利進(jìn)行，需在識(shí)別算法進(jìn)行之前將該標(biāo)志位復(fù)位，方法如下:主節(jié)點(diǎn)發(fā)布一個(gè)廣播幀，其數(shù)據(jù)內(nèi)容為主節(jié)點(diǎn)的物理地址。所有從節(jié)點(diǎn)接收到該幀后與自身存儲(chǔ)的主節(jié)點(diǎn)物理地址相比較，若相同則不做任何處理，若不同則表明自身不是該網(wǎng)絡(luò)原有的節(jié)點(diǎn)，是新節(jié)點(diǎn)，應(yīng)將其自身的識(shí)別標(biāo)志位復(fù)位，以便主節(jié)點(diǎn)對(duì)其搜索。廣播幀定義如圖5所示。

圖5 主機(jī)廣播幀格式

協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備自動(dòng)識(shí)別方案的網(wǎng)絡(luò)管理流程如圖6所示。

2.3面向信息處理與融合的智能服務(wù)平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)基于信息融合的異構(gòu)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與基于特征狀態(tài)的數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)，建立基于業(yè)務(wù)中間件技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)，解決面向異構(gòu)網(wǎng)的知識(shí)挖掘難題，將為協(xié)同設(shè)計(jì)制造等提供有力的技術(shù)支持。其主要涉及到M2M系統(tǒng)、云計(jì)算技術(shù)等。

圖6 網(wǎng)絡(luò)管理流程

a）M2M系統(tǒng)

隨著各種信息傳輸手段的發(fā)展，以及包括機(jī)電產(chǎn)品在內(nèi)的各類(lèi)技術(shù)和產(chǎn)品的不斷增加，人們開(kāi)始越來(lái)越多地聚焦于如何對(duì)自己所關(guān)心的技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行有效地遠(yuǎn)程監(jiān)管和調(diào)度，考慮如何用PC或手機(jī)等來(lái)遠(yuǎn)程控制設(shè)備——“M2M”由此而來(lái)。

2003年Nokia產(chǎn)品經(jīng)理Damian Pisani在題為《M2M技術(shù)——讓你的機(jī)器開(kāi)口講話》的白皮書(shū)中提到“M2M旨在實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備、系統(tǒng)間連接”，此后“人、設(shè)備、系統(tǒng)的聯(lián)合體”便成為M2M的標(biāo)簽。M2M中的M可以是人（man）也可以是機(jī)器（machine），M2M可以解釋為man to man，man to machine，machine to machine，它涵蓋了在人、機(jī)器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段?！皺C(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造”可以理解為“機(jī)電產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)的子集或應(yīng)用”，它通過(guò)M2M的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

M2M系統(tǒng)主要由三個(gè)層次構(gòu)成:終端設(shè)備、M2M通信處理平臺(tái)及M2M應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)。M2M系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖7所示。

圖7 M2M系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1）終端設(shè)備

終端設(shè)備具有接收遠(yuǎn)程M2M平臺(tái)激活指令、本地故障報(bào)警、數(shù)據(jù)通信、遠(yuǎn)程升級(jí)等功能。M2M的終端設(shè)備類(lèi)型包括行業(yè)終端、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、手持設(shè)備三種。

2）M2M平臺(tái)

M2M平臺(tái)支持GPRS、有線網(wǎng)絡(luò)、WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口使得數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單直接，為用戶提供統(tǒng)一的移動(dòng)行業(yè)終端管理、終端設(shè)備鑒權(quán)、數(shù)據(jù)路由、監(jiān)控、用戶鑒權(quán)等管理功能。M2M平臺(tái)典型物理部署如圖8所示。

圖8 M2M平臺(tái)典型物理部署圖

3）協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)中的M2M系統(tǒng)支撐

協(xié)同設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)是機(jī)電行業(yè)各種應(yīng)用模式的集成，是行業(yè)深度信息化的體現(xiàn)，協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)中的M2M系統(tǒng)支撐如圖9所示。

從圖9中可以看出，M2M平臺(tái)為協(xié)同設(shè)計(jì)制造提供了數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)等應(yīng)用。依托這些應(yīng)用系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端、協(xié)同支持終端、管理終端、定制服務(wù)終端等和人相關(guān)的終端設(shè)備與機(jī)電產(chǎn)品之間的自由交互。

圖9 機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)中的M2M系統(tǒng)支撐圖

b）云計(jì)算

1）云計(jì)算概念

云計(jì)算，是—種計(jì)算的模式。與前幾代的計(jì)算相比，云計(jì)算從計(jì)算的架構(gòu)、終端的形態(tài)及所覆蓋的網(wǎng)絡(luò)范圍，都產(chǎn)生了根本性的變化。例如，在大型機(jī)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算局限在一棟樓里，服務(wù)端采用并行計(jì)算模式，終端是啞終端;到了PC客戶端時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)局限在局域網(wǎng)范圍，采用服務(wù)器和客戶端的計(jì)算模式，終端以PC為主;云計(jì)算，計(jì)算范圍從局域網(wǎng)擴(kuò)張到互聯(lián)網(wǎng)、廣域網(wǎng)，服務(wù)端采用分布式和并行的計(jì)算模式，終端的形態(tài)多種多樣。

物聯(lián)網(wǎng)是基于全面感知、可靠傳遞、智能處理這三個(gè)特征，利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息;通過(guò)各種電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞;利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能控制。

云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是一致的—高度集約化。而且，云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)本身也應(yīng)相連互通，云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)正需要利用海量的信息和信息處理技術(shù)，精確地調(diào)控物質(zhì)與能量，它與云計(jì)算協(xié)調(diào)發(fā)展、共同推進(jìn)。

2）協(xié)同設(shè)計(jì)制造的云計(jì)算

協(xié)同設(shè)計(jì)制造云計(jì)算平臺(tái)從廣義上來(lái)說(shuō)就是一種面向機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)、制造和服務(wù)的高效、低耗、基于知識(shí)的網(wǎng)絡(luò)化新模式，融合信息化制造、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，把各類(lèi)設(shè)計(jì)及制造能力集虛擬化、服務(wù)化，并進(jìn)行統(tǒng)一集中的智能化管理。通過(guò)機(jī)電產(chǎn)品物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算平臺(tái)中間件，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造全生命周期的前期、中期、后期提供給用戶。機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)如圖10所示。

圖10 機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)

2.4 協(xié)同設(shè)計(jì)制造支持技術(shù)

協(xié)同設(shè)計(jì)制造與并行設(shè)計(jì)制造一樣要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)后期可能影響到產(chǎn)品質(zhì)量、成本及開(kāi)發(fā)時(shí)間的所有因素。與并行設(shè)計(jì)制造相比，要求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式是在物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同支持的環(huán)境下，充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)制造。其思想是要求數(shù)據(jù)共享，即在設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，各階段可以同時(shí)進(jìn)行。每個(gè)階段生成需要的數(shù)據(jù)，雖然在沒(méi)有完成任務(wù)之前數(shù)據(jù)是不完整的，但是，通過(guò)數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)管理達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的。支持協(xié)同設(shè)計(jì)制造必需有一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)主模型，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義成多個(gè)對(duì)象。對(duì)這些對(duì)象的組合可以構(gòu)成面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)象，過(guò)程中不同階段應(yīng)圍繞著同一個(gè)設(shè)計(jì)主模型操作，保證數(shù)據(jù)模型的一致性和安全性，如圖11所示。其主要涉及到過(guò)程重構(gòu)技術(shù)、數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)、CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)。

圖11 支持協(xié)同設(shè)計(jì)的信息共享

a）過(guò)程重構(gòu)技術(shù)

協(xié)同設(shè)計(jì)制造與傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式的本質(zhì)區(qū)別在于它把產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)活動(dòng)視為一個(gè)集成的過(guò)程。從全局優(yōu)化的角度出發(fā)對(duì)該集成過(guò)程進(jìn)行管理和控制，并且對(duì)已有的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行不斷的改進(jìn)和提高。這種方法被稱(chēng)為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程重構(gòu)。

過(guò)程重構(gòu)的思想是:根據(jù)需要可以對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行重新構(gòu)思，重新設(shè)計(jì)，以用戶需求為目標(biāo)，進(jìn)行面向用戶、面向制造、面向裝配的設(shè)計(jì)。過(guò)程重構(gòu)的核心有三點(diǎn):

1）重新考慮，意味著重構(gòu)工作從零開(kāi)始，組建一個(gè)新的過(guò)程模式組織。

2）重新設(shè)計(jì)即從根本上對(duì)過(guò)程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而不是局部修改、局部設(shè)計(jì)。

3）用戶需求目標(biāo)，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)重構(gòu)的重要問(wèn)題，過(guò)程重構(gòu)主要以此為中心。

要實(shí)施協(xié)同設(shè)計(jì)制造，就要對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行深入的分析，找到影響因素，重新構(gòu)造一個(gè)能為有關(guān)各方所接受的新模式。實(shí)現(xiàn)新模式需要有兩個(gè)保證條件:一是組織上的保證，二是計(jì)算機(jī)工具和環(huán)境的支持，如CIMS，PDM，CAD/CAM/CAPP，Agent，虛擬設(shè)計(jì)等。

b）數(shù)字化產(chǎn)品技術(shù)

隨著CAD，CAPP，CAM技術(shù)的發(fā)展，模型化計(jì)算機(jī)語(yǔ)言作為產(chǎn)品信息的主要表達(dá)方式也發(fā)生了顯著的變化。從最早二維線框模型開(kāi)始，產(chǎn)品模型經(jīng)歷了幾何模型、特征模型和集成產(chǎn)品模型等三個(gè)發(fā)展階段。這反映了產(chǎn)品模型及相應(yīng)的建模技術(shù)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到整體、從單一功能到覆蓋整個(gè)生命周期內(nèi)各種活動(dòng)的發(fā)展過(guò)程。

產(chǎn)品定義就是用計(jì)算機(jī)可以理解的語(yǔ)言對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表達(dá)，以便進(jìn)行信息共享與交換。由于產(chǎn)品的幾何信息是表達(dá)產(chǎn)品所有信息的基礎(chǔ)，因此，對(duì)產(chǎn)品幾何信息表達(dá)的研究一直是產(chǎn)品定義領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。自20世紀(jì)60年代CAD，CAM，CAPP得到飛速發(fā)展以來(lái)，相繼出現(xiàn)了線框模型、表面模型、實(shí)體模型以及特征模型。

線框模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理方便，適合于表達(dá)有自由曲面的產(chǎn)品，但是，它只包含產(chǎn)品的部分幾何信息，很難用它來(lái)構(gòu)造復(fù)雜零件的幾何形狀。

表面模型可以表達(dá)比線框模型更加豐富的信息，但是，它同樣不能表達(dá)產(chǎn)品的高級(jí)信息，也很難用它來(lái)構(gòu)造復(fù)雜零件的幾何形狀。

實(shí)體模型的造型方法包括實(shí)體幾何法（CSG）、小平面邊界表示法（FB-rep）、拓?fù)溥吔绫硎痉ǎ═B-rep）等。CSG法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以表達(dá)更高層次的特征信息與拓?fù)湫畔?，適合于構(gòu)造復(fù)雜形狀零件，用于運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真和圖形顯示，但它不能表達(dá)諸如點(diǎn)、線、面的信息;FB-rep法可用于顯示產(chǎn)品的幾何形狀，能夠包含產(chǎn)品的面、邊、點(diǎn)等低級(jí)信息，不包括產(chǎn)品的高級(jí)信息，很難用這種方法構(gòu)造復(fù)雜零件的幾何形狀;TB-rep法可以表達(dá)產(chǎn)品的邊界拓?fù)湫畔⒁约懊?、邊、點(diǎn)等低級(jí)信息，可以把產(chǎn)品的精度等信息附加到幾何要素上，能夠滿足CAM對(duì)產(chǎn)品部分信息的要求，TB-rep法不能表達(dá)產(chǎn)品的特征信息，難用于構(gòu)造復(fù)雜零件的幾何形狀。

基于特征造型的產(chǎn)品模型能夠表達(dá)工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造所需的高級(jí)信息。通過(guò)選取的特征，使它們具有某種工程意義和加工意義，設(shè)計(jì)人員可以利用這些特征迅速地設(shè)計(jì)出CAM所能理解的產(chǎn)品。采用基于特征的產(chǎn)品定義為實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP的集成提供了有效途徑。建模過(guò)程與實(shí)施步驟如圖12所示。

圖12 產(chǎn)品建模過(guò)程的實(shí)施步驟

c）CAD/CAM/CAPP集成技術(shù)

CAD/CAM/CAPP技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)到了一個(gè)百花齊放并發(fā)展極為迅速的階段，除了在技術(shù)上不斷出現(xiàn)新的研究成果和研究方向外，各種功能強(qiáng)大的商品化CAD/CAM集成系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，并以難以想象的速度更新，包括美國(guó)EDS公司的 Unigraphics II（UGII），Parametric Technology公司（PTC）的 Pro/Engineer，SRDC 公司的 I-DEAS，IBM公司的CATIA，PTC公司等。這些軟件很好的解決了傳統(tǒng)的CAD/CAM領(lǐng)域內(nèi)的難點(diǎn)，如復(fù)雜曲面加工、精確曲面實(shí)體造型、參數(shù)化造型、裝配模擬、加工仿真等，在國(guó)內(nèi)外受到了普遍歡迎和廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也對(duì)CAD/CAM/CAPP集成進(jìn)行了廣泛的研究，并開(kāi)發(fā)了一些CAD/CAM/CAPP系統(tǒng)，涉及到航空航天、汽車(chē)、造船、通用機(jī)械等行業(yè)，也取得了較好的技術(shù)效果。但是對(duì)于CAD/CAM系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、各職能部門(mén)關(guān)系、分工協(xié)作、信息集成管理機(jī)制，尤其是協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境的CAD/CAPP/CAM集成方面，仍然存在著需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

1）集成問(wèn)題。由于CAD，CAM，CAPP是相互獨(dú)立發(fā)展起來(lái)的，他們所依賴(lài)的數(shù)據(jù)模型互不相容，缺乏統(tǒng)一的通信約定，不同環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)不能完全實(shí)現(xiàn)共享與交換，需要專(zhuān)門(mén)約定或人工參與，不利于協(xié)同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的信息交流。

2）產(chǎn)品信息關(guān)聯(lián)性差?，F(xiàn)有的CAD系統(tǒng)主要著眼于圖形的繪制，絕大部分CAD系統(tǒng)采用面向數(shù)學(xué)和幾何學(xué)模型的線框模型、幾何模型及實(shí)體模型，只產(chǎn)生較低層次的幾何信息等。一些商用CAD系統(tǒng)（如:I-DEAS、UG及Pro/E）雖然是基于特征造型的系統(tǒng)，但是，所有這些系統(tǒng)的信息模型都還只限于幾何信息和拓?fù)湫畔?，而面向加工的信息在系統(tǒng)模型中很少表達(dá)，但是這些信息在數(shù)據(jù)庫(kù)中與幾何體或形狀特征之間缺乏必要的聯(lián)系，需要進(jìn)一步的識(shí)別與匹配。

3）信息表達(dá)不完備?，F(xiàn)有的CAD系統(tǒng)中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)缺乏制造、裝配、評(píng)價(jià)等后續(xù)過(guò)程的相關(guān)信息。CAD是設(shè)計(jì)的后續(xù)工作（如工藝設(shè)計(jì)、制造和裝配等過(guò)程）的信息源，CAD系統(tǒng)提供的信息完備性對(duì)后續(xù)過(guò)程的集成具有重要的意義。在協(xié)同設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)包括產(chǎn)品生命周期的全部信息，不僅需要較低層次的幾何信息，還需要較高層次的信息，如形狀特性，尺寸、公差、材料特性、表面特性、裝配要求、產(chǎn)品總體信息等。因此，有待于進(jìn)一步研究基于特征的設(shè)計(jì)技術(shù)。

4）CAPP功能模塊相對(duì)較弱。由于CAPP起步較晚，相對(duì)CAD、CAM模塊而言功能較弱，發(fā)展也較緩慢，尤其是面向分布式協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境的CAPP系統(tǒng)更是有待深入研究的領(lǐng)域。

為了解決以上問(wèn)題，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計(jì)制造需要，在高層次上實(shí)現(xiàn)信息集成需要從兩方面著手:一是建立統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交換和共享;二是開(kāi)發(fā)以特征為基礎(chǔ)的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)中要求的高層次信息以“特征”的形式表示。在此基礎(chǔ)上還需研究協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境中的CAD/CAM/CAPP集成數(shù)據(jù)技術(shù)。協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境中CAD/CAM/CAPP集成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系如圖13所示。

圖13 協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境中CAD/CAM/CAPP集成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系

d）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

PDM是一種管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)的工具。PDM系統(tǒng)能夠提供設(shè)計(jì)、制造所需的數(shù)據(jù)和信息，并由此支持和維護(hù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的協(xié)同性。其主要特色是:

PDM作為一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用系統(tǒng)，擅長(zhǎng)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索，按照用戶定義的屬性查找數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)不同類(lèi)型數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，管理文件的進(jìn)出，提供產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝、生產(chǎn)等需要的數(shù)據(jù)與信息。PDM采用封裝，接口等方法與CAD/CAM/CAPP以及MIS、MRPII等其他應(yīng)用系統(tǒng)集成，如圖14所示。

圖14 PDM數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)集成

3 總結(jié)與展望

在信息化與工業(yè)化深度融合的今天，機(jī)電產(chǎn)品智能化成為引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展進(jìn)步的主旋律。作為以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)而延伸形成的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)將成為未來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品智能化、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)與行業(yè)進(jìn)步的必經(jīng)之路。

通過(guò)研究，本文提出了“基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造體系架構(gòu)”由感知層、傳輸層、應(yīng)用層和協(xié)同設(shè)計(jì)支持技術(shù)四部分組成。其中，精確及高靈敏度的感知技術(shù)、即插即用標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議、面向信息處理與融合的智能服務(wù)平臺(tái)及協(xié)同設(shè)計(jì)制造支持等是其關(guān)鍵技術(shù)。分別對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹和探討，并初步構(gòu)建了體系框架。

機(jī)電產(chǎn)品涉及面很廣，從家用電器、加工機(jī)床、工程機(jī)械、機(jī)器人到武器裝備等大多屬于機(jī)電產(chǎn)品范疇。如“基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控機(jī)床協(xié)同設(shè)計(jì)與制造”、“基于物聯(lián)網(wǎng)的家用電器故障診斷與維修”、“基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療、環(huán)保及公共設(shè)施服務(wù)”等應(yīng)用將機(jī)電產(chǎn)品帶入“智能機(jī)器”時(shí)代?！爸悄軝C(jī)器”時(shí)代的典型特征為透徹的感知、精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)、廣泛的互聯(lián)互通與深入的智能，并基于這些典型特征，形成“智能設(shè)計(jì)”、“智能制造”、“智能管理”與“智能的運(yùn)營(yíng)”、“智能的機(jī)器”、“智能的工廠”等。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)的成熟和發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平提高，低能耗、高性能、高可靠性、綠色環(huán)保的智能化的機(jī)電產(chǎn)品，將為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造更多的增長(zhǎng)點(diǎn)。

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