（机械电子工程专业论文）基于uml的生产车间数字制造环境模型研究.pdf

摘要 数字制造是未来制造业发展的方向，对数字制造的建模是当前急需要解决的 问题。数字制造的建模目前虽然已有很多专家学者基于不同的角度例如：面向 过程、面向决策、面向对象提出了一些模型，但由于现有的技术上的实现难度， 这些模型只实现了部分功能，不够完善。 为避免对数字制造过程行为建模的难度，本课题试图通过建立制造环境的 模型，为实现制造企业的资源、信息的共享，最终建立数字制造的建模做了新 的方法尝试。制造环境的建模已有的文献不多，对其开展的研究很少。 本文通过考察数字化生产车间的生产活动，以车间制造环境为对象，分析了 其组成要素及关系，利用支持统一建模语言删l 的r a t i o n a lr o s e 为工具，建 立其静态及动态模型。具体实施步骤是：首先根据提出的环境系统的目标功能， 建立系统的u s ec a s e 图，在此基础上识别并确定系统的基本对象和类：随后设 计这些对象和类的属性、方法和操作，绘制对象类图；接着通过分析对象和类 之间的关系，确定对象间的行为和活动，并通过绘制活动图、顺序图、状态图 来反映对象间的行为及对类的状态的影响。最后绘制系统的组件图和配置图， 反映出本系统在车间的实际物理构成。 生产车间制造环境系统是一个复杂的面向对象的数据库系统，它是面向对 象的程序设计技术和数据库技术的融合。面向对象的程序设计是一种全新的程 序设计方法，它采用事件驱动的方式，从根本上改变了传统的程序设计模式。 其基本思想是：建立和具体实际应用相对比的对象，并通过对这些对象的组合 来创建具体的应用程序。它给程序设计带来了许多良好的特性。 根据已经建立的环境系统u m l 模型，在支持面向对象的可视环境下( v b 6 0 ) ， 首先设计了环境系统的用户界面，包括用户登录、注册以及系统运行主界面。 然后根据模型已经设计的数据库结构，运用编程方法建立、，b 下的环境系统数据 库。最后通过编程、调试实现了环境系统数据库的数据操作功能( 包括数据的 查询、增添、修改、删除) 、设备故障处理功能，并部分实现了生产任务调度功 能。 由于环境系统的复杂性，本课题建立的环境系统还需要进一步的完善，例 如：调度算法的实现，环境系统的网络化实现等。环境系统的良好应用前景使 得本课题的继续深入显得非常有意义。 关键词：数字制造，生产车间，制造环境，u m l a b s t r a c t d i g i t a lm a n u f a c t u r i n gi st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h ef u t u r em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y , w h i c hi st h ec r u c i a ll 口r o b l e mt ob es o l v e dt o t h em o d e l i n go fd i g i t a l m a n u f a c t u r i n ga tp r e s e n t a l t h o u g ht h e r ea r es o m em o d u l eo fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n g p r o p o s e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tv i e w sb ys om a n ye x p e r t s ，t h e yc a l lo n l yr e a l i z ep a r t o f f u n c t i o n , a n da r en o to f p e r f e c t ，b e c a u s eo f t h e h a r do f t e c h n o l o g y t oa v o i dt h ed i f f i c u l to fm o d e l i n gt h ep r o c e s so fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n g , t h i st h e s i s t r yt oe s t a b l i s ht h em o d u l eo fm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t ，a n dm a k ea n e wt r yo f m e t h o df o rr e a l i z i n gt h es h a r eo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yr e s o u r c ea n di n f o r m a t i o n , t h es e t u po fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gm o d u l e t h e r ea r ef e wl i t e r a t u r eo ft h ed i 。g i t a l m a n u f a c t u r i n gm o d u l e ，a n ds ot h er e s e a r c h b ys e e i n ga b o u tt h ep r o d u c ea c t i v e so ft h ed i g i t a lw o r k s h o p ，t h i st h e s i st a k i n g t h em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n to fw o r k s h o pa n da n a l y z ec o n s t i t u e n t e l e m e n ta n d r e l a t i o n ，e s t a b l i s h i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i c m o d u l eu s i n gt h er a t i o n a lr o s eat o o l w h i c hs u p p o s i n gt h eu n i t em o d e l i n gl a n g u a g eu m l t h et r o n d o s ei m p l e m e n ts t e p i st h a t ：f l r s t ，e s t a b l i s h e st h eu s ec a s ef i go f e n v i r o n m e n ts y s t e mi na c c o r d a n c ew i t h t h ep r o p o s e dt a r g e tf u n c t i o n ，o fw h i c ho nt h eb a s i si d e n t i f i e sa n dm a k e ss u r et h eb a s i c o b j e c ta n d c l a s s e s t h e nd e s i g n st h ep r o p e r t y 、m e t h o d 、o p e r a t i o no ft h e s eo b j e c ta n d c l a s sa n dd r a w st h eo b j e c tc l a s sf i g a n da s c e r t a i n st h eb e h a v i o r sa n da c t i v e sb e t w e e n t h ec l a s s e sb ya n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i po fo b j e c ta n dc l a s s ，r e f l e c t st h eb e h a v i o r b e t w e e nc l a s s e sa n da f f e c t sw h i c hp u t so nb yd r a w i n ga c t i v ef i g u r e 、s e q u e n c ef i g u r e 、 s t a t ef i g u r eo ft h i ss y s t e m a tl a s td r a w st h ec o m p o s i n gf i g u r ea n dd e p l o yf i g u r e w h i c hr e f l e c t st h ef a c t u a lp h y s i c a ic o n s t i t u e n to fw o r k s h o p t h ep r o d u c i n gw o r k s h o pe n v i r o n m e n ts y s t e mi sac o m p l e xa n do r i e n t o b j e c t d a t a b a s es y s t e m ，a n di tc o m b i n e st h et e c h n o l o g yo ft h eo r i e n t - o b j e c tp r o g r a m m e ra n d d a t a b a s e t h eo r i e n t o b j e c tp r o g r a m m e ri saw h o l en e wp r o g r a m m e rm e t h o d , w h i c h u s e st h ee v e n t d r i v ew a ya n dr a d i c a l l yc h a n g e st h et r a d i t i o np r o g r a m m e rm o d e t h e b a s i ci d e ai st h a t ：e s t a b l i s h i n go b j e c tc o r r e s p o n d i n gt oc o n c r e t ea p p l i c a t i o na n d h f o u n d st h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o np r o g r a mb yc o m b i n i n gt h e s eo b j e c t ，w h i c hb r i n g s m a n yv e r yg o o dc h a r a c t e r i s t i ct ot h ep r o g r a m m e r o nt h ec o n d i t i o nt h a ts u p p o r t i n gt h ev i s u a lo r i e n t - o b j e c t , d e s i g n st h eu s e r i n t e r f a c eo fe n v i r o n m e n tf i r s t ，w h i c hi n c l u d e st h eu s e rl o g g i n g 、e n r o l l i n g 、m a i n r u n n i n gi n t e r f a c ea c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e du m l m o d u l eo fe n v i r o n m e n ts y s t e m t h e ns e t su pm ed a t a b a s eo ft h i ss y s t e mi nv bb yu s i n gp r o g r a m m i n gm e t h o d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dd a t a b a s es t r u c t u r eo f t h em o d u l e l 弱lr e a l i z e st h ed a t a b a s e d a t ao p e r a t i o nf u n c t i o no fe n v i r o n m e n ts y s t e mw h i c hi n c l u d e sq u e r y i n g 、a d d i n g 、 m o d i f y i n g 、d e l e t i n gb yp r o g r a m m i n ga n dd e b u g g i n g , t h eh a n d l i n gf u n c t i o no ft h e f a i l u r ee q u i p m e n t ，a n dp a r t l yf u n c t i o no ft h ea t t m p e r i n go fp r o d u c i n gt a s k b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t y , t h ee n v i r o n m e n ts y s t e mt h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e d s h o u l db em o r ep e r f e c t ，s u c ha st h er e a l i z eo ft h ea t t e m p e r i n ga r i t h m e t i ca n dt h e n e t w o r ko ft h i ss y s t e ma n ds o t h ev e r yg o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fe n v i r o n m e n t m a k e st h ef u r t h e r m o r eo ft h i sp a p e rm o r es i g n i f i c a t i v e k e yw o r d s ：d i g i t a lm a n u f a c t u r e ，p r o d u c t i o nw o r k s h o p ，m a n u f a c t u r ee n v i r o n m - e n t ，u m l h i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝遮日期：越! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一血也翮魏捆胁业 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于湖北省数字制造重点实验室资助项目。 1 1 2 研究目的及意义 作为新的制造技术和制造模式，数字制造已成为2 1 世纪制造技术发展的方 向，具有广阔的发展应用前景。本课题的研究目的就是以数字化工厂( e - f a c t o r y l 生产车间为对象，在考察其生产制造过程的基础上，分析制造环境的相关因素 及其相互关系，采用面向对象的方法和利用统一建模型语言( t h eu n i t e d m o d e l i n gl a n g u a g e ，u m l ) 建立制造环境的静态、动态模型。数字制造作为目前 研究的热点，其关键是利用现有的企业生产资源采用网络化、虚拟化、智能化 加工技术建立加工过程的动态模型以实现三维仿真，从而提高企业的生产效率， 创造较好的经济效益。本课题的研究意义是通过探索建立企业的生产车间的制 造环境模型，实现制造企业的资源、信息的共享，为最终实现数字制造的建模 做了铺垫。 1 2 数字制造的研究现状 伴随着计算机的诞生，出现了数控机床，在很长一段时间内其拥有量和产 量成为一个国家制造能力的重要标志。随后计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 、 计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g , c a m ) 、计算机辅助工程 ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g , c a e ) 、制造信息系统( m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n s y s t e m ，m i s ) 、制造资源计划( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g , m r p i i 包括销 售、制造、财务三部分) 、企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ，包 括人力资源、会计、项目、通信、质量管理、生产计划等) 、产品数据管理( p r o d u c t d a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 等计算机辅助技术亦随着计算机技术的发展和应用而 武汉理【大学硕士学位论文 得到广泛的发展和应用。2 0 世纪中叶以来，随着微电子、自动化、计算机、通 信、网络、信息等高新技术的迅猛发展，掀起了以信息革命为核心的新技术革 命高潮。这场新技术革命极大地改变着人类的生存环境和生存方式，推动着社 会不断向前发展。 近年来又发展出很多新的制造技术理论和方法，如并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g 。c e ) 、管理信息系统( m i s ) ，产品模型数据交换标准( s t a n d a r df o r t h e e x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a , s t e p ) 、柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，s f m s ) 、计算机集成制造系统( c o m p u t e ri 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 。 c i m s ) 、虚拟制造( v h t u a lm a n u f a c t u r i n g , v m ) 、敏捷制造( a g i l i t ym a n u f a c t u r i n g , a m ) ，网络化制造、绿色制造等，这些构成了数字制造技术强大支撑和丰富的 内容。为了适应数字化和网络经济的时代，制造企业必须实现数字化改造，构 筑企业的数字化制造系统及经营管理系统，以降低生产成本，增加产量，扩大 销售，从而提高企业的经济效益。数字制造的出现和发展是当今社会经济和科 学技术发展的必然结果【”。1 9 9 8 年1 月3 1 日美国副总统戈尔在洛杉矶加里福利 亚科学中心举行的开放地理信息系统协会年会上发表的“数字地球：2 1 世纪理 解我们行星的方式”的报告，使得数字及数字技术的拓展和应用更为广阔，并 且出现了数字化图书馆、数字城市、数字化生存的新概念 2 1 。 由于数字制造的良好应用前景，世界各国都纷纷开展数字制造技术的研究、 开发与应用，发达国家已经达到相当先进的水平，如：美国波音公司利用数字 样机技术成功开发出的波音7 7 7 客机，使得其开发周期从过去的八九年缩短到 四年半，成本降低了4 0 ，用户满意度也大幅提升。美国通用汽车公司应用数 字制造技术，使得轿车的开发周期由原来的4 8 个月缩短到现在的2 4 个月，碰 撞试验的次数由原来的1 0 0 多次降到5 0 次，销售成本减少了1 0 3 1 ，取得了良好 的经济效益。目前国内外的一些研究院所以及高校纷纷开展数字制造的应用研 究，如华中科技大学熊有伦院士在数字制造的基础理论之一的计算数学、几何 推理理论及算法方面取得了不错的进展。武汉理工大学在2 0 0 3 年成立了湖北省 数字制造重点实验室，并举办了数字制造论坛，还创办了数字制造方面的专业 性期刊数字制造科学。 关于数字制造的概念和特征，国内外一些专家学者都提出了不同的看法 脚”瑚，如：数字化制造、信息化制造等概念，但还没有形成明确的统一的定义。 s e i n ot 、y o s h i o 等学者从生产和开发的角度描述了数字制造的属性，认为在数 字制造中隐含性信息必须消除并最终转化为数字值“1 。清华大学张伯鹏教授则 2 武汉理工大学硕士学位论文 研究了数字制造中制造信息的特征、属性、作用，提出了制造信息全面质量管 理，不将基于熵量信息度量方法应用于制造信息表达5 1 。武汉理工大学周祖德教 授则认为，数字制造是在对制造过程进行数字化定量描述所建立的数字空间中， 以制造过程的知识融合为基础，以数字化建模、仿真与优化为特征，用数字化 控制与处理方法，支持产品全生命周期和企业的全局优化运作，进而实现对产 品的快速制造。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”。 数字制造由于吸收了数学、材料、信息、计算机、系统论、控制论、制造 技术等诸多学科的理论，是一个跨越多学科、综合交叉的领域。由此产生了制 造信息学、计算制造、几何推理、智能制造、网络制造、协同制造等数字制造 的基础内容。在关键技术问题方面，例如：产品信息的数字化表示、制造过程 的建模与仿真、数字样机技术、开放式数字控制技术等方面还需要投入大量的 研究。 数字制造作为目前最先进的生产制造技术，它融合了虚拟制造、柔性制造 以及计算机集成制造、智能制造等先进制造技术。但是以现有的技术和条件， 在生产过程中还无法做到真正的数字制造过程，即是从原料的采购到产品的研 制、生产、销售及售后服务的全生命周期中，都贯穿于数字制造。数字制造的 基础性理论研究还存在大量问题需要解决，如：数字制造的基本规律、计算制 造、产品制造过程的数字化描述和实现问题、基于网络的产品建模与仿真等问 题，目前的技术也不成熟，都还处于摸索阶段。因此，我们要在制造企业中真 正实现数字制造，建立数字化工厂，还有较长的路要走。 1 。3 制造环境的研究问题 对于制造环境的研究目前还不多见，尤其是对制造环境的直接建模。文献【9 】 基于e x p r e s s 语言建立了面向对象的集成化制造环境信息模型。该模型侧重于 对制造环境信息的表达与描叙。与其不同，本文以生产车间的制造环境为对象， 采用面向对象的统一建模型语言u m l 来建立制造环境的静态、动态模型，本模 型注重于制造环境功能的实现。 在数字制造形态下，基于虚拟制造、网络制造、智能制造技术等先进制造 技术的发展，为传统的制造工厂生产车间提供了全新的生产环境。能实现生产 车间与企业的其他部门间的数据信息的集成、交换、共享和管理；对生产加工 3 武汉理工大学硕士学位论文 过程的虚拟仿真，以缩短生产周期；异地甚至是全球企业联盟间的资源共享以 及协同生产等。在数字制造生产企业中，其基本的生产流程如下图所示。 接受订单- 方案论证 任务分解- 技术准备- 建摸仿真 ，评估+ 生产准备- 生产活动硝售活动- 售后服务 图1 一l 数字制造企业活动流程图 生产车间是制造工厂的一个重要部门，是利用机器设备对零件( 毛坯) 进 行加工的场所。它是一定的生产资源( 原材料、机器设备、人力) 、信息及组织 管理方式的有机整体。对于数字化生产车间其主要活动就是生产制造活动，而制 造环境系统是为其服务的。从执行功能上看，生产车间的功能是由生产系统和 环境系统两者实现的，其中前者包括生产准备、生产加工、辅助生产、生产管 理等，如图1 2 所示。由于生产过程建模的难度，使得生产系统的功能难以实现。 因此我们可以先对环境系统建模，并将其功能扩大，使得其不但具有为生产活 动服务的功能( 为生产系统提供实时信息，进行信息的查询、维护、更新等) ， 数字制造 生产车间 生产活动 准备、 、测量、检验 ，一生产人员的组织和管理 生产l 生产计划：作业计划的调度与控制 管理i 一生产过程监控：生产进度、设备状态、故障报告及处理 l 生产数据处理：数据的采集与反馈 并且还具有部分生产系统的功能即监控、调度、事务处理等功能。这样将生产 系统的功能移植后，虽然削弱了生产系统的功能，但是车间作为一个整体的功 能不会产生变化。这就是本模型建立的出发点。 制造环境反映了企业的生产组织和控制结构、资源状况，它与企业的制造 过程紧密相关，是产品生产过程的各个阶段需要共享的信息源。对于数字化生 产工厂，它是一个复杂的系统。文献【9 】认为，制造环境的对象类有资源类、动 态信息类、能力类。这里我们认为，对于制造车间来说，主要是执行总厂下达 4 武汉理工大学硕士学位论文 的生产制造任务，不会去考虑能不能加工的问题。至于加工能力的问题是由任 务的下达者，工厂的决策者考虑的问题。广义的信息是作为资源一部分，但信 息作为一个对象在制造过程的作用越来越大，表现为制造由信息驱动。因此， 可以认为生产车间制造环境系统主要是由资源、信息、结构三要素组成，如图1 3 所示。其中结构指的是组织结构和任务结构，前者主要包括人员组织管理结 构、设备和物料组织结构。而人员组织结构指的是车间全体人员的组成情况， 例如：全体人员的学历结构，受过不同教育程度的比例。还有职务结构，在全 体人员中，行政人员、生产管理人员、辅助人员及工人等的比例分配问题。学 历结构通常能够反映出一个车间生产的效率或者是仓q 造的生产总值。而职务结 构则能反映出车间做为企业的一个部门，其资源的配置是否合理。只有不同职 务的搭配，有个最佳比例，才能使得车间这个整体能高效的运转，创造最大的 经济效益。设备组织结构是指车间的所有设备的配置情况，一这个配置是由车间 的生产情况来定的。设备不能总处于满负荷状态，也不能总处于空闲状态。任 务结构则是指对于一个具体任务，其参与人员、参与设备、参与物料等的组成 情况。对于一个具体任务，三者的搭配必须要达到合适的比例，才能使得生产 效率最高、经济效益最大或者是工时最短。这个涉及到生产任务的调度问题， 具体就是算法的问题，目前是一个研究的热门问题，有人已经提出了遗产算法、 资源 少璐瑚髫八 ( 组织、任务结构) _ + ( 资源、产品、管理信息等) 图1 3 制造环境系统组成要素 蚁群算法和智能体( a g e n t ) 等，但是还没有比较好的完整解决方案，需要继续研 究。因此可看出，作为制造环境的一个要素，结构起着非常重要的作用。 1 4 课题研究目标、内容 本课题研究目标是通过考察数字化生产车间的生产活动，以车间制造环境为 对象，分析了其组成要素及关系，利用支持统一建模语言u m l 的r a t i o n a lr o s e 为工具，建立其静态及动态模型。根据模型，在v b 6 0 中设计了车间制造环境 数据库系统的用户界面，并编程实现了预计的生产车间环境系统的基本功能。 5 武汉理工大学硕士学位论文 模型的提出为实现制造企业的资源、信息的共享，为探索数字制造的建模提供 了新的方法。 本课题研究内容是：通过对目前数字制造建模情况的现状分析，选择以数 字化生产车间的制造环境为对象，分析生产车间的基本生产情况及其功能的实 现，提出制造环境的功能目标以及制造环境系统的组成结构要素。然后通过对制 造环境功能的分析，抽象出系统的u s ec a s e 活动，进而通过u s ec a s e 抽象出系 统的组成对象及对象类，在此基础上描述系统的对象类图、包图等系统静态模 型以及交互图、状态图等系统的动态模型。另外绘制了系统的组件图、配置图， 进一步指出车间制造环境的物理模型实现。最后在v b 6 0 中，根据模型建立了 制造环境数据库系统及其用户界面，编程实现了数据库系统的数据查询、修改、 增加、删除等操作功能和数据库的管理功能( 事务处理、任务调度) 。 1 5 本文的结构及概述 本篇论文主要分为6 章。第1 章，即是绪论，介绍了本课题的选题调查情况， 主要介绍了目前数字制造的研究现状，包括制造环境的研究情况，通过分析， 提出了本课题研究模型的思路和出发点。 第2 章介绍了目前有关数字制造建模的理论和方法，重点介绍了面向对象 的建模方法，分析目前应用非常广泛的亟向对象的方法的特点及其发展的过程。 着重介绍统一建模语言u m l 的特点和支持u m l 的r a t i o n a lr o s e 这一建模工具。 这是本模型建立的工具，指出使用其建模的原因。 第3 章主要介绍利用u m l 建立模型的过程和方法。分别给出了制造环境系 统的静态模型和动态模型，通过模型实现生产车间制造环境系统的功能。 第4 章根据上一章建立的模型，介绍了制造环境系统在v b 6 0 中的设计实 现。包括系统的用户登录设计、程序主界面设计及数据库的数据查询、修改操 作的实现，故障处理、任务调度功能的程序流程。 第5 章根据制造环境系统的设计，利用v b 6 0 提供的工具，分别编写用户 界面、数据库及数据库操作、故障处理、任务调度的程序，并调试运行。最后 介绍了程序的调试方法及制造环境系统的车间实际物理布置。 第6 章是对整个模型建立的总结和展望。一方面，总结本课题研究工作的 成果；另一方面，指出课题研究还需要继续加强的地方及其应用前景。 综上所述，本课题是目前数字制造研究的一个重要组成部分。通过本课题 6 武汉理工大学硕士学位论文 研究，为我们探索数字制造的建模做了有益的探索和尝试。数字化生产车间的 制造环境系统有广泛的良好应用前景，所以本课题的开展研究、继续深入是一 项很有意义和必要的工作1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章数字制造建模方法 模型( m o d e l ) 是现实世界的一个简化，具体的对象模型提供了一个观察该 对象的蓝图。通过对未来系统建立模型，可以帮助系统开发人员深刻理解系统， 抽取业务流程，管理复杂的系统，并且方便人员交流。因此系统建模是软件开 发中极其重要的环节。 数字制造包含着丰富的内容，通过建立数字制造的模型有助于我们加深对 数字制造的理解。同时，数字制造实现的一个重要前提是在虚拟环境下对加工 对象的3 d 建模与仿真，这就需要在加工前建立模型。因此，数字制造的建模是 一个迫切需要解决的问题。 2 1 引言 目前也有专家学者提出了一些数字制造的模型。文献 1 0 提出了一种数字 制造的分层参考模型。该模型考虑了产品的全生命周期，是一个分析模型，但 是对于模型的具体功能实施没有给出方法。图2 1 给出了生产企业或工厂的数 字制造平台的参考模型。从图中可以看出，数字制造企业的数字制造平台始终 贯穿于产品全生命周期，并考虑了联盟企业，形成了企业间的产业链。该模型 对我们探索数字制造的建模具有一定的参考价值。 图2 1 数字化工厂数字制造平台模型 制造系统中的物质流、能量流和信息流贯穿于整个制造过程，因此，数字 8 武汉理工大学硕士学位论文 制造系统的建模也就围绕着物流、资源、产品和信息而展开。物质流包含材料 流、工件流和工具流等，涉及的模型有生产计划模型、工艺模型、产品设计模 型、设备模型、质量模型、加工精度模型和故障诊断模型。数字制造系统的建 模对象涉及到广义的制造过程，包括制造环境、制造行为和制造信息。数字制 造系统的目标，就是要在数字化的环境中完成产品的设计、仿真和加工“”。目 前对于制造行为如：数字化的加工过程有学者提出了一些仿真模型，主要是分 析加工过程中的瞬时切削力、刀具与工件之间的相对振动、刀具磨损、工件的 加工质量、工艺参数对加工质量的影响及危险、异常情况( 如切削颤振) 的报警 等。还开发出了针对车、铣、镗、钻、磨等加工形式在计算机上虚拟加工过程 的仿真系统“。文献 1 2 则提出应用数字制造技术构建面向可重构装配线的数 字仿真验证平台在分析面向重构装配线的仿真平台功能特征的基础上，构建了 数字仿真验证平台的框架。但是由于加工过程的复杂性，涉及到众多参数以及 干扰因素，使得模型在准确反映实际过程方面仍需要改进。另外通用性不高， 实用性差。在参数发生变化的时候，仿真模型不能及时反应出来。 数字制造系统的一个关键问题就是对庞大的制造信息进行采集、管理和有 效的利用。这些信息来自产品信息( 包括产品几何信息、加工信息、装配信息、 质量信息以及产品的功能信息、成本信息等) 、工艺信息( 包括产品的加工方法、 设计规范、加工工艺评价及设计可行性评估等) 和企业信息( 包括制造企业的财务 状况、资源信息、员工信息等1 。这些信息的特点是数据类型多，层次结构复杂， 数据间语义联系复杂，数据量大。对于制造信息建模的一个主要问题就是如何 对信息进行度量，例如：至于加工过程中的工艺规范、经验如何用数值去量化。 这也是目前数字制造研究的一个难点。 2 2 数字制造建模方法 数字制造建模就是运用适当的建模方法将数字制造全生命周期的各个对 象、过程等抽象地表达出来，并通过研究其结构和特性，进行分析、综合、优 化及仿真。国内外在建模及其分析方面的研究已开展很多年，并取得了一些研 究成果。概括来讲，数字制造的建模方法主要包括：面向过程的建模、面向数 据的建模、面向信息的建模、面向决策的建模、面向对象的建模“”。 面向过程的建模方法是把过程看作数字制造模型的基本部分，数据是随着 过程产生的。最有影响的是面向过程的设计方法是y o u r d o n 设计法。它是2 0 世 9 武汉理一 大学硕士学位论文 纪8 0 年代使用最广泛的软件开发方法，首先用结构化分析对软件进行需求分析， 然后用结构化设计方法进行总体设计，最后是结构化编程。 面向数据的建模方法把模型的输入输出看成是最为重要的，因此，酋先定 义数据结构，而过程模块是从数据结构中导出的，即功能跟随数据。最有影响 的面向数据的设计方法是j a c k s o n 设计法，它从目标系统的输入、输出数据结构 入手，导出程序框架结构，再补充其他细节，就可得到完整的程序结构图。 面向信息的建模方法是从整个系统的逻辑数据模型开始，通过一个全局信 息需求视图来说明数字制造中所有的基本数据实体及其相互关系，然后在此基 础上逐步构造整个模型。 决策支持系统由数据库、模型库和各自的管理系统组成。决策支持系统模 型需要反映的问题是系统的决策制定原则和机理、系统的组织机构和人员配置。 2 3 面向对象建模方法 2 3 1 面向对象程序设计方法 面向对象建模方法来自面向对象的程序设计方法。面向对象的程序设计是 指在设计时，编程人员根据设计目标和具体的功能要求，先将一些能完成指定 功能的不同类型的对象合理地安置在一个( 或多个) 窗体内，并根据它们应该 完成的任务分别进行外观、状态和性能的设置；然后，对一些涉及人机交互的 对象( 如命令按钮等) 、可能发生的事件( 如单击命令按钮) 应做出的反应编写程序 代码。 面向对象的程序设汁( o b j e c t - - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g , o o p ) 是一种以对象为 基础，以事件驱动对象执行的秩序设计技术。o o p 是将计算过程看作为对象的 分类过程加上其状态变换的过程，即将一个应用程序逐步划分成相互关联的多 个对象，并建立起与这些对象相互关联的事件过程，通过对象对所发生的事件 的响应，并执行相应的事件过程以引发其对象状态的改变，而最终达到完成计 算的目的。 传统的结构化程序设 ( s t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g ) 则强调了功能上的抽象和 模块件，它把解决问题的过程看作是一个处理过程。这就是说在结构化程序设 计中模块是对功能的抽象，而每个模块都是一个处理单位，它有输入和输出。 它和面向对象程序设计方法的特点如下： 结构化设计方法：程序= 算法+ 数据结构 武汉理工大学硕士学位论文 面向对象设计方法：对象= 算法+ 数据结构，程序= 对象+ 对象+ 。 面向对象是一种当今软件开发的主流方法，使用对象、类、继承、封装、 消息等基本概念进行程序设计和实现。具有相同数据结构和操作的对象构成一 个类，通过类可以派生出子类，字类继承父类全部特性，并有自己的新特性。 类具有封装性，使对象的信息被屏蔽与局部化，外界只能通过接口访问对象信 息。 在制造信息中，静态信息例如：资源信息不易发生变化，可以直接描述。 由于动态信息的传递是通过对象类之间的 消息传递机制以及对事件驱动所产生的响 应，因此本文采用面相对象方法通过建立类 的机制，从而避免了对制造信息直接描述的 困难。 2 3 。2对象建模方法图2 - - 2o o m 了方法示意图 面向对象建模方法是经过不断的改进而发展起来的。先后出了b o o c h 方 法，o o s e ( o b j e c t - - o r i e m e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，面向对象软件工程1 、 o m t ( o b j e c tm o d e l i n gt e c h n o l o g y ，对象建模技术) 。o m t 方法包含了一整套面 向对象的概念和独立于语言的图示符号，它可用于分析问题需求，设计问题的 解法以及用程序设计语言或数据库来实现这个解法。o m t 方法从对象模型 ( o b j e c tm o d e l ) 、动态模型( d y n a m i cm o d e l ) 和功能模型( f u n c t i o n a lm o d e l ) 等3 个不 同的但又相关的角度来进行系统建模。这3 个角度各自用不同的观点抓住了系 统的实质，全面地反映了系统的需求( 如图2 - - 2 所示) 。其中，对象模型表示了 静态的、结构化的系统的数据性质，动态模型表示了瞬时的、行为化的系统的 控制性质，功能模型则表示了变化的系统的功能性质。 2 3 3u m l 方法 u m l ( 统一建模语言) 是对b o o t h 、o m t 、o o s e 等大多数o o 方法和一 些非0 0 方法的继承，其中消除了大量易于混淆的、冗余的和很少使用的语义和 符号。它已经由o m g ( o b j e e tm a n a g e m e n tg r o u p ) 采纳为用于面向对象和基于部 件系统的可视建模语言标准( 如图2 3 所示) 。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 符农收集 图2 - - 3u m l 方法示意图 u m l 是一种编审软件蓝图的标准化语言，它提供了一套描述软件系统模型 的概念和图形表示法，以及语言的扩展机制和对象约束语言。软件开发人员可 以使用u m l 语言对复杂的软件系统建立可视化的系统模型，编制说明和建立软 件文档。 u m l 支持面向对象的技术和方法，能够准确方便地表达面向对象的概念， 体现面向对象的分析与设计风格。u m l 独立于程序设计语言，而且用u m l 建 立的软件系统模型可以采用c + + 、j a v a 等面向对象的程序设计语言来实现。 2 4 支持u m l 的开发工具：r a t i o n a ir o s e r o s e 是目前最为流行的可视化软件开发工具之一，支持软件系统的面向对 象的开发。它支持软件系统的团队开发，也支持往返工程( 前向工程、逆向工 程) 。r o s e 支持用户从静态和动态两方面来建立模型，并将模型组织成4 个视图： 1 ) u s e c a s e 视图 包括包、u s ec a s e 图、a c t o r ( 活动者) 、u s ec a s e 及其相互关系。 2 ) 逻辑视图 用于建立系统的逻辑模型，包括分析模型和设计模型。用包组织，可以建 立对象类，对象图、交互图、状态图、活动图。 3 ) 组件视图 组件是代表系统的物理实现，代表逻辑模型元素如：类、接口、协同、交 互的物理打包，并提供接口的实现。组件图形描述了在系统物理设计中组件中 类和对象的分配情况以及包、组件、依赖关系。组件视图中的元素可以在一个 或多个组件图形中被浏览。 4 ) 配置视图 武汉理工大学硕士学位论文 由配置图组成。配置图是由节点和节点之间的联系组成，代表系统在实际 运行环境中的配置。 下图为r o s e 运行时的用户界面。 图2 _ - 4r a t i o n a lr o s e 用户界面 武汉理工大学硕士学位论文 第三章基于u m l 的生产车间数字制造环境模型 u m l 是一种支持面向对象的软件建模方法，已经成为一种编制软件蓝图的 标准化语言。它提供了一套描述软件系统模型的概念和图形表示法，以及语言 的扩展机制和对象约束语言，使得u m l 语言对复杂软件系统的建模非常合适。 这里采用支持u m l 的r a t i o n a lr o s e 作为建模工具，并将模型组织成4 个视图： u s ec a s e 视图、逻辑视图、组件视图、配置视图。 3 1分析问题 3 1 1u s ec a s e 图 u s ec a s e 图形描述了一个系统应该执行什么或应该有什么外部系统。它描 述了存在的a c t o r s ( 外部系统) 、u s ec a s e ( 该系统应该执行什么) 以及它们的 关系。其中，a c t o r 是一些人或事，是事件相应的激励者，u s ec a s e 则是系统对 前者的响应。u s ec a s e 图形可