（机械电子工程专业论文）面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现.pdf

摘要 数字化制造是先进制造技术的核心，其在企业的使用大大提高了企业的生产 效率和自动化程度，也对企业信息流通速度、生产准备的并行性、相互协调性提 出了更高要求。企业在实施数字化制造进程中购买或开发了不同的信息系统，由 于技术差异信息系统各自为政，各种信息系统制造资源信息无法共享，企业中存 在着“信息孤岛”。本文以郑州飞机装备有限责任公司的数字化制造系统的实施与 应用为工程背景，对刀具信息集成技术做了深入研究。 详细介绍了国内外的刀具管理研究现状、信息集成技术研究现状。对信息集 成技术进行了研究，选用基于关系数据库的集成方式对数字化制造中刀具信息进 行集成。随后分析了公司数字化制造的目标流程、业务现状，研究了数字化制造 中各软件的数据库结构，明确了刀具信息集成系统的总体需求与功能组成定义， 并设计了系统的信息流程与业务流程，制定了系统的开发方案。借助d e l p h i7 、s q l s e r v e r 2 0 0 0 完成了系统的开发。同时本文对系统开发中的关键技术做了重点研究： 剖析了c a t i a 刀具库的结构与创建原理，提出使用e x c e l 文件在c a t i a 中建立 刀具库的方法，扩展了c a t 队刀具种类；使用宏对c a t i a 进行了二次开发，提出 了基于宏的c a t i a 刀具库与刀具数据库的集成方案，给出了实现集成的开发流程， 并编程加以实现；运用消息机制实现了o m a t i v e 与d n c 的集成，使得o m a t i v e 能自动从d n c 系统中读取n c 代码、获取刀具清单和参数，并自动匹配o m a t i v e 刀具数据库，生成工序走刀信息。 通过刀具信息集成系统的开发，解决了数字化制造中刀具信息多处维护、数 据重复录入、信息不能及时更新等问题，实现了刀具信息的集成与共享，在很大 程度上提高了数字化制造系统的自动化、集成化程度。 关键词：数字化制造信息集成刀具c a t l a b s t r a c t t h ed i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n gi st h ek e yt e c h n i q u eo fe d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , i t sa p p l i c a t i o ni m p r o v e st h ep r o d u c ee f f i c i e n c ya n dr o b o t i e i z e dd e g r e eo f m ee n t e r p r i s e b u tt h ei n f o r m a t i o nc i r c u l a t i o na n dt h eh a r m o n yo ft h ep r o d u c ei nt h e e n t e r p r i s em u s tb ei m p r o v e d i nt h ep r o c e s so fd i g i 比e dm a n u f a c t u r i n g ，m a n y i n f o r m a t i o ns y s t e m sa r eb o u g h to rd e v e l o p e d t h e s es y s t e m sw o r ki nt h e i ro w nw a y s ， t h em a n u f a c t u r er e s o u r c ei n f o r m a t i o nw h i c hf r o md i f e r e n ts y s t e m sc a n ts h a r e ，t h e i n f o r m a t i o ni s l a n d se x i s t t h i sp a p e rt a k e st h ei m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o no f d i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n gs ”；t c mi nz h e n g f e it e c h n o l o g yc o r p o r a t i o na st h eb a c k g r o o n d a n dr e s e a r c ho nt h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo f t o o li n f o r m a t i o n t h ec u r r e n tr e s e a r c h e so nt o o lm a n a g ea n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya r e p r o v i d e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u g ht h er e a s e n r c ho ni n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t e dm o d eb a s e do nr e l a t i o nd a t a b s ei si m i p l e m o n t e di nt h et o o l i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o no fd i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n g t h e nt h eo b j e c tf l o wa n do p e r a t i o n c o n d i t i o na r ea n a l y z e d , t h ed a t a b a s es t r u c t u r eo fe a c hs o r w a r ei sr e s e a r c h e d t h e d e m a n da n dc o m p o s eo f t o o li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ns y s t e ma l ed e f i n e d , t h e i n f o r m a t i o np r o c e s sa n do p e r a t i o np r o c e s sa r cd e s i g n e d f o l l o w i n gt h ee x p l o i t a t i o n p r o j e c t , t o o li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ns y s t e mi se x p l o r e dw i t ht h ea i do fd e l p h i7a n d s q ls e r v e r 2 0 0 0 a tt h e s a n l et i m e , t h i sp a p e rd i s c u s s e s s y s t e m a t i c a l l yt h ek e y t e c h n i q u e sa sf o l l o w s ：t h em e t h o do fe s t a b l i s h i n gt o o ll i b r a r yw i t he x c e lf i l eh a sb e e n i n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft o o ll i b r a r yf o r m a ta n dt h ep r i n c i p l eo fe s t a b l i s h i n g t o o ll i b r a r yi nc a t i a ，a n dt h et o o lc l a s si si n c r e a s e d ；c a t i as o f t w a r ei sf u r t h e r d e v e l o p e du s i n gm a c r o am a c r o - b a s e di n t e g r a t i o np r o j e c ta b o u tt h et o o ll i b r a r i e si s p r o p o s e d ，a n dt h ee x p l o i t u r ep r o c e s si sp r e s e n t e d t h ei n t e g r a t i o no fo m a t i v ea n d d n ci sr e a l i z e dw i t ht h ea i do fm e s s a g e sm e c h a n i s m t h eo m a t i v es y s t e mc o u l d o b t a i nn cc o d e 、t o o ll i s ta n dp a r a m e t e r sf r o md n c t h r o u g ht h ee x p l o i t u r e o ft h i ss y s t c m , t o o li n f o r m a t i o nn e , d n tr e p e a t e d m a i n t e n a n c ea n di n p u t i ta l s o 啪b er e n e w 。di nt i m e t h et o o li n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n c o m et r u ea n dt h ea u t o m a t i z a t i o na n di n t e g r a t i z a t i o no fd i i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m h a v ee v i d e n t l yi m p r o v e m e n t k e y w o r d ：d i g i t i z e dm a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nt o o lc a t i a 西安电子科技大学 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：轻 日期 2 矿， 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 日期枷萝，7送 名 名 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 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。随着全球信息网络技术的发展、全球化市场的 形成及技术变革，围绕新产品的市场竞争日益激烈。企业面临着不断缩短交货期、 提高质量、降低成本和改进服务的压力，这就要求企业能对不断变化的市场机遇 做出快速反应，源源不断的开发出满足用户需求的、定制的“个性化产品”去占 领市场以赢得竞争。传统的大量生产模式已经不适应当代社会的需要，多品种中 小批量生产已成为制造业的主要生产方式i l l 。因而，传统的制造业的观念和生产组 织方式发生了改变，与计算机技术、信息技术、自动化技术相结合而形成的先进 制造技术发展迅速，应用越来越广泛】。 先进制造技术是改造传统制造业的有效手段，尽管先进制造技术无论就其行 业覆盖面和就学科上下游而言，迄今并没有明确的界定，但其内涵十分广泛则是 公认的【4 】。其总的特点是5 个转变：1 从以技术为中心向以人为中心转变；2 从金 字塔式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变；3 从传统的顺序工作方式向 并行工作方式的转变；4 从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的 小组工作组织形式转变：5 从质量第一的竞争策略向快速响应市场竞争策略转变【5 1 。 众知效益是实施先进制造技术的首要目标，而现有条件则是实施的基础，先进一 定要适用才能产生效益【6 ”。为了有效地在我国利用先进制造技术改造传统制造业， 需要明确研究、开发和应用先进制造技术的重点。综观国内外先进制造技术的现 状和发展，可以看出数字化制造实为先进制造技术的核心技术，是实施其他先进 制造技术的平台。所以在我国利用适用先进制造技术改造传统制造业，重点应是 扩大利用数字化制造技术改造传统制造业，继续大力开展数字化制造技术的研究 开发【8 1 。 数字化制造中的信息问题是数字化制造的基本科学问题，有关数字化制造中 的信息的研究，国内外都尚属起步【9 1 m 。制造企业中的各种信息( 包括图形、数据， 知识和技能等) 均以数字的形式表征。企业需要随时了解各地分公司的生产经营状 况，同一企业不同部门、不同地区的员工之间也需要及时共享企业信息【8 1 ”。在数 字化制造车间中，需将c a d 的产品设计信息转换为产品的制造、工艺规则等信息， 2 面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现 使加工机械按照预定的工序和工步的组合和排序，选择刀具、夹具、量具，确定 切削用量，并计算每个工序的机动时间和辅助时间；将包括制造、检测、装配等 方面的所有规划，以及面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核算等所有信息 数字化，转换为计算机所理解，并被制造过程的全阶段所共享 儿】。刀具作为制造 过程中的重要组成部分 j 2 - 1 4 ，其信息共享程度的高低直接决定了数字化制造系统 的自动化、集成化程度。从而，实现刀具信息的集成，对数字化制造的顺利实施 有着重要的作用。 1 2 课题来源及研究意义 课题来源于郑州飞机装备有限责任公司的“数字化制造项目示范工程”，公司 在数字化制造项目实旌的过程中，先后开发、购买了各种各样的信息系统，这些 系统来自不同的厂商、在不同的时期开发、运行在不同的环境中，并且是针对不 同部门和业务的需求，由于技术的差异、彼此之间无法实现信息共享，从而形成 了一个个信息孤岛，企业的这种“信息孤岛”现状给信息化建设带来了严峻的工 程应用问题。为此，本文以该公司数字化制造项目的实施和应用为背景，重点解 决数字化制造中的刀具信息集成问题，研究和开发了刀具信息集成系统。 刀具信息集成系统的开发和应用，解决了刀具数据多处维护多处使用，数据 重复录入、信息不能及时动态更新等问题，实现了数字化制造中刀具信息的高度 共享，提高了数字化制造系统的自动化、集成化程度。同时，我国企业众多，开 发具有自主版权的应用集成系统并将其推广应用到国内企业，对于提高企业竞争 力方面都无疑将会具有十分重要的现实意义。 1 3 数字制造概述 所谓数字制造，指的是在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒 体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工 艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原 型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品的整个制造过程。也就是说， 数字制造实际上就是在对制造过程进行数字化的描述而建立起的数字空间中完成 产品的制造过程【1 5 1 8 】。 数字制造的概念，首先来源于数字控制技术( n c 或c n c ) 与数控机床。数控 技术就是用数字量及字符发出指令并实现控制的技术。它不仅控制位置、角度、 速度与机械量，也可控制温度、压力、流量等物理量。这些量的大小不仅可用数 第一章绪论 字表示，而且是可测、可控的。如果一台设备，实现其自动工作过程的命令是以 数字形式来描述的，则称其为数控设备。显而易见，这远不是数字制造，却是数 字制造的一个十分重要的基础。随着数控技术的发展，又出现了对多台机床，用 一台( 或几台) 计算机数控装置进行集中控制的方式，即所谓直接数字控带r j ( d n c ) 。 为适应多品种、小批量生产的自动化，发展了若干台计算机数控机床和一台工业 机器人协同工作，以便加工一组或几组结构形状和工艺特征相似的零件，从而构 成所谓柔性制造单元( f m c ) 。借助一个物流自动化系统，将若干柔性制造单元或工 作站连接起来实现更大规模的加工自动化就构成了柔性制造系统。以数字量实现 加工过程的物料流、加工流和控制流的表征、存储与控制，这就形成了以控制为 中心的数字制造观【1 9 1 。 由于计算机的发展以及计算机图形学与机械设计技术的结合，产生了以数据 库为核心，以交互式图形系统为手段，以工程分析计算为主体的一体化的计算机 辅助设计( c a i g ) 系统。c a d 系统能够在二维与三维的空间精确地描述物体，大大 地提高了生产过程中描述产品的能力和生产率。正如数控技术与数控机床一样， c a d 的产生和发展，为制造业产品的设计过程数字化和自动化打下了基础。将 c a d 的产品设计信息转换为产品的制造、工艺规则等信息，使加工机械按照预定 的工序和工步的组合和排序，选择刀具、夹具、量具，确定切削用量，并计算每 个工序的机动时间和辅助时间，这就是计算机辅助工艺规划( c a p e ) 。将包括制造、 检测、装配等方面的所有规划，以及面向产品设计、制造、工艺、管理、成本核 算等所有信息数字化，转换为计算机所理解，并被制造过程的全阶段所共享，从 而形成了所谓a c w c a p p 。这就是基于产品设计的数字制造观。 通过企业内部物料需求计划( m r p ) 的建立与实现，根据不断变化的市场信息、 用户定货和预测，从全局和长远的利益出发，通过决策模型，评价企业的生产和 经营状况，预测企业的未来和运行状况，决定投资策略和生产任务安排，这就形 成了制造业生产系统的最高层次管理信息系统( m i s ) 。为了支持制造企业经营生产 过程能随市场需求快速重构和集成，出现了能覆盖整个企业从产品的市场需求、 研究开发、产品设计、工程制造、销售、服务、维护等生命周期中信息的产品数 据管理系统( p d m ) ，从而实现以“产品”和“供需链”为核心的过程集成。这就是 以m r p m i s p d m 为核心的基于管理的数字制造观【2 0 】。 1 4 企业数字化制造现状 1 4 1 数字化制造目标流程 z z a c 数字化制造目标流程 幽11z z a c 数字化制造目标流程 z z a c 数字化制造目标流程概述： 1 ) d p e 与p d m ( s t ) 的集成 l ，d p e 中产品数据从p d m 中获取并及时更新 i ，d p e 中的工艺文件传送到p d m 中进行审签 2 ) 在d p e 中定义的工艺路线传输到q u e s t ，以优化平衡资源( 机床) 的使用率 3 ) d p e 为m e s 系统提供实时更新的工艺数据 工艺结构树 工艺卡片文件 每道工序的i p m ，刀具清单 数控加工程序 4 ) q u e s t 分析的结果作为派工单的参考依据 第一章绪论 5 1t o o l m a n a g e r 中刀具信息传输到d p er e s o u r c el i b r a r y 中 6 ) 基于d p m m p p 的详细工艺设计，生成i p m ，在c a t i a 生成n cc o d e ，提供 给v e r i c u t 进行加工仿真 7 ) q u e s t 能够利用o m a t i v e - p r o 所采集的加工工序时间 1 4 2 数字化制造中主要软件介绍 郑飞公司目前所实施的数字化制造是通过信息建模和信息处理来改进制造过 程，提高制造效率和产品质量，主要涉及以下几类软件： 1 1m 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 j 造执行系统。m e s 的定位是处于计划 层和现场自动化系统之间的执行层，主要有作业计划与调度、工况数据采集、 产品跟踪、业绩分析口j 。 2 ) d e l m i a 数字化企业精益制造集成解决方案，针对客户的关键性生产工艺，提 供端到端的解决方案，推进企业的关键工艺创新和优化田】。 3 1c a t i a ( c o m p u t e ra i d e dt r i d i m e n s i o n a li n t e r f a c ea p p l i c a t i o n ) 是法国d a s s a u l t s y s t e m 公司的c a d c a e c a m 一体化软件，居世界c a d c a e c a m 领域的领 导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消 费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的d m u 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高 2 4 , 2 5 。 4 1v e r i c u t 是美国c g t e c h 公司推出的数控加工仿真软件，可以同时进行刀具 轨迹和机床仿真运动。v e r i c u t 采用了先进的三维显示及虚拟现实技术，对 数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且机床的运行过程和虚拟的工 厂环境也能被模拟出来，以检测加工过程中可能存在的问题瞄】。 5 ) t o o i m a n a g e r 软件能有效地管理刀具构件、刀具组件、机器设置单、刀具 图以及刀具供应商信息，此外还具有以下功能：实现无纸化办公而且无需自 建各类数据表格、提高了工作效率、避免了耗时的刀具搜索过程、通过网络使 刀具信息得以共享等。 6 ) 0 m a t r v e 自适应控制系统通过检测主轴的负载，运用内部的专家系统对采集 的主轴负载信号和相应的刀具及材料数据进行分析处理，通过调整机床的进给 倍率使数控机床工作在最佳的加工状态。o m a t e 优控器可有效提高数控机 床的加工效率，并进行刀具损坏和磨损检测，实时监测实际加工状况防止重大 事故的发生【2 ”。 6 面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现 1 5 1 刀具管理研究现状 1 5 国内外研究现状 1 国外研究现状 早在七十年代末期，一些发达国家如德国、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统来满 足生产中对刀具管理的需要【2 8 , 2 9 】。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 3 0 - 3 2 i 。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【3 3 矧。较具代表性的有； 1 ) 英国c t m s 公司的计算机用刀具管理系统( c y m s ) 它由一系列软件模块组成，可配置1 6 个终端，分别设置在刀具房、刀具预调 间、计量室和供应科室等处，各终端直接与中心数据库联网，整个系统的作用可 以概括为：改善刀具的发放时间及控制发放在外的刀具数量；不断更新刀具房的 库存信息，直接用刀具预调数据以调定刀具；提供刀具购置信息；提供刀具用途 分析报告。 2 ) 美国c i n c i n n a t i m i l a c c o n 公司的刀具管理系统包括以下五个方面的职能 为刀具库准备刀具；给各机床分派刀具；刀具的调度与搬运( 轨道) ；刀具检测； 刀具的信息处理。 3 ) 德国的d e l k e l 开发的t o o l m a n a g c r 计算机辅助刀具管理系统 适合于加工单元、柔性制造系统甚至整个部门的刀具监视、规划和跟踪管理。 其软件功能包括：刀具的储备；刀架配备的优化；刀具装配安排；各零件对刀具 的需求；刀具寿命规划。 4 ) 瑞典的s a n d v i k 公司的成套商用刀具管理软件c o r a t a s 可使刀具管理实现自动化。该系统能盗控刀具从有效地点进入刀具库，直至 机加工车间机床上的全部运行过程。它能保证在开始一批新工件的加工时，预先 对刀具作合理的准备，并对刀具的状态和工况进行监测。此系统能发现刀具的临 界状态和确定刀具库存量的合理性，大大提高了生产的柔性和可靠性以及设备的 利用率。该系统可在各加工阶段优化与刀具管理组织有关的各种因素，进而缩短 准备、结束时问，减少车间刀具存放量，提高刀具的使用寿命。 第一章绪论 此外，作为应用技术和机械制造自动化水平领先地位的日本，近期开发或展 出的f m s 均配有完善的刀具管理功能，并已有成功地纳入c “s 环境下运行的例 子，如山崎铁工所、牧野铣床制作所和北越精机等开发的f m s 产品，其刀具管理 功能基本包括： 刀具的库存管理；刀具的优化调度；刀具的动态调度：刀具的寿命管理；刀 具的数据管理；刀具识别；刀具自动调定；刀具的自动轨道运输；刀具的监控检 测与外围设备的通信。 2 国内研究现状 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【3 5 4 7 】。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，因此结合国内实际情况，自主开发了许多刀具管理系统 3 8 - 4 2 1 。具有代表性的还有：滇华大学建立的国家c i m s 实验工程中心的刀具工作 站；航天部6 2 5 所开发的1 i f m s 刀具工作站，它均具有刀具管理功能。此外，如 西安交大系统工程研究所与济南第一机床厂联合开发的j p f m s ，上海第四机床厂 的s j - f m s ，长春f m s 实验中心的f m e s 等都具有一定的刀具管理功能，但由于 受到系统配置的限制，局限性大，专用性强【4 3 4 4 1 。所以总体上讲，国内在刀具系 统研究的层次上还比较低： 1 ) 一般均是按照企业的具体配置进行开发，所以属“一对”的体制，针对 性强，适应性差。 2 ) 刀具配置方式均较简单，多采用批处理方式，这对于使用刀具种类较多 的加工系统来说，刀具交换对系统生产率影响较大。 3 ) 正因为是“一对一”的结构，所以一般刀具调度功能均较单调，刀具调 度缺乏灵活性。 4 ) 过多地强调人的作用，刀具交换的自动化程度较低，一定程度上限制了 刀具系统的先进性。 1 5 2 信息集成技术研究现状 目前国内外相对成熟的信息集成技术路线主要有：数据仓库蝴、企业门户m 、 e a i 、c i m s f 棚，这里主要介绍一下数据仓库、e a i 和c i m s 的研究现状。 数据仓库( d a t aw a r e h o u s e ) 作为一种信息管理技术，它能够将分布在企业的各 种数据进行再加工，从而形成一个综合的、面向分析的环境，以更好的为决策者 面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现 提供各种有效的数据分析，起到决策支持的作用【4 8 4 9 】。自从数据仓库的概念提出 以来，企业界和学术界对数据仓库技术开展了广泛的研究，特别是1 9 9 5 年的 d b e x p r o 9 5 以后，世界范围内掀起了数据仓库研究和发展的高潮。当前对数据 仓库的研究主要分为相关理论研究和数据仓库产品开发两大阵营。数据仓库的理 论研究引起了学术界的极大兴趣，国际上许多重要的学术会议，如超大型数据库 国际会议( v l d b ) ，数据工程国际会议( d a t ae n g i n e c r i n 曲等，都出现了专门研究数 据仓库、联机分析处理、数据挖掘的论文。理论研究方面取得成果较多并具有广 泛影响的如美国斯坦福大学计算机系数据仓库项目组( w a r e h o u s ei n f o r m a t i o n p r o j o c ta ts t a n f o r d ，w h i p s ) 。一些著名软件企业也对数据库理论有所研究，如p r i s m s o l u t i o n s 、s a s 、o r a c l e 、s y b a s c 、m 等。数据仓库产品开发是指开发数据仓库 系统体系结构中一个或几个部件。目前为止，只有极少数软件供应商能够将提供 用于数据仓库的解决方案，比如m m 公司的数据仓库解决方案；o r a c l e 公司的数 据仓库解决方案；s y s b a s e 公司的交互式数据仓库解决方案等。 e a i ( e n t e r p r i s ea p p l i c a t i o ni n t e g r a t i o n ，企业应用集成) 是解决企业应用系统集 成的主要技术路线。e a i 试图将业务流程、应用软件、硬件和各种标准联合起来， 在两个或更多的企业应用系统之间实现无缝集成，使它们像一个整体一样进行业 务处理和信息共享。e a i 中基础性的任务是实现数据集成，其目的是实现不同的应 用程序能够对数据跨平台、跨系统的访问，实现企业各子系统数据的共享。同时 可实现数据在不同系统的数据库或文件系统之间的移动、复制、映射等操作，e a i 是具有丁程性的庞大体系，其广度涵盖了企业集成的方方面面，并提供了多种实 现参考技术。e a i 体系对研究信息集成系统体系结构及系统实现技术有直接的参考 价值 s o l 。e a i 很多成熟的产品，像i b m 提供的著名产品如i b mm q s e r i e s 产品族， 以及i b mw e b s p h c r e 软件平台，微软的e a i 解决方案包括m i c r o s o f tm e s s a g eq u c u e 产品系列和b i z t a l ks e r v e r 2 0 0 2 ，b e aw e b l o g i ci n t e g r a t i o n 和v i t r i ab u s i n e s sw a r e 平台等，国内有中科院软件所开发的o n c e ( 1 l p 网驰) 等。 另一个完整的解决方案是c i m s 理论及技术，当前，我国的c i m s 已经改变为 “现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ”它已在广度 与深度上拓展了原c i m s 的内涵【4 7 川。其中“现代”的含义是计算机化、信息化、 智能化。“集成”有更广泛的内容，它包括信息集成、过程集成及企业间集成等三 个阶段的集成优化；企业活动中三要素及三流的集成优化：c i m s 有关技术的集成 优化及各类人员的集成优化等【5 2 1 。近1 0 年间，国内每年都有3 0 0 0 多名科学工作 者涉及c i m s 工程的研究、开发和实施。迄今为止，已经开展了5 0 0 多个应用研 究项目，研究范围覆盖了系统集成技术、c a d c a m 、管理决策信息系统、质量系 统工程和数据库等，开展了一系列关键技术的研究包括复杂工业系统的模拟设 计、异构环境的信息集成、基于s t e p 的c a d c a m 集成系统、并行工程构架和 第一章绪论 9 应用集成平台，某些研究达到了世界先进水平。 数据仓库、e a i 和c i m s 相应的成熟产品都己面市。这些商用产品技术路线不 同，相应的集成方向、集成程度也不相同，系统复杂度高，实施费用高，对于企 业而言是巨大的投入，而且对企业的整合大都要改造旧有系统。以上研究及产品 都为本文的研究及实现提供了很好的参考。本研究要综合对比现有国内外信息集 成的方法，根据郑州飞机装备有限责任公司的实际情况，针对数字化制造车间中 “刀具信息孤岛”，建立满足多系统、多层次的数字化集成制造平台，以实现刀具 信息统一管理。 1 6 论文研究内容及章节安排 本论文以郑州飞机装备有限责任公司的数字化制造项目为工程背景，研究并 开发了刀具信息集成系统。研究内容主要包括分析了公司数字化制造的刀具信息、 优铣信息、生产信息，针对数字化制造中的。刀具信息孤岛”设计了刀具信息集 成系统开发方案；研究了系统开发中的关键技术，实现了c a t i a 软件中刀具库的 建立、自定义刀具的添加。使用基于宏的开发方法对c a t i a 进行二次开发，实现 了c a t i a 刀具库与t o o l m a n a g e r 的刀具信息集成。利用消息机制实现 o m a t i v e 中刀具信息的动态修改；根据系统的功能需求，使用d e l p h i 、s q l s e r v e r 2 0 0 0 开发了刀具信息集成系统。全文共分六章，具体安排如下： 第一章绪论：阐述了课题背景、来源及研究意义，介绍了数字制造的概念， 并分析了目前国内外刀具管理与信息集成技术的研究现状，最后介绍了文章章节 安排。 第二章信息集成技术：介绍了信息集成的概念，研究了异构信息集成，分析 了几种常见的信息集成方式与信息集成中问题，在此基础上提出本文刀具信息集 成方式。 第三章刀具信息集成系统的总体设计：描述了公司数控车间的业务流程，分 析了数字化制造中的信息流程，从而明确了系统的目标定义与系统总体需求，并 定义了系统的功能组成，同时设计了系统的信息流程与业务流程。将系统体系结 构分为数据层、支持层、应用层、扩展层四个层次，最后规划了刀具信息集成系 统的开发技术路线。 第四章系统关键技术研究：对c a t i a 软件的二次开技术进行了探讨，深入 剖析了c a t i a 刀具库的结构与创建原理，在c a t i a 软件中建立了企业自定义刀具 库的新方法，同时扩展了c a t i a 刀具种类；使用宏的开发方法对c a t i a 进行二次 开发，实现了c a t i a 与t 0 0 l m a n a g e r 的刀具信息集成；运用消息机制实现了 1 0 面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现 o m a t i v e 与d n c 的集成；对郑飞公司数字化车间的刀具进行了分类，设计了符 合公司实际情况的刀具编码方案。 第五章刀具信息集成系统的开发与应用：介绍了系统的开发工具以及运行平 台；分析了数据库技术的应用和几种典型的数据模型特点。在此基础上对刀具信 息集成系统数据库进行设计；使用d e l p h i 进行了系统的开发，并展现了系统工作 的主要界面，最后介绍了系统应用场景。 第六章总结与展望：对本文的工作进行总结。并对本领域更深入的研究与本 课题后续研究方向提出了几点设想。 第二章信息集成技术 第二章信息集成技术 2 1 信息集成的概念 信息集成是五个“正确”的实现，即“在正确的时间，将正确的信息以正确 的方式传送给正确的人( 或机器) ，以做出正确的决策或操作川”l 。 信息是概念、事实和过程的知识。数据是事实化的信息，即数据包含的语义 是信息。信息是数据的内涵，数据的具体值是信息的外延。 信息共享是指信息的共同使用，是对信息的一种操作。首先对需要共享的信 息进行抽象描述，这个过程就是建立信息模型的过程。 信息集成( i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ) 是指分别处于不同网络环境下异构计算机 系统中的不同应用系统之间实现数据共享，它们所管理和操作的数据格式和存储 方式各异。实现信息集成就是要实现不同数据格式和存储方式之间的转换，数据 源的统一( 同一个数据仅有一个数据入口) 和数据一致性的维护，实现异构环境下不 同应用系统间的数据传递【”部】。 信息集成工作的主要任务有三个：信息采集，信息处理和信息传递。这里首 先需要理解信息集成与产品数据管理( p d m ) 和数据库管理之间的关系，三者之间既 有区别又有联系，并且各自面向的问题空间不同。产品数据管理( p d m ) 系统为产品 开发提供了一个集成化的数据管理环境，它所关注的中心是围绕产品开发过程组 织数据。而信息集成则关注多个系统之间的共享数据是否存在冲突，如何消除冲 突，并保证各系统之间进行正确的数据交互。此外p d m 、信息集成与数据库管理 数据的粒度不同：p d m 所管理的数据粒度一般达到文档一级，信息集成管理的数 据则一般是跨系统的共享数据( 它需要透过文档内部或数据库内部) ：而数据库系统 则面向本部门内需管理的所有数据。三者之间的关系用图2 1 表示。 敷据库数据库数据库 图2 1p d m 、信息集成系统与数据库之间的关系 1 2 面向数字化车间的刀具信息集成技术研究与实现 2 2 异构信息集成技术 随着计算机硬件技术和网络技术的发展，人们对于数据处理的模式发生了巨 大的改变。我们已经从单一、集中式的数据管理系统发展到由功能强大的个人计 算机、群集服务器以及i n t e r n e t 构成的网络数据系统。在这样的动态、分布和自治 的环境下，各个用户根戛自己的应用需求，往往用不同的数据模型、不同的数据 模式、不同的软硬件平台以及不同的查询界面等来组织和管理其局部的数据信息。 甚至是同一企业组织的内部，也常常有多个异构的、由不同人员设计的数据管理 系统存在。缺点是这样的数据处理方式虽然较为灵活地满足了各个局部应用的需 求，但是带来了新的问题：当需要建立涉及多个异构、分布、自治的局部数据源 的全局应用时。如何将这些局部数据源的信息集成起来并提供统一的查询功能， 成为一个困难的问题。也就是说，这些异构数据源成为“信息孤岛”，极大地阻碍 了信息的共享和高层应用的建立。因此，异构信息集成技术已经成为学术界迫切 需要解决的研究热点 s 6 , 5 7 1 。 异构信息集成的概念需要与传统的分布式数据库管理系统进行区分：在分布 式数据库管理系统中，各个数据源是同构的，其自治性很小。数据在各个数据源 的分布情况是由d b a 预先设计好的，如根据提高分布式查询性能的准则来进行设 计。而在异构信息集成中，数据源是独立开发的多个自治和异构的数据源，未对 数据分布进行总体设计。因而，学术界将通常所指的分布式数据库称为同构分布 式数据管理系统，而将异构信息集成系统称为异构分布式数据管理系统。 异构信息集成的目标是屏蔽多个局部数据源的异构性并提供上层应用的统一 查询接口。一个理想化的异构信息集成系统应该能够使用户只须关注“需要什么 信息”而无需给出关于“如何获取信息”的详细指令。也就是说，用户递交查询 时不必知道数据源的具体位置，也不必了解各个数据源的不同访问方式或杳询语 言等。更重要的是各个数据源在数据组织和语义上的异构性必须对用户透明，例 如用不同的模式结构和名称等来表示相同的实体概念，以及不同模式的数据实例 之间存在重复或互补的情况等。此外，异构信息集成系统应该能够保证局部数据 源的自治性，即构建于原来数据源土的系统和应用必须能够照常运行，不因异构 信急集成系统的加入而产生改变。从实现上看，一个异构信息集成系统一般应该 包含如下机制：( 1 ) 与所需的每个数据源进行通讯与交互的机制；( 2 ) 定义在多个异 构和自治的数据源之上的一种采用公共词汇的全局查询语言：( 3 ) 根据某种映射机 制能够将全局查询语言转化为与相关数据源进行交互并抽取所需局部信息的具体 查询计划；( 4 ) 将得到的局部信息进行整合与处理从而得到最终查询结果并返回给 用户的机制。从层次划分的角度来看，上述机制( 1 ) 是物理层的功能，机制( 2 ) 和( 3 ) 第二章信息集成技术 是语义层功能，而机制( 4 ) 则由表示层实现。 2 3 1 信息集成的方式 2 3 信息集成的方式与问题 目前主要存在五种方式的信息集成【5 6 j 7 j ： 基于中性接口的集成； 基于数据词典的集成； 基于开放式数据库( o d b c ) 的集成； 基于公共界面的集成； 系统核心级集成： ( 1 ) 基于中性接口的集成：是以中性文件作为信息交换的中介，各个不同功能 的模块通过它来实现信息的交流和共享( 见图2 2 ) 。 图2 2 基于中性接口的信息集成 该集成方式无须对原有的软硬件进行变动，能保护原有资源。但是需要交换 的信息存放在文件中，应用软件要通过某种形式读取文件之后才能知道所需的信 息已发生改变，因此信息的交换有延迟。这一集成技术是最低级的，由于实现简 单，目前还在应用。 ( 2 ) 基于数据词典的集成：应用数据词典对多个文件进行访问、控制和管理， 具有一定的数据共享、数据相关性，其优缺点介于第一和第四种集成方式之间。 ( 3 ) 开放式数据库的集成：该方法与工程实际相结合，又称工程数据库集成技 术( 见图2 3 ) 。它是将工程中所涉及的信息用中心工程数据库保存，数据的操作由 数据库管理系统来进行管理，各个功能模块通过数据库进行信息的共享及交换。 这种集成方式能充分利用现有的数据库技术，实现起来有较强的计算机技术支