（机械电子工程专业论文）基于准柔性生产线的制造单元（pfplmu）关键技术研究.pdf

摘 要 i 论文题目：论文题目：基于准柔性生产线的制造单元(pfpl-mu)关键技术研究 专 业： 专 业： 机械电子工程 研 究 生： 研 究 生： 徐元周 指导教师： 指导教师： 颉潭成 摘 要 摘 要 本论文依托洛阳市科技计划项目“基于先进制造的准柔性生产线数控单元系统研 发”(项目编号：040213)。在机械设计与制造过程中，系列化产品的研制占相当大的比 例。为了适应动态多变的市场，综合专用机床和数控系统的优点，根据我国制造业目前 的实际情况和准柔性生产线数控单元的特点，开发一种介于刚性自动化和柔性数控化之 间的制造单元pfpl-mu，以缩短结构定型的系列化产品的制造周期，提高产品质 量，增强产品转型的适应性。本文以 vc+ 6.0 作为开发工具，结合 sql server 数据库 技术和计算机网络技术，实现系列化产品的数控加工过程和管理的网络化。 本文首先在论述网络化制造技术的特点、应用及发展趋势的基础上，结合准柔性生产 线数控单元的特点，开发一种新型的制造单元，构建 pfpl-mu 的体系结构，对其进行较深 入的研究，采用模块化、单元化设计思想，设计控制系统总体方案。并且研究 pfpl-mu 关 键组成部分 pfpl-mc 的结构。 根据 pfpl-mu 的特点，设计一种信息集成和设备集成方法，解决 pfpl-mu 中通 讯的关键技术，并且解决通讯所需要的其它支持技术，如多线程访问技术、windows 实 时性通讯技术等。为了提高加工效率、减少废品率，设计 pfpl-mu 的辅助功能，主要 包括：基于 opengl 技术的数控加工程序的 3d 图形仿真，基于 sql server 数据库技术 的机床管理、nc 程序管理等技术。 在现有试验条件的基础上，搭建一个 pfpl-mu 系统，分析 pfpl-mu 的实现过 程，最后在 cincinnati milacron arrow 750 立式数控加工中心上进行试验验 证，达到预期的效果。 在理论和实践中，本文开发多线程访问技术，解决多个通讯组件同时访问同一数 控文件所产生的一系列问题的关键技术。对于大量的备份文件，设计独特的文件命名技 术，实现备份文件的有效管理。 关 键 词：制造单元，数控加工，数据库技术，数控仿真 论文类型： 关 键 词：制造单元，数控加工，数据库技术，数控仿真 论文类型：应用研究 河南科技大学硕士学位论文 ii subject: research on key technology of manufacturing unit (pfpl-mu) based on pseudo-flexible production line specialty: mechatronics engineering name: xu yuanzhou supervisor: xie tancheng abstract this research is a part of the important project of luoyang science and technology “research on cnc unit system of pseudo-flexible production line based on am” (040213). the development of series products accounts for a large proportion in mechanic design and manufacture. to meet the dynamic market, a design and manufacture unit pfpl-mu, which is between rigid automatization and flexible nc is presented according to manufacturing status quo of china at present, nc system and pseudo-flexible design and manufacture unit, is developed. the unit can shorten the cycle of manufacture of series products with fixed structure; improve the quality at the same time. quick design and high quality manufacture of series products is realized with the environment of vc+6.0 and technologies of sql server database and network. the traits, application and development trend of flexible manufacture technology are discussed, integrated with cnc unit based on pseudo-flexible production line, and a new manufacture unit is developed. designed the structure of the pfpl-mu, researched for it deeply, used the means of modularization and unit optimize, designed the control system of mc. moreover, pfpl-mcs structure that is the key compose of pfpl-mu is researched. the method of integrated information and equipment is designed, and key technologies of communication in the pfpl-mu are solved properly. and other technologies of communication for pfpl-mu such as multithreading visiting, windows real-time technology for communication are solved well. for increasing the working efficiency, reducing the rejection rate, assistant function is designed, includes the 3d graphics emluator for nc code based on opengl technology and management of machine tool and nc program based on sql server. for the current condition, the pfpl-mu hardware system for experimentation is built. and nc machining of the given type is used to prove the reasonability of the 摘 要 iii unit, the result is prospective. in the theory and the practice, the key technology is put forward. the technology can solve a series of questions caused by the multi-communication module visiting the nc file simultaneously. regarding the massive backup document, the unique document naming technology is designed, and realized the backup documents management effectively. key words：manufacturing unit, nc machining, database technology, nc emluator dissertation type: application research key words：manufacturing unit, nc machining, database technology, nc emluator dissertation type: application research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 网络化制造的研究现状 网络化制造的研究现状 自从网络化制造在 90 年代初由美国里海大学提出后，该技术很快得到各国 政府以及众多企业的重视，并投入了大量的研究，有的已进入实用化阶段1。 围绕网络化制造模式的研究，或者在与网络化制造有关的研究中，出现一系 列的新概念、新观点、新思想，如敏捷制造、并行工程、虚拟制造、虚拟企业、 动态联盟、分散网络化制造、现代集成制造系统等等。这些新概念、新观点、新 思想无不体现企业基于网络的制造理念，同时以此为核心的企业信息化的研究和 应用也在全球蓬勃发展。 1.1.1 国外网络化制造的研究现状 国外网络化制造的研究现状 90 年代初，美国里海大学(lehigh university)在美国国会和国防部的支持下 会同美国众多工业界主要决策人在研究和总结美国制造业的现状和潜力后，发表 了具有划时代意义的美国 21 世纪制造企业战略报告，提出以网络化技术为 支撑的敏捷制造和虚拟企业的新概念。敏捷制造将成为 21 世纪制造企业赢得竞 争和获取利润的主要模式之一。 1994 年，美国能源部制订了“敏捷制造的使能技术(technologies enabling agile manufacturing, team)”的计划(1994-1999)，涉及联邦政府机构、著名公 司和大学等 100 多个单位，并于 1995 年 12 月发表该项目的策略规划和技术规 划。 1995 年“全美工厂网络(fan)”建立，它是国家工业数据库，提供包括生产 能力、各种工程服务项目、产品及其价格和性能数据、销售和用户服务等专门服 务。美国企业网是21 世纪制造企业发展战略研究报告中提出的，它试图通 过发达的高速信息网络通讯系统把美国的制造业联系在一起。这意味着联网的美 国企业类似一个大的虚拟企业，大大提高资源的共享程度和制造的敏捷性。美国 企业网是跨国界的，大量跨国公司将通过卫星通讯技术进入这一网络。 1995 年“制造系统的敏捷基础设施网络 aimsnet”建立，它是美国国防部 提出的第一个敏捷制造计划，由美国国防部 arpa 提供资助、洛克海德马丁 航天公司领导，利用国际互联网支持和管理敏捷企业的供应链。aimsnet 提供的 服务包括预成员和预资格论证、供应商信息、资源和伙伴选择、合同与协议服 河南科技大学硕士学位论文 2 务、虚拟企业运作支持、工作小组合作支持等。利用 aimsnet 能把能力互补的 大、中、小企业连接起来，形成供应链网络。企业不再是“大而全”、“小而 全”，而是更加强调自己的核心专长。通过相互合作，能有效地处理任何不可预 测的市场变化。 1996 年“计算机辅助制造网络(camnet)”建立，该项目得到美国国防部的 资助，由通用电器公司研究与开发中心协作开发。它通过因特网提供多种制造支 撑服务，如产品设计的可制造性、加工过程仿真及产品的试验等，使得集成企业 的成员能够快速连接和共享制造信息。其目的是建立敏捷制造的支撑环境，使参 加产品开发与制造的合作伙伴(制造商、供应商、技术推广部门、制造服务部 门、政府部门等)在网络上协调工作，摆脱距离、时间、计算机平台和工具的影 响，可以在网上获取重要的设计和制造信息，如 cad 模型、生产工艺、制造仿 真和顾客需求等。 欧洲中小企业网络(planning small-medium enterprise networks, plent)建 立。欧洲中小企业网络的开发工作是在由意大利、希腊、匈牙利和西班牙的企业 参与的 plent 项目的框架下完成的。该项目的主要目标是设计和开发一个参考 结构和一个开放平台来支持中小企业生产环境下制造机械零件和管理产品。 1997 年美国国际制造企业研究所发表了“美国俄罗斯虚拟企业网 (russian-american virtual enterprise network, ra-ven)”研究报告。该项目是美 国国际制造企业研究所承担的美国国家科学基金研究项目，目的是开发一个跨国 虚拟企业网的原型，使美国制造厂商能够利用俄罗斯制造业的能力，从更大的意 义上讲，作为全球制造基础框架一部分的美俄虚拟企业的建立与发展起到了实现 全球制造的示范作用。 1998 年 12 月，欧洲联盟公布了“第五框架计划(1998-2002)”，将虚拟网络 企业列入研究主题。 韩国于 1999 年 3 月开始实施“网络化韩国 21 世纪”计划，诣在构筑知识经 济时代的基本框架，提高国家竞争力和人民生活水平。该计划的具体目标是到 2002 年，使韩国知识经济占经济总量的比例达到经济合作与发展组织成员国的 平均水平。 除上述政府计划之外，国际上许多企业，如美国通用汽车公司、波音公司、 思科系统公司、法国钢铁制造商 usinor saclor 公司、德国 bmw（宝马）汽车公 司等均投入了大量研究。国际上许多著名高校如 mit、stanford 大学等也在这方 面作了大量研究。 以上研究，在制造信息基础结构、虚拟企业组建与运行技术、网络化协同产 第 1 章 绪论 3 品开发技术、网络化 pdm、敏捷供应链等多方面均取得不少研究进展和成果。 如：由 apar sisto 资助 stanford 大学 cdr.eit 及 sima 合作开发的 share 项目，支持设计人员或小组通过计算机网络进行组织和交流设计信息，以此建立 对设计和开发过程的共享理解(shared understanding)。matra datavision 公司宣布 最新一代的 cad/cam/cae 软件 euclid quantu 将具备在 internet 进行设计 工作的功能。sdrc(structure dynamics research corp.)公司则在 i-deas master 系列 cad/cam/cae 软件的基础上，增加支持基于 team 的产品设计的功能。 最近，microstation 等几家公司开始开发基于网络的产品设计软件 engineering bace office，可用于广域范围内的工程设计平台和数据库以及其它企业信息系统 的集成。 1.1.2 国内网络化制造的研究现状 国内网络化制造的研究现状 香港理工大学的李荣彬教授和同济大学的张曙教授在1997年提出分散网络化 生产系统(dispersed networked production systems, dnps)4的构思。设想建立一 个相互连接的电子网络，合作企业在网上进行设计、开发、制造和销售产品。其 目的是要使香港与内地的资源和优势通过因特网有机的集成起来，发挥更大的作 用。分散网络化是指将动态的、没有固定隶属关系的、地理上相隔的集团，利用 信息和通讯技术把它们加以组织起来进行生产，快速地以合理的成本将产品从设 计转入生产。该网络无疑会加快产品的设计与开发速度，同时由于中小型企业能 够共享投资，从而减少多品种、小批量生产的成本。 华 中 科 技 大 学 提 出 分 布 式 网 络 化 制 造 系 统 (distributed networ-ked manufacturing system, dnms)5,6初步构想。分布式网络化制造系统是一种由多 种的、异构的、分布式的制造资源，以一定的互联方式，利用计算机网络组成的 开放的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应客户需求变化的制造系统。 西安交通大学的谢友柏教授提出虚拟异地合作设计组织，强调在产品设计和开发 中获取设计知识的异地合作。广东工业大学和香港理工大学合作开发一个面向行 业和地区的网络化制造协作系统中国制造协作网。该网站只是收集了各组成 单位之间设计以及制造资源的分布情况，进行各部门之间的功能介绍。 近年来，我国对网络化制造研究给予了大力的支持。截止到 2003 年，国家 自然基金重点资助的这类项目有：华中理工大学杨叔子院士等承担的网络化制 造与企业集成、上海交通大学严隽琪等承担的基于网络的敏捷制造、华中 理工大学李斌等承担的基于 agent 分布式网络化制造模式的研究、西安交 通大学江平宇承担的基于 asp 的网络化制造应用集成服务平台等，他们的 河南科技大学硕士学位论文 4 研究成果为我国网络化制造的发展奠定了理论基础。 国内一些大型企业已经建立了企业内部网，其运作模式已初具网络化制造的 形态，这类网络化制造企业雏形的产生为我国进一步推广网络化制造奠定了应用 基础。而且，部分企业已经将网络化制造应用到实际生产中，如重庆华陶陶瓷产 品网络化销售和定制系统以及深圳模具网络化制造系统等。虽然许多科研院校、 企业以及研究所对网络化制造已经作了大量工作，但都处于初始研究阶段，有待 于进一步深化与完善。此外，国内还在并行工程，行业级 cims 工程等方面取得 了较突出的成绩。 当前，我国 cims 已从计算机集成制造系统发展到了现代集成制造系统，并 正在形成自己的理论体系、技术体系和软件平台及软件系统。 1.2 网络化制造设备及其管理系统的研究现状 网络化制造设备及其管理系统的研究现状 上节所提到的网络化制造是基于企业经营活动和广义网络方面定义的网络化 制造概念，而基于“小制造”概念的网络化制造是指产品的制作或生产过程。可 见，只有实现了设备的网络化才有可能与 cad/cam 以及生产管理系统的集 成，才能实现资源共享和最优化的配置以及基于“小制造”概念的网络化制造， 才能进一步发展广义的网络化制造。以下对网络化制造设备及其管理系统的国内 外研究现状进行分析。 dnc(direct numerical control 或 distributed numerical control)技术是继 20 世 纪 50 年代数控机床之后数控技术的又一重大发展，对工厂自动化技术的发展起 了重要作用。dnc 技术发展经历了 20 世纪 60 年代的直接数控(direct numerical control)，70 年代的分布式数控(distributed numerical control)，80 年代广范围 dnc(broad scope dnc, bsdnc)和现今的网络化数控(networked cnc, netcnc) 四个阶段。 网络化数控装备是网络化制造中一个极为重要的中心环节，也是近年来一个 研究和应用的重点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企 业、虚拟企业对信息集成的需求，也是实现网络化制造的基础单元。国内外一些 著名数控机床和数控系统制造公司都在近几年推出了相关的新概念和样机，例 如，日本山崎马扎克(mazak)公司的“cyber production center”(智能生产控制中 心，简称 cpc)；日本大偎(okuma)机床公司的“it plaze”(信息技术广场，简称 it 广场)；德国西门子(siements)公司的“open manufacturing environment”(开 放制造环境，简称 ome)等，充分反映了数控机床向网络化方向发展的趋势5- 7。 第 1 章 绪论 5 此外，美国 e 制造网络有限公司(e-manufacturring networks inc.)作为首家将 机械设备与 internet 网络连接的公司。它开发并提供 internet 网络的硬件、软件 和服务，通过 tcp/ip 协议将机械设备与供应链、需求链和管理信息系统 (erp/mes/oee)实时相连。这种 internet 网络机械设备可实现异地实时设备资源 利用、生产成本节约、供应链自动化集成、生产过程在线实时监控、远程设备诊 断与维护、异地生产制造与管理信息系统的安全连接以及决策支持等功能。 除了一些著名的数控机床和数控系统制造公司外，大量的研究机构也对网络 化制造设备及其管理系统进行了研究，例如文献12分析了车间控制结构的演变 和代理技术在制造控制中的应用，提出了一个能用的制造代理模型，研究了单元 代理的报价过程、车间代理的任务分派过程及系统对设备故障的处理过程等。 文献13提出一种基于 holonic 制造系统概念的可重配置车间控制系统的合 弄框架，它由资源 holon、产品 holon 等主体 holon 组成，建立 holon 的模型及 各自的协作机制，并开发用于离散作业的柔性制造车间的原型可重配置车间控制 系统。 文献14提出符合中国国情的异构数控机床的 dnc 联网集成方案、工作原 理以及实现技术；文献15建立面向敏捷制造的集成 dnc 车间的控制结构和通 讯体系结构，提出一种既适合我国国情又满足信息时代要求的集成 dnc 车间的 敏捷运行模式。 文献16通过把具有多代理系统敏捷性的分层系统组合起来，构建了带有产 品 agent、故障诊断 agent 以及用于连接以上产品和故障诊断 agent、协调 agent 的重构系统，建立基于 petri 网的多层控制关系；文献17提出用 multi- agent 技术构建虚拟车间系统，建立可嵌套的虚拟车间工作流组织框架实施模 型，并设计基于管理 agent 方式的制造单元结构；文献18提出一种基于重构智 能体、任务智能体、资源管理智能体、制造资源智能体构成的多智能体系统的车 间控制系统；文献19建立了基于 mas 的网络化车间动态调度系统，提出以合 同网协议为基础的多 agent 合作过程以及多 agent 通讯模型。 文献20提出以扩展制造执行系统作为敏捷车间的生产管理系统，并建立基 于多代理的系统结构；文献21提出基于 mas 的敏捷化 mes 体系结构，设计 agent 的统一结构形式以及各 agent 之间的协作机制。 文献22提出一种用于敏捷制造的基于多代理体的生产过程计划与生产调度 集成框架，可以使制造资源的利用得到动态优化；文献23提出一种用于制造系 统控制的智能和自适应模型及配置方法自治代理网络(autonomous agent network, aan)，该 aan 由一组分布式智能代理体组成。 河南科技大学硕士学位论文 6 1.3 论文来源及研究内容 论文来源及研究内容 1.3.1 论文来源 论文来源 本文来源于 2004 年度洛阳市科技计划项目“基于先进制造的准柔性生产线 数控单元系统研发”。 该项目是基于我国中小型制造业的实际现状提出来的，主要采用“产、学、 研”相结合的模式联合研发，将数控单元的研发与用户的最终需求建立在统一的 运行平台上，通过改变、增加和裁剪数控功能，将用户的特殊应用集成到控制系 统上，实现企业对产品转型的快速响应能力。此外，系统本身具有一定的开放 性，便于用户进行二次开发。 1.3.2 论文研究内容 论文研究内容 本论文以该项目为依托，着重研究以下几个方面的内容： (1) 根据总体设计要求和准柔性生产线数控单元的功能需求，构建 pfpl- mu 的体系结构，研究基于准柔性生产线的加工单元(pfpl-mc)的组成结构及其 功能结构，根据功能要求，设计对应的网络通讯体系； (2) 以 pfpl-mc 为中心，研究 pfpl-mu 的串行通讯和网络通讯及其软件 实现，设计通讯所需的一些关键的辅助功能，如文件多线程访问技术，解决数控 机床管理技术和数控加工程序的 3d 仿真技术等 pfpl-mu 正常运行的支撑技 术，确保 pfpl-mu 的正常运行； (3) 在以上研究的基础上，搭建 pfpl-mu 硬件平台，并进行验证实验。 1.4 论文的组织结构 论文的组织结构 整篇论文共分为五章： 第一章：绪论，首先介绍网络化制造在国内外的发展和网络化制造设备及其 管理系统的研究现状，接着说明课题来源及本文主要研究内容，最后给出本文的 组织结构。 第二章：pfpl-mu 体系结构及总体设计，首先根据准柔性生产线数控单元 的概念，设计更适合于中国国情的 pfpl-mu，并对其进行详细的介绍，给出 pfpl-mu 的总体结构，研究 pfpl-mu 中的关键部件 pfpl-mc 软硬件结构，然 后根据数控机床的通讯接口现状，研究 pfpl-mu 通讯网络体系，最后介绍本文 所使用的开发工具。 第三章：pfpl-mu 软件开发关键技术研究，主要设计串行通讯和网络通讯 第 1 章 绪论 7 等实时通讯技术、通讯所需的相应的辅助技术、数控加工程序的仿真、机床管理 和数控加工程序的管理等技术。 第四章：pfpl-mu 运行实例，首先根据现有条件，设计 pfpl-mu 网络， 完成数控代码传输等一系列任务，验证本文所设计的 pfpl-mu 的可行性。 第五章：总结，对本文完成的主要工作进行总结，并提出进一步的研究方 向。 第 2 章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 8 第2章 第2章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 体系结构及总体设计 随着自动化技术、it 技术和互联网络技术的发展与结合，以太网及 tcp/ip 等通信技术使信息交互沟通的领域正在迅速覆盖从企业工厂层到设备层的控制、 管理的各个层次。设备层的信息化与网络化将促进现代管理技术、信息技术、先 进制造技术在制造业的推广应用。根据我国制造业目前的实际情况，为了适应动 态多变的市场，本文结合传统的刚性生产线，增加其柔性，提供支持设备层各种 异构设备之间、各种异构设备与上层管理系统和远程服务系统之间信息交互和集 成，使它能够有效解决目前网络化制造和企业信息化中局部“信息孤岛”和“自 动化孤岛”等给企业提高效益带来的困难。本章在研究准柔性生产线结构和特点 基础上，设计更适合于当前国情的 pfpl-mu，重点研究其结构特点、通讯、功 能等，最后选择本文需要的开发工具。 2.1 准柔性生产线结构及特点 准柔性生产线结构及特点 准柔性生产线是指以先进的 cad/capp/cam 技术为基础，在计算机网络 (包括企业局域网和因特网)和数据库技术的支撑下，动态集成企业内的设计制造 资源和人力资源，形成一个由人工参与物流、加工和信息流的开放式的快速设计 制造系统24。 2.1.1 准柔性生产线的体系结构 准柔性生产线的体系结构 准柔性生产线的主要思想在于生产设备的模块化、标准化以及一定程度的柔 性化和数字化，并且合理地利用人力、信息和制造设备，从而实现少投入多产出 的目的。因此，以技术创新为前提，以增加技术投入、减少资金投入为原则，利 用现有设备，尽可能采用已有系统的其他设备，减少项目投资，解决准柔性生产 线的关键技术难题。 在吸收传统制造系统、柔性制造系统(fms)和网络化制造等制造模式思想的 基础上，并根据我国国情进行创新，同时针对我国多数中小型制造企业的发展现 状，提出一种符合中国国情的、低成本、适度自动化的设计制造系统。图 2-1 是 准柔性生产线的功能结构。 准柔性生产线的总体目标是提高产品对市场的快速响应能力。详述如下： (1) 建立企业产品开发支持中心，支持企业内部设计单元间进行产品的网络 化联合开发和设计，并运用成组技术对产品进行分类，建立同类产品的参数化设 河南科技大学硕士学位论文 9 计系统，提高产品对市场的快速响应能力； (2) 支持企业内部各设计与制造单元的集成运行，实现企业资源的合理利 用； (3) 实现企业内部重要设备的联网运行和控制，提高设备利用率； (4) 利用计算机集成制造技术，实现企业产品开发、生产制造和资源管理等 集成优化运行。 专 业 知 识, 专家 知识库 制造自动化子系统 系统控制 设备控制 物流控制(人工为主) 管理信息子系统 设备管理 人员管理 数控程序管理 工程设计子系统 cad capp cam 基于网络的技 术中心 系统管理和协 调中心 企 业 制 造 资 源 数据库 基于网络的产品联 合开发子系统 产品 数据库 基于网络的计算机集成制造系统 企 业 资 源 数 据 库 专 业 知 识 数 据 库 intranet/internet 企业工程技术中心 图 2-1 准柔性生产线的功能体系结构 fig.2-1 function architecture of p-fml 第 2 章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 10 2.1.2 准柔性生产线的特点 准柔性生产线的特点 与准柔性生产线相关的概念和系统已经有不少，如敏捷制造(am)、区域性 网络化制造系统(rnm)、柔性制造系统(fms)、分布式数字控制(dnc)、分布式 网络化制造系统(dnms)等25。 准柔性生产线与上述系统的共同点均在于强调制造资源的优化利用以及网络 技术在产品设计与制造过程中发挥的重大作用26。但准柔性生产线相对于这些 系统有其自身的显著特点：一是构成系统的数控设备均是由数控系统和专用机床 (功能单一，如车床、铣床、线切割机等)组成，充分发挥了专用机床和数控系统 的优点；二是淡化全盘自动化，强调人的参与作用。 2.2 pfpl-mu 结构研究 pfpl-mu 结构研究 在机械设计与制造过程中，诸如机床、农业机械、汽车等通用机械产品的研 制占相当大的比例。针对这类通用机器产品结构定型、需要大批量生产、缩短开 发周期和生产周期的要求，在准柔性生产线的技术上，开发基于准柔性生产线的 制造单元(manufacturing unit based on pseudo-flexible production line, pfpl- mu)。 pfpl-mu 结合当前中国的实际国情和准柔性生产线的优点，着重解决信息 的正确性、实时性、完整性和集成性，形成具有一定智能的、又能充分发挥人的 主观能动性和智能性的制造单元。 2.2.1 pfpl-mu 的体系结构 的体系结构 pfpl-mu 是一种介于刚性自动化和柔性数控化之间的设计制造单元，是先 进制造技术在我国中小企业中的本土化适用性问题的具体体现。该系统的工作机 理是运用三维参数化设计技术实现结构定型的系列化产品的参数化设计和数控加 工程序的自动生成，采用以人工参与为主的方式进行物流调度，通过人机交互的 方式实现数控加工程序在生产线上的合理分配，最终实现结构定型的系列化产品 的数控加工。该系统与柔性制造系统(fms)的显著区别在于物流调度以人工参与 为主，其总体结构如图 2-2 所示。 pfpl-mu 主要包含以下几个子系统：工程设计子系统、管理信息子系统、 制造自动化子系统等。工程设计子系统运用计算机辅助技术实现产品的设计、工 艺规划、数控加工程序的自动生成等功能；管理信息子系统提供了便于 pfpl- mu 正常运行的必要技术资料及其对应的管理手段，包括设备管理、人员管理、 数控加工程序管理、生产任务管理等模块；制造自动化子系统的功能是对生产过 河南科技大学硕士学位论文 11 程的各个环节进行适当的控制，在 nc 需要的情况下传输数控加工程序，以保证 生产活动有条不紊的运行。 intranet 信息管理计算机 pfpl-mc ncncnc capp服务器cad服务器 cam服务器 图 2-2 pfpl-mu 结构 fig.2-2 architecture of pfpl-mu 根据系统对 pfpl-mu 的需求，pfpl-mu 应具有如下功能： (1) 三维设计功能 主要运用 pro/engineer 提供的功能强大的二次开发工具 pro/toolkit 对其进行二次开发，实现零件的参数设计以及其数控加工程序的自动 生成。 (2) 通讯功能 支持 pfpl-mu 内部各设计与制造环节的集成运行，实现企 业资源的合理利用；实现 pfpl-mu 内部设备的联网运行和控制，提高设备利用 率。 (3) 管理功能 通过计算机技术，有效的实现设计方案、nc 程序、加工任 务、刀具、夹具等的管理，降低管理成本，提高公司产品的灵活性。 2.2.2 pfpl-mu 的特点 的特点 与专用机床和数控设备相比较，pfpl-mu 综合专用机床和数控系统的优 点，集成部分 cad/cam/capp 的功能，用软件提高或弥补传统 dnc 功能单 一、加工效率低，使用成本高的缺陷，缩短结构定型的系列化产品的设计、制造 周期，并提高产品质量。详述如下： (1) 专用机床适合于特定零件和特定加工工序的加工，其特点是生产效率 高，设备利用率高，但柔性很差，难以实现多品种小批量生产；数控系统的特点 是柔性较大，特别适合于单件小批量生产，但由于生产成本相对较高而使设备利 第 2 章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 12 用率不是很高。pfpl-mu 充分发挥了二者的优点，它不仅适合于多品种小批量 生产，而且设备利用率高，有利于产品快速响应市场需求，提高企业对产品转型 的适应能力； (2) pfpl-mu 是根据我国多数中小企业的实际情况而提出的，不过分追求 自动化程度，强调人的参与建设和使用系统的作用，物流以采用人工参与方式为 主，着重解决信息的正确性、实时性、完整性和集成性。这样不仅可以降低制造 过程自动化成本，而且能够充分发挥人的主观能动性和智能性，达到较少的投资 亦能获得高效益的目的； (3) pfpl-mu 的准柔性生产与传统刚性生产相比具有较高的生产率，工序 相对减少，工件流动速度快，操作人员也相对减少，节约了生产成本。 2.2.3 pfpl-mu 软件组成 软件组成 根据其功能需求，在软件开发过程中，考虑到软件的实用性和易维护性， pfpl-mu 的软件应包括系统界面、通讯模块、指令分析模块、用户管理模块、 机床管理模块、数控加工程序管理模块、日志模块等，其结构如图 2-3 所示。而 cad/cam/capp 部分主要由对于的服务器完成。 软 件 结 构 串口通信模块 网络通信模块 信息管理模块 文件编辑模块 系统管理模块 通信协议数据库 通信参数设置 报文信息 数控仿真模块 用户管理模块 通讯模块 指令分析模块 数控程序管理 模块 机床管理模块 系统界面模块 图 2-3 pfpl-mu 软件结构图 fig.2-3 software architecture of pfpl-mu (1) 系统管理模块 系统管理模块完成系统的参数设置等。 (2) 用户管理模块 主要包含用户注册、用户管理和用户登录，其主要功能 河南科技大学硕士学位论文 13 是完成用户信息管理，并通过不同的登录用户进行相应的全局变量设置，对不同 权 限 用 户 设 置 不 同 的 管 理 权 限 。 本 文 的 用 户 权 限 分 为 管 理 员 权 限 (administrators)、技术员权限(technician)和操作员权限(operator)三类，其中管理 员权限的用户是系统事先设定好的。用户首次使用该软件时，首先要进行注册， 系统自动为每位用户建立帐号，并将用户的信息载入信息数据库。用户只需输入 帐号和密码，即可进入系统，进行权限范围内相应操作。用户管理只有管理员权 限的用户才可以操作。其功能是通过用户登录判断用户的权限，若为管理员即可 进入该模块，进行用户的注册管理。 (3) 通讯模块 通讯线路上，数据通讯的模式和响应速度要求不一，传输的 数据类型多、流量大。故在 pfpl-mu 内部，pfpl-mu 的通讯协议标准要求功 能齐全，以适应互联子网和通用性的要求。对于 intranet，采用了 tcp/ip， 减少系统冗余度，实现信息双向流动，凭着与 cad/cam 系统的无缝连接以及 智能开放性的特点，作为制造自动化底层的基础设备机床能够双向高速的传送信 息，实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造。该模块主要包含四 个部分：网络通信、串行通信、通讯协议数据库、通讯协议管理等。网络通信是 基于企业局域网 lan (local area network)的，用于管理计算机、pfpl-mc、 cad/ capp 服务器与 cam 服务器之间的通信，或者用于 pfpl-mc 间的通讯， 其主要功能是实现数控加工程序的传输和相关信息的交流。串行通信用于实现数 控加工程序在 pfpl-mu 内部与数控车床之间传输(包含上传和下载)。 (4) 数控机床的管理 该部分是基于数据库技术的，其主要功能是缩短加工 等待时间，确保加工有序进行。 (5) 数控加工程序的管理 包括数控加工程序文件的编辑和仿真技术等。通 过了解数控加工文件信息，有效的避免有错误的数控加工程序下传到数控机床， 最大限度的避免因数控加工程序错误而带来的损失。 (6) 信息管理模块 建立系统信息的收集和汇总，有效的帮助管理员了解系 统的运行情况，排查系统错误。 2.3 pfpl-mc 结构研究 pfpl-mc 结构研究 在 pfpl-mu 中，需要对来自于 cad/cam/capp 的产品设计、制造等加工 信息通过汇总、分析，根据生产任务等条件约束，将任务合理地分配给 nc 机 床，同时，增加权限管理功能等辅助功能，保证 pfpl-mu 内系统信息的有效汇 总和传递。为此，设计了一个支持这些工作的平台，称为基于准柔性生产线的加 工单元(machining cell based on pseudo-flexible production line, pfpl-mc)。 第 2 章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 14 从系统的结构看，pfpl-mc 位于 pfpl-mu 结构的中间层，是连接各单元 的数据通讯的主要通道，起着承上启下的作用。pfpl-mc 可以根据需要灵活的 装在监控室或加工现场，增加人工参与和控制环节，可以根据现场情况做出及时 处理，保证加工过程的顺利进行。 pfpl-mc 由计算机、网卡 1、网卡 2 及多串口卡组成（见图 2-4）。网卡 1 连接企业局域网(intranet)，用来接收来自于产品设计部门的产品信息、来自 于管理部门的管理信息等。网卡 2 通过 hub 后连接具有网络功能的 cnc 机 床。多串口卡通过 rs232 长线驱动后连接具有串口通讯的 cnc 机床。 计算机 网卡1 多串口卡 网卡2 intranet hub cnccnc cnc cnc 图 2-4 pfpl-mc 硬件结构 fig.2-4 hardware architecture of pfpl-mc cad/cam模块加工参数加工任务 指令分析模块 通信模块通信数据库 程序分发 cnccnc 图 2-5 pfpl-mu 运行流程图 fig.2-5 flow chart of pfpl-mu 河南科技大学硕士学位论文 15 2.4 pfpl-mu 的运行过程 pfpl-mu 的运行过程 pfpl-mu 的运行情况如图 2-5 所示。通过 cad/cam 模块，首先进行零件 的参数化设计，将零件模型传输到 pfpl-mu 的硬件平台 pfpl-mc，通过 pfpl- mu 的指令分析模块，结合加工精度和所用的数控机床的具体情况等加工参数实 现待加工零件数控加工程序的自动生成。并根据加工任务、机床状态等信息，通 过串口通讯或网络通讯等方式，合理的将任务分配给相应的 cnc 机床。cnc 机 床在接收到数控加工程序后，即可进行零件的数控加工。 2.5 pfpl-mu 通讯方式研究 pfpl-mu 通讯方式研究 2.5.1 pfpl-mu 通讯的特点 通讯的特点 pfpl-mu 不但具有传统 dnc 系统的功能与设备层进行通讯，而且能 提供与 cad/cam 服务器进行交互的能力。它与传统 dnc 系统的最大不同之处 在于其通讯的网络化。pfpl-mu 应满足以下几方面的要求： (1) 实时性 底层通信实时性要好，以满足加工过程实时控制的需要； (2) 集成性 系统的通讯是一种集成环境下的通讯，不仅要实现与底层数控 设备的通讯连接，而且要保证与上层控制计算机的信息集成； (3) 可扩展性 要保证在不改变原有设备或仅做少量修改的情况下对网络设 备进行添加、删除，而且要保证操作的简单； (4) 可靠性 系统既要能适应车间工况又要能防止数据的泄密，以保证数据 传输的准确可靠。 2.5.2 pfpl-mu 通讯方案设计 通讯方案设计 cad/capp服务器 cam服务器 数控机床 pfpl-mc 多串口卡 数控机床 数控机床 数控机床 管理计算机 图 2-6 pfpl-mu 的通讯体系 fig.2-6 communication architecture of pfpl-mu 第 2 章 pfpl-mu 体系结构及总体设计 16 pfpl-mu 可以作为独立制造系统。这时要求它不仅负责与设备层进行通 讯，而且负责与 cad/capp/cam 服务器之间的通讯。pfpl-mu 的通讯体系如 图 2-6 所示。 由图 2-6 可以看出，pfpl-mu 的通讯应包含两个方面的内容：一是上层计 算机之间，即 cad/cam/capp 服务器、pfpl-mc 和管理计算机之间的通讯， 采用网络通讯的方式实现；二是与数控机床之间的通讯，视情况采用串行通讯或 网络通讯来实现。 现有数控系统的通讯功能主要存在以下几种：低档型的早期数控设备一般无 通讯功能，需要增加接口板；中档型具有 rs232c/rs422 通讯接口；高档型具有 dnc 接口或具有符合 map(manufacturing automation protocol)网络标准的网络 型接口，可直接与网络连接的专用通讯