（机械电子工程专业论文）制造执行系统中组件化刀具管理系统的研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 制造执行系统是位于上层计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间 层的管理信息系统，在计划层与底层控制之间架起了一座联系的桥梁，使整个 企业的信息畅通、完整。随着先进制造技术理论的发展，制造执行系统也朝着 敏捷制造、可重构性方向发展。本文所研究的刀具管理系统是制造执行系统中 很重要的一部分，提高刀具管理系统的敏捷性和可重构性对提高制造执行系统 的敏捷性、可重构性具有十分重要的意义，同时刀具是制造企业最基础，也是 最重要的南4 造资源，借助计算机辅助刀具管理，对刀具的合理使用、提高企业 的生产效率以及降低成本都有着重要的意义。 本文首先介绍了制造执行系统的产生和发展，概念和意义，论述了刀具管 理在制造执行系统中的地位和作用。接着，介绍了u m l 建模技术及其在系统分 析中的具体应用，从系统的功能需求分析开始，应用u m l 为系统进行了用例分 析、静态分析和动态分析，从而使用户对系统有了更全面、更清晰的认识，为 系统的编程实现提供了巨大的帮助。在系统的实现上，本文采用组件化思想， 选用c o m 组件标准，通过对系统软件模块划分，规划了系统的组件，并进行了 一部分组件的设计与实现。最后详细介绍了系统的实施。 系统的实施和运行提高了企业的生产效率和信息化水平，并且实现了部分 组件复用，这为研究制造执行系统敏捷性、可重构性奠定了一个良好的基础。 关键词： 制造执行系统( m e s ) ，统一建模语言( u m l ) ，c o m 组件，刀具管理 塑兰三些查兰鎏圭兰堡耋兰一；。2 璧坚曼垒：奎 a b s t r a ( x m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) i sak i n do fm i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m ) f o rw o r k s h o p s b e t w e e ne r po fa ne n t e r p r i s ea n dt h ec o n t r o li n w o r k s h o p s i ti sab r i d g eb e t w e e ne r p a n dt h ec o n t r o l ，m a k et h ei n f o r m a t i o no fa l l e n t e r p r i s e s m o o t ha n dc o m p l e t e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa m t ( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) t h e o r y , a ma n dr e c o n f i g u r a t i o ni s t h et r e n do fm e s d e v e l o p m e n t t h et o o lm a n a g e m e n ts y s t e mt h a tt h ep a p e r s t u d i e si sai m p o r t a n tp a r t o fm e s ，s oi th a sg r e a tm e a n i n gt oi m p r o v et h er e c o n f i g u r a t i o no ft o o lm a n a g e m e n t a st o o li so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ta n dt h em o s te l e m e n t a r ym a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e ，r e a l i z i n ga u t o m a t i cm a n a g 嗍to ft o o tb yc o n l p l l t 嚣锶妇l , r o v e 曲卜 p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fe n t e r p r i s e ，m a k et h en s eo ft o o l sp r o p e d ya n dd e c r e a s et h e c o s t f i r s tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei d e aa n dm e a n i n go fm e sa n di t sd e v e l o p m e n t ， e x p l a i n st h ef u n c t i o no ft o o lm a n a g e m e n ti nm e s n e x tt h ep a p e rd e s c r i b e su m l a n d a n a l y s e si t sa p p l i c a t i o ni ns y s t e ma n a l y s i s w i t hu m l t h ep a p e rm a k e st h ea n a l y s i so f u s ec a s ea n ds t a t i cs t m c t u r e ，d y n a m i cs t m c t u r e t h i sp r o v i d e sg r e a th e l pi nc o d i n g a n dm a k e su s e r sh a v ec l e a ru n d e m t o o df o rt h es y s t e m a tt h es a m et i m et h i sp a p e r r e a l i z e st h es y s t e mw i t hc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , e x p l a i n st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s o m ec o m p o n e n t s a tl a s tt h ep a p e rs h o w su st h eu s e ri n t e r f a c e sd e t a i l e d t h es y s t e mr e a l i z e sr e c o n f i g u r a t i o na ts o m ed e g r e e ，a n di ti sag o o db a s ef o rt h e s t u d yo fr e c o n f i g u r a b l eo fm e s a l s ot h ee n t e r p r i s ei m p r o v e s i t s p r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tt h r o u g l lt h ea p p l i c a t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d s ： m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) ，u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g n a g c ) ， c o m ，t o o lm a n a g e m e n t 璧i ! 三些奎兰堡圭兰g 鎏耋 登氅 1 1 课题背景 第一章绪论 制造业是近代人类物质文明和精神文明的基础，也是国民经济赖以生存和 发展的重要支柱产业。它是当代科学技术发展最为活跃的领域，是国际间产品 革新、生产发展、经济竞争的重要手段。随着信息技术和先进制造技术的迅猛 发展，制造企业的技术水平和管理水平也在发生着本质性的变化。互联网的普 及和市场经济的全球化，为企业注入了新古粤活力，同时也使得企监面临着许多 严峻的挑战。如何应对市场全球化的竞争，敏捷反应市场需求，降低成本，提 高质量，缩短交货周期，是企业在全球化经济中赖以生存的必要条件。 当前很多企业在采用计算机，网络、数据库等来进行企业信息化建设，以 实现各种资源的无纸化管理。企业要不断的寻求新的生产方式和新的管理模式 才能面临新的机遇和挑战。在这种情况下，各种生产管理和控带方式如物料需 求计划m r p ，制造资源计划m r pi i ，企业资源计划e r p ，准时生产j i t ，最优生产 技术o p t ，敏捷制造删等相继出现。从理论体系上来看，m r p ，m r p i i 和e r p 是 一脉相承的。e r p ( e n t e r p r j s er e s o u r c ep a n n i n $ ) ，是指建立在信息技术基 础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平 台“3 。从其定义可以看出，e r p 是面向上层计划的管理信息系统，它的实施主 要是为企业决策提供平台。8 0 年代中期开始引入的j i t 技术，其核心是适时、 适量生产，其基本思想是“只在需要的时刻，按照需要的数量，生产需要的产 品”。j i t 生产方式力图通过“彻底排除浪费”来实现最大利润目标，为了捧除 浪费，j i t 相应的产生了适时、适量生产、弹性配置作业人数以及保证质量等 基本方法翻。实施j i t 生产模式必须满足以下条件：生产计划平稳、生产车间 重新布局、准时采购、消除原材料和外构件库存、质量管理实现零缺陷。显然， 目前中国的企业实现j i t 模式还缺乏很多的基础条件。而7 0 年代末出现的优化 生产技术o p t 也存在着很大的局限性，主要是找到“瓶颈”工序，充分利用“瓶 颈”上的资源，并安排好非“瓶颈”工序的资源配置，这只能用在一些工序较 少的场合伽。总之，各种各样的生产模式都要适应市场竞争的需要，还要符合 各个企业的实际情况才能有效的实施和运行。 2 0 世纪8 0 年代末，随着市场竞争日益激烈，e r p 与底层生产脱节的矛盾也 塑! ! 三些查兰璧兰兰堡兰兰! 璧 越来越突出，在这种情况下，将计划和制造过程统一联结起来的制造执行系统 ( m e s ) 应运而生。制造执行系统是位于上层计划管理系统和底层的工业控制之 间的面向车间的管理信息系统。它为计划人员，操作人员提供计划的执行、跟 踪以及所有资源的当前状态等信息，使企业上层能够实时的，准确的掌握生产 现场的生产情况以及资源的使用情况。随着先进制造技术理论的发展，制造执 行系统也朝着敏捷制造、可重构性方向发展。 对于机械类生产车间，制造执行系统应包括：车间级作业计划与调度、工 况数据采集、计算机辅助加工程序编制与管理、计算机辅助零件工艺编制、工 具管理等子系统【4 】。刀具管理是制造执行系统中很重要的一部分。刀具是制造 企业最基础，也是最重要的制造资源。面对数量庞大的生产、配套和管理信息， 如何有效管理品种多样、规格各异的刀具，已成为企业面临的新课题。数控车间 的刀具管理水平是衡量数控车间综合集成制造能力的重要标志之一。借助计算 机辅助刀具管理，对刀具合理配置、有效使厢、生产效率的提高及成本的降低 都非常重要i ”。 1 1 2 课题来源 四川成飞集成科技股份有限公司是以原成飞汽车模具中心为基础，由成都 飞机工业( 集团) 有限责任公司联合成都航空仪表公司、吉利集团有限公司、 南京航空航天大学、西北工业大学共同发起，并经国家经贸委批准设立的，以 工业模具设计、研制和制造为主业，以计算机集成制造技术开发与应用为特征 的高科技股份有限公司。公司科技生产任务繁重，加工零件种类繁多、结构复 杂，模具生产中主要采用数控机床等先进的加工设备，涉及刀具品种繁多、需 求量大，结构参数和使用情况动态变化。公司迫切需要借助信息技术构建刀具 管理信息系统来改变传统的刀具人工台帐、信息孤立等弊病，强化企业的基础 管理水平。随着公司生产规模的扩大和客户要求的曰益提高，为了提高制造水 平和市场竞争力，更加适应制造业的发展要求，公司急需开发网络环境下的刀 具管理系统，以利于自身综合管理水平的提高。就目前而言，公司对刀具的管 理还很不完善，面对数量庞大的生产、配套、管理信息，落后的刀具管理已经 远远不能适应企业发展的需要，同时刀具的基础数据和使用信息反馈也不够及 时、准确和完善。目前公司刀具的管理主要存在的闷题有： 1 刀具的库存，采购以及工艺刀具需求相互独立，不能实现刀具信息的共 享，导致一方面库存刀具积压，占用大量资金，另一方面工艺人员选刀的时候， 不能对库存刀具进行查询，致使工作效率很低，经常要重新进行工艺选刀。 2 大量的刀具流失在生产现场。一方面造成了刀具资源浪费，另一方面也 不利于刀具的集中控制和管理。 垩i ! 三兰查兰璺主兰堡鎏三：垡。 3 由于刀具信息不流畅，硬件配置不完善，装刀工经常要到生产现场取回 使用的刀具，从而导致刀具准备时问过长，大大降低了数控设备的利用率和生 产效率。 4 刀具的现场使用信息不能及时反馈，对刀具的使用信息没有积累，不利 于管理人员和工艺人员了解刀具的性能。 5 刀具刃磨还采用人工管理，信息闭塞，与库存和采购以及工艺部门完全 脱节，不能适应企业信息化建设的需求。 6 由于刀具品种繁多、结构参数多变，给工艺人员工艺选刀造成了很大困 难。实际生产中很多情况下工艺人员只能提供刀具选用范围，刀具的具体选用 则让操作工自己决定。 针对四川成飞集成科技股份有限公司目前刀具管理所存在的问题，我们经 过调研，详细分析了公司内部与刀具管理相关的工艺、生产、库房、采购等业 务流程，根据具体需求，采用组件化的思想设计并开发了“成飞集成科技刀具 优化动态管理系统”，以解决刀具资源过度浪费、刀具准备时间过长、工艺选刀 困难、刀具使用信息反馈不足等问题，达到规范刀具管理、提高数控设备利用 率、提高企业的生产力和信息化水平等目的。 1 2 论文的研究内容与研究意义 1 2 1 论文的研究内容 本论文主要研究任务是采用组件化的设计方法开发制造执行系统中刀具管 理信息系统。制造执行系统朝着敏捷性、可重构性方向发展，而采用可复用的 m e s 软件组件是提高脏s 敏捷性、可重构性的有效途径。其中最重要、最基础 的工作是需要大量的可复用的业务组件。只有真正建立了一个组件库，才可以 充分体现和发挥t i e s 的敏捷性和可重构性的优势。刀具管理系统在制造执行系 统中占有十分重要的地位，所以本文选择组件化的刀具管理信息系统来进行研 究。其主要的研究内容包括以下几个方面： 1 分析了刀具管理在姬s 中的地位和作用。 2 。采用u 虬技术对系统进行建模，对系统进行了用倒分析，静态分析和动 态分析。 3 将功能进行细分，采用c o l d 组件技术标准，对系统组件进行规划和设计。 4 探讨了系统的安全性设计，系统采用用户j 察单权限机制来保证系统的 安全性。 5 完成了整个系统的开发。本系统实现7 7 j 具从采购、工艺选刀，库房， 西北工业大学硕士学位论文 绪论 生产现场、以及后期的刃磨等整个生命周期的计算机管理，成功的解决 了当前刀具管理存在的问题，提高了企业信息化水平。 1 2 2 论文的研究意义 本论文在对成飞集成科技股份有限公司刀具管理深入调研的基础上， 根据公司的具体需求开发了组件化的刀具管理信息系统。该系统涵盖了从 刀具采购、工艺选刀、入库出库，现场使用、以及后期的刀具刃磨等刀具 整个寿命内的业务流程。解决了原来刀具管理中存在的信息不能共享，信 息不流畅，刀具使用信息无法反馈，工艺人员选刀困难等一系列的问题， 缩短了刀具使用中的刀具准备时间，提高了工作人员的工作效率和数控机 床的使用效率，规范了刀具信息的管理，提高了企业的信息化水平。 刀具管理是m e s 中很重要盼一部分，所以提高刀具管理系统的敏捷性 和可重构性对提高制造执行系统的敏捷性、可重构性具有很重要的意义。 该系统采用的组件化的开发方法，提高了软件开发的效率和软件的重用性， 并且解决了开发效率与开发质量之间的矛盾。当系统进行修改时，仅仅需 要改变相关的组件而不影响系统其它部分，便于实现流程、功能的重构和 信息资源的重组与重用，适应了企业外部不断变化的动态环境，为开发中 小型制造企业的刀具管理软件探索了一条新思路、新方法，也为制造执行 系统向敏捷性、可重构性迈进奠定了一个良好基础。 1 3 论文的章节安排 本论文共分六章，章节安排如下： 第一章绪论：介绍论文的研究背景、研究内容和研究意义 第二章m e s 和刀具管理信息系统：主要介绍制造执行系统的产生和发展，概念 和意义，以及刀具管理研究的现状，在m e s 中的地位和作用。 第三章u m l 及其在系统分析中的具体应用：介绍了成飞集成科技目前刀具管理 的现状，利用u m l 工具对系统进行了详细的用例分析、静态分析和动态 分析，给出了相应的用例图、类图、顺序图以及活动图等。 第四章基于组件的系统开发：介绍了组件技术及其标准，给出了本系绕中组件 的规划，设计，讨论了系统的安全性设计。 第五章系统的实现：介绍了系统各个功能模块的实现，主要包括刀具基础信息 管理、刀具工艺管理、刀具库存管理、现场使用管理、刃磨管理以及系 统维护等模块。 第六章结论与展望：对论文的研究成果进行了简单的总结串指出了待改进之 4 西北工业大学硕士学位论文 处，提出了进一步的研究内容和方向。 其中第三章，第四章和第五章是本文的重点内容。系统采用u m l ，组件技 术对系统进行了分析和设计，并成功的实现和应用了该系统。 本章小结 本章首先简要介绍了课题的来源和背景，然后阐述了论文的研究内容和意 义，并提出了论文的基本结构。 5 塑! ! 三些盔兰堡圭兰堡篁圣 竺墅皇翟量墼堡篁星垂釜 2 1 i v i e s 概述 第二章m e s 与刀具管理信息系统 2 1 1m e s 的产生与发展6 3 7 1 8 1 m m e s 的产生有着鲜明的时代特征，即随着市场竞争日益激烈，企业面临的 压力也越来越大，企业要想生存，就必须寻求新的生产方式和制造模式以求的 生存和发展，这引起各工业发达国家企业界和学术界的高度关注。在这种背景 下，各种生产管理和控制方式，如物料需求计划m r p ，制造资源计划m r p ，准 时生产j i t ，最优生产技术o 町，敏捷制造a 】i l 等相继出现。级观这些生产方式 和制造模式，其目标和内容不尽相同，其中m r p ，m r p l i 是通过物料的不同提 前期制定物料需求计划，以保证生产的顺利进行，它们注重的是生产管理；而 j i t 通过看板的方式追求无库存的高效生产，实施j i t 生产模式必须满足以下 条件：生产计划平稳、生产车间重新布局、准时采购、消除原材料和外构件库 存、质量管理实现零缺陷。显然，目前中国的企业实现j i t 模式还缺乏很多的 基础条件。o p t 则是通过瓶颈的分析来优化生产组织，保证生产均衡，这两者 强调的是生产过程的控制；敏捷制造则通过动态联盟，最大限度的利用全求资 源，抓住市场的机遇，实现敏捷制造。随着生产管理和控制方法的不同，其应 用范围和背景也各不相同。分析这些方法，从生产管理角度它们都有共同特点， 即强调计划的执行。根据实践和先进制造理论我们知道，如果想要生产计划有 效的执行，很重要的保证是底层制造过程、控制系统和员工必须有效集入到计 划体系中，为此，将计划和制造过程统一联结起来的制造执行系统应运而生。 m e s 的发展主要经历了传统m e s ( t r a d i t i o n a lm e s ，t m e s ) 和可集成m e s ( i n t e g r a t a b l em e g ，i m e s ) 两个阶段。t m e s 摄早源于工厂的内部需求，从 2 0 世纪7 0 年代车间级应用发展起来，主要分为两大类：专用m e s 系统( p o i n t m e s ，p m e s ) 和集成m e s 系统( i n t e g r a t e dm e s ，i m e s ) 。p m e s 是解决某个特定领 域问题而开发的单独应用系统：i m e s 则是针对某一特定行业如航空等行业而设 计的，具有一定的通用性并加强了集成能力。 集成的m e s ( i m e s ) 比专用的m e s 迈进了一大步，具有一些优点：如单一 的逻辑数据库，系统内部具有良好的集成性，统一的数据模型等等。但其整个 系统可重构性能弱，很难随着业务过程的变化而进行功能配置和动态改变。为 了解决t - m e s 的不足，可集成i m e s 逐渐成为人们研究的热点。i m e s 是在综 6 合两类t - m e s 优势的基础上，将面向对象技术、消息机制和组件技术应用到系 统开发中，通过采用高效的基础框架来增强系统的集成性和适应性。 可集成m e s ( i m e s ) 可以说是面向敏捷制造的新一代m e s ，它既是对两类 t - m e s 扬弃，又具有鲜明的敏捷性特征。可集成m e s 通过运用可重用组件进行 系统快速装配，一方面可提供专用的m e s 系统的特定功能，即i m e s 中部分功 能作为可重用组件单独销售，另一方面它又可按客户需求实现系统的快速组装， 形成集成的m e s 。面向敏捷制造的m e s 具有以下特征： ( 1 ) 可集成性( i n t e g r a t a b i l i t y ) 实现与不同厂商之间系统的集成以及对企业 现有系统的保护。 ( 2 ) 可配置性( c o n f i g u r a b i l i t y ) 能对工厂新引入的产品，以及不可预料的需 求变化进行系统结构的快速配置，来满足用户不断变化的需求。 ( 3 ) 可适应性( a d a p t a b i l i t y ) 通过系统良好的熏构能力来自动适应变化的工 作负荷和业务过程的改变。 ( 4 ) 可扩展性( e x t e n s i b i l i t y ) 不但可在一个单元内扩展其功能，而且可扩展 到其它制造单元以及产品制造生命周期的其它阶段。 ( 5 ) 可靠性( r e l i a b i l i t y ) 保证分布式系统的数据完整性、一致性以及虚拟企 业信息交互的安全性。 随着制造模式和i t 技术的不断发展，国内外学者在i m e s 基础上，提出许 多新的思想和方法来推动m e s 的发展。m e s a 白皮书对m e s 做出全面的阐述，并 提出一种执行驱动的制造管理方式，但对m e s 集成没有给出具体的指导；0 m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ) 领导的m e s m c 工作组致力于m e s 对象模型和分 布式m e s 的集成方法研究，但模型的行业性太强：n i s t 对m e s 的模型多从建模 方法和功能组上进行分析，但其对象结构比较简单；n i i p - s m a r t 提出针对虚拟 企业的m e s ，运用商业软件、标准体系结构、框架等措施提出一种可复用的m e s 解决方案；开放体系结构的o p e n 姬s 框架规范是由日本科学与技术中心 i a s a h i r o 等人提出的，它运用面向对象框架的方法以及j a v a 和c o r b a 技术， 但给出的规范完全是面向电子元件的过程抽象和无人化工厂，不具有通用性： n e m i ( n a t i o n a le l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n gi n i t i a t i v e ) 的即插即用制造工 厂项目其模型体现即插即用的思想，注重于硬件设备外部标准借口的建立，没 有给出具体的m e s 对象结构；k e l l y 提出敏捷制造环境下的娅s 解决方案；c h e n g 等用分布式对象的方法提出计算机集成的m e s 系统框架：r e i n h a r d 等提出基于 组件的m e s 应用框架。国内的研究机构和高校( 如沈阳自动化研究所、西北工 业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、西安交通大学、大连理工大 学等) 在国家8 6 3 计划的支持下，也加紧对m e s 技术的研究。其中于海斌、饶 运清、张书亭等人进行面向敏捷制造的m e s 研究：陈杰等人从业务管理的角度 7 两北t j 业大学硕士学位论文 m e g 与儿具管理信息系统 提出面向过程的m e s ；周华等人提出基于全能体的m e s 框架结构；宋海生等提 出网络联盟企业中基于w e b 的分布式m e s 体系结构；刘晓冰、张士杰等结合可 重构制造模式，运用多a g e n t 、软构件等技术提出可重构m e s 。 综上所述，尽管众多学者对m e s 从敏捷制造、可重构制造以及软件开发等 多个角度提出新的思路，但可以看出这些思想都体现相似的一面，均从不同的 侧面反映出制造企业在信息化壶l , a t 睑推动下，希望m e s 孰羞快速重梅、全面集 成和过程优化方向发展。 2 1 2m e s 的概念和意义1 1 0 1 1 1 1 m e s 虽然产生很多年，但至今没有形成一致的的定义，下面就有影响的概 念进行介绍和分析： 国际m e s 协会( m e s ai n t e r n a t i o n a l ) 将其定义为“能通过信息传递对从卜 订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理”。它采用实时精确的数据对 生产活动进行初始化，及时引导、响应和报告工厂的活动，对随时可能发生变 化的生产状态和条件做出快速反应，削减不会产生附加值的活动，从而有效的 推动工厂运行。m e s a 对各成员的实践归纳出十一个主要的m e s 功能模块，包括 工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管 理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和 数据采集。美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 将其定义为“位于上层计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管 理信息系统”。它以当前视角向操作人员管理人员提供生产过程的全部资源( 人 员、设备、材料、工具和客户需求) 的数据和信息，其着重点是“运用信息技 术改善制造过程”。美国国家标准及技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ，n i s t ) 则认为，m e s 通过采集硬件软件的各种数 据和状态信息，使得从接受订货到制成最终产品全过程的管理活动得以优化。 纵观上述定义，不难看出关于m e s 的定义存在一些不同的表述，但是其基 本特征有： ( 1 ) m e s 在整个企业信息计集成系统中承上启下，是生产活动与管理活动信 息沟通的桥梁； ( 2 ) m e s 采集从接受订货魏锚成最终产品全过程盼各种数据和状态信息，目 的在于优化过程管理活动； 综上分析，m e s 的本质是面向生产过程的集成化的车间生产管理与控制系 统，是计算机集成制造哲理的系统观点和信息观点在车间管理和控制层的具体 体现。强调用实时精确的数据将生产状态传递给上层计划系统，并将生产计划 细化、分解，将指令传递给底层控制系统，从而实现企业全面信息集成和运行 8 璺! ! 三鲨查兰垄圭兰堡篁兰 堡：。主窒垦篓罂笪皇至鎏 优化。 根据企业的生产组织结构，企业信息集成模型主要有三个层次：计划层、 执行层和控制层。如图2 1 所示。 计划层：强调企业的计划性。它以客户订单和市场需求为计划源头，充分 利用企业内的各种资源，降低库存，提高企业效益。 执行层：强调计划的执行，通过m e s 把e r p m r p 与企业的现场控制有机的 集成起来。 控制层：强调设备的控制。包括p l c 、数据采集器、条形码、各种计量及 检测仪器、机械手等的控制。 ，计划层 。!：l 执行层 ! ! 。、一：、 控制层 厶。j 图2 1p d v i r 的企业三层集成模型 从图示模型可以看出，制造执行系统m e s 在计划管理层与底层控制之间架 起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙。近年来，一些e r p m r p 软件试图将其 车间管理的功能向下延拓，而一些底层拄削软件如b c s 软件、各种组态软件等 尝试向上延伸功能。可是虽然增加了一部分功能模块，却收效不大：e r p 软件 缺少足够的控制信息，无法做到与控制系统紧密相连；d c s 各种组态软件等控 制软件又缺乏足够的计划信息，也不能实现管理功能。所以造成了企业内部的 信息瓶颈，不能快速的对市场变化做出晦应，这主要是虽然重视了计划管理和 底层控制，却忽视了中间的车间执行功能。鼠此企业要重视执行功能，定位好 制造执行系统。制造执行系统的实旌对企业有着很熏要的作用，一方面m e s 可 以对来自e r p m r p 软件的生产管理信息细化、分解，将操作指令传给底层控制； 另一方面可以实时监控底层设各和资源的使用状况，采集信息，将控制系统和 管理系统很好的联系起来。， 我国的m e s 应用刚嘲起步，它的发展历史比m r p i i 、c a d 、c a m 都要短，主 要强调以“时间”为观念的制造思想。近十多年来，我国通过8 6 3 c i m s 项目的 应用研究和推广，大大提高了企业的竞争力，使我国的制造业水平上了一个崭 新的台阶。在我国，根p i i ，m i s 已逐渐趋于成熟与普及，而面向制造执行层的 m e s 软件在开发与应用方面还比较薄弱。我国对车间层的研究大都偏重于控制 模型的研究，很少站在碉s 这一角度从应用出发来研究并开发面向制造过程的 9 西北工业大学硕上学位论文m e s 与刀具管理信息系统 集成化管理软件。 现在，我国许多高等院校、科研院所都在从事这方面的研究与应用开发工 作。在理论研究方面，加入了并行、敏捷、网络化、可重构等一些先进的理论 思想。在系统设计方面则采用面向对象、构件、代理等技术，取得了不少有益 的成果。但是在软件的商品化、成果的推广应用方面还存在着很大的差距。目 前，国内还没有自主开发的很成熟且得至4 广泛应用的m e s 软件。即使有所谓的 车间控制层s f c ( s h o pf l o o rc o n t r 0 1 ) ，也多数是收集相关资料再通过批处理 方式录入而已，其功能十分有限。随着企业信息化应用水平的不断提高，企业 逐渐认识到实现企业计划层与车间执行层的双向信息流交互，通过连续信息流 来实现企业信息全集成，是提高企业敏捷性的一个重要因素。因此，通过m e s 来实现企业信息的全集成，形成实时化的e r p ，m e s ，s f c 是提高企业管理水平 的关键，这对企业制造业整体水平的提高具有重要的意义。 2 2 刀具管理系统 2 2 1 刀具管理的发展以及国内外研究现状1 1 2 】【1 3 】1 1 4 】【1 5 l 1 刀具管理的发展 早期的刀具管理都是采用人工进行管理，但是后来随着生产的发展，市场 竞争的加剧，以及数控机床和加工中心的广泛应用，加工零件的种类也越来越 多，加工所使用的刀具的规格和品种也就大大增加，人工刀具管理就暴露出了 很多弊端，主要表现在以下几个方面： 1 利用手工台帐管理刀具相关的信息，劳动强度大，出错率高。 2 刀具的需求计划经常与实际生产脱节，往往是需要的刀具没有，而不需 要的刀具却可能冗余，降低了生产设备的利用率和生产效率。 3 刀具信息查询困难，在大量的刀具中仅靠查找明细表、使用资料查询某 种型号的刀具，既费时又容易出错。 4 工艺选刀困难，工艺人员无法方便的知道刀具的库存信息以及刀具的组 件信息，导致选刀非常困难。 5 刀具在生产现场闲置散落造成了刀具资源的浪费。 6 没有对刀具库存进行合理的管理，导致刀具占用了企业大量流动资金。 为了解决刀具管理中所出现的各种问题，更好的适应企业现代化生产制造 系统发展的需要，提高企业的生产效率及管理水平，世界上许多国家的企业、 学者开始关注和研究刀具管理的理论和方法，研究刀具管理系统的开发和应用， 并竞相采用先进的数据库和网络技术来开发计算机辅助刀具管理系统。现在计 1 0 塑苎三些奎兰堡圭兰堡篓兰 塑璧皇星墨篁登堡皇至篁 算机辅助刀具管理的模式和方法逐渐取代了传统的落后的人工管理a 实践证明， 采用计算机辅助刀具管理能大大降低刀具管理的难度，提高生产效率和企业的 现代化管理水平。 计算机辅助刀具管理必须具备相应的系统硬件和系统软件模块。硬件结构 一般包括系统内所有刀具，机床刀库，中央刀库，刀具管理计算机，条形码扫 描仪和打印机，刀具在线监测装置等，而相应的软件模块一般包括刀具数据库， 刀具离线管理模块以及刀具在线实时管理模块。 刀具管理就是要及时准确的为机床提供适用的刀具，以便在维持较高的设 备利用率的前提下，生产出所需数量的合格零件。对于现代化生产制造系统来 说，刀具管理应该要完成如下任务： ( 1 ) 保证每台机床有适宜的优质高效的刀具使用，不因缺刀而停机。 ( 2 ) 监控刀具的工作状态，必要时及时换刀。 ( 3 ) 准确可靠钓运送刀具，并尽量减少刀兵取送和运输时闯。 ( 4 ) 追踪系统内刀具情况，及时补充刀具。 ( 5 ) 对刀具参数要进行有效管理，以优化刀具选用。 ( 6 ) 做好刀具库存的管理，保证生产所用刀具。 ( 7 ) 刀具成本要能做到精确核算。 根据刀具管理应完成的任务，刀具管理系统应完成的管理工作内容十分广 泛，其中主要有如下几个方面： ( 1 ) 根据生产计划、刀具资源情况和零件加工工艺规程等原始资料生成刀具 需求计划、刀具周期需求计划和刀具组装计划等刀具管理计划。 ( 2 ) 根据刀具组装计划，在刀具室内将刀夹、刀片装配成刀具组件。对模块 式刀具则将主柄模快、中间模块和工作模块装配成整体刀具，并在调刀仪上调 好尺寸，然后编码待用。 ( 3 ) 根据刀具周期需求计划，调取相应的刀具分配给各机床刀库和中央刀库 并完成刀具向各机床刀库和中央刀库的输送。 ( 4 ) 对加工过程中的刀具状态进行实时监控和对刀具的切削时间进行累计。 ( 5 ) 当刀具使用寿命达到预定值或刀具发生早期破损时，机床应立即停车发 出报警信号，并及时控制机床上的机械手换刀。 ( 6 ) 完成刀具的输送及交换。包括机床刀库和中央刀库之间的输送、使用过 的刀真的离线输送和刀具的补充等。 2 刀具管理国内外研究现状 早在七十年代末期，一些发达国家如德罾、英国、美国、日本的一些机械 制造厂家开始注意到刀具管理系统的开发和研究，并采用计算机来辅助刀具管 理系统。国外的刀具管理模式主要是通过建立刀具管理信息系统和刀具输送系 1 1 硬北工业大学硕士学位论文 m e s 与川具管理信息系统 统来满足生产中对刀具管理的需要。随着制造系统自动化程度的不断提高，尤 其是c i m s ( 计算机集成制造系统) 、f m s ( 柔性制造系统) 、v m s ( 虚拟制造系统) 等 先进制造模式的出现，刀具管理也向着自动化程度不断提高的方向发展。目前， 国外的一些刀具管理系统人工干预越来越少，各种先进技术和设备的利用不仅 实现了刀具的静态管理，而且还可以实现诸如刀具在线实时调度和状态监控的 动态管理。 近些年来，随着我国改革开发的逐步深入、市场竞争的加剧以及现代化数 控制造系统的不断发展，国内的生产制造企业开始逐步认识到刀具管理在制造 系统中的地位和作用。但是，限于企业的财力、物力、技术和管理水平，我国 机械制造行业的装备状况在短期内不可能发生显著的变化，不可能采用国外高 度自动化的刀具管理方法，因此，我国目前的刀具管理大多数还停留在一般的 刀具管理信息系统模式即刀具的静态管理，关于刀具的实时调度和在线加工状 态监控管理目前还基本上没有实现。本文正是立足于我国生产制造型企业刀具 管理现状的基础上来研究和开发适合于现阶段我国国情的刀具管理系统。 2 2 2 刀具管理在m e s 中的地位和作用 刀具管理是制造执行系统中很重要的一部分，特别是对于机械类的生产车 间，刀具管理的是否科学，在很大程度上影响了制造执行系统的可靠性以及生 产效率的高低。 下面我们从两个方面分析刀具管理在m e s 中的地位和作用。 ( 1 ) 从整个企业信息系统的子系统角度： m e s 在整个企业信息系统中，起到了一个信息集线器的作用。m e s 需要从周 边的系统获得所需要得信息，其他信息系统也需要从m e s 中获得各种各样的相 关信息，刀具信息就是这些信息中重要的一部分。比如作为设计源头的c a d ， 在进行产品设计的时候要求考虑到零件的可制造性，那么我们就必须要考虑到 企业刀具的能力状况，c a p p 在进行制订工艺规程的时候，每一道工序都需要指 定所用的刀具，我们就要考虑到企业现有的刀具资源信息，也就是工艺人员在 进行工艺选刀的时候，需要知道刀具的库存信息，甚至采购信息。 ( 2 ) 从企业的生产管理来看： 随着市场竞争日益激烈，企业需要不断的加快产晶的设计，缩短产品的生 产周期来适应市场，对于制造执行系统而占，提高其敏捷性和可重构性是最急 迫的任务。由于生产任务的不断变化，导致相应的制造资源刀具的数量和种类 都大大增加，在这种情况下，落后的刀具管理根本无法适应生产需要，而且对 于车间层管理控制系统而言，刀具的管理、存放、和维护工作显得尤为重要。 刀具作为一种重要的制造资源。刀具魄信息也是钭约生产能办魄重要因素，提 西北工业大学硕士学位论文 m e s 与刀具管理信息系统 高刀具管理系统的敏捷性和可重构性，对于提高整个制造执行系统的敏捷性和 可重构性是十分重要的，而且，刀具管理不合理，或者刀具信息不流畅，将会 出现刀具的库存量不足，购买滞后，刀具准备时间过长等，从而造成机床停工， 设备利用率低，或者刀具库存量过大，占用资金过高等现象。 所以，刀具管理是实现眦s 敏捷性、可重构性的重要组成部分，它为企业 信息化的实施成功提供基础保证。 本章小结 本章首先介绍了制造执行系统的产生和发展，然后分析了它的概念和意义， 接着论述了刀具管理的发展以及国内外的研究现状，最后从两方面阐述了刀具 管理在制造执行系统中的地位和作用。 西北工业大学硕士学位论文u m l 在系统分析中的应用 第三章u m l 及其在系统分析中的应用 传统的生命周期方法学曾经给软件产业带来了巨大的进步，部分的缓和了 软件危机。但是这种方法仍然存在着比较明显的缺点，传统的软件设计方法往 往是出于解决面向过程语言系统的设计问题的目的，主要是那些基于功能分解 或数据分析基础上的结构化方法，但在越来越复杂的非数值计算型的软件开发 中，在广泛应用图形界面的交互式应用中，在需求经常变动的条件下，用传统 的软件开发方法往往报露出了严重的不适应性。并且自顶向下的功能分解的建 模分析方法加大的限制了软件的可重用性，导致对同样对象的大量重复工作， 降低了开发效率。 随着面向对象技术发展的成熟，出现了很多面向对象的建摸语言，u 札就 是一种定义良好、易于表达、功能强大并且普遍适用的建模语言，它提供了丰 富的图形表示结构和行为模式，并且适用于开发过程中的各个阶段，使用删l 建模有助于开发者对整个系统有清晰的认识，从而建立各种系统模型，为后期 的编码做准备。本文将选择面向对象的建模工具u m l 来为系统进行分析建模。 3 1u m l ( 统一建模语言) 简介 3 1 1 标准建模语言哪l 的内犁1 6 】【1 7 1 1 1 8 】【1 9 j u m l ( 统一建模语言，u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是一种建模语言，是第 三代用来为面向对象开发系统的产品进行说明、可视化和编制文档的方法。u m l 通过把先进的面向对象思想统起来，为公共的、稳定的、表达能力很强的面 向对象方法提供基础。从原理上讲，“方法= 表示法+ 过程”，而u m l 不包含对过 程的定义，可以认为，u m l 是独立于过程的。由于u 札融合了诸多建模语言的 优势，覆盖面很广，所以，它可以用于几乎所有领域的软件开发中，适用于任 何开发过程。不过，作为在面向对象技术迅猛发展并成为主流的时代背景下出 现的技术成果，u m l 更适合于面向对象的软件开发过程。目前，o m g ( 对象管理 组织) 已经把u m l 作为公基可得到的说明提交给国际标准化组织( t s o ) 进行国 际标准化。预计u m l 将成为信息技术的国际标准。 作为一种建模语言，u m l 的定义包括u m l 语义和u m l 表示法两个部分。 ( 1 ) u m l 语义描述基于u m l 的精确元模型定义。元模型为u m l 的所有元 素在语法和语义上提供了简单、一致、通用的定义性说明，使开发者能在语义 上取得一致，消除了因人面异啦最佳表达方法所造成的驻响。此外u u 还支持 1 4 璧j 5 三些查兰堡圭耋堡篁兰 ! 竺三耋垂丝坌塑主篁窑星 对元模型的扩展定义。 ( 2 ) u m l 表示法定义u m l 符号的表示法，为开发者或开发工具使用这些 图形符号和文本语法为系统建模提供了标准。这些图形符号和文字所表达的是 应用级的模型，在语义上它是u m l 元模型的实例。 u m l 定义了九种图，这些图被用来建立系统的静态结构和动态行为模型。 类图f c l a s sd i a g r a m ) 它包括一组类、界面、合作以及它们之间的关系， 例如联系、依赖和继承。它被用来建立系统静态模型，并在系统的整 个生命周期中有效。 对象图( o b j e c td i a g r a m ) 一个对象就是一个类的实例。个对象图表 示一组对象和它们之间在某一时刻的关系。它被用来为类图中的实例 建立模型。 构件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) 构件图描述一组构件和它们之间的关系。 它被用来展示一个系统实现的静态视图。一个梅件可以