（计算机软件与理论专业论文）智能cnc自动编程系统性能优化研究与实现.pdf

a b s t rac t ab s t r ac t thi s th e s i s ai m e d atth e c h ar ac te ri st i c o f c n ca u t o ln a t 1 c p rog r aj 旧 n l i n g to o k the o pt i m i z e dt heo rya n dd i strib ut ed a 罗nti nal areafo r re s earc h i ng t h i s p r o b l e m s e archi n gfo r ne wc n ca u t o m a t i c p r o g r a i 11 m i ng m e t h o dandi nt e g r a t e d诚ththe p r o ce ssand m a k e it s t r o nga n d adapti ve. thi s thes i s a n a 1y z e the a i inte g rati o n o f p r o d u c t i o n area a l1 d i t s d e v e l o p m ent direction ands u n u n arize s o r n eresea r c hres u l t a n dfi nd 0 ut that x mlh as bee ni n m a n y area a i1 d h a s s t r o n g l i fein t hi s area . s o it raise d x m l asnewd a t a i nt e rc h a n g e d m e th o d an d d i s c u s se d th e x m l and a u t o m atic p ro gr anumngd e 叩e r. x m l i s one o f the k e y t e c hno l o g y th ati n alarea . t hem a i n fi e l d o f this th e s i s i s the p r o b l em a boutauto m a 1 i c p r o g r a “ “ n l n g a n d d a ta int e rc h ang e ， inte g r a t l o n w i t h a g e ni t 七 l s thesis to ok the .n e tfr a m e workaside ， 即do bj e c t a r xfo r re 一 devefo p a ut o c a di n c 】 u d i n gthe c a dd r a w l ng m e 妞 d a t areco g ll i s ete c hno l o g y，x m l出 l d a utoc a dgr a p h l r a n s fe r te c hno l o gy， x m l and n c c ode t r a n s fe r te c h n o l o gy. k e y w曲 rd， : c n cauto m at i c pr o g r a m m i n g ;x ml ;a g ent ;n e t fi 妞 m e w o r k 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 南昌大李 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 贡献均己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 ) : 蹄皓 签 字 日 期 : 尸7 年你 ， 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作 者完全了 解南昌大李 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 授权南昌大李可以 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 手 写 : 象 偷 沸 签 字 日 期 : 洲 7 年 ” ”日 导师签名 ( 手写) : 签字日期:。 阵 月 了日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第1 章 引言 第1 章 引言 1 . 1课题的来源及其意义 1 . 11课题的来源 本课题来源于江西省工业攻关课题( 2 0 0 5 5 2 ) 。 课题组主要成员一直从事c nc 系统的研究与开发工作，主要研究如何将先进的计算机控制技术与 廉价、可靠 的步进驱动系统相结合，形成一套较先进的 c n c系统。已 研制成功一套基于 徽nd。 ， 5 98/2000 环境的c nc加工系统，系统采用面向 对象的 程序设计方法， 汉 化图形界面，并且有多任务处理功能，可完成加工件的 造型和图形模拟，并实 时跟踪显示加工轨迹。在加工过程中能安全可靠运行其他应用程序。 此次课题旨在原有基础上使用新技术，使系统的整体性能有一个较大的提 升。课题主要研究目 标:通过对现有 c nc 加工各方面以及现有的自 动编程算法 分析研究，找出把它们集成为一个统一整体所需的理论与 方法;寻找或发现新 的自 动编程算法。利用智能 a g ent理论与技术把 c nc 加工过程的各方面如 以d /cam、 以pp等进行有机的集成， 构造一个能 对大多数c nc加工适用的 智能自 动编程系统; 通过智能多 a g ent技术实现智能 化的自 动编程的 主动性及对不同 的cnc 加工求解的自 适应性与 能动性，使系统具有较好的通用性与 开放性。 课题的协作单位江南电子仪器厂是几十年生产数控机床的专业生产厂家， 具有生产设备和现成的c nc产品，可为课题提供较好的实验场所。 1 . 1 . 2课题的意义 数控机床是现代制造业的基础设备，世界各工业发达国家通过发展数控技 术、建立数控机床产业，促使机械加工业跨入一个新的 “ 现代化”的历史发展 阶段，从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床不但是机电工业的 重要基础装备，是汽车、石化、电子等支柱产业生产现代化的主要手段，数控 机床也是世界第三次产业革命的一个重要内容。高效能的数控机床给制造业带 第1 章 引言 来了 高 倍率的效益增长和现代化的生产方式，是促进国家国民经济发展的巨大 源动力。 特别是数控技术在制造业的 扩展与 延伸所产生的辐射作用和波及效果 足以 对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式及 管理模式、 社会的生产分工、企业的 运行机制等带来深刻的变化。 计算机数控 (c、 c) 系统又是其中的 核心部分，是计算机集成制造 (ci m s) 和工厂自 动化 ( f a) 的基础之一。 我省在该领域的研究和开发相对比 较薄弱，对省内制造产业的发展有一定 的影响。本课题符合中国国情，若研制成功，具有广泛的应用前景，可产生较 大的经济效益和社会效益。 1 . 2数控系统的发展历程与发展趋势 1 . 2 . 1数据系统的发展历程 纵观数控技术的发展历史，不难看出数控技术的发展是逐步跟踪计算机技 术的发展而不断发展的，从1 9 5 6 年至今，大致经历了如下四 个阶段l : 1 9 5 6 年一1 9 74年，专 用硬件nc的时 代; 1 9 7 5 年一1 9 89年，专用计算机数控时代，即微处理器n c 的时代 扭 p c): 1 9 9 0 年一1 9 9 5 年， b a s i cp c 的c n c 时代: 1 9 9 6 年至今， 开始全pc开放式智能化数控新阶段。 为适应计算机技术、信息技术、网络技术等技术的发展，现代机械加工业 逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展，因此新一代数控技术就必需强调具 有开放式、智能化的 特征。 近几年来世界发达国家纷纷采取措施，投入大量的 人力、财力组织优势力量进行新一代开放式体系结构和具有智能型功能的数控 技术开发与研究，包括美国的n gc和o m a c 计划、欧共体的o s a c a 计划、日 本的 o s e c 计tij等二， 。 我国的数控技术，在 “ 八五”攻关中，不失时机地提出了以自主 版权为目 标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以pc机为基 础的发展路线上， 并以 此形成了 两种平台， 开发出了四个基本系统， 其中华中1 型和中华1 型是将数控专用模板嵌入通用pc机构成的单机数控系统，航天1 型 第 1 章引言 和兰天1 型是将pc机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台 型结构，国内其它单位也都先后开发开放式体系结构系统。 然而就总体而论，还仅仅处于开始阶段，虽然各个系统都向pc平台方向 发 展，但在具体的实施开发中仍然存在一些问 题。最大的问 题即是开放性不够、 开发环境和支持手段不足，要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未 达到，只是具有相当 技术力量的开发单位才能使用，而作为能够普及到一般用 户的程度则还远远不够。 利用pc机设计数控系统使得c nc的重点由 硬件转向软件，为我国的数控发 展消除了硬件上的“ 瓶颈”制约，从而可能加快生产出实用产品。而且 pc一 nc 毕竟使c nc向开放性体系结构迈出了一大步。 在数控机床设计与 制造中， 我国已开始采用模块化技术，对数控切削加工 中的工艺参数、工具系统的优化、智能适应控制都进行过研究，它为对智能化 控制的进一步研究奠定基础，但上述工作仅仅是一个开端，仍需在 “ 十一五” 期间进行一系列开发研究工作，跟踪世界数控技术，推动我国数控产业的发展。 1 . 2 . 2数据系统的发展趋势 1 . 2 . 2 . 1数控系统技术的 发展 数控系统技术发生根本性变革体，现在控系统体系结构由专用型封闭式向 通用型开放式发展:数控系统的性能、功能向实时智能化、高速、高精、高效 发展;数控系统的结构向超薄型、超小型化发展;数控系统在网络化基础上， 与c a d /c胡集成为一体，向 满足f m c 、f m s 、cl粥对基层设备需求，实现了中央 集中控制的群控加工发展这此变革， 给数控系统带来了 功能复合化、控制智能 化、体系开放化、驱动数字化、通信网络化、数控设备运行的高速化和加工高 精化。 1 . 2 . 2 . 2数控系统体系结构主流 开放体系结构 随着微电子技术的迅速发展，数控系统的体系结构产生了质的变化，开放 式数控系统已 成为新一代数控系统体系结构主流。 开放体系结构是指数控系统应该是个可以根据需要，容易实现重构，组成 不同档次，不同品种的系统，应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供 第 1 章引言 应商提供的不同平台之上;可以与其它应用系统相互操作并且提供与 用户交互 的 统一风格对于开放式数控系统，一种较流行的 观点是强调 下列五个方而的系 统特性:系统互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 、可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 、可移植 性( p o r t abi l i t y ) 、互 操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 和可 扩展性( e x p a n d a b i l l t y ) 。 开放式数控系统是开放式、高可靠、高性能、系列化、智能化、网络化数控系 统的通称， 其核心是开放式。 开放的核心是应用软件模块( 而向 对象的结构对象) 与运行平台的无关性( 通过应用接口软件实现) 、系统中各应用软件模块之间的 互操作性和人机界面及通信接口的统一性。 1 . 2 . 2 . 3数控系统新的发展方向 s t epes n c 从基于产品个生命周期的生产链来看，作为数控系统加工信息输入文件的 标准 1 5 0 6 9 8 3 协议的内 容与形式已 经远远落后于 先 进制造技术的发展， 限制 了数控系统的智能化发展，限制了以x与cnc之间的集成，限制了数控系统网 络化发展，成为了数控系统智能化、集成化、网络化发展的瓶颈。 s t e p 一 n c 川 是将s t ep扩展至c n c 领域， 重新规定了c ax与c nc之间的接口 标 1 5 0 1 4 6 4 9 ，其目的是:c n c 系统能够直接使用符合s t e p 标准( 1 5 01 0 3 0 3 ) 的c a d 三维产品数据模型( 包括工件几何数据、设置和制造特征) ，加上工艺信息和刀 具信息，作为数控系统的输入，直接产生加工程序来控制机床;在s t ep的基础 上以面向对象的形式将产品的设计信息与制造信息联系起来，消除 c ax 与数控 系统之间信息流瓶颈，使得c 胡到cnc 之间的信息传递从中向( 下传g 代码加工 程序) 到双向;将传统的面向 运动和开关控制的数控程序改变为直接面向 加工对 象的数控程序。新的数据接口标准必然会取代旧的标准并且将给包括数控技术 在内的异地 以d /cam/ 刽c集成制造，虚拟制造、敏捷( 快速) 制造、网络制造等 整个制造业带来革命性的影响。 1 . 3数控编程技术的发展概况 数控编程技术是随 着数控机床的诞生而发展起来的一门技术，随着生产的 要求而不断的发展完善起来的。数控编程技术经过了手工编程、基于语言 的计 算 机自 动 编 程、 基于 图 形的自 动 编 程三 个 阶 段4 。 目 前 多 采 用 基于 图 形的自 动 编 程技术， 它可以用图形的方式来定义和显示零件的外形和加工轨迹，可进行加 第1 章引言 工过程的仿真，该方法提高了编程效率，大大了减少编程出错的可能。随着数 控编程技术的不断的完善 提高， 它逐步成为一种高 精度和高自 动化的加工手段， 它在机械制造业， 特别是在航空、航大、模具及汽车制造业占非常重要的地位。 1 . 3 . 1国内外数控编程技术的发展现状 国外数控编程技术开发应用较早，出现数控机床自 动编程系统较为先进， 功能相当 强大。国 外开发且应用较广的有施stterc胡，ib m 和d a ss a u lt公司的 c a t i a 一 c ad胡， cv公司的c a d d s s ， e d s 公司的u g ， 盯c 公司的p r o / e ， c i mat r o n ， s o l i d e dge ， s o l i d 份 o r k s ，1 一 d eas 系统、i c e m 系统等。数控加工使用较多的软件 为施st er c 胡 ， ci nlatr o n ， u ga梅st er 训 属 于 中 档 的以 d/ cam 一 体 化 软 件， 国 内 使用者最多的c 枷软件。 ug起源于美国麦道公司的产品， 它是一个集c ad， 以e 和 c 胡 于一体的三维参数化机械工程辅助系统软件，适合在大型企业中应用。 ci哑t r o n 以d / c 甜系统是以 色列ciinat r o n 公司的c ad/c胡/ p 翎产品，是较早在 微机平台上实现三维 c a d /c胡 全功能的系统。这些软件功能很强大，但价格过 高，国内的中小企业购买不起，它们也不支持国产快速走丝线切割机床，为摆 脱困境，开发一个具有自主版权的数控系统非常有必要。 国内的数控编程起步较晚，较国外的落后，也出现了很多数控编程软件， 它分三种情况: 一种就是自 行开发的数控 cad /c脚 集成软件，如北航自 行开发 的以xa系列软件、 开目c ad， 高华g 阴5 、 大天c a d/c 枷软件系统、 美思m i cro s olid 软件系统、浙江大天电子信息工程有一限公司开发gswe c a d 9 8 系统、广州红地技 术有限公司开发的基于 s t ep 标准的c a d/c a m金银花( ( l oni cer a)系统:第二种 就是在现有大型国外数控软件( ast erc 胡，ug 等) 下进行二次开发，生成适合 本企业使用的 软件;第三种是在通用的 c ad 软件环境下( 如 a utocad) 开发生成 3 b 指令线切割自 动编程软件。 1 . 3 . 2数控编程系统的发展趋势 随着计算机技术的迅速发展，数控机床向 着高速化、高精度化、复合化、 智能化、系统化等方向发展的同时，数控编程系统也向 着集成化、智能化方向 发展。 第1 章 引言 1 ， 3 . 2 . 1数控编程系统的集成化 数控编程系统的集成化指的是数控编程在c a d / c a p p /c姗 系统中的集成。 目 前， 在c a d /cam 系 统中，比 较先进且应用较为 广泛的集成方法有以 下两种: 通信连接式 典型的是通过 i g es 标准的数据通信格式实现数控编程系统与c ad 系统( 或 其它系统) 之间的连接。 数据库式 这种集成方法的指导思想是通过建立一个公用数据库( 或几个分布式数据 库) 对设计、 制造及生产管理过程中的各种信息进行统一的管理，各部分只与 数 据库相连。因此数据库不但是共同的信息源，也是公共接口。 目前， 应用较为广泛的数据库集成方法是以实体造型几何数据库为核心的 集成方法。该方法通过人机交互指点方法，从 c ad 数据库中 提取所需要的几何 信息及拓扑信息进行数控编程。这种方法的缺点是人的干预太多，编程效率不 高。但它比较成熟，使用灵活，在新的产品定义方法实用化以前仍是不可缺少 的方法。 目前仍处于研究与开发之中的以产品模型数据库为核心的集成化方法越来 越受到人们的关注。产品模型中包括了产品的完备信息，如形状信息、物理性 质、工艺数据和管理信息等，因此，是一种很有前途的c a d /cam集成化方法。 但产品模型的建立要采用新一代的特征造型技术，技术难度和工作量都比 较大。 鉴于这种情况， 国际标准化组织( 150)制定了 产品数据模型p 翎标准及s t ep 标准，以便使引用此方法集成的系统之间能相互协调通信. 这些标准的出现为采 用以产品模型数据库为核心的c a d/c a m 一体化系统带来了 广阔的前景。 1 . 3 . 2 . 2数控编程系统的智能化 数控编程系统的智能化是指将人的知识加入集成化的 c a d/c a m系统中，并 将人的判断及决策交给机器来完成。因此，必须采用人工智能方法建立各类知 识库专家系统，把人的决策作用变为各种问题的求解过程。 智能系统目 前 正向 知识型、 生成型的智能 系统发展。 美国m it舒(n . p . s u n ) 教授在 “ 思维设计机的设计”一文中提出了 对思维设计基本结构的设想。他将 思维设计分为4 步:1 ， 确定功能要求; 2 ，建立设计参数; 3 ，分析设计方案: 4 ， 确定最终设计。并提出判定思维设计优劣标准的两条公理:独立性公理 第1 章引言 各功能要求应相互独立:最小信息公理所需信息量最小的方案为最佳方案。 1 . 4本论文主要研究内 容 通过对目前国内外数控系统、 c ax系统集成的发展趋势， 以及我国电火花线 切割加工自 动编程技术存在的问题和相关方面来展开本论文的研究工作。本文 的主要研究内容是: ( 1)分析目前在我国广泛应用的自 动编程软件存在的不足之处，指出其在 以d/c 胡、 以即集成技术中存在的问 题， 确立解决这些问题的出发点: 研究几种 流行的数据交换技术，提出了基于 翔l为数据交换标准的解决方案。与现有 c ad/c姗、 以即商品化软件结合，建立专用接口，实现系统集成。 这种方式的集 成通过不同 c ax 系统数据结构的映射与数据传输实现异构数据源和分布式环境 下的数据互操作和数据共享，还将拓展系统网络化控制与远程协同设计的空间; (2 ) 研究基于xml 的c a x 系统全局产品数据库共享模型; ( 3)在该系统结构中应用分布式人工智能技术，把各功能和应用模块被封装 成便于应用的a g ent 接口 构件，由 软总线实 现集成，使用组件和翔l 技术， 简 化了复杂的通信问题，增加了系统的柔性: (4 ) 研究aut ocad的图形数据结构特点以及x m l 技术，实现aut ocad 图形数 据与x m l 格式之间的转换;研究nc代码数据结构，实现x m l 与nc代码之间的 转换. (5 ) 使用以x m l 技术为核心的. n et框架为开发环境， 利用obj ect a rx. n et对 aut ocad2 0 0 6 进行二次开发， 开发一种用于线切割自 动编程的 基于网 络的跨平台 数据交换转换器，对于提高自 动编程系统的通用性、智能性，减少设计时间， 降低制作成本起着决定性作用。这就是本论文所关注的重点以及本课题所要解 决的主要问题。 第2 章 制造领域智能集成系统 第2 章 制造领域智能集成系统 随着计算机网络技术的飞 速发展，人们对软件开发的认识从单一系统的完 整性和一致性，向着群体生产率的提高、不同系统之间的适应性和灵活互连而 变化，软件的非功能性需求比以往得到更大的重视。以主机为中心的计算方式 转变为以网络为中心的计算方式，通过网络计算的方式，人们可以分散在不同 地理位置上，通过网络进行跨时空地共享信息、协同工作，极大地提高了工作 效率。但是，这一方面导致应用系统的功能、性能、规模和复杂性的极大增长， 另一方面要求各种应用系统之间能够互相交互，集成现有和未来的信息系统。 为此，数控编程系统要放到制造系统集成的角度整体考虑研发。 2 . 1制造领域集成系统 2 . 1 . 1制造企业中c ! m s 的功能界定 一个完整的制造企业 cim s(计算机集成制造系统) 应包含如下几个由底层到 高层的 子系统:5 : 1 . cnc系 统及其他自 动化设备，包括数控加工中 心等各种数控机床、三坐 标数控测量机、肠v 、自 动仓库等。 2 . 设备联网系统，主要是直接数控群控( d p n c)系统及其与自 动仓库的互联 系统、自 动仓库及物料处理系统( 姗5)、工业控制系统等。 3 . 数控加工自 动编程( aut 。 一 现p)系统，包括复杂曲 面模具加工自 动编程系 统、数控线切割/ 车/ 铣/ 磨等加工的自 动编程系统。 4 . 计算机辅助工艺规程设计及管理(c ap队m ) 系统，其功能包括计算机辅助 工艺规程设计、工艺 数据库管理、 工艺规程管理等。 5 . 计算机辅助工程制图( gae d)及二维设计系统，其功能包括辅助制图、图 纸扫描及光栅一矢量混合编辑、图 纸管理等。 6 . 计算机辅助设计/ 辅助工程( 以d / 以e)系统， 其功能包括产品的 三维设计、 装配设计、工程分析及优化、工业设计、产品 信点管理等。 第2 章制造领域智能集成系统 7 . 产品综合信息管理系统( p hms) ，其功能是基于一个统一的数据库、一个 统一的框架对产品的各项信息，如三 维模型、版本信息、工程图 纸、工艺规程、 数控加工程序等实行管理，并对产品的设计、制造全过程提供并行工程支持。 以 上七个子系统便构成企业的集成化c ad/c姗 子系统，其中的p hms 同时 也为前六个子系统之间及其与 cl璐 其他子系统之间交换/ 共享信息提供良 好的 支持。 该子系统也是c a d / c a m 子系统与c 工 m s 中其它子系统发生交互作用的界面。 8 . 制造资源规划系统(m r p h) 。 9 . 企业管理信息系统( m 工 5)。 2 . 1 . 2制造企业集成框架的发展趋势 制造企业信息系统的应用范围和种类不断扩大对企业集成技术的灵活性和 标准性提出了 越来越高的要求。企业集成需要新的技术来适应这种动态联合、 易于 扩充和变动灵活的 要求洲 。 因此， 企业集成框架的发展趋势为: 基于web 的 统一用户接口、采用标准化数据接口、而向产品全生命周期管理、采用松藕合 的集成方式等。 传统集成框架的关键基础技术s t ep和分布式计算技术，已经不能适应现代 企业集成的需要:dc伽， j ava rmi 及c orba基于紧藕合的二进制标准，不能适应 企业间集成及动态变化的应用集成要求;s t ep 与c ad 下的各专业应用系统，如 c 枷，以e ， c a p p，pdm 等， 存在不同的应用协议，而且许多应用协议尚 不完善， 各种协议间缺乏 一致性，应用范围很小，导致目 前众多的应用软件商没有标准 化的协议可以遵循，也就不能提供标准化的接口。 由 于信息和应用层次的关键技术基础存在以上不足，所以p 渊 和p l m集成 框架、 工作流集成平台等也只能停留在基本的框架层次上。不同种类的 p dm 产 品之间，以及 p 服 与不同厂家的c a p p ，m es 等，要实现集成仍需要额外的、重 复的接口开发。因此，目 前我国的制造企业，特别是占 绝大多数的中小制造企 业，其中的应用集成仍然停留在点对点集成上。这说明传统集成框架的方法和 技术未能得到实际的普及应用，已 经不适合集成技术发展的要求。 目前出现的xml ，w e b 服务仅e bs e r v i c e s ) 和而向服务的软件架构( s e r v i c e ori e n t e dar c h l t e c t u r e ， s oa) 、以及业务过程管理(b u s i n e s sp r o c e s s 滋n a gement， b p m ) 的 方法、技术，顺应了 企 业集成的 发展趋势，为集成框架的 第2 章 制造领域智能集成系统 实现和应用普 及、 标准化提供了 新的实现机制和思路。 xml是一种传输于 h t t p 协议之上的文本数据流，其语义上的松散性决定了其数据格式的低藕合度; w eb 服务是个能够使用x m l 消息 进行网络访问的标准接口、支持松散藕合的、可复 用的软件模块， 在应用集成领域有广阔的应用前景; 5 以将企业应用看作是由一 些能够跨越企业边界、自 我描述、实现某一特殊功能的服务集合构成，强调标 准、跨企业应用、动态性和模块化，这些特点正与动态、松藕合的企业集成要 求相符合。 b p m 则是工 作流技术的新发展，旨在通过对企业各管理层而各种过程 进行统一、连贯的管理，实现跨企业业务过程的无缝集成。 论文提出的使用 翔l为公用数据交换标准的自 动编程系统，将充分利用这 些新的方法、技术和思想， 解决、改善制造过程中信息和过程集成层而上存在 的一些问题，以实现更为实用的、开放式和标准化程度较高的系统。 2 . zx m l 技术在制造领域的研究应用 美国 j a yl e e教授提出的 e制造( e 一 m a n u f a c t u r i n g ) 的概念【， ， 、法国的 f . bvernadat教授洲 在企业集成综述中，都提出 要引入x m l ， w eb服务技术等以 增强系统间的互操作性， rk oll u r u 在敏捷制造企业的框架开发中， 也指出利用 xml 等技术可以 增强企业的敏捷性9 。更具体的 研究主要是集中 在翔l 的实 现机 制上，如2 一 1 所示是德国m artin w ollschl a eger建立的基于特定角色和x m l 描 述语言的企业集成框架l10 。 图2 一 1基于 特定角色和翔l 描述的企业集成框架 第2章制造领域智能集成系统 2 . 3基于a g e nt的制造系统集成 2 . 3 . 1基干陀ent 的制造系统 从文献来看，基于a g ent的 制造将是二十一世纪智能制造系统模式，企业 集 成 系 统 如d 工 de ， m et am or p h ， ic as皿都 是 基 于a g ent 应 用， 实 现开 放的 设 计系 统和实现设计、规划、制造、制造资源、仿真、客户服务、物料供应以及人的 集成。 基于p re企业框架， 使用软件a gent 实 现企业信息和资 源集成，重点是 为用户提供关于企业资源和应用的信息并智能的定位应用和服务，用户容易搜 索数 据和资 源。 c 工 1 ” p l exf 通过a g ent 和p e ( 规 划和 执行应用 软 件系 统系 统) 实 现 企 业 集 成 。 另外 的 一 些 经 典 的 a gent 应 用 如 陇xt一 lin k， s h a r e ( h t t p a / www 一 c d r . s t a n f o r d . e d u ) ，经常被一些文章引 用。 在分布式智能制造系统中，a g ent 用来封装现有软件系统以解决遗留问 题， 通过网络将企业和供应商、合作伙伴及客户的各项活动如设计、规划、调度、 仿真、执行、产品销售等集成到分布式的智能环境中;使用 a g ent表示各种制 造资源如人、加工中 心、工具夹具、产品、零 件等以辅助制造资源规划和控制， 使 用a gent表 示一 些 特殊服 务如企 业代理、 数 据 库a g en t 、 信息a g ent 、 中间a g ent 等。最后， a g e n t 用于合并整体规划和制造规划系统。 2 . 3 . 2应用集成模型 实际的应用集成模型都是集成体系结构的具体实现。从我们的经验上看， 分布式应用系统中 确定a gent 的方法更为直观:既然应用通过软件a g ent 来实 现， 那么可以 在对系统应用进行逻辑分解基础上，为每个应用指定一个a g ent ， 即 每个a g ent 实 现一个应用功能， 称为应用a g ent 。 或者， 在确定出 系统的 地理 分布后，使得一 个a g e nt对应与一个地理上的节点( 仍然要考虑功能独立性) 。 图2 一 4 表示了 一个用于协同 工作的分布式c ad/c胡 集成系统，其中的 应用 a g e n t 包 括c ad，c ae， 以即和nca g ent ， 它们 或者是 现 有系统 经过 封装而 成， 或者 本身就是 基 于a g en t 的 系统。 我 们可以 将现 有的c a d /c 胡应用系统a g e nt 化( a g entificat i on) ，使其表现出a g e n t 的 性质，从而 组成分布式应用mas 系 第2 章制造领域智能集成系统 统。 模型中用户接口a g e n t 、 命名服务a g e n t ( ans 或“ 白 页” ) 和y p a g e n t ( “ 黄 页” ) 称为 中 rrja g e n t 。 ， ， 协膝:叫 -4 几 肠们 息 份已 朴秘 翻食 粼幻 枷门 门 卜会话 们9 图2 一 4 c ad/ c am集成环境模型 2 . 33基于s t 印/ xml 的产品数据交互 在 i nte rne t / i n t ranet环境下， 随着并行工程、 虚拟企业等先进制造模式 的实施，产品数据交换将不局限于传统的几何模型的范畴，而必须扩大到产品 全生命周期的全局模型之中;随着对交换数据的管理和处理强度要求的提高， 交换媒介不仅要具备产品数据描述能力还必须具有强大的数据模型信息描述能 力，以便为交换双方进行模型重建和数据管理提供更好的服务:产品数据的交 换方式必须同 w eb 访问方式相结合，必须保证产品数据的一致性、完备性和安 全性。 s t e p 中性文件实现了 通过文本文件交换s t ep实体实例数据的功能， 但它相 对于某个特定的应用协议而言是不可扩充的，也不能反映当前的应用习惯的变 化和技术应用的进展，如规范语言、语法风格的应用、命名规则的引入等。中 性文件虽然提供了最基本的数据交换功能，但它不能解决产品数据交换中的其 它许多问 题， 如可 扩展 性、 读 写工具 的实 用 性 等。 中 性文件 对i nt ernet / i ntrane t 的支持也非常弱， 使得基于i n t e r n e t / i n t r a n e t 环境下的s t e p 应用的实现难度 较大. s t ep中性文件的不足还体现在开放性差、缺乏直观性等等，s t ep标准的 庞大规模、理想化的全集成目标及漫长的研究周期正在考验着人们对该标准的 信心和耐心。 s t ep 提出的面向产品全生命周期的产品数据模型及其标准的形式 化的描述方法是s t ep的精华所在，而在具体的实现方法上，应及时吸收和利用 第2 章制造领域智能集成系统 当前先进的技术成果，把模型的完备性和稳定性与 实现技术的灵活性和先进性 结合起来，使人们可以以 最小的系统代价和最快的开发效率， 研制出能够反应 当前 技术热点和发展趋势的 应用系统，从而 促进s t ep技术的发展和应用。 x m l 逐渐结合s t ep成为 产品数据交换主流。 s t ep和x m l 在内容上 都是基于 语义的，在格式上是结构化的，在表示上是面向 对象的，所以x ml和s t 印有很 好的结合理由 戒 。 在 未 来我 们 能 够 期望 用 xml 表 示 基 于 s t e p 的产 品 数 据 ( h t t p : / / 。 . s t e p t o o l s . c o m ， h t t p : 刀 翩 w . s t e p m l . o r g ) 。 枷l 是 面向w e b 的 通 用的文档描述语言，完全开放的标记定义规则和完全结构化的数据组织形式， 使得 x m l可描述任意复杂的数据结构及数据内容，通过定义标准的标记集可以 方便地实现数据语义、数据结构和数据内容的统一，所以利用 x m l文件描述和 传递产品数据，是实现基于w eb的产品数据交换的最佳方法。 基于xml 的ste p 表示需要 解决一系列问题，包括e x p r e s s 模式到x m l 模式 映映射、e x p r e ss 模式到d t d 映射等算法问题。基于s tep/翔l的产品交互时， a g e n t 只须在内容层写入本地xml 文挡的u rl， 接收方a g 即t 就可以获取x m l 数 据，进而得到产品数据。这种方法执行效率较低， 适合于广域网的情况。采用 这种方法，每个a g ent 需要运行在贾 eb 服务器上，使得本地产生的数据能够被 远程获得( 基于h t tp协议) 。如图图2 一 5 所 示: 争 月 ， 乍 仁a 目 . 月 ， . 作 匆 睡 狡 用 户 异 时 跳.份 甘 二争 育 挑住 门 月 门 钾. 铭 一.绍入旧 翻 成叨 j 创 图2 一 5 基于mas 的资源全球化模型 第2 章 制造领域智能集成系统 2 . 4基于x m l 的智能c n c自动编程系统 从前述模型、 框架研究可以 看出: 在制造集成系统中， xml 技术的应用越来 越广泛， 作者认为x m l 渗透到自 动编程领域是一 个必 然的趋势。 描述数据是x m l 的 优势， 翔l 文档只是简 单的文本流， 完全独立于平台、操作系统、 编程语言。 任何平台上的 任应用程序都能发送和接收x m l 文 档， 并且 都提供了 用于处理翔l 的解析器。开发者能够使用许多相关技术和标准来定义、处理以及转换 翔l文 档. 因此， x m l 非常适合解决系统集成问题。自 动编程系统基于川l 的系统框架 如图2 一 6 所示: c a m ic a p p i n t e r n e t 基于姗l的智能c n c自 动编程系统框架 cad三巨阳 本论文将在下一章重点讲述使用 翔l作为 数据交换标准的集成系统中自 动 编程系统涉及到的数据交换问题。 第3章 x m l 技术及数据交换转换器 第3 章 x m l 技术及数据交换转换器 3 . ix m l 技术概述 3 . 1 . ix m l 简介 2 0 世纪60年代末，i b m 公司为了 解决不同格式创建的 法律文件不能 在各个部 门 之间 相 互移 植的问 题， 提出了 任何可互换 操作 系统的 3 个主 要要 求洲:( 1) 文 件处理程序需要支持一个公共文档格式;( 2)这个公共格式对特定的领域是专用 的:( 3)为了 达到高 度可靠性文档格式必须遵守特殊规则。这个文档格式编排系 统称为通用标记语言( g e n e r a l i z e dm ark u pl ang u a g e ， 翎l ) 。 在以 后的 8 年时间 中， g old f a r b 继续研究 枷l ，并担任了 一个国际开发组织的技术领导， 终于建立 t所谓的 标准通用标记语言( s t a n d a r dg e n e r a l i z e d施r k u pl a n g u a g e ， 5 洲l ) ， 而且国际标准化组织工 5 0 于1 9 8 6 年最终批准采用s g m l 。 在此基础上，英国人t im ber n erslee 于19 8 9 年开始 研究超级链接的思想，并最终形成超文本标记语言 ( h y p e r t e x t m a r k u p l a n g u a g e ， h t m l ) ， 形 成 了 今 天 的 ， e b 信 息 存 储 和 交 流 技 术 。 但是htm l 只是一种表达的技术，它并不一定能揭采htm l 标记中的含义， htm l 中 有一个大问 题就是它的 标记的集合是固定的，用户不能新增有意义的可以让其 它人使用的标记。基于网络浏览器平台和htm l 、 c gi、 a sp的网络应用结构虽然 清晰， 但却使服务器要处理大量的数据，使得网 络数据流量过大效率降低，为 此出 现t 可扩展标识语言( e x t e n s i b l e枷r k u pl a n g u a g e ) ，即 枷l o xml 的应用弥补了 许多 ht毗的缺陷，我们把它在网络上的应用总结为 4 点: ( 1)网络客户必须在不同的数据库之间传递信息;( 2)需要把大部分从网络服务 器下载的 数据在用户端处理;( 3)相同的数据对于不同的用户需要有不同的界 面;(4 ) 网络内容供应商要把发现的信息精心裁减并发送给不同的个人用户。 作为定义和描述信息的标记语言， 翔l 的语法很简单， 包括标记、 元素、属 性等， 但严谨、 有效地定义了xml 文档的结构。 x m l 的主要特点是， 通过定义语 义标记，允许不同专 业人员开发与自 己 特定领域有关的标记语言 ，并可以 将数 据表示成为一种文本化的、易于阅读和程序理解的格式。这种数据表示不依赖 第3 章 x m l 技术及数据交换转换器 规划、生产进度计划和编程以及加工工序的控制和监督，以及装配领域。因此 首要任务是将这些孤立的技术或系统综合成更有效的计算机辅助设计和制造集 成系统。 集成制造有两个方面的 含义: 一是建立c ad/cam/ 以pp各功能 模块一 体 化系统;二是不同系统的协同工作。达到这两个目标的关键是以下两个方面的 数据交换: ( 1) 产品设计模型到产品制造模型的交换，也就是以d app 一 c 胡 的 信息流 动和交换。 (2 )不同的设计、制造系统之间的数据交换。 2 . 2 . 1 产品 数据交换的实现方法 不同的 c a x系统间产品定义数据的 交换主要有两 种方法:直接转换方法和 使用产品数据交换标准。 3 . 1 . 3 . 1直接转换方法 直接转换方法的基本思想是:把需要转换的数据模型通过一种对应关系映 射到另一种数据模型上。因此，直接转换方法的关键是找出两种数据模型之间 的对应关系，通过软件实现这种对应的转换关系。 直接转换方法的具体实现有两种技术: ( 1) 由一个系统的数据结构直接产生另一个的系统的数据结构或文件结 构。反之亦然。 ( 2 )由 一个系统的文件结构直接转换产生另一 个系 统的数据结构或文件结 构。 3 . 1 . 3 . 2使用产品数据交换标准方法 一般来说，计算机辅肋设计和制造集成关心的是设计 (ca d)，生产过程规 化 ( 以即) 和制造 (c 胡) 三者一体化模型。如图3 一 2 所示网: 第3 章 捌l 技术及数据交换转换器 丈一 片一洲n c 后 处 理! 图3 一 zc a x 集成系统工作 模型 从此模型看出，高级的实体造型系统产生的仅是产品的几何和拓朴信息， 而 c am 系统都是基于 特征工作的，要求零件的定义以形状特征数据的形式来表 示，所以c a d与c a 即的集成需通过两种途来实现:一是从几何造型系统产生的 数据中抽取特征信息，二是采用特征造型。从总体上考虑，可以构造全局产品 信息模型解决数据交换的关键问题，从实现来说可用两种方式来进行数据交换: ( 1) 建立全局产品数据库，应用系统可以直接存取全局产品数据库中和此应用 有关的产品数据。( 2 )应用系统通过共同的概念模式来交换产品数据的某一部 分，这种方式需要开发数据转换工作的处理器。 目前数据转换的处理器大都采用把不同的文件格式转换到数据交换标准格 式的方法，这样可以抛开系统内部复杂的数据结构，使转换方法独立于各应用 系统，只要各系统的文件存储格式不变，转换器就不用改变。 3 . 1 . 3 . 3主要的 产品数据交换标准 ( 1) 初始化图形数据交换标准iges ig e s 标准最早是ansi于80年代初制定的，是建筑在波音公司c a d / c a m 集 成信息网络、通用电气公司的中心数据库和其他各种数据交换格式之上。其最 初版本仅限于描述工程图纸的几何图形和注释，随后又将电气、有限元、工厂 设计和建筑设计纳入其中。1 9 88 年 6月公布的 i g e s4. 0又吸收了esp中的 第3 章 x 施技术及数据交换转换器 c s g ( c o n s t r u c t i v e s o l i d g e o m e t r y ，意译为体素构造法) 和装配模型， 后经扩充 又收入了新的图形表示法、三维管道模型以及对fem(有限元模型) 功能的改进。 而b 一 r e p ( 边界表示法) 模型则在 i g e ss. 0中定 义。 然而，i g es在文件结构中却 又不合理地定义了直接存取的指针系统。其在应用中暴露的主要问题有: 令 数据文件过大，数据转换处理时间过长;