（机械设计及理论专业论文）基于xml的冲压模具capp系统研究与开发.pdf

西华大学硕士学位论文 基于x m l 的冲压模具c a p p 系统研究与开发 机械设计及理论专业 研究生高欣恒指导教师蔡长韬教授 摘要 可扩展标记语言x m l ，作为互联网的下一代传输格式，近年来已经成为炙 手可热的技术。很多大型系统的协同工作中，x m l 成为唯一的数据交换格式。 x m l 技术应用于机械工程行业，也是近年的发展趋势之一。 冲压模具是应用最为广泛的模具品种之一，产值占全部模具的5 0 ，其产 品品种多、结构复杂，工艺设计时间长、协同工作困难，所以工艺设计的问题 亟待解决。 本文从冲模c a p p 系统的实际需要出发，在参考国内外大量的资料文献的 基础上，结合笔者在c a p p 系统中的实际开发经验，以冲压模具工艺规程的设 计过程作为研究对象，对冲压模具工艺规程的设计进行了详细的业务流程分析。 为了实现工艺数据的交换与共享，采用了x m l 数据交换格式建立了冲压模具 c a p p 系统原型，初步实现产品工艺数据的完整性和一致性。根据冲压模具工艺 设计的特点建立起了相应的系统用例模型和工艺定额计算模型，并验证了所采 用的技术和方法的可行性。 对基于x m l 的冲压模具c a p p 系统的设计和开发方法进行了深入研究，阐 述了实现工艺数据交换和共享的重要技术，包括：x m l 与数据库、x m l 与制造 b o m 表的映射原理及实现方式，运用x m l 文档树型结构模型描述产品制造信 息资源。 采用模式视图控制器模式设计了c a p p 系统的软件模型，对c a p p 客户端 和c a p p 数据库进行了详细的设计。结合面向对象技术和u m l 技术，构造了系 统中常用的用例图，从多方位深入分析了该c a p p 系统的功能和特点。基于模 块化的设计思想来组织工艺定额的体系结构，便于系统的扩展与维护。 西华大学硕士学位论文 从已实现的冲模c a p p 软件系统的运行状况分析，该系统运行界面友好， 具有较好的可扩展性，能够有效地提高企业工艺设计效率和水平，是一个相对 完备的冲模c a p p 系统。 关键词：冲压模具；c a p p ；x m l ；工艺定额 i i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a p ps y s t e mf o r p r e s s i n gd i e b a s e do nx m l m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y m a s t e rc a n d i d a t e ：g a ox i n h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f c a ic h a n g t a o a b s t r a c t e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( x m l ) ，t h et r a n s m i s s i o nf o r m a tf o rn e x t g e n e r a t i o n i n t e m e t , i sab u z z w o r di ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i nc o o p e r a t i v ew o r ko fm a n y l a r g e s c a l es y s t e m s ，x m lh a s a c t e da st h eo n l yf o r m a tf o rd a t ae x c h a n g e t h e a p p l i c a t i o no fx m l i nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gi n d u s t r yh a sb e c o m eo n eo ft h e d e v e l o p m e n tt r e n d si nr e c e n ty e a r s p r e s s i n gd i ei st h em o s tw i d e l yu s e dm o l dk i n d ，w h o s et o t a lo u t p u tv a l u ea c c o u n t sf o r 5 0 o ft h et o t a l s i n c ei t sp r o d u c t sa r eo fag r e a tv a r i e t y , i t ss t r u c t u r e st o oc o m p l e x ， i t sp r o c e s sd e s i g nt a k e sal o n gt i m ea n di ti sd i f f i c u l tt oc o o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m s ， i ti su r g e n tt os o l v et h ep r o c e s sd e s i g np r o b l e m s b a s e do nt h ea c t u a ld e m a n d so fp r e s s i n gd i ec a p p ( h e r e i n a f f e rr e f e r r e dt o a s p d c a p p ”) s y s t e m , r e f e r e n c e st oag r e a td e a lo fi n f o r m a t i o na n d l i t e r a t u r eh o m ea n d a b r o a da n dt h ea u t h o r se x p e r i e n c e si nt h ed e v e l o p m e n to fc a p ps y s t e m , t h et h e s i s a n a l y z e st h ew o r kf l o wf o rd e s i g n i n gp r e s s i n gd i ep r o c e s si nd e t a i l i no r d e rt of u l f i l l t h ee x c h a n g ea n ds h a r i n go fp r o c e s sd a t a , t h ea u t h o ru s e sx m lt oc o n s t r u c tt h e p r o t o t y p ef o rp d c a p ps y s t e mt h a tp r i m a r i l ye n s u r e st h ei n t e g r i t ya n dc o n s i s t e n c yo f p r o c e s sd a t ao fp r o d u c t s a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e s s i n gd i ep r o c e s s d e s i g n ，t h ea u t h o re s t a b l i s h e sc o r r e s p o n d i n gm o d e l sf o ru s ec a s eo fs y s t e ma n d p r o c e s sq u o t ac a l c u l a t i o n ；m e a n w h i l et e s t sa n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ea d o p t e d t e c h n i q u e sa n dm e t h o d s t h et h e s i sm a k e sd e e pr e s e a r c h e so nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o d so f x m l - b a s e dp d c a p ps y s t e me l a b o r a t i n go ni m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sf o re x c h a n g i n g a n ds h a r i n gd a t a ，i n c l u d i n gm a p p i n gp r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o nm o d e sb e t w e e nx m l i i i 西华大学硕士学位论文 a n dd a t a b a s e ，b e t w e e nx m la n de s t a b l i s h m e n to fb o mf o r m s f u r t h e r , t r e em o d e lo f x m ld o c u m e n t sa r eu s e dt od e s c r i b ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e sf o r p r o d u c t m a n u f a c t u r i n g t h es o f l w a r em o d e li sd e v i s e dw i t ht h em o d eo fm v c ，a n dd e t a i l e dd e s i g n so fc l i e n t e n da n dd a t a b a s ea r eo f f e r e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n i q u e a n du m l ，au s ec a s ed i a g r a mf o rt h es y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h e f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a p ps y s t e mf r o md i f f e r e n ta s p e c t s o r g a n i z i n g p r o c e s sq u o t as y s t e mb a s e do nt h em o d u l a ri d e ai sc o n v e n i e n tf o re x p a n s i o na n d m a i n t a i n m e n to ft h es y s t e m a n a l y s i so nt h eo p e r a t i o no ft h ee s t a b l i s h e dp d c a p ps y s t e mp r o v e st h es y s t e mt ob e ac o m p a r a t i v e l ys e l f - c o n t a i n e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e mw i t hg o o de x p a n d a b i l i t ya n d f r i e n d l yi n t e r f a c e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp r o c e s sp l a n n i n ga n de n h a n c e t h ep r o c e s sd e s i g nl e v e l k e y w o r d s ：p r e s s i n gd i e ，c a p p , x m l ，p r o c e s sq u o t a i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名：南渤陲2 喇声5 月6 e l 导师签名榔知孝年 扫月 石 e l 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1c a p p 概述 c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) ，即计算机辅助工艺规程设计，是指 在人机交互的系统中，以人为中心，根据产品设计数据，以人机交互的方式或 者利用计算机自动地生成产品的加工方法和工艺规程【l 】。 随着工业信息化的发展，传统的工艺设计方法已经逐渐为c a p p 所取代， 这是因为：传统的工艺设计由人工编制，劳动强度大，效率低，且因人而异； 工艺设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求；设计质量在很大程度上依赖 于工艺人员的水平；工艺设计很难做到标准化，工艺设计人员主要进行重复性 繁琐的工作，缺少对创新工艺工作的研究【2 】。随着机械制造生产技术的发展和当 今市场对多品种、小批量生产的要求，特别是c a d c a m 系统向集成化、智能 化、网络化、可视化方向发展，c a p p 也就日益为人们所重视【3 】。 工艺设计是产品设计信息与制造环境提供的所有可能的加工能力信息进行 匹配与优化的过程。工艺设计是机械制造过程技术准备工作中一项重要内容， 是产品设计与车间生产的纽带，其任务是根据企业的生产条件、设备资源状况、 技术水平等客观环境条件，把产品的设计技术要求最经济合理地转换为制造工 艺和生产管理信息。工艺设计所生成的工艺文档是指导生产过程的重要文件及 制订生产计划与调度的依据。 计算机辅助工艺过程设计( c a p p ) 从本质上来说就是模拟人编制工艺的方 式，代替人完成编制工艺的工作，也是根据产品设计所给出的信息进行产品的 加工方法和制造过程的设计。系统的功能主要包括毛坯设计、加工方法选择、 工序设计、工艺路线制定以及工艺定额计算等。其中工序设计又包括装夹设备 选择或设计、加工余量分配、切削用量选择以及机床、刀具、夹具的选择、必 要的工序图生成等传统的工艺设计方法：当前机械产品的生产是以多品种小批 量生产起主导作用，制造业正在进入信息化及知识经济时代，传统的制造模式 远不能满足快速响应市场的需要。 1 2c a p p 的发展沿革 计算机技术应用于制造领域的过程中，c a p p 的起步较晚，远远落后于c a d 和c a m 。早在上世纪五十年代初，美国麻省理工学院就已研制出数控机床，在 西华大学硕士学位论文 1 9 6 3 年又发表了c a d 的研究成果，而且n c 技术、c a d 技术很快就应用于生 产实践、自动化、柔性化的程度也越来越高。而工艺设计由于涉及的因素非常 多，随机性大，很难用简单的数学模型进行理论分析，所以工艺设计长期处于 手工操作，凭经验办事，效率很低的状态【4 】。 挪威是世界上最早进行工艺设计自动化研究的国家。他们从1 9 6 6 年开始研 制，到1 9 6 9 年正式发表了a u t o p r o s 系统世界上第一个c a p p 系统。它 是根据成组技术原理，利用零件的相似性去检索和修改标准工艺来制定相应零 件的工艺规程。该系统采用成组技术代码t e k l a 描述零件的信息。这种代码由 1 2 位数字组成，每位代码包含1 6 项特征信息，构成1 2 1 6 的矩阵。零件信息 打在3 张穿孔数据卡片上。第一张卡片记有零件的t e k l a 代码和零件的形状尺 寸，第二张卡片记有零件的材料、硬度、加工余量、表面粗糙度、形状精度等， 第三张卡片记录零件的批量。1 9 7 6 年美国国际计算机辅助制造公司推出了具有 里程碑意义的c a m ia u t o m a t e dp r o c e s sp l a n n i n g 系统。8 0 年代初，随着计算机 技术的发展和应用，数控机床得到广泛使用，而c a p p 技术的应用也在此时开 始受到制造行业的广泛重视，到9 0 年代中后期，制造业的信息集成成为大家关 注的热门话题，c a p p 作为企业信息化建设的关键环节，成为研究热点，c a p p 软件技术因而得到了迅速的发展，各种实用化的c a p p 系统开始走向市场。 国内对c a p p 技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代初期。1 9 8 2 年同济大学的派 生式t o j i c a p p 系统首先研制成功并进入市场。随后西北工业大学也推出了 c a o s 系统。1 9 8 8 年5 月在南京航空航天大学召开了国内第一次c a p p 的专题 研讨会。目前国内c a p p 具有代表性研究部门有：西北工业大学、南京航空航 天大学、北京航空航天大学、浙江大学、开目等研究机构和企业。 1 3 国内外研究热点 在c a p p 二十多年的发展历程中，世界各国的学者都做了大量的研究，并 取得了一定的成果，c a p p 的研究已成为研究制造系统的重要课题之一。目前国 内外c a p p 研究的热点有： ( 1 ) c a p p 与c a d 的信息集成 基于特征自动识别的方法试图从c a d 的零件几何和工艺描述中获取零件的 特征数据，并从c a d 数据库中自动识别零件特征：基于数据交换的方法则借助 2 西华大学硕士学位论文 标准数据接口如s t e p 标准等，以期实现c a d c a p p 的数据共享；更多学者致 力于特征设计的研究，基于对零件特征的准确描述，试图从根本上实现 c a d c a p p 的信息集成。 ( 2 ) 工艺设计的自动化 面向并行工程下产品设计的c a p p 工艺决策加工元模型将工艺决策与产品 设计有机结合，在理论和实践上对工艺决策模型、算法进行了有益的探讨与研 究；基于神经网络的工艺设计实例推进索引模型，运用特征技术初步实现了回 转类零件c a d c a p p 的集成；在建立统一产品定义模型基础上，采用框架结构、 黑板结构的描述形式，将产生式规则应用于工艺过程的逻辑决策；基于制造信 息建模、零件模型信息的正向离散与工艺设计基元信息的反向集中、基础数据 与工艺设计决策控制分离的模型，提高c a p p 系统的柔性；模糊p e t f i o p n 网技 术则针对装夹与定位方案提出可选工艺路线的决策方法；p d g 决策( 工艺决策 图) 实现了工艺过程设计；基因遗传算法引入c a p p 系统，从理论上实现了工 步排序的优化。 ( 3 ) 新技术的使用 通用生产工程数据库技术，包括各种制造工程数据和工艺决策规则，支持 大规模的、通用的c a p p 系统开发；新的系统结构，开发综合式的c a p p ，综合 应用多种c a p p 原理和开发技术，加强c a p p 适应性；c a p p 系统开发工具是基 于c a p p 系统而高于c a p p 系统的软件工具，是面向对象的实用c a p p 生成环 境。 ( 4 ) 智能化 智能化也是c a p p 发展的一个趋势。c a p p 的智能化，指的是人工智能技术 ( m ) 和专家系统技术( e s ) 在c a p p 中的应用。工艺设计是一个典型的复杂工程 问题，在很大程度上依赖于具体制造资源和设计者的经验和技巧。专家系统技 术可以灵活和有效地处理工艺决策和领域专家知识。专家系统采用独立的知识 库，知识的扩充和修改与程序无关，使得c a p p 系统可以灵活地适应各种具体 场合，扩充功能。模糊理论和人工神经网络技术在c a p p 中的应用正受到越来 越多的重视，它们与专家系统的有机结合，使得c a p p 系统更具柔性，能处理 更为复杂的工艺过程设计问题。 ( 5 ) 并行化 3 西华大学硕士学位论文 并行c a p p 是以并行设计理论为指导，在集成化和智能化的基础之上进一 步发展起来。并行设计是并行工程( c e ) 的核心内容。在传统的串行模式中， 工艺设计按照一个固定的串行次序来进行。他完全根据设计之后的零件信息生 成工艺规程，一旦在制造中发现产品设计或工艺设计上的缺陷，就必须重新返 回来修改设计和工艺，这是一个设计上的“大循环。而在并行设计模式中，工 艺设计的各个子过程是并行工作的，它强调在产品设计的同时，考虑与制造相 关的各种因素，尽早发现设计中存在的与制造相关的问题，一旦发现问题及时 反馈，以保证产品的可制造性。这样就可通过_ 个个串行的多次“小循环”来 避免产生“大循环，在不断的小循环中达到并行的效果，这正是并行设计的实 质。 ( 4 ) 网络化 迅速发展的i n t c m e t 技术给c a p p 应用领域带来了新的活力，网络化c a p p 正是在这种环境下提出来的。它着重强调的是数据交换和资源共享。随着计算 机集成制造系统、敏捷制造和虚拟制造等新模式的出现，现代企业已越来越趋 向于群体化、协作化和国际化。因此，建立在开放式、分布式的c a p p 系统体 系结构、支持动态工艺设计的数据模型、支持开发工具的功能抽象方法和信息 抽象方法、统一数据结构，以及协同决策机制和评价体系、规范、方法等方面 的研究已成为c a p p 技术发展的主要趋势。 ( 5 ) 集成化 进入2 0 世纪九十年代以来，随着网络、数据库、面向对象方法、分布计算、 系统集成等计算机相关技术的飞速发展，出现了计算机集成制造系统、并行工 程、智能制造系统、虚拟制造系统、敏捷制造等先进制造系统。企业对c a p p 无论从广度或深度方面都提出了更新、更高的要求。企业要求c a p p 与其它相 关设计或信息系统( 如c a d ，c a m ，p d m 等) 之间实现在产品信息方面的全面集 成。而且，伴随着全球市场的形成，通过i n t e r a c t 实现企业敏捷制造模式的思想 已经被企业逐步所接受。实现企业间工艺信息的共享、实现企业间制造资源的 合理分配与利用。c a p p 系统与相关制造信息系统中的关系如图1 1 所示。 4 西华大学硕士学位论文 图1 1c a p p 与其他制造信息系统的关系 f i g1 1r e l a t i o n s h i po fc a p pa n d o t h e r m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s 1 4 现有c a p p 系统的不足 目前国内企业应用的c a p p 产品种类很多，有的是在a u t o c a d 和其他一些 图形系统平台的基础上开发的工艺卡片填写工具；有的c a p p 系统在某种特定 的数据库系统上生成工艺数据，然后在c a d 平台上生成工艺卡片。这些系统大 部分都将功能局限在设计和输出特定形式工艺文件的范围内，以单机单用户的 方式运行，大部分c a p p 软件往往能方便的填写卡片，但不能有效地管理和集 成，不能满足企业工艺设计的全过程要求，也不能满足现代企业对信息化建设 的需求。现有c a p p 系统的问题主要体现在以下几个方面： ( 1 )因为c a p p 缺乏工艺活动的组织、协调和控制，与c a d 、c a m 等 系统的集成能力较弱，往往需要专用接口，不能满足实时信息交换、工艺数据 的跨平台可移植性等功能要求。而集成化研究是c a p p 发展的一个主要方向， 开发以数据集成为重点的c a p p 系统可以解决这个问题。 ( 2 ) 传统c a p p 系统的开发忽视了工艺信息的的准确性和一致性。使得 c a p p 软件系统通用性和可扩展性差。企业中工艺数据的汇总、计算、抄写等重 复性劳动占全部工作量的5 0 - 6 0 。工艺人员的工作效率低，工艺文件的准确性 和一致性难以保证。工艺问题并不仅仅局限于工艺文件的编制，而且要实现工 艺设计全过程的管理、数据分析和工艺流程，更重要的是为企业生产提供快速、 准确的数据源。采用何种方式描述数据以利于表达和检索，同时与其它系统更 西华大学硕士学位论文 好地进行数据共享和数据通信是c a p p 设计的一个关键性问题。 通过使用x m l 来描述各个系统需要的数据，就可以提高系统的开放性、可 靠性和安全性。因为各个系统对数据的描述方法不一致，导致对有效数据的提 取和挖掘难以实现。应用x m l 来描述产品数据，为实现网络化制造环境下的信 息、资源的集成与共享提供一条可以尝试的途径。 1 5 研究的意义和主要内容 冲压成形工艺是一种重要的塑性成形工艺，冲压模的设计制造的是冲压工艺 的重要组成部分，而且冲压模产值占全部模具的5 0 ，现阶段，国内企业应用 c a d c a m 技术设计模具已较为普遍，但是对模具c a p p 技术的应用远远落后 于c a d c a m 技术，对c a p p 技术的开发和研究就显得更加必须和迫切了。 模具制造工艺的设计是模具开发的重要组成部分，其设计水平极大地影响 着模具的开发周期、生产效率与质量。目前，模具制造工艺的设计主要采用手 工方法，工艺设计师按照其经验编制出零件工艺，这种设计方法效率低，质量 难以保证。在模具制造工艺设计中采用c a p p 技术，不仅改善设计质量、提高 设计效率，而且可以提高设计的智能化、自动化程度，降低对工艺设计人员专 业水平的要求。 由于冲压模具产品品种多、结构复杂，工艺设计繁琐，规范性差，成熟的 工艺经验与知识难以保存和借鉴，存在着工艺设计时间长、协同工作困难、工 艺文档保存困难、工艺规程的质量难以保证等问题【5 1 。采用基于x m l 的信息集 成方法，使c a p p 与模具制造业信息系统之间能够很好地进行数据共享和数据 交换，从而有效地提取和挖掘数据【6 】。因此，在对冲压模具c a p p 的相关技术进 行了深入研究和探讨的基础上，通过使用x m l 来描述各个系统需要的数据，就 可以提高系统的开放性、可靠性和安全性，来解决模具的工艺设计所存在的问 题川。 综合查阅的文献来看，面向模具制造的c a p p 无论在国内还是国外的研究都 比较少，商品化的c a p p 软件更是少见。华中科技大学模具技术国家重点实验 室开发的基于w e b 和知识的模具c a p p 系统；上海交通大学模具c a d 国家工 程研究中心开发的基于u g 平台的模具c a p p 系统，提出了基于知识和编码的 工艺决策方法。而侧重基于x m l 的信息集成的专用冲压模具c a p p 系统研究还 6 西华大学硕士学位论文 很不完善。 在上述理论与方法的基础上，作者开发出基于x m l 的冲压模具c a p p 原型 系统，验证了所采用的技术和方法的先进性。可以预见，基于x m l 的模具c a p p 系统，必将得到发展和应用。 本论文的课题主要来源是：四川省教育厅自然科学重点项目：网络化制造集 成平台的开发与应用( 编号：0 5 2 0 2 0 9 4 ) 1 6 论文内容组织 作者在对c a p p 技术理论和系统化、实用化、工程化做了深入的研究工作。 根据c a p p 技术发展方向，分析了企业对c a p p 系统的需求，总结了前人的c a p p 研究与开发经验，建立了新的c a p p 系统方案，实现了基于x m l 的冲模c a p p 系统的开发工作。本论文的主要结构如下： ( 1 ) 首先介绍了c a p p 技术的基本概念、c a p p 的沿革、国内外研究和开发 现状、发展趋势和现有c a p p 系统存在的不足，最后给出了本论文课题的背景 和研究意义。 ( 2 ) 基于x m l 的c a p p 的基本理论和相关技术。首先介绍了 c a d c a p p c j 蝴的数据交换技术；然后从x m l 标准概述开始，介绍了采用x m l 进行制造信息集成的方法、x m l 与数据库、b o m 表之间的映射关系、x m l 技 术在网络化制造过程中的应用等内容。 ( 3 ) 论述了基于x m l 的冲压模具c a p p 系统的开发和总体设计。从基于 x m l 的冲压模具c a p p 系统的需求分析、技术选型、系统框架和系统开发工具 等方面着手，对冲压模具c a p p 客户端进行了详细的设计。 ( 4 ) 详细阐述了冲压模具c a p p 系统中主要功能的实现细节。从工艺数据的 保存和加载、工艺设计模块、工艺文件管理、o l e 对象管理到数据汇总。介绍 了系统开发的相关软件平台。 ( 5 ) 介绍了c a p p 系统的材料定额计算和模具专用工时定额计算模块，先简 述了工艺定额的概念、工艺定额模块的信息模型，选取了材料和工时定额模型， 叙述了工作流程和实现方法。 ( 6 ) 冲压模具c a p p 系统的实例演示，介绍了系统的人机界面设计，包括登 陆界面、工艺设计界面、工艺资源管理界面、工艺定额计算界面等。实现了x m l 西华大学硕士学位论文 技术的应用和模具工艺设计过程。 最后，对本论文做了总结，并对基于x m l 的冲压模具c a p p 系统的研究和 开发进行了展望。 西华大学硕士学位论文 2 基于x m l 的c a p p 基本理论及相关技术 随着企业信息化的全面展开，作为c i m s 重要一环一a p p 系统要与企业 中其他很多系统发生联系，实现数据共享，其他系统要从c a p p 系统中得到的 信息也是多种多样的。不仅仅要实现全面的制造信息集成，还要注意集成的方 式问题。如何高效、快捷的实现信息集成，来保证产品生命周期内的所有的信 息有效的管理和使用，进而提高企业的信息化水平和核心竞争力是一个必须认 真对待的问题【8 】。随着网络化技术的兴起，通过i n t e m e t 或者i n t a m e t 进行信息 集成是非常有效的一种方法【9 】。本章将以x m l 技术为载体研究网络化冲压模具 c a p p 系统与其它系统的集成的基本理论和关键技术。 2 1c a d c a p p c a m 的数据交换概述 c a d c a p p c a m 的数据交换技术是计算机集成制造系统( c i m s ) 的核心。从 产品订单开始，经过需求分析、产品概念设计、结构分析、详细设计、工艺过 程设计、数控编程直至加工装配成最终产品【。在这一系列的产品开发过程中， 企业的每个应用系统所涉及的行业数据领域不尽相同，各系统信息繁杂，存储方 式各异，且相互独立，信息的自动传递和交换非常困难。因此，有必要将产品设 计与制造紧密结合，在各模块之间实现信息可靠、有机的提取、交换、共享和处 理的集成【l l j 。 目前，国内外c a d c a p p c a m 集成主要有两种方法：一是利用i g e s 、产 品数据交换标准( s t e p ) 对机械、电子等领域的工程信息进行定义的基础上，实 现工业产品的数据定义、管理和交换；二是基于先进的x m l 技术的信息集成。 这两种集成方案比较如下： 2 1 1 基于s t e p 标准的数据交换技术 间接数据交换方式是一种使用标准数据格式的数据交换方法。它是将相互关 联的所有系统的数据转换成中间格式存储，建立中性文件或标准数据库，这种 格式独立于任何一个系统，各系统只需提供两个翻译程序：前置处理程序和后 置处理程序。其特点是通用性和适应性强，相对于专用格式交换，能大大减少 转换接口程序的数目，而且，接口程序只与数据交换标准和其自身的数据结构 9 西华大学硕士学位论文 相关，因而被广泛应用于制造业信息集成中。 采用间接交换方式的关键在于数据交换标准或规范的运用。常用标准有美国 的i g e s 和国际标准化组织的s t e p 等【1 2 1 。间接交换方式的原理如图2 1 所示。 c a x 广一 制造i 萱丝垄墨 数据网面 交换标准 i g e s 、s t e p 、 等 一 煎丝型鲞l c 制a 造x 1 厕数据 f i 9 2 1i n d i r e c td a t ae x c h a n g et e c h n i q u e 图2 1 间接数据交换技术 间接交换方式标准虽然得到国际范围内软、硬件厂商的广泛支持，但同时也 暴露了不少的问题。下面介绍一下比较常用的s t e p 标准： ( 1 ) s t e p 标准介绍 产品模型数据交换标准采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件 来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是面向产品数据定义的数 据交换和表达标准。它采用e x p r e s s 语言描述信息模型，便于表示复杂实体， 表达形式统一；另外s t e p 采用应用协议( a p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 来保证语义的 一致性。s t e p 标准在制订过程中得到各工业国国家部门和企业界的支持，可较 好地支持工程数据中的非规范化、语义复杂和小粒度，并可支持产品生命周期 中的绝大部分领域【l 引。 ( 2 ) s t e p 标准的数据交换的缺点 间接交换方式标准虽然得到国际范围内软、硬件厂商的广泛支持，但同时 也暴露了不少的问题。s t e p 要求应用程序必须遵循共同的应用协议，在实际应 用中带来了许多问题： 跨平台的兼容性差：工艺信息交换要求具备异构系统间跨平台的兼容 性，但是工艺信息组织格式的局限很难做到跨平台，也没有提供二次开发的统 一接口，因此交换方式完全不具备开放性。 可重用性差：为了适应市场的变化，制造企业要对经营过程、组织方式 进行调整，企业要保证不同时期数据和现有系统的共享集成，以及新软件系统 1 0 西华大学硕士学位论文 和企业业务流程的重组重构。因此以前文件格式的交换方式受到可重用的局限。 传输速度慢：现代企业的制造信息量大，传统的交换方式占用大量的资 源，更不适用于追求敏捷的网络化制造。 2 1 2 基于x m l 标准的数据交换技术 作为下一代互联网信息交互的核心技术，x m l 是一种通用数据接口标准， 具有简单、易于理解、自描述、可扩展、可交互的特性，允许用户为各类数据 创建自己的标记，创建不依赖于平台、语言的开放数据，与采用固定数据模式 的s t e p 标准而言，x m l 数据模式比较灵活，可以随时修改和添加实体信息， 更适合于产品全生命周期中信息的交换和共享。 经过上述分析可知：随着信息集成网络化趋势的发展，构造一个扩展性良 好的协同产品平台，有必要采用新的标准格式的交换标准，x m l 技术作为表示 半结构化数据的一个工业标准，为组织、软件开发者、w 曲站点和终端使用者 提供了许多有利条件【1 4 】。相信在以后，随着x m l 作为在网络上交换数据的一种 标准方式的出现，企业基于这一标准建立其数据集将会变得非常轻松。 2 2x m l 简介 可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ，x m l ) 开创的初衷是用于改 进w e b 对事件的处理功能，直到w 3 c ( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，万维网联 盟) 将其定义为应用处理媒体，并这样描述： x m l ，是一种扩展的源标记语言， 其目标是允许普通的s g m l 在w e b 目前h t m l 的方式被服务、接受和处理。” 总的来说，x m l 保留了很多s g m l ( s t a n d a r dg e n e r a l i z e dm a r k u pl a n g u a g e ) 的优 点，更容易操作，便于在w w w 环境下实现【1 5 】。x m l 实际上是s g m l 的一个 优化子集。它提供了一种独立的运行程序的方法来共享数据，是用来自动描述 信息的一种新的标准语言，能使计算机通信把i n t e m e t 的功能由信息传递扩大到 人类其它多种多样的活动中去【1 6 】。 x m l 是一种元语言，即用来描述其他语言的语言。它可以让用户定义自己 的标记语言，从而在x m l 文件中描述并封装数据。x m l 在数据交换、存储和 描述等方面都具有自己的优点，它保留了s g m l8 0 的功能，但只有s g m l 约 2 0 的复杂度，使之可以直接用于网上传输。x m l 突出了数据的语义与元素结 西华大学硕士学位论文 构描述能力，从而可以解决协同工作、信息重用中面临的许多问题 1 7 】。x m l 有 以下特点： ( 1 ) 具有良好的格式 x m l 的语法有着严格的规范：树型结构、格式良好、合法，从而使得x m l 文档具有稳定、可靠、通用等良好性能。x m l 是一种描述数据内容、描述资源 的语言，具有清晰的语义性。x m l 清晰的语义性主要反映在它的标记( t a g ) 是开 放的，任何用户都可以根据自己的需要来定义标记，以反映标记所描述的数据 的种种性质。格式举例如下： 底板 ( 2 ) 具有验证机制 程序员自己定义x m l 标记，但是是否符合语法则需要验证。两种验证方法 分别是d t d 和x m ls c h e m a 。 ( 3 ) 适合在w e b 上使用 使用x m l 最大的好处之一是数据的共享与重用。x m l 主要是描述数据含 义，与数据的表现形式无关，这使得同一份数据只需赋予其不同的样式，便可 以达到不同的应用目的，实现数据的重用和共享，使数据描述与表现形式分离， 也使数据处理变得更加简洁和有效，传输更加快捷1 8 1 。 ( 4 ) 良好的扩展性 x m l 有着严格的规范，是一种开放的标准，它允许用户任意地对其扩展， 正因为如此，l 几乎可以用于任何需要数据交换的领域。 ( 5 ) 平台无关性 x m l 对数据描述的具体形式是x m l 文档，而x m l 文档则以纯文本的形式 存在。所以不管用户处在何种操作平台上，都可以阅读和使用x m l 描述的数据。 x m l 正成为i n t e m e t 上的新一代通用语言。 ( 6 ) 数据处理便捷性 因为x m l 的标记可以嵌套，因而可以表现层状或树状的数据集合。既有关 系型数据库( 二维表) 的特点，也具有层状数据库的特点( 分层树状) 。因此可 以方便地与数据库中的表进行相互转换。 1 2 西华大学硕士学位论文 2 2 1x m l 模式的选择 x m l 实现这些优良特性的核心在于其文档类型定义d t d ( d o c u m e n tt y p e d e f i n i t i o n ) 1 1 9 1 。d t d 是一套描述标记的语法规则，它列出了可用在文件中的元素、 属性、实体和符号表示法，以及这些内容之间可能的相互关系等等【2 0 】。也就是 说，d t d 实际上就是x m l 文件的模板，相应的x m l 文件必须符合d t d 中的 定义。 x m ls c h e m a 是一些规则的集合( 也称为语法或者语汇) ，其中包括了类型定 义( 简单和复杂类型) 以及元素和属性声明。x m ls c h e m a 用来描述x m l 文件的 合法结构、内容和限制，定义了可共享的词汇表，使用这些词汇表的x m l 文件 结构提供了它们之间的联系手段【2 1 1 。 由于x m l 是s g m l 的一个子集，它也继承了s g m l 用于建模的d t d 。使 用d t d 的好处是可以利用大量现有的d t d 工具，使得开发应用代价维持在一 个相对较低的水平。然而，d t d 有不少缺陷： ( 1 ) d t d 是基于正则表达式的，描述能力有限； ( 2 ) d t d 没有数据类型的支持，在大多数应用环境下能力不足； ( 3 ) d i d 的约束定义能力不足，无法对x m l 实例文件做出更细致的语义限制； ( 4 ) d t d 不够结构化，重用的代价相对较高； ( 5 ) d t d 并非使用x m l 作为描述手段，而d t d 的构建和访问并没有标准的 编程接口，无法使用标准的编程方式进行d t d 维护。 x m ls c h e m a 正是针对d t d 的这些缺点而设计的。事实上它是l 的一 种应用，也就是说x m ls c h e m a 的格式和语法与x m l 完全相同，它完全使用 x m l 作为描述手段，除此而外，它还有自己的一套完整的语法，涉及到的关键 元素包括s c h e m a 、e l e m e n t 、a t t r i b u t e 、c h o i c e 、g r o u p 等，因此，x m ls c h e m a 具 有很强的描述能力、扩展能力和处理维护能力。x m ls c h e m a 主要目的是用来定 义一类x m l 文档，它的“实例文档 形式被用于描述一个与特定x m ls c h e m a 相一致的x m l 文档。总之，x m ls c h e m a 比d t d 增加了更多的内容，可以对 x m l 文档做更为严格和明确的规定，更具灵活性，功能也更强大，x m ls c h e m a 能支持多种数据类型、支持命名空间( n a m e s p a c e ) 、有极其强大的数据结构定义 功能并易于使用，为x m l 模式向关系模式的完全转化提供了前提条件。等许多 优点。因此，在网络制造环境下的c a p p 系统开发中我们采用x m ls c h e m a 。 西华大学硕士学位论文 2 2 2 文档对象模型( d o m ) d o m 是d o c u m e n to b j e c tm o d e l ( 文档对象模型) 的简称，是对w e b 文档 进行应用开发、编程的应用程序接口( a p i ) 。作为w 3 c 公布的一种跨平台、与 语言无关的接口规范，d o m 提供了在不同环境和应用中的标准程序接口，可以 用任何语言实现 2 2 1 。 d o m 采用对象模型和一系列的接口来描述x m l 文档