基于物联网的机电产品协同设计制造关键技术

芮延年，赵根林，管淼，廖黎莉，沈铭，蒋澄灿

（1.苏州大学，江苏苏州215021;2.常熟理工学院，江苏常熟 215500）

0 概述

“基于物联网的机电产品协同设计制造”是近年来新提出的一种产品开发设计制造模式，受到了国内外众多研究单位与制造商的重视。

物联网（intemet of things，IOT;也称为 web of things）是指通过各种信息传感元件，如压力传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时对任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，进行识别、管理和控制。

物联网通常指的是将无处不在的末端设备（devices）和设施（facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”（enabled）。如贴上RFID的各种资产（assets）、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件”，通过各种无线和有线的长距离或短距离通信网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（grand integration），以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（intranet）、专网（extranet）和互联网（intemet）环境下，实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、远程设计、远程制造、安全防范、远程维保、决策支持等管理和服务，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

基于物联网的机电产品协同设计制造可以定义为:在物联网支持的环境中，一个群体协同工作完成一项机电产品开发，简称为“协同技术”。

协同技术不是简单的设计或制造，而是集成了现代设计和先进制造中许多新方法、新技术、新思想、新模式，经过系统的抽象发展形成的。面向用户、面向制造、面向装配的设计制造和CIMS中的信息集成是协同技术的基本思想。传感器技术、RIFD技术、传输与组网技术、过程重构技术、数字化产品技术、CAD/CAM/CAPP集成技术、产品数据管理技术等都对基于物联网的机电产品协同设计制造产生直接的影响。

1 协同技术物联网体系架构

作为机电产品协同设计制造的物联网在产品设计制造中的应用，不仅拥有物联网典型的体系架构，而且，要根据机电行业的特点，构建具有行业特点的协同设计制造架构，其架构结构如图1所示。

图1 基于物联网的机电产品协同设计制造体系架构

由图1看出，基于物联网的机电产品设计制造体系架构由感知层、传输层、应用层和协同支持技术组成。其中，精确及高灵敏度的感知技术、即插即用标准化的通信协议、面向信息处理与融合的智能服务平台及协同设计制造支持等是其关键技术。

2 关键技术

2.1 精确及高灵敏度的感知技术

感知和识别技术是物联网构建的基础和前提。感知有两层含义:一是实现感知产品及零件的深度融合，让感知部件能够深入地掌握产品每一个细节详细信息;二是对产品作业环境进行透彻的了解。

目前，高精度与高灵敏度感知由针对具体需求开发的传感部件与集成丰富信息采集和处理功能的物联网终端实现。如高精度三维图像传感器、数字压力传感器、数字温度传感器、数字编码器等。如图2所示的智能式压力、温度传感器。其中，主传感器为压力传感器，它是用来测量被测压力参数的。辅助传感器为温度传感器，他用来监测主传感器工作，当环境温度变化产生的压力误差时对其进行修正及补偿。即智能压力传感器可以根据工作环境因素变化，进行自调整，保证测量的准确性。

图2 智能式压力传感器

一个智能式传感器中设置哪些辅助传感器需根据工作条件和对传感器性能指标的要求而定。例如，工作环境比较潮湿时，就应设置湿度传感器，以便修正或补偿潮湿对测量的影响。

2.2 即插即用标准化的通信协议

协同设计制造物联网通信的难点是大量孤立的异构专用网，如果没有统一的通信协议，将会造成这些异构专用网的互相封闭，不能实现大容量机电产品协同设计制造物联网信息的交互，标准化的通信协议是互联互通实现的前提。

协同设计制造任务的多样性和复杂性，要求具有即插即用的图像、部件及数据识别方法，可以在任何时间、地点、环境实现对产品的准确识别。

协同设计制造物联网上节点零部件的数量是比较随意的。为了在设计过程中任意的增加需要的节点部件，并能够自动被网络中其他部件所识别和正常应用，“即插即用”功能必不可少。使用UPnP协议不需要零部件驱动程序。借助UPnP技术，设备可以动态加入到产品协同设计制造物联网中并获得地址、传达功能及了解物联网其他零部件的存在和性能，使得“零”配置的网络真正成为可能。基于CAN总线的终端部件“即插即用”原理如图3所示。

图3 终端部件“即插即用”原理图

CAN总线采用基于广播的通信机制，广播的报文依靠标识符进行识别，报文标识符在CAN网络中必须是唯一的，它不仅描述报文的意义，而且还定义报文的优先级。要实现CAN总线部件“物理层次”的即插即用，有两个关键技术:如何识别新插入的节点，以及来自其他网络的已经使用过的节点;如何能够将新插入的节点和所在的物理位置绑定，即主机如何能理解从节点发送数据的物理意义。

为实现对新插入节点的自动发现与识别，从节点自动识别的硬件要求如下:

1）每个从节点（产品、资料）都有一个全世界范围内独一无二的物理地址，类似于CANOPEN中的LSS地址，如图4所示的物理地址示例，第一个字节表示该节点的类型信息（如温度传感器、控制器等）;后三个字节作为节点的序列号。

图4 物理地址示例

2）每个从节点中含有一个标志位F，用来标志该节点是否已被网络主机所识别。

F=0表示该节点主机未知，F=1表示该节点已经被主机识别。该标志位在出厂时设置为0，并且该信息断电不丢失。

3）每个从节点保存一个主节点物理地址作为网络标志符，以区别不同网络的节点。该标志符长度为4字节，初始全部设置为0，且该信息断电不丢失。如果把其他网络已经使用过的节点作为一个新节点插入到另一个网络中去，则由于该节点的标志位已经置1，主机将不对它进行识别。为了识别算法的顺利进行，需在识别算法进行之前将该标志位复位，方法如下:主节点发布一个广播帧，其数据内容为主节点的物理地址。所有从节点接收到该帧后与自身存储的主节点物理地址相比较，若相同则不做任何处理，若不同则表明自身不是该网络原有的节点，是新节点，应将其自身的识别标志位复位，以便主节点对其搜索。广播帧定义如图5所示。

图5 主机广播帧格式

协同设计制造物联网终端设备自动识别方案的网络管理流程如图6所示。

2.3面向信息处理与融合的智能服务平台

实现基于信息融合的异构网数据挖掘技术与基于特征状态的数字化产品技术，建立基于业务中间件技术的物联网智能服务平台，解决面向异构网的知识挖掘难题，将为协同设计制造等提供有力的技术支持。其主要涉及到M2M系统、云计算技术等。

图6 网络管理流程

a）M2M系统

随着各种信息传输手段的发展，以及包括机电产品在内的各类技术和产品的不断增加，人们开始越来越多地聚焦于如何对自己所关心的技术和产品进行有效地远程监管和调度，考虑如何用PC或手机等来远程控制设备——“M2M”由此而来。

2003年Nokia产品经理Damian Pisani在题为《M2M技术——让你的机器开口讲话》的白皮书中提到“M2M旨在实现人、设备、系统间连接”，此后“人、设备、系统的联合体”便成为M2M的标签。M2M中的M可以是人（man）也可以是机器（machine），M2M可以解释为man to man，man to machine，machine to machine，它涵盖了在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。“机电产品协同设计制造”可以理解为“机电产品物联网的子集或应用”，它通过M2M的方式来实现的。

M2M系统主要由三个层次构成:终端设备、M2M通信处理平台及M2M应用业务系统。M2M系统总体架构如图7所示。

图7 M2M系统总体架构图

1）终端设备

终端设备具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障报警、数据通信、远程升级等功能。M2M的终端设备类型包括行业终端、无线调制解调器、手持设备三种。

2）M2M平台

M2M平台支持GPRS、有线网络、WiFi等多种网络接入方式，提供标准化的接口使得数据传输简单直接，为用户提供统一的移动行业终端管理、终端设备鉴权、数据路由、监控、用户鉴权等管理功能。M2M平台典型物理部署如图8所示。

图8 M2M平台典型物理部署图

3）协同设计制造物联网中的M2M系统支撑

协同设计物联网是机电行业各种应用模式的集成，是行业深度信息化的体现，协同设计制造物联网中的M2M系统支撑如图9所示。

从图9中可以看出，M2M平台为协同设计制造提供了数据挖掘系统、远程设计系统、远程设计系统、故障诊断系统、专家知识库系统等应用。依托这些应用系统可实现数据终端、协同支持终端、管理终端、定制服务终端等和人相关的终端设备与机电产品之间的自由交互。

图9 机电产品设计物联网中的M2M系统支撑图

b）云计算

1）云计算概念

云计算，是—种计算的模式。与前几代的计算相比，云计算从计算的架构、终端的形态及所覆盖的网络范围，都产生了根本性的变化。例如，在大型机时代，网络的计算局限在一栋楼里，服务端采用并行计算模式，终端是哑终端;到了PC客户端时代，网络局限在局域网范围，采用服务器和客户端的计算模式，终端以PC为主;云计算，计算范围从局域网扩张到互联网、广域网，服务端采用分布式和并行的计算模式，终端的形态多种多样。

物联网是基于全面感知、可靠传递、智能处理这三个特征，利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息;通过各种电信网与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递;利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能控制。

云计算与物联网的本质是一致的—高度集约化。而且，云计算与物联网本身也应相连互通，云计算是物联网的基础。因为物联网正需要利用海量的信息和信息处理技术，精确地调控物质与能量，它与云计算协调发展、共同推进。

2）协同设计制造的云计算

协同设计制造云计算平台从广义上来说就是一种面向机电产品研发、制造和服务的高效、低耗、基于知识的网络化新模式，融合信息化制造、物联网等技术，把各类设计及制造能力集虚拟化、服务化，并进行统一集中的智能化管理。通过机电产品物联网和云计算平台中间件，将产品设计制造全生命周期的前期、中期、后期提供给用户。机电产品协同设计制造物联网云计算平台架构如图10所示。

图10 机电产品协同设计制造物联网云计算平台架构

2.4 协同设计制造支持技术

协同设计制造与并行设计制造一样要求在产品设计阶段就考虑到产品开发后期可能影响到产品质量、成本及开发时间的所有因素。与并行设计制造相比，要求产品开发模式是在物联网协同支持的环境下，充分运用计算机和信息技术进行协同设计制造。其思想是要求数据共享，即在设计制造过程中，各阶段可以同时进行。每个阶段生成需要的数据，虽然在没有完成任务之前数据是不完整的，但是，通过数据模型和数据管理达到数据共享的目的。支持协同设计制造必需有一个产品设计主模型，将产品设计数据定义成多个对象。对这些对象的组合可以构成面向不同应用领域的对象，过程中不同阶段应围绕着同一个设计主模型操作，保证数据模型的一致性和安全性，如图11所示。其主要涉及到过程重构技术、数字化产品技术、CAD/CAM/CAPP集成技术和产品数据管理等关键技术。

图11 支持协同设计的信息共享

a）过程重构技术

协同设计制造与传统产品开发方式的本质区别在于它把产品开发的各个活动视为一个集成的过程。从全局优化的角度出发对该集成过程进行管理和控制，并且对已有的产品开发过程进行不断的改进和提高。这种方法被称为产品开发过程重构。

过程重构的思想是:根据需要可以对设计过程进行重新构思，重新设计，以用户需求为目标，进行面向用户、面向制造、面向装配的设计。过程重构的核心有三点:

1）重新考虑，意味着重构工作从零开始，组建一个新的过程模式组织。

2）重新设计即从根本上对过程进行重新设计，而不是局部修改、局部设计。

3）用户需求目标，是产品开发设计重构的重要问题，过程重构主要以此为中心。

要实施协同设计制造，就要对现有的产品开发流程进行深入的分析，找到影响因素，重新构造一个能为有关各方所接受的新模式。实现新模式需要有两个保证条件:一是组织上的保证，二是计算机工具和环境的支持，如CIMS，PDM，CAD/CAM/CAPP，Agent，虚拟设计等。

b）数字化产品技术

随着CAD，CAPP，CAM技术的发展，模型化计算机语言作为产品信息的主要表达方式也发生了显著的变化。从最早二维线框模型开始，产品模型经历了几何模型、特征模型和集成产品模型等三个发展阶段。这反映了产品模型及相应的建模技术从简单到复杂、从局部到整体、从单一功能到覆盖整个生命周期内各种活动的发展过程。

产品定义就是用计算机可以理解的语言对产品进行表达，以便进行信息共享与交换。由于产品的几何信息是表达产品所有信息的基础，因此，对产品几何信息表达的研究一直是产品定义领域中的热点问题。自20世纪60年代CAD，CAM，CAPP得到飞速发展以来，相继出现了线框模型、表面模型、实体模型以及特征模型。

线框模型结构简单、处理方便，适合于表达有自由曲面的产品，但是，它只包含产品的部分几何信息，很难用它来构造复杂零件的几何形状。

表面模型可以表达比线框模型更加丰富的信息，但是，它同样不能表达产品的高级信息，也很难用它来构造复杂零件的几何形状。

实体模型的造型方法包括实体几何法（CSG）、小平面边界表示法（FB-rep）、拓扑边界表示法（TB-rep）等。CSG法数据结构简单，可以表达更高层次的特征信息与拓扑信息，适合于构造复杂形状零件，用于运动过程仿真和图形显示，但它不能表达诸如点、线、面的信息;FB-rep法可用于显示产品的几何形状，能够包含产品的面、边、点等低级信息，不包括产品的高级信息，很难用这种方法构造复杂零件的几何形状;TB-rep法可以表达产品的边界拓扑信息以及面、边、点等低级信息，可以把产品的精度等信息附加到几何要素上，能够满足CAM对产品部分信息的要求，TB-rep法不能表达产品的特征信息，难用于构造复杂零件的几何形状。

基于特征造型的产品模型能够表达工艺设计和产品制造所需的高级信息。通过选取的特征，使它们具有某种工程意义和加工意义，设计人员可以利用这些特征迅速地设计出CAM所能理解的产品。采用基于特征的产品定义为实现CAD/CAM/CAPP的集成提供了有效途径。建模过程与实施步骤如图12所示。

图12 产品建模过程的实施步骤

c）CAD/CAM/CAPP集成技术

CAD/CAM/CAPP技术发展至今，已经到了一个百花齐放并发展极为迅速的阶段，除了在技术上不断出现新的研究成果和研究方向外，各种功能强大的商品化CAD/CAM集成系统相继出现，并以难以想象的速度更新，包括美国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。这些软件很好的解决了传统的CAD/CAM领域内的难点，如复杂曲面加工、精确曲面实体造型、参数化造型、装配模拟、加工仿真等，在国内外受到了普遍欢迎和广泛的应用。国内也对CAD/CAM/CAPP集成进行了广泛的研究，并开发了一些CAD/CAM/CAPP系统，涉及到航空航天、汽车、造船、通用机械等行业，也取得了较好的技术效果。但是对于CAD/CAM系统的整体结构、各职能部门关系、分工协作、信息集成管理机制，尤其是协同开发环境的CAD/CAPP/CAM集成方面，仍然存在着需要进一步解决的问题。

1）集成问题。由于CAD，CAM，CAPP是相互独立发展起来的，他们所依赖的数据模型互不相容，缺乏统一的通信约定，不同环节之间的数据不能完全实现共享与交换，需要专门约定或人工参与，不利于协同设计开发中的信息交流。

2）产品信息关联性差。现有的CAD系统主要着眼于图形的绘制，绝大部分CAD系统采用面向数学和几何学模型的线框模型、几何模型及实体模型，只产生较低层次的几何信息等。一些商用CAD系统（如:I-DEAS、UG及Pro/E）虽然是基于特征造型的系统，但是，所有这些系统的信息模型都还只限于几何信息和拓扑信息，而面向加工的信息在系统模型中很少表达，但是这些信息在数据库中与几何体或形状特征之间缺乏必要的联系，需要进一步的识别与匹配。

3）信息表达不完备。现有的CAD系统中，产品数据缺乏制造、装配、评价等后续过程的相关信息。CAD是设计的后续工作（如工艺设计、制造和装配等过程）的信息源，CAD系统提供的信息完备性对后续过程的集成具有重要的意义。在协同设计中，产品数据应包括产品生命周期的全部信息，不仅需要较低层次的几何信息，还需要较高层次的信息，如形状特性，尺寸、公差、材料特性、表面特性、装配要求、产品总体信息等。因此，有待于进一步研究基于特征的设计技术。

4）CAPP功能模块相对较弱。由于CAPP起步较晚，相对CAD、CAM模块而言功能较弱，发展也较缓慢，尤其是面向分布式协同开发环境的CAPP系统更是有待深入研究的领域。

为了解决以上问题，以适应物联网的协同设计制造需要，在高层次上实现信息集成需要从两方面着手:一是建立统一的产品数据模型，实现产品数据的交换和共享;二是开发以特征为基础的产品造型系统，将产品设计中要求的高层次信息以“特征”的形式表示。在此基础上还需研究协同开发环境中的CAD/CAM/CAPP集成数据技术。协同开发环境中CAD/CAM/CAPP集成系统网络体系如图13所示。

图13 协同开发环境中CAD/CAM/CAPP集成系统网络体系

d）产品数据管理

PDM是一种管理产品数据的工具。PDM系统能够提供设计、制造所需的数据和信息，并由此支持和维护产品开发过程的协同性。其主要特色是:

PDM作为一个独立的应用系统，擅长于产品数据的存储与检索，按照用户定义的属性查找数据，协调不同类型数据之间的关系，管理文件的进出，提供产品设计工艺、生产等需要的数据与信息。PDM采用封装，接口等方法与CAD/CAM/CAPP以及MIS、MRPII等其他应用系统集成，如图14所示。

图14 PDM数据管理与应用系统集成

3 总结与展望

在信息化与工业化深度融合的今天，机电产品智能化成为引领行业发展进步的主旋律。作为以互联网为基础而延伸形成的新一代网络技术，物联网将成为未来实现机电产品智能化、实现产业升级与行业进步的必经之路。

通过研究，本文提出了“基于物联网的机电产品协同设计制造体系架构”由感知层、传输层、应用层和协同设计支持技术四部分组成。其中，精确及高灵敏度的感知技术、即插即用标准化的通信协议、面向信息处理与融合的智能服务平台及协同设计制造支持等是其关键技术。分别对各关键技术进行了介绍和探讨，并初步构建了体系框架。

机电产品涉及面很广，从家用电器、加工机床、工程机械、机器人到武器装备等大多属于机电产品范畴。如“基于物联网的数控机床协同设计与制造”、“基于物联网的家用电器故障诊断与维修”、“基于物联网的医疗、环保及公共设施服务”等应用将机电产品带入“智能机器”时代。“智能机器”时代的典型特征为透彻的感知、精准的驱动、广泛的互联互通与深入的智能，并基于这些典型特征，形成“智能设计”、“智能制造”、“智能管理”与“智能的运营”、“智能的机器”、“智能的工厂”等。相信随着物联网机电产品应用或产业的成熟和发展，机电产品协同设计制造技术水平提高，低能耗、高性能、高可靠性、绿色环保的智能化的机电产品，将为国民经济发展创造更多的增长点。

［1］徐勇军，刘禹，王峰.物联网关键技术［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［2］周翔，何明，夏利锋.物联网与工程机械［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［3］吴亚林，王劲松.物联网用传感器［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［4］雷吉成.物联网安全技术［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［5］芮延年.机械设计手册（第五版）——第47篇:并行设计与协同设计［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［6］Self-Optimizing Networks-The Benefits of SON in LTE.4G A-mericas white paper，july 2011.

［7］D.Kiritsis.Closed-loop PLM for intelligent products in the era of the Internet of thing［J］.CAD Computer Aided Design，2011，43（5）.