（光学工程专业论文）基于新一代智能数控系统的机床资源信息建模及应用研究.pdf

分类号：th165 密级： ：621 编号： 工学硕士学位论文 基于新一代智能数控系统的机床资源信息建 模及应用研究 硕士研究生 ：李帅涛 指导教师 ：舒启林 学位级别 ：工学硕士 学科、专业 ：车辆工程 所在单位 ：汽车与交通学院 论文提交日期：2012 年 12 月 10 日 论文答辩日期：2013 年 03 月 07 日 学位授予单位：沈阳理工大学 classification index: th165 u.d.c: 621 a thesis for the master degree of engineering based on a new generation of intelligent cnc system of machine tools resources information modeling and application research candidate : li shuaitao supervisor : shu qilin academic degree applied for : master of engineering speciality : vehicle engineering date of submission : december，2012 date of examination: march，2013 university: shenyang ligong university 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者（签字） ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期 沈阳理工大学硕士学位论文 摘 要 随着信息技术和网络技术的发展，制造业迎来了新的发展模式。step 及 step-nc 标准的逐渐完善，令数控技术发展迅速，成为世界各国研究的重点，欧美 起步较早投入大量资金取得了一些成果，我国从上世纪 70 年代开始研究，起步较 晚，也取得了一定的成果，与世界先进数控技术相比，还有很大差距。为了实现 智能化制造，先后提出了各类先进的制造模式，其相同之处在与在国际标准化和 互换性的前提下，使整个制造系统中的各子系统能够分别智能化，最终使制造系 统实现网络集成且 cnc 终端具有高度的智能化水平。 step-nc 统一表征 cnc 加工过程中涉及的全部信息， 为数控系统提供完整的产 品数据信息，奠定数控系统向开放性、智能化、网络化、数字化方向发展的基础。 step-nc 使得整个制造系统使用统一的标准，使数控程序便于移植，互换性增强； 且各 cax 系统与基于 step-nc 的 cnc 系统之间可以实现无缝链接，基于 step-nc 的数控系统可以直接生成加工程序来控制机床。step-nc 已经被认为是完整集成 cad、cam、capp 和 cnc 的关键. 机床资源是各类先进制造模式的最底层，机床资源信息是各子系统所需要的 重要物质基础。本文旨在为实现机床对零件 step-nc 的可制造性评价，建立一个 统一描述、通用的、对 step-nc 程序透明的机床资源信息模型。 在阅读了大量的中外文献后，分析数控制造系统的资源信息，采用面向对象的 思想和方法，建立基于 express-g 的通用的数控机床系统资源信息模型，根据建 立的机床资源信息模型建立相应的数据库，实现对机床各资源信息的有效管理,并 通过可制造性评价系统实现机床对零件 step-nc 的可制造性评价，最终实现智能 化。该模型信息还可应用于工艺规划、工艺验证和生产过程的可视化。 关键词：资源模型；step-nc；express-g；可加工性评价 沈阳理工大学硕士学位论文 abstract along with the development of information and network technology, manufacturing coming to a new development mode. step and step - nc standard gradually perfect, make numerical control technology has developed rapidly and become the focus of research all over the world. step - nc provide a unified representation cnc machining process involving all of the information for numerical control system provide a complete product data information, establishes the numerical control system to open, intelligent, networking, digital direction development foundation. step - nc make the whole manufacturing system use a unified standard, make nc programs easy for transplantation, ehance interchangeability, makes it seamless link between each cax system and based on step-nc cnc system ,based on the step-nc cnc system can be directly generated nc program to control the machine tool. step-nc is considered to be a key complete integration of cad, cam, capp and cnc. this paper aims to achieve machine tool to step - nc manufacturability evaluation, and establish a unifi ed manufacturing resource model for representing cnc machining systems after reading a large number of chinese and foreign literature,by analyzing the information of cnc manufacturing system, using object-oriented ideas to establish cnc manufacturing system information model for general manufacturing processes. establish relevant database according to the established resources information model, manage the machine tool resources information effectively.and evaluate whether the machine parts can be made or not through the manufacturability evaluation system. the resource model can be utilized for process planning,process verification. key wordskey words:resource model;step-nc;express-g;machinability 目录 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.1.1 课题来源. 1 1.1.2 课题的研究背景 . 1 1.1.3 课题的研究意义 . 3 1.2 制造资源建模技术研究现状 . 4 1.2.1 国外研究现状 . 5 1.2.2 国内研究现状 . 7 1.3 本文主要研究内容 . 7 1.4 本章小结 . 8 第 2 章 制造资源需求分析和面向对象建模方法研究 . 9 2.1 制造资源需求分析 . 9 2.2 面向对象技术的概念及发展概况. 9 2.2.1 面向对象方法学的基本概念 . 9 2.2.2 面向对象技术的发展 . 10 2.3 面向对象技术的基本特性 . 10 2.4 信息建模方法分析 . 11 2.5 express 数据建模语言 . 12 2.5.1 express 语言的数据类型 . 13 2.5.2 express 语言实体属性及关系 . 14 2.5.3 express 语言的表达式和函数 . 15 2.5.4 express-g . 16 2.6 本章小结 . 17 第 3 章 基于 express-g 的机床资源信息建模. 18 3.1 机床资源信息的分析 . 18 3.2 机床资源管理系统的数据属性 . 19 沈阳理工大学硕士学位论文 3.2.1 机床静态数据和动态数据 . 19 3.2.2 建模语言和基于 web 的数据模型 . 19 3.3 机床资源信息模型. 19 3.3.1 机床资源信息总体数据模型 . 20 3.3.2 机床组件数据 . 20 3.3.3 机床加工能力数据 . 24 3.3.4 机床性能数据 . 25 3.3.5 机床加工成本数据 . 26 3.3.6 机床运动数据. . 26 3.4 本章小结 . 27 第 4 章 机床资源信息管理系统 . 28 4.1 系统概述 . 28 4.2 系统总体设计 . 28 4.2.1 系统功能描述 . 28 4.2.2 功能模块划分 . 31 4.3 机床资源管理系统数据库分析 . 31 4.4 数据库设计 . 33 4.5 系统开发 . 37 4.5.1 系统界面设计 . 37 4.5.2 创建数据访问模块 . 39 4.6 机床资源管理. 39 4.7 刀具信息管理. 41 4.8 本章小结 . 44 第 5 章 机床可加工性评价 . 45 5.1 可制造性评价 . 45 5.1.1 可制造性评价概念 . 45 5.2.2 可制造性评价的内容. 47 5.2 step-nc 程序中的工艺描述. 48 5.2.1 基本工艺描述 . 48 目录 5.2.2 工步及执行顺序描述 . 49 5.2.3 具体工艺描述 . 50 5.3 step-nc 程序可加工性的评价指标体系 . 51 5.4 step-nc 的零件可加工性评价算法 . 53 5.5 系统的功能实现 . 53 5.5.1 step-nc 信息提取 . 54 5.5.2 机床可加工性评价实例 . 56 5.6 本章小结 . 64 结论与展望 . 63 参考文献 . 65 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果. 71 致谢 . 73 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题来源 本课题题目是：基于新一代智能数控系统的机床资源信息建模及应用研究， 是辽宁省教育厅创新团队资助项目（lt2010088） “新一代智能数控系统”的组成 部分。 1.1.2 课题的研究背景 随着全球经济一体化的不断发展，各种规模的制造企业，从小承包商的加工 车间，到国家航空航天、汽车巨头，使得制造产业、制造技术和产品走向国际化， 令制造业在世界范围内重新分布。在这样的背景下，计算机技术和网络技术迅猛 发展，制造企业为了弥补自己的不足，需要从世界范围内的其他企业取得制造资 源和技术资源的支持，跨越地理位置的鸿沟形成一个资源共享、优势互补的虚拟 联盟，充分利用各成员企业的制造资源和技术资源，以最优资源、最小成本实现 最优生产。 无疑这需要借助于网络技术，网络化制造的特征是数据的可移植性、柔性、 快速。然而各成员间的 cax、产品数据管理和企业资源计划千差万别，导致了产品 信息复杂多样，信息冗余，处理困难，系统间难以兼容等诸多缺点。为了解决这 些难题，世界各国相继做出了研究：如美国的 dxf、iges、pdes，法国的 set，德 国的 vdais、vdafs 等。1997 年欧共体通过 optimal 计划，开发了一种遵从 step 标准、面向对象的数据模型，重新定义了面向铣削加工的编程接口，从而提出了 step-nc(step compliant data interface for numerical controls)的概念54。 它将产品模型数据转换标准 step 扩展至 cnc 领域，旨在以 step 统一表征 cnc 加工过程中涉及的全部信息，是设计模块和制造模块为实现 cad、cam 和 cnc 各系统间的无缝链接基于 step 建立的新的接口标准，为数控系统提供完整 沈阳理工大学硕士学位论文 - 2 - 的产品数据信息，奠定数控系统向开放性、智能化、网络化、数字化方向发展的 基础。直接使用符合 step 标准的数据模型开发的 cnc 系统可以直接生成加工程 序来控制机床。这些数据包括 cad 三维数据模型（工件几何数据、制造特征和设 置）、刀具信息和加工工艺信息。step-nc 还定义了一个新的 step 应用协议，即 ap238 应用协议(is010303-ap238)。ap238 作为 cam 和 cnc 系统之间的接口标准， 其内容包括从产品建模到加工的全过程，包括 cad 产品数据模型几何信息(ap203 ap214)、公差定义(ap219)和特征定义(ap224)。因此由 cad 系统产生的产品 模型数据经过 capp、cam 添加工艺信息和刀具信息之后，形成 ap238 文 件,step-nc 数控机床可以直接读取。 2005年,omac step-nc工作组在奥兰多主办了一次ap238测试论坛来展示 基于ap238的五轴零件加工。四个子系统产生的ap238加工程序实现5-轴加工测 试。2006年6月法国空客在图卢兹展示了一款五轴step-nc加工机床。2007年在日 本ibusuki进行了更深层次的加工展示。2008年3月10-12日，step研究团队在瑞典 斯德哥尔摩山特维克公司的会议研究探讨了step-nc在进给速度优化，高速切削加 工，刀具校正方面的运用。2008年10月1-2日，step研究团队在美国的康奈迪克州 的哈特福德先进制造技术会议上演示了闭环制造，进给优化等。step-nc在实现 数控机床加工时有几个显著的优势： 1.它提供了一个链接几何和技术信息的完整的、结构化的数据模型，所以在 产品开发过程的不同阶段不丢失信息； 2.多个cax系统 （也就是cad、 capp、 cam） 可以使用step-nc标准数据模型， 支持与cnc系统的数据交换和共享； 3.step-nc已经被认为是完整集成cad、cam、capp和cnc的关键。 4.step-nc提出了高水平的制造信息而不再是基于g-code(iso6983-1:1982)的 简单的对轴和刀具轨迹编程。 5.一个面向对象的概念， “工步”是用于封装加工特征信息和加工操作参数。 6.一个step-nc兼容控制器将通过处理工步中的数据来控制机床轴和刀具。 7.step-nc程序可读性更强，更易再次使用。 8.因为工步能够呈现cnc的加工信息，它被认为是cad / capp / cam和cnc 数控系统间的一个关键联系。 第 1 章 绪论 - 3 - 9. 可以实现cax系统与cnc之间的双向信息流，g-codes是不可能实现双向信 息传输的。 step-nc概念的一个重要特点是机床的独立性；这使得step-nc代码能在各种 cnc系统共同使用。这是因为，step-nc数据模型主要描述“任务或做什么”数据。 尽管可以在“方法层或怎么做” 定义数据，如机床轨迹，step-nc的主要目的是 允许通过step-nc授权的控制器做出决定。step-nc程序可能一次写成，随处加工。 因此实现step-nc的核心问题是从方法层到任务级别的数据的转变，或者从如何做 数据到做什么数据。因为把step-nc当成一个数控加工数据模型，step-nc的实现 是有效的调整它的数据模型应用于不同的数控系统。要做到这一点,必须具有非常 完整和容易访问的制造资源数据库,描述数据如产品数据(例如制造特征,工件 等)，刀具数据(即step-nc part 111(iso / dis 14649-111:2004(e)铣削刀具和 step-nc第121部分(iso 14649-121:2005(e)车削刀具),和加工工艺数据如加工参 数，加工策略等。在 step-nc中10, 11 and 12(iso 14649-10:2004(e) ，iso 14649-11:2003(e)， iso 14649-12:2005(e) 有完善的定义。因此,要实现基于 step-nc的制造，实现工艺规划与任务的调度,最重要的是建立一个兼容的step-nc 机床数据模型来表达机床资源信息，使各系统能够捕获所有需要的机床资源信息 数据。 1.1.3 课题的研究意义 制造业是一个国家最基础的产业，直接影响到国家的综合国力，是反应国家 经济实力的一个重要标志。从世界范围来看，各个国家都把制造业的发展作为振 兴国家经济，提高国家综合竞争力的重要手段。数控技术作为其底层技术，直接 关系到制造业的发展水平。 在世界范围内，数控设备的作用备受关注。然而目前的 cad/capp/cam 各 子系统与机床资源无法实现数据的双向流动，现在的状况是设备资源的信息非常 分散，在生产过程的各个阶段，对机床资源的的分析和需求几乎“各自为政” ，彼 此独立.例如：一个制造企业的生产设备来自不同的厂家，这些设备的配置、性能、 和数控系统都是不同的。对于设计好的零件，制造工程师必须根据特定的数控设 备采用 cam 生成特定的零件加工刀具轨迹，然后根据后处理器生成与数控设备相 匹配的 nc 代码， 最终才能在该机床上生产该零件。 显然， 这样的代码不能够通用， 沈阳理工大学硕士学位论文 - 4 - 当选用其他数控设备生产该零件时必须重复以上步骤。 随着经济技术的高速发展，在有些系统(如 capp、cam)中嵌入了一些设备 数据，然而这种方式也远不能适应 cim 的需求，原因是现在的机床： 1.采用面向过程的语言编程，其间只对机床轴的运动和刀具轨迹进行描述， 由此看来，只是一种单纯的执行，无智能化趋势。 2. 基于 iso6983 标准编程困难，人机交互性差。 3.控制器厂商不断扩展 iso6983，形成了自身独有的指令，以致于 cad/cam 和 cnc 之间的接口不统一，不同控制系统间不能够完全兼容。 4.由于信息是单向的由 cad/cam 传送到 cnc,而 cnc 的信息无法反馈回 cad/cam,加工现场的信息无法及时反馈给设计部门。此外 cad/cam 数据还须 经专用处理器处理后才能为 cnc 使用，各系统间数据信息不能通过转换和共享实 现集成。这就大大阻碍了制造一体化的发展。 由以上分析可知：现有数控系统没有统一完整的制造资源定义、资源信息表 达方式不一致、制造资源信息数据存储分散等诸多缺点导致了制造资源信息数据 维护更新困难,各应用系统之间进行信息交换也不方便,根本无法满足网络化、通 用化、智能化、敏捷制造模式的需要。 制造资源也是可制造性评价系统的一个重要部分，同一个产品在某种制造资 源环境下可以制造且成本较低,而在另一种制造资源环境下可能成本较高甚至不 能制造,因此只有研究制造资源约束下的零件可制造性评价才是贴近实际的。由于 不同的数控机床在性能、功能和刀具配置等方面的不同，要实现某台数控机床对 于 step-nc 程序的零件的可加工性评价， 数控机床资源对 step-nc 程序应该是 透明的，因此必须建立机床资源信息模型，这样才能为机床对零件的可加工性评 价提供信息支持，由此可知，建立完整的数控机床资源信息模型，对其资源进行 统一描述是十分必要的。 1.2 制造资源建模技术研究现状 制造资源信息同产品信息一样,是产品生命周期中各单元系统需要共享的信息 源,为各功能子系统的信息需求提供支持, cad/capp 系统在制造资源约束下能 够尽快的改进脱离企业制造环境的产品设计和工艺设计。以前，世界上只注重对 产品模型的研究,而对制造资源的研究重视不够。制造资源模型被定义为一种信息 第 1 章 绪论 - 5 - 模型，这种模型直接表达了与生产功能有关的企业设备资产的特点。制造资源模 型是进行可制造性评价和制造资源优化的前提条件，因此，国内外学者相继从不 同角度对制造资源建模技术展开了大量工作。 1.2.1 国外研究现状 目前，越来越多的制造资源模型被提出，torsten 等建立了基于 step 的制造 资源信息模型1；gao 建立了产品和制造能力模型框架2；case 建立了工艺能力 模型等3。zhang 和 feng 等人采用面向对象的方法，建立了制造资源模型，该模 型描述了设备的加工能力，封装了制造系统的知识，为工程师制定合理的、柔性 的生产规划奠定了基础4 ；vichare 和 nassehi 等人建立了包括机床、刀具，以及 辅助工具：夹具、机械手等在内的统一的数控加工系统制造资源模型5；feng 和 song 建立了制造资源能力模型，该模型描述了制造资源的特点和功能信息，表达 了资源的加工能力6；yao 针对计算机辅助制造规划，建立了包括形状能力、尺寸 与精度能力、 位置和方向能力的制造资源能力模型7； steele 等针对制造企业综合， 建立了制造资源模型，该模型链接了不同领域的知识，是产品设计、工艺规划、 质量控制等功能综合的纽带8。 在机床数据建模领域有一些努力。2007 年，葡萄牙丰沙尔 step 制造会议上 suh 提出了机床资源数据表示的必要性。他提出了一个新的工作项目计划 (nwip)9, “适于通用制造过程的机床数据模型” 。这部分的机床数据模型被称为 step-nc 标准 part110 部分(iso14649)。该模型是由不同的机械元件构成如主轴、 滑槽、旋转工作台、立柱、工作台、横向滑台、机架、柱基和床身。然而,使用该 模型进行工艺规划需要更多的具体的机械信息(最大进给范围和机床转头的最大 转角等)。另一个综合机床资源模型是由美国国家标准与技术研究院(nist)提出 10，认为大多数的标准机器元件包括数控控制器的详细信息。在美国国家标准与 技术研究所的模型中关于这台机器的描述遵循层次分类法，机床被划分为车削、 铣削的类型。这种做法的一个顾虑是：它可能会限制模型的有效性,不能够被用于 复杂的多任务加工,或是多进程加工中心。 早在1995年美国国家标准与技术研究所已经进行了制造资源信息建模的研 究。它指出了制造资源的两方面： （1）机床(铣床及立式/卧式车床)和（2）装配 工具（刀具，刀片，刀柄等） 。该模型已经被视为发展机床asmeb5.59-2标准的基 沈阳理工大学硕士学位论文 - 6 - 础。nist的制造资源模型和asme b5.59-2标准的建立主要是满足制造资源供应商 的需求,但不足以支持工艺规划,因为它缺乏加工性能数据信息,机床的运动结构 等。为了克服这个问题，kulvatunyou等(2004)开发了基于nist的模型的通用标记 语言(uml)的制造资源模型。提出了面向工艺规划的制造资源模型，将包括机床、 刀具等底层制造资源与工艺知识、加工控制结合，以保证工艺规划的合理性和有 效性11；新模型与一个具体的资源工艺规划模块相互作用以执行协同制造的工艺 规划任务,但它仍然缺乏集成cnc加工的能力来形成一个封闭循环制造链。 ming等(1998)提出了一个基于生产资源模型的pdes/step 12，包括机床、刀 具、夹具、测量工具和夹具的数据。该模型考虑公司的外部资源信息来支持协同 制造环境。集成其他两个基于pdes/step的模型(零部件信息模型和工艺规划模 型)，整个信息模型可以支持capp应用程序。lopez -ortegsa and ramirez (2005) 提 出了一个基于step-express的模型来表达车间层的柔性制造资源（即加工资源, 处理资源,运输资源和存储资源）13。这个数据模型是实现基于step制造的信息系 统所需的。 机床数据建模的标准已经开发了几个。asme b5委员会一直致力于机床性能 数据(asme b5.59-1)和属性规范(asme b5.59-2)两个标准草案的研究。这些标准 的主要目的是为机床供应商提供技术支持。在iso内，step的第240部分 (iso 10303-240:20 05(e)规定了一个工艺规划的数据模型和8个机床直接相关的机床制 造资源的功能单元的应用程序(xu 2004)。此外,iso tc39/sc2是正在开发的为增 强机床组件之间和测试机床（即测试方法,测试代码、测试组件等）之间交流能力 的标准。 以上模型没有一个是适合支持基于 step-nc 的制造的。一些模型(例如由 nist，asme 和 iso 开发的)是为机床供应商和用户开发而不是为生产应用(如工 艺规划、车间调度等)。其他的（例如 ming 和 lopezortegsa 的模型，和 step 的 240 部分）和 step-nc 标准不完全兼容。 paris 和 brissaud 就工件的定位和夹紧问题进行了阐述14，详述了产品需求和 可用的夹具资源之间的互联关系。新西兰奥克兰大学徐旬的 step-nc 研究小组在 cad/cam/capp/cnc 集成和在线检测、工艺规划等方面取得了一些重要成果。 第 1 章 绪论 - 7 - 1.2.2 国内研究现状 在这方面国内做出的的研究有：陈云建立了基于面向对象和 step 技术的制造 环境建模和工艺模型15；把制造环境分解为三个子模型：控制结构模型、资源模 型和制造能力模型；邵新宇等人把设备环境分为五层16：工厂层、分厂层、工段 层、工作站层和设备层,基于特征进行设备环境建模。宋玉银17等人进行了制造资 源能力的描述和研究。 也有人提出一种基于扩展实体联系理论的 cad/capp 集成 制造资源建模方法。面向对象技术也不断应用于制造资源建模。王华栋18应用面 向对象的技术，建立了面向对象的制造资源特征层次模型；戈鹏19提出了基于知 识的制造资源数据统一建模，在资源平台的通用化等方面进行了有益的探索；王 军20等提出了过程特征的概念，建立了基于过程特征的制造资源模型；石旭东21 建立了面向可制造性评价的虚拟制造资源模型。 由于制造资源内容多样、关系复杂，其状态也时时变化，已经建立的模型在 整体的结构性、完整性、一致性、准确性、关系的直观性等方面还存在着不同程 度的不足。尽管在制造资源建模方面取得了不少进展，目前还是没有形成统一的 标准来进行制造资源的建模。 cad/capp/cam 各子系统都需要抽取各自需求的制造资源信息， 只有在制造 资源约束下才能对制造企业的生产活动起到正确的指导作用，良好的制造资源描 述方法，能够提高各子系统的运行效率，倘若描述方法不当，依然会造成信息冗 余，效率下降，甚至错误。例如：智能 capp 系统知识库的构建需要制造资源、工 艺和特征间的有机联系，在知识的准确表示和利用下，工艺设计才能进行合理有 效的推理，得出比较