（机械制造及其自动化专业论文）mes环境下设备资源信息管理系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的进步、现代化水平的不断提高，设备在企业中地位的重要 性日益明显，对企业内部的各种设备资源进行有效的管理，最大限度挖掘出这 些资源的利用潜能，是现代企业设备管理的中心问题。所以，建立统一的企业 内部设备资源信息模型，实现m e s 环境下设备资源信息的集成与共享，是具有 十分重要的理论及应用价值。 本文主要根据江西某制造企业的设备资源信息模型的需求及理想设备模型 的要求，综合定义了设备的静态信息参数和设备在生产过程中呈现的动态信息 参数，采用特征建模技术描述设备的特征信息，完善了设备资源模型，并根据 该模型，划分了基于类的设备管理层次，设计了设备编码体系；以三维建模软 件和v r m l 为平台，建立了设备的几何结构模型，通过v r m l 插件，可在浏览 器中实现动态漫游，并将设备的三维模型与其管理信息系统进行集成，摆脱了 以往文字式的管理模式，为设备资源管理提供一个可视化的管理思路；根据该 企业设备的特点，- 定义了设备的生产能力参数指标，提出了设备相似性的模糊 推导和综合能力评价算法，以此优选出最佳替代设备，为m e s 系统中的车间生 产调度提供参考依据；建立了设备资源信息管理系统的框架结构和功能模型， 阐述了系统功能的实现途径，开发了设备资源信息管理系统。 关键词：m e s ；设备资源；特征建模：v r m l a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei m p r o v e m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ee x t e n to fm o d e r n i z a t i o n ，t h e i m p o r t a n c eo fe q u i p m e n tb e c o m e se v i d e n ti ne n t e r p r i s e s t h ee f f e c t i v em a n a g e m e n t o fv a r i o u se n t e r p r i s ei n t e r n a le q u i p m e n tr e s o u r c e ，a n dd i g g i n gu pt h ep o t e n t i a li nu s e o ft h e s er e s o u r c e sw i t hm a x i m u ml i m i t ，i st h ec e n t r a lp r o b l e mo ft h ee q u i p m e n t m a n a g e m e n to fm o d e r ne n t e r p r i s e s o t ob u i l du n i f i e d e q u i p m e n tr e s o u r c e i n f o r m a t i o nm o d e li ne n t e r p r i s e ，a n dt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o na n ds h a r eo fe q u i p m e n t r e s o u r c ei n f o r m a t i o nh a v et h ev e r yi m p o r t a n tv a h l eo ft h e o r ya n da p p l i c a t i o n t h i st e x td e f i n e sb o t ho ft h es t a t i ca n dd y n a m i ci n f o r m a t i o no fe q u i p m e n t f e a t u r e s ，w h i c hc a ns a t i s f yd e m a n d so fe q u i p m e n tr e s o u r c ei n f o r m a t i o nm o d e la n d i d e a le q u i p m e n tm o d e l f e a t u r ei n f o r m a t i o no fe q u i p m e n ti sd e s c r i b e db yu s i n g f e a t u r em o d e l i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hc a nc o n s u m m a t et h ee q u i p m e n tr e s o u r c em o d e l t h ec l a s s e so fe q u i p m e n ta r ec o m p a r t m e n t a l i z e db a s e do nt h ee q u i p m e n ti n f o r m a t i o n m o d e l ，w h i c hi sr e f e r r e dt op r e s e n te q u i p m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m t h eg e o m e t r y s t r u c t u r em o d e lo fe q u i p m e n ti se s t a b l i s h e dw i t h3 ds o f t w a r ea n dv r m l ，w h i c hc a n r a m b l ed y n a m i c a l l yb yv r m l p l u g i ni nt h eb r o w s e r a l s ot oi n t e g r a t et h e3 dm o d e l a n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mt og e tr i do ft h ef o r m e rm a n a g e m e n ts t y l eo f m o d eo fl e t t e r , c a np r o v i d eak i n do fm a n a g et h i n k i n go fv i s u a l i z a t i o n t h i st e x t d e f i n e st h e p r o d u c t i o na b i l i t yp a r a m e t e r sa c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f e q u i p m e n t so ft h i se n t e r p r i s e 。a l g o r i t h mo ff u z z yd e d u c t i o na n ds y n t h e t i cc a p a c i t y e s t i m a t i o no ft h es i m i l a r i t yo fe q u i p m e n t si sb r o u g h tt oe l e c tt h eb e s tr e p l a c e a b l e e q u i p m e n t ，w h i c hc a np r o v i d et h er e f e r e n c et om a n u f a c t u r es c h e d u l i n go ft h em e s s y s t e m t h i st e x ta l s ob u i l d su pt h ef r a m es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o nm o d e lo ft h e e q u i p m e n t sr e s o u r c e si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，e l a b o r a t e st h ew a y so fs y s t e m f u n c t i o n sa n dd e v e l o p e st h ee q u i p m e n tr e s o u r c ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：m e s ；e q u i p m e n tr e s o u r c e ；f e a t u r em o d e l i n g ；v r m l i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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。据我所知，除了文中特另t l d n 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 为获得南昌太堂或其他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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：味矿寡签字日期：游月町日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 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：懈 导师签名： ，；多乡 y 。 签字日期：绷年伽心日 签字日期：拷年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 设备资源管理的重要性 设备资源管理，是指以设备为研究对象，追求设备综合效率与寿命周期费用 的经济性，应用一系列理论、方法，通过一系列技术、经济、组织措施，对设 备的物质运动和价值运动进行全过程的科学管理。对企业来说，设备资源管理 是企业管理的重要组成部分。 企业的设备是现代企业的物质技术基础，而且随着机器设备的技术含量与技 术水平同益提高，现代设备既是技术密集型的生产工具，也是资金密集型的社 会财富【l 】。特别是在科学技术飞速发展的今天，设备的技术进步飞快。现代化大 生产的一个明显趋势是设备向集成化、大型化、连续化、高速化、精密化、自 动化、流程化、综合化、计算机化、超小型化、技术密集化的方向发展，设备 将更加复杂，具有更强的系统特性。由此而使设备的功能愈来愈多，生产效率 愈来愈高，同时设备的规模、精密程度、复杂程度和自动化程度也愈来愈高。 这一方面大大促进了生产的发展，如提高了生产率，改善了产品的质量，降低 了成本，节约了能源和改善了工人劳动条件，取得了巨大的社会效益和经济效 益；另一方面这些发展也相应地带来一些新的问题：其一是由于设备与系统的 功能增多，各工作单元问的关系日趋复杂，导致影响设备安全和工作性能的因 素越来越多；其二是设备与系统的结构越来越复杂，规模越来越大，设备的造 价越来越高；其三是现代设备日益向系统极限效率与速度方向发展，安全隐患 与机械故障增多，连锁影响造成的损失十分巨大，即一旦设备发生故障，所造 成的直接、间接损失会成几十倍甚至上百倍地增加，轻则降低系统的生产效率， 重则系统停机、生产停顿，导致重大经济损失，甚至出现设备毁坏、危及生命 财产安全的恶性事故，造成灾难性的后果与深远的国际影响，损害一个国家的 形象( 如切尔诺贝利核电站泄漏事故、美国挑战者号航天飞机爆炸事故等) ；其 四是现代设备与生产系统在国民经济的发展和社会物质财富生产中的影响面越 来越大。 这些进展一方面的确提高了生产效率、降低了生产成本、节约了能源，取 第1 章绪论 得了巨大的社会效益和经济效益；但另一方面，对大型机械的设计、制造、安 装、使用、维修和安全可靠运行提出了更高的要求。因此要让先进的设备流畅 运行，发挥最大功效，避免对国家、对企业、对人员造成的损失与伤害，必须 要实施最优秀的设备资源管理，设备资源管理成为保证企业经营成功的关键因 素之一。 车间作为制造企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制 造信息的反馈者，更是大量实时制造信息的集散地，因此车间层的生产管理与 信息资源集成是企业生产系统和信息化建设中的重要一环，车间生产及管理自 动化是实施企业信息化解决方案的共性核心关键技术。车间生产管理及其信息 系统的敏捷性在很大程度上决定着整个企业的敏捷性。适应敏捷化的车间制造 环境，制造执行系统m 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 ) 的概念近1 0 年 来逐步形成并得到迅速发展【2 圳。m e s 是车间层的生产管理技术与实时信息系 统。 本课题研究就是在m e s 大环境下进行的，建立统一的设备资源信息模型， 做好设备资源的管理，其应用方向之一就是m e s 系统中的设备管理分系统， 能够与m e s 、e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ，企业资源计划) 等系统集成， 提高企业信息化水平，对提高企业的竞争力也是有意义的。 1 2 设备资源信息模型研究现状 目前，对包括制造设备在内的制造资源研究主要局限于特定的应用系统需 求，从特定的制造资源中抽取信息建立相关模型，这导致了以下不足【5 】：缺少 统一完整的制造资源定义，必然造成信息冗余；数据表示的不一致性，使系 统间信息交换困难；制造资源的数据多处存储，难以同步更新和维护。 针对设备资源特征建模，其研究相比近年来产品建模研究所取得的巨大进 展，仍显缓慢，这主要是因为设备资源模型也存在着以下问题【6 j ：复杂的设备 信息不能像产品或零件那样用相对统一的特征来描述：复杂的设备环境都是 动态的：设备资源的工程语义不能附在几何模型上；不同的企业，其制造 环境不同。这给面向制造的设备信息模型的建立带来了很大困难，阻碍了设备 资源模型实用化的发展。 针对不同的应用需求，不同领域建立的设备模型并不一样，例如面向虚拟 2 第1 章绪论 制造等领域建立的设备模型就不适用于制造执行系统等类型的系统，所以本文 只介绍信息管理相关领域的设备资源特征建模情况。 目前，设备资源信息建模与更上一级的制造资源建模大都采用特征建模的 方法，具体可分为相对传统的动态特征建模方法和面向对象的特征建模方法等 类型。也有人探索了基于知识的制造资源建模【7 j 和集成c a d c a p p 的制造资源 扩展实体联系模型【8 】。面对具体的加工环境，还可分为面向并行工程的【引、面向 敏捷制造的 1 0 】、面向网络化制造的【l l 】，以及基于w r e b 的【1 2 】或基于多a g e n t 的 【1 3 】设备及制造资源的特征建模。由于后者只是在前者基础上增加了对具体环境 的支持，因此在这里主要介绍相对传统的动态特征建模方法和面向对象的特征 建模方法。 1 2 1 设备资源动态特征建模 对制造企业来说，完整的设备资源信息应包括动态特性和静态特性。静态 特性主要是指设备的结构特性，包括设备的名称、型号、加工能力、加工范围、 加工精度等。对于数控设备则还包括设备的数控系统类型、数控代码格式、联 动轴数等信息。动态信息用于描述设备的实时状态，例如空闲状态、装载状态、 加工状态、拆卸状态等，以及各自状态之间的切换。还包括一些有关的状态参 数，如某道工序预计占用设备的时间、实际占用的时间等l l 4 | 。 比较原始的用特征建模构造设备模型的方法只是静态地描述了设备的结构 特性，而无法全面地描述作为一种制造实体加工设备所拥有的资源和功能。针 对这一问题，国内学者开始将设备的动态特性加入到设备特征模型中，形成了 动态特征建模方法。 应用动态特征建模方法建立设备模型，可以综合定义设备的静态结构特性 参数和设备在生产过程中呈现的动态信息参数，能够同时满足各个控制系统对 设备静态及实时动态信息的需求。在生产过程中，制造设备的状态随着时间的 变化而变化，设备模型能够反映机床的状态，且能使生产监控部门及时将设备 的状态反馈到设备数据库中，使生产计划、调度也可以做出迅速的反应。生产 监控部门对动态信息的采集和输入主要有以下途径，如通过硬件设施来采集、 调度员手工输入或由生产调度系统提供，国内学者何汉武、陈新等，以及陈阳 在他们的论文中提出了图1 1 所示的工艺装备模型【9 j ： 3 第1 章绪论 屠e 降兰三鲁广_ 八l 工艺装备 i 制造资源 | ll 7 、 l 工艺工艺装备动志特性 | 装备 工艺装备 静态特性 l 编号 状蠢 负荷 占用此设备 的当前任务 当前任务计 划占用事件 等特此设备 的任务数 类型 名称 型号 结构参教 加工范围 加工精度 联动轴敷 数控代码程序 其它 图1 1 工艺装备特征模型 在该模型中，各类属性中的变量均由一个个字符串组成。无论企业采取什 么样的管理方式，每个企业对自己的设备都有相应唯一的编号；“类型”表示设 备所属类型；“名称”是描述设备的详细名称；“型号”表示设备型号；“加工 范围”与“加工精度”描述设备的加工能力；“使用费用”表示单位时间内使用 该设备的成本；“工艺装备状态”用来标识设备的是处于使用、等待、空闲状态， 还是处于维修状态等等；“设备负荷 表示占用该设备的当前任务、计划占用时 间以及需要此设备的加工任务队列。 现有的使用动态特征建模方法建立的动态制造设备信息模型，基本都能够 同时兼顾设备的静态信息和动态信息。例如专门建立起若干动态特征来描述设 备的动态信息；或者为已有特征同时建立静态属性及动态属性，以期能全面地 描述作为一种制造实体的加工设备所拥有的资源和功能。同时，可以根据实际 应用环境，通过增减不同的特征来适应敏捷制造、并行工程等不同的制造模式。 但是，尽管经过改进，特征建模方法还是存在通用性差。 1 2 2 面向对象的设备资源信息建模 比较于动态特征建模方法，随着面向对象技术的提出与发展，由于其卓越 的优点，使得越来越多的学者开始将面向对象的方法应用于设备及制造资源建 模上。 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，0 o ) 方法是一种方法学，其基本出发点是尽可 能地按照人类认识世界的方法和思维方式来分析问题和解决问题，它被誉为是 4 第l 章绪论 “研究高技术的好方法”。人们认识实物是一个逐步深化的渐进过程。在这种认 识过程中既含有从一般到特殊的演绎，又包括了从特殊到一般的归纳。0 o 方 法既提供了从一般到特殊的演绎手段如“继承”，也提供了从特殊到一般的归纳 形式如“类”，从而说明了面向对象方法比较自然地模拟了人类认识世界的方式， 因而是一个很好的认知方法。 面向对象的主要概念是抽象、封装、继承和多态性【1 5 】。 1 ) 抽象：抽象是一种从全局的观点来看待事物的方法，它强调着眼于事物 的本质特征而不是一些细枝末节，要寻找事物的共性并提取之。抽象可分为过 程抽象和数据抽象。过程抽象是将一系列较低层次的操作组和构成一个己包装 好的过程；数据抽象则按照施加于对象的操作来定义数据类型，而且对象值的 检索与修改仅能通过操作才能进行。 2 ) 封装：封装是指将数据和与数据有关的操作集合放在一起，形成一个能 动的实体一一对象，用户不必知道对象行为的实现细节，只需根据对象提供的 外部特性接口访问对象即可。从用户的观点来看，这些对象的行为就象包含在 一个“黑匣子 里，是隐蔽的、看不见的。 3 ) 继承性：继承所表达的是一种对象类之间的相交关系。它使得类对象可 以继承另外一类对象的特征和能力。具有继承关系的类间既具有共享特性，又 具有细微的差别或新增部分，在类间构成层次关系。继承性可以大大减少设计 和程序的重复性。 4 ) 多态性：多态性指的是同一操作可以是多个不同类的行为。操作是对象 的动作或是对象经受的变化，类中操作的具体实现称为方法。不同的类对同一 操作可以有不同的实现方法。 面向对象分析方法用对象这一包含事物的属性和行为两方面的概念作为基 本单元来建立模型，侧重于对象的内部结构以及对象间的相互关系。将现实世 界中的事物直接映射为模型中的对象，使得模型反映的是事物的本质结构，而 不是其外在的功能结构。现实世界是由各种各样的对象构成的，对象又有其各 自的内部状态和运动规律，用对象这一直观而又相对稳定的单元构成系统，使 得系统称为由一些相对稳定的部分组成的最小集合，通过不同对象间的相互作 用的动态联系，可以满足系统的不同需求，使得系统的设计与开发变得容易， 有助于提高系统的模块性和重要性。 面向对象方法学的基本原理是对问题领域实行自然分割，按人类认识客观 5 第l 章绪论 世界的思维方式来识别和定义客观世界中各信息实体。采用面向对象方法进行 系统设计时，以面向对象分析为基础建立对象模型以表示各实体之间的关系。 对象模型可使用对象( o b j e c t ) 、属性( a t t r i b u t e ) 、和关联( a s s o c i a t i o n ) 等来 表示模型的结构。描述对象与对象之间的关系称为关联，面向对象系统常有三 种关联关系【1 6 】： 1 ) 一般与特殊的关系许多实体对象的属性有其共性，从而可归纳为对 象之间的一般与个别、普遍与特殊的关系，可用i s a 来定义，如图1 2 ( a ) 。 2 ) 整体与部分的关系在认识复杂实体对象时，人们常采用分而治之的 原则，将其分割成几个相对简单的部分来识别对象之间的关系，表示一个对象 是另一个对象的成员组成，可用c o n s i s t o f 来定义，如图1 2 ( b ) 。 3 ) 引用关系( r e f e r e n c e )它是对象与对象之间的一种调用关系，表示一 个对象调用另一个对象的属性，可用a p p l i e d t o 来定义，如图1 2 ( c ) 。 图1 2 对象之间的关联从属关系 面向对象的建模方法多用于制造资源建模，即采用面向对象技术的派生、 继承等特点，对资源特征进行抽象，以反映特征类型的信息，构成面向对象的 设备层制造资源模型，如图1 3 所示。 6 第1 章绪论 图1 3 制造资源与各类资源对象之间的关系 对制造资源进行面向对象的特征建模，可划分成机床类( 机床类层次关系 如图1 4 所示) 、刀具类、夹具类、零件毛坯类、制造环境类等。由于每一类对 象都有各自的分类关系，按其属性类别还可以进一步派生为基类对象，如切削 机床可派生为车床、铣床和镗床等。每一基类对象又有其自身的属性集和方法 集。通过分析不难看出，每一资源对象类具有共同的属性，如机床，不管是车 床、铣床，还是钻床等，按对象类组织管理，均存在对其进行描述，如机床分 类代号、结构形式、机床状态等，在此基础上，构建资源对象类库。在工艺过 程设计时，这些属性通过调用方法集实现其操作。 图1 4 机床类层次关系 采用面向对象的技术方法，研究制造资源的结构形式及其相互关系，建立 制造资源特征的对象模型，可以把制造资源分类、分层组织管理，使一个十分 复杂的知识结构变得简单而清晰，提高了知识的组织效率。另外，经过对象建 模，构建资源特征对象类库，易于实现知识的扩充，为建立制造资源特征对象 7 第1 章绪论 相关模型，实现工艺设计和生产规划调度统一的数据模式和数据库结构奠定了 良好的基础。可为建立通用化程度高、可重构的制造资源类库及工艺知识和工 艺数据库提供技术支撑。 1 3 当前设备资源信息建模存在的问题 在目前的实际生产制造过程中，各个应用环节对于制造资源一般都采用各 自为政的做法，设备资源建模还是面向特定系统需求，主要存在着以下不足： ( 1 ) 缺少统一完整的模型定义，造成信息冗余； ( 2 ) 数据表示还有不一致性，使系统间信息交换困难； ( 3 ) 数据一般都是多处存储，难以同步更新和维护； ( 4 ) 模型缺少信息，如设备某些管理信息和几何结构信息等； ( 5 ) 模型的通用性差，集成性弱，在不同的企业问很难实现共享等等。 解决上述问题，实现制造资源信息的集成与共享已经成为目前制造业急需 解决的一个问题。计算机网络技术与数据库技术的迅速发展与广泛应用使得可 以在企业之间或者在企业内部建立统一的制造资源库，从而使实现制造资源的 集成与共享成为可能。作为制造资源集成的基础部分之一，制造设备资源信息 模型是实现制造资源的集成与共享的重要步骤。 1 4 本文研究意义和主要研究内容 建立设备资源的信息模型是设备管理的一个重要领域，加强设备管理对于 保证企业生产顺利进行，提高企业的生产效率有着十分重大的意义。对企业内 部的各种资源进行有效的管理，最大限度挖掘出这些资源的利用潜能，是现代 企业设备管理的中心问题。 本文以制造车间m e s 系统为应用环境，根据设备资源的特点，完善设备的 管理方面信息，将设备的三维几何模型也纳入设备资源管理中，建立统一的设 备资源模型，将会为制造资源信息的集成与共享铺平道路。 本论文主要研究内容： ( 1 ) 研究如何通过对制造设备资源特征化，纳入设备的管理特征信息、工 艺特征信息及三维几何模型，建立统一的设备资源信息模型。 8 第1 章绪论 ( 2 ) 利用三维建模平台建立设备几何结构模型，将建立的设备三维模型与 外部数据库联接起来，将设备特征信息与图形信息一一对应起来，实现设备的 外观浏览、旋转、缩放，并将图形与设备数据信息集合，实现设备的可视化管 理。 ( 3 ) 运用模糊相似推理和模糊综合评价方法，寻找能替代与基准设备特征 参数和生产能力相似的设备，为m e s 环境下的车间生产调度系统提供设备调整 依据。 ( 4 ) 结合江西某制造企业的实际，进行实际需求的调研和分析，建立系统 总体结构框架，实现各模块的详细功能设计与开发。使系统符合用户要求和实 际业务流程，便于操作，速度快，实用性、开放性强，易于升级扩展。 9 第2 章设备资源信息模型 第2 章设备资源信息模型 信息的集成是制造环境建模理论中的一个重要方面，要实现制造环境中的 设备信息共享，就必须建立统一的设备资源模型。 2 1 设备资源特征的概念 本文采用了特征建模方法进行设备资源建模，因为特征能比较全面地表达 设备制造环境中的各部分信息，使设备资源的描述更为合理化和结构化。 设备资源特征是一组与设备的描述相关的有意义的信息集合【1 7 】。设p 为某 一设备的特征集合，确，聊：，觋为描述设备的非量化数据，z l ， 1 2 ，f ，为描述 设备的量化数据，则p = m ，m 2 ，m i ，l 1 2 ，玎， 。为了以后的设备特征分类方 便，引入设备特征类和设备特征实例：设备特征类是所有具有相同特征性质或 属性的设备特征的全部；设备特征实例是特征属性赋值以后的一个特定特征， 是特征类成员。 2 2 设备资源特征信息模型 在m e s 环境下，现代制造系统要求的不仅仅是数据的共享，更强调信息的 及时传输与反馈，以及知识的协同作用，因而在其应用系统中的各环节都对设 备资源信息有着一定的需求，但是不同的环节对设备资源的信息需求却不尽相 同。下面从应用系统的角度对设备资源信息作一概括的需求分析1 6 j ： ( 1 ) 工艺设计：工艺设计将安排工艺路线、制定工艺规程并生成数控加工 刀位文件，它们均与设备资源有着密切的、不可分割的联系，因而这一过程至 少涉及机床的类型、性能、规格、主要尺寸、刀具配置、加工精度、刀夹具的 材料及尺寸规格等信息。 ( 2 ) 生产计划：制定生产计划必须考虑工厂、车间及设备单元的生产能力， 以及设备和加工单元的加工能力( 包括机床和加工单元的加工工种、加工效率、 1 0 第2 章设备资源信息模型 可加工零件类型及尺寸范围、设备运行状态等) ，同时应考虑设备资源的概要数 据( 如名称、型号、生产厂家、购置价格、使用部门、安装和排放、操作和维 修等) ，这些信息是进行固定资产核算、设备评估和产品成本核算的依据，也是 工艺方案综合评价的依据。 ( 3 ) 产品制造：产品制造过程是零件在具体的设备环境中被加工的过程， 它与设备资源有着直接的联系，而且联系最密切；因此，产品制造过程所需要 的设备资源数据更详细，设备数据交换更频繁；如在数控加工过程仿真中，设 备的具体数据( 工作台尺寸、刀具数据、坐标系结构、加工范围及联动情况等) 是碰撞、干涉检验的依据之一。 由此可见，应用系统中的诸环节均与设备资源密切相关，若采用各自为政 的做法，必然存在设备资源的数据冗余，无法保持设备资源数据的一致性；因 此，有必要建立统一的、共享的设备信息模型。 理想的设备信息模型应该满足下列要求【1 8 l 1 9 】： ( 1 ) 简易性：符合工艺设计人员的习惯，具有良好的维护、扩充能力； ( 2 ) 灵活性：应能够根据具体制造环境，灵活的以多种形式描述各种机床 资源，并便于知识的表达与处理； ( 3 ) 动态性：模型应具有一个动态数据结构，能够修改并用于产品发展的 各个阶段，能够描述机床资源的静态特征，而且能够反映机床资源的动态特性 达到工艺设计与生产计划调度之间的信息共享、相互协调的目的： ( 4 ) 一致性：模型在各个应用环节都只有一种描述，不能改变； ( 5 ) 完整性：模型应能尽可能全面的包括设备的有关信息； ( 6 ) 安全性：模型数据应当通过一种有条理和安全的方法来存储，且存储 方法应能保证数据操作的方便。 2 2 1 设备资源特征信息模型 在m e s 环境下的制造企业中，结合设备自身的特点，以及理想的设备信息 模型应满足的要求，本系统采用了特征建模技术来描述设备的特征信息。该模 型在兼顾设备静态特征的同时，也考虑了设备的动态特征，并为了提高系统使 用的灵活性而加入了用户自定义设备特征。本系统建立的设备资源的特征信息 模型如图2 1 所示。 第2 章设备资源信息模型 图2 1 设备资源特征信息模型 如图所示，设备特征信息模型主要由静态信息和动态信息组成，可以分为 六大类：管理属性信息：主要包括与设备资源管理相关的信息，如设备编号、 设备型号、设备类型、生产厂家、所属车间等；工艺属性信息：主要包括与 设备工艺信息相关的集合，如与数控系统相关的控制信息( 数控系统类型、c p u 型号、存储容量等) 、与设备加工能力有关的设备结构参数的信息集合( 精度参 数信息、工作台参数信息、刀架库信息及其他技术参数信息) 、与可加工零件有 关的信息集合( 可加工零件类型、可加工材料、可加工工艺类型等) 、还有一些 附属信息( 排屑方式、冷却方式) ；三维模型属性信息：是设备本身的几何信 息及三维模型信息；经济属性信息：主要包括台时费用、维护费用和人工费 用等；运行状态信息：主要描述与实际生产相关的设备状态信息，反映设备 的运行状况和负荷状况，包括任务列表、当前状态、设备当前负荷、设备使用 率、设备启用日期、设备无故障运行时间、设备当前负责人，设备负荷状态确 定为：超负荷、满负荷、未满负荷；设备运行状态确定为：停用( 开启) 、闲置 ( 启用) 、封存( 启封) 和维修等；除此之外，系统还留出一部分空间供用户 建立若干自定义特征信息，用户可以根据习惯和实际需要自行为设备实例定义 其特征参数描述。 简而言之，在该设备资源特征信息模型中，综合定义了设备的静态信息参 数和设备在生产过程中呈现的动态信息参数，不但满足了管理和工艺设计部门 对设备静态特性参数的需求，也满足了m e s 中的生产调度对设备实时状态的需 求。系统存储的所有设备的信息都根据模型划分成不同的特征类别，如图2 2 所 示，供用户查阅和系统使用。 1 2 第2 章设备资源信息模型 设备特征信息 l 管理属性信息工艺属性信息三维模型属性信息 经济属性信息 状态信息 l 广j ， 、 ，、 厂、 厂、 设备编号 台时费用任务列表 所属车间外形尺寸 维护费用无故障运行 可靠度刀架尺寸 人工费用 时间 可利用率 图2 2 设备资源特征信息模型内容 其中，设备工艺特征信息的表达如图2 3 。 设备工艺特征信息 控制特征信息ii 结构特征信息 数控系统类型 数控系统类型 c p u 型号 存储器容量 存储器种类 加工精度 表面粗糙度 主轴回转精度 单轴定位精度 精 度 参 数 主轴转速 快进速度 电机功率 技 未 参 数 工作台名 工作台功能 工作台尺寸 工 作 台 参 数 刀 架 库 信 息 加工零件范围ii 附属特征信息 加 工 零 件 类 型 可 加 工 材 料 可 加 工 特 征 加 工 工 艺 类 别 捧 屑 方 式 冷 却 方 式 刍蓁蓁訇，量翼重差 ，蓁蓁蓁 ，萋篓萎 f 磊 f 季 图2 3 设备工艺特征信息表达 2 2 2 基于设备资源特征信息模型的设备类及设备管理层次 2 2 2 1 基于设备特征信息模型的设备类 根据设备特征模型，采用面向对象的技术方法，可以把设备分类、分层组 织管理，可以使相对复杂的知识结构变得简单而清晰，并提高设备特征信息的 组织效率。 制造企业的设备包括不同的类型，每种类型又有不同的型号，每种型号又 1 3 第2 章设备资源信息模型 可能有一台或几台设备，它们之间同时存在着相同点与不同点，例如设备a 和 设备b 都是型号c ，具有相同的加工特征信息，但状态信息不一样；型号c 和 型号d 都是车床，可加工零件类型是一样的，但控制属性信息还存在着差别。 用特征对设备进行描述，就不能忽视这些层次之间的联系。为此，系统使用面 向对象的方法对设备进行分层管理，建立了如图2 4 所示的设备类层次，根据 数控设备信息模型中的特征的适用范围将特征分配给相应设备类作为类属性， 再通过继承保证每个设备实例都具有完整的特征信息模型。 图2 4 设备类层次结构 其中设备类型类属性“公共特征”包括一般设备都应具备的一些设备特征， 例如加工中心的工作台尺寸、主轴转速等等；设备组别类的属性直接继承自设 备类型类；设备型号类的属性除继承自其父类外，还包括该型号自身具备的一 些私有特征；设备实例类的属性除继承的“公共特征”、“私有特征”外，还包 括“动态特征”和用户设置的一些自定义特征。 例如根据面向对象建模方法，建立数控设备类层次模型如图2 5 所示。 1 4 第2 章设备资源信息模型 图2 5 数控设备类层次属性模型 根据对所有数控车床的类层次属性模型的分析，公共特征信息基本完全相 同，按照面向对象方法，数控车床属性概括为所有数控车床相同固有的属性， 概括为设备公共特征信息，设备公共特征信息模型见图2 6 所示。把不同的属 性定义为各自数控车床的单独的属性，主要是指结构形式、加工能力、生产能 力等。 设备公共特征信息： 设备类型设备名称设备编号设备型号生产厂家 出厂h 期购买时间所在车间可用年限设备总重量 a d 附加装置 图2 6 数控设备公共特征信息 各种类型的数控车床的特征属性不仅包括自身固有的特征属性，还包括车 床公共拥有的特征属性。根据对数控车床属性的分析，数控车床公共拥有的特 征属性如图2 7 所示。不同类型的数控车床有不同的特征属性，如图2 8 。 工艺特征信息： 可完成工艺可匹配夹具可匹配刀具可加工工件材料 可达到形状精度、位置精度、尺寸精度和表面粗糙度r aa m 可达到圆度m i l l 、圆柱度m m 、平面度衄可加工工件最大、最小尺寸( 直径喊 高长宽) 可加工工件最大重量可完成加工表面 状态信息： 性能状态( 优、良、中、差、损坏) 使用状态( 使用中、维修中、等待中) 负荷情况振动噪声设备利用率设备磨损率 图2 7 数控车床公共特征信息 1 5 第2 章设备资源信息模型 数控车床特征信息： 最大承重k g 顶尖间距离m m 主轴：最大通过直径m ；孔锥度：正转转速级数；正转转 速范围r m i m 反转转速级数：反转转速范围r m i n 进给鼍：纵向级数；纵向范围；横向 级数；横向范围溜板行程：横向：纵向刀架：最大行程m m ；最大回转角等尾座：顶尖 套最大移动量f i l m ；横向最大移动量r r i i ；顶尖套莫氏锥度( 号) 电动机功率总功率 图2 8 数控车床特征属性信息 2 2 2 2 设备管理层次 根据前面介绍的设备类的层次关系，本系统划分了如图2 9 所示的设备管 理层次。 图2 9 设备管理层次图 由设备管理层次图可知：设备类型位于最高层次，由下面将介绍的设备编 码的第一位和第二位表示，是进行设备分类的重要层次。该层可表述其下级设 备的某些公有属性，例如该类型设备都具备的加工方法或特征参数。系统为每 个设备类型都设置了默认具备的加工方法和特征参数，当添加新设备型号的时 候，一旦确定了其类型，就可以为其分配默认具备的加工方法和特征参数。 设备组别处于第二高的层次，由设备编码的前三位表示，是对设备分类的 重要补充。之所以建立该层次，是因为在系统需要概括某些设备公有属性时， 使用设备类型涵盖面过广，而使用设备型号则又涵盖过窄，需要有一级管理层 次来介于设备类型与设备型号之间，这就是设备组别。 设备型号处于第三层次，是系统管理中最重要的层次，它由厂家制定，由 用户输入系统。由于同一型号的设备参数都相同，所以该层次是设备信息建模、 1 6 第2 章设备资源信息模型 用户查询的主要对象，也是系统管理的主要对象。设备编码就是以设备型号为 对象编制的。 设备实例处于最底层，描述的是车间所使用的具体设备，它们分属于不同 的设备型号，其编号是由系统根据设定自动分配的。设备实例是设备动态信息 和自定义信息描述的对象，因此也是设备实时监控的对象，也是生产计划、调 度的对象。 通过对设备管理层次的划分，系统可以更有效的管理设备资源数据。 2 2 3 基于设备资源特征信息模型的设备编码体系 2 2 3 1 设备编码方法概述 在m e s 环境下，现代企业由于设备种类繁多、每类设备技术参数各不相同， 若要达到较好的通用性要求，所建的数据库结构不是非常粗糙，管理人员查询 的信息量十分有限，就是数据冗余量十分庞大，造成管理人员操作极其不便， 从而使得数据库管理效率很低。因此，设备本身的各项基本参数( 设计参数和 操作参数) 不可能用统一的数据模式来描述，因此需要引入了设备编码设计。 使得设备管理系统具有通用性，减少了数据的输入量，节省了存储空间，提高 了查询效率，有利于系统对数据进行比较、检索和统计分析，便于用户进行统 一管理和使用，同时使系统具有较好的通用性和扩展性【2 0 】。 编码的目的在于用规定的字符来代表复杂的设备名称、规格等设计参数和 操作参数，避免文字叙述所带来的冗长及概念表达的多样性、多义性。设备编 码设计是进行统计、查询、及报表的基础，是实现设备管理标准化、通用化的 基础，也为企业进一步实施企业资源管理、企业资产管理和制造执行系统的必 备条件。 按照成组技术的分类法，信息编码存在树式结构与链式结构及混合结构三 种编码结构f 2 。 1 ) 层次结构 码位之间是隶属关系，可以用较少的码位包含较多的信息，但这种结构编 码和识别不太方便。 2 ) 链式结构 每个码位的数字具有独立的含义，所包含的信息量比树式结构少，但结构 1 7 第2 章设备资源信息模型 简单，易于编码和识别。 3 ) 混合结构 工业上大多数商业零件编码系统都是由上述两种编码系统组合而成的混合 结构，具有单码结构和多码结构的共同优点，能最好地满足信息编码的需要。 编码设计应遵循以下几条原则【2 2 】： 1 ) 唯一性，编码必须唯一地标识一台设备，每一设备只能存在唯一的编码； 2 ) 简明性，编码的码位在满足需要的前提下应尽可能短小，以便于记忆， 输入和管理，同时编码应包含尽可能多的信息，通过编码能对该设备有一大概 了解； 3 ) 稳定性，编码在一段时间内应该是稳定不变的，这样才能保证系统的稳 定性与通用性： 4 ) 可扩充性，能适应企业设备更新后重新编码以及设备的升级编码等； 5 ) 通用性( 标准化) ，就设备管理而言，所有其他属性都是依附于设备的， 编码应体现出以设备为中心的特点，能在各同行之间互相通用，适应网络化发 展的需要。 2 2 3 2 基于设备资源特征信息模型的设备编码体系 为了更有效的管理设备信息，系统在设备特征信息模型的基础上建立了一 套设备编码体系，目的是利用该编码以直观的描述设备类型、主参数和主要技 术特征，其结构如表2 1 所示。 表2 1 设备编码结构 码 12 3 45 6 7891 01 11 21 31 4 位 类 型 类型码特征码 辅助码 码分分控精 是是否 设管 位类类 组系 主参数 制度主轴 主轴 否 有数 备理 含代代 代代 方等 功率 转速 有控转 来级 号号刀台| 食 义号号式级源别 库度头 本系统设计的设备编码体系采用了混合结构，这种编码结构具有树式结构 和链式结构的共同优点，能较好地满足系统对设备类型、主要特征等信息的描 述需要。其中类型码使用的是树状结构，具体内容参照了国家有关设备分类和 1 8 第2 章设备资源信息模型 代码的相关标准，包括g b t1 5 3 7 5 - - 9 4 金属切削机床型号编制方法，j b t 9 9 6 5 1 9 9 9 锻压机械型号编制方法，j b t3 0 0 0 - - 9 1 铸造设备型号编制方法 以及j b t7 4 4 5 2 1 9 9 8 特种加工机床型号编制方法等；特征码和辅助码使 用的是链式结构，内容是根据设备的特征及管理的需要建立的。 需要指出的是，由于本系统设备编码的目的是反映系统内设备信息而不是 作为设备型号的唯一标识，所以具备相近参数信息的不同设备型号其编码可能 会出现重复。例如设备型号为x k n c 2 0 f 的数控车床，其编码为 0 c 6 1 2 4 1 2 a 2 1 0 0 2 ，具体含义如表2 2 所示： 表2 2 设备编码含义举例 码 位 1234567891 01 11 21 3 1 4 类 类型码 特征码辅助码 型 代 码 oc6l24l2a2loo2 管 金 落该型设备 精度 具备 数控 理 代属 地 卧 主参数为控制 等级主轴主轴 转台设备级 码切 垄 及 式 “床身上