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工程硕士学位论文 摘要 网络经济正在成为一种重要的经济模式。网络化制造的主体是利用因特网提供的便 利大幅度降低生产成本和交易成本以及向消费者提供更好服务的新型制造模式。 螺栓球节点网架是一种新颖的屋盖和承重结构，杆件之间通过高强度螺栓连接汇交 于球节点，拆装方便，受力合理，造型美观，综合技术经济指标好，成为展览中心、体 育馆等公共场所又一新的建筑模式，其发展前景广阔。 将网络化制造这一新的制造模式应用于空间网架螺栓节点球的加工，能快速响应螺 栓节点球网架市场多样化、个性化产品需求，加速螺栓节点球网架行业的发展。通过网 络将分布在异地的优秀设计、制造、施工单位组合成个虚拟企业联盟，对螺栓节点球 进行异地并行设计，远程加工，既能保证螺栓节点球的高质量、高精度，又能缩短产品 的开发、制造和旌工周期，降低成本，提高经济效益。 本文提出了实现螺栓节点球网络化制造需要完成的工作以及完成各项目具体工作 的方法和步骤，包括制造节点局域网的构造、节点集成制造软件的实现、基于因特网虚 拟企业联盟组建方法、网络制造环境下企业供应链和客户关系的管理以及从事电子商务 时应注意的安全问题。 关键词：网络经济；螺栓节点球；计算机集成制造；虚拟企业联盟；供应链；电子商 务；网络安全 工程硕士学位论文 a b s t r a c t e e o n o m yo fn e t w o r ki sb e c o m i n gav e r yi m p o r t a n te c o n o yp a t t e r n t h e p r i n c i p a lt a k ea d v a n t a g eo fi n t e r n e tt or e d u c eg r e a t l yt h ec o s to fm a n u f a c t u r i n g o fa n db u si n e s sa n ds u p p l ym o r eb e s ts e r v i n gf o rc li e n t s b 0 1 t n o d eb a l ln e t w o r kc a r di san e wh o u s e t o pa n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e ， d i f f e r e n ts t a f fa r el i n k e dw i t hb o l t n o d eb a l la n da s s e m b l e di ni t a n di t i s e a s yt ob u i l ta n dd i s r 【l a n t l e y e t ， i th a sm o r eo t h e rm e r i t s ，f o re x a m p l e ， r e a s o n a b l es t r u c t u r e ，b e a u t if u l p o s t u r e a n ds y n t h e s i st e c h n o l o g y e c o n o m y t a r g e t s t h u si ti sa n e wa n o t h e ra r c h i t e c t u r em o d ef o re x h i b i tc e n t e r ，g y m n a s i u m a n do t h e rp u b l i cr o o m i t i sv e r yp r o s p e c tt od e v e l o pi t i fm a n u f a c t u r i n gb o l t n o d eb a l lb a s e do ni n t e r n e t ， c o r r l p a n yc o u l dk e e pu p w it hc h a n g i n gn e t w o r kc a r dm a r k e tq u i c k l y ，w h i c hi sv e r yu s e f u lf o rd e v e l o p i n g b 0 1 t n o d eb a l li n d u s t r y t h eb e s td e s i g nc o m p a n y ，1 a k i n gf i r ma n db u i l d i n gf i r m a r ea lli e dt oan e wl e a g u e c o m p a n y ， t h e nt o p r o d u c et h eb 0 1t n o d eb a l1 c o o p e r a t i v e l y t h u st h e yc o u l dr e d u c et h em a k i n gt i m e ，m a k i n gc o s ta n dir r l p r o v e t h e i rp r o d u c t sp r e c i s i o na n dq u a l i t y t h ep a p e rh a sp u tf o r w a r dd e t a i lm e a n sa n dp r o c e s sw h i c hn e t w o r km a n u f a c t u r e b o l t n o d eb a l lm u s tn e e d t h e yi n c l u d eb u i l d i n gl o c a la r e an e t w o r k ， s t u d y i n g 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 o f t w a r e ，t h ew a yt ob u i l d i n gd u m m ye n t e r p r i s e u n i o n ，s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n ta n dc u s t o m e rr e l a t i o n s h i pm a n a g e m e n tb a s e do n n e t w o r ka n ds e v e r a lp r o b l e i i 】sn e e dt ob en o t i c ew h e nd e a l i n gw i t he l e c t r o n i c c o m m e r c e k t ：y w o r d s ：e c o n o m yo fn e t w o r k ：b o l t n o d eb a l l ：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 g d u m m ye n t e r p r i s eu n i o n ：s u p p l yc h a i nm a n a g e m e n t ：e 1 e c t r o n i cc o i 啪e r c e ： n e t w o r ks a f t y i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：罗弦卉暨 日期：力。6 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学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：琴拢镌 导师签名： 日期：冶6 年，月 日 日期：o ) 州年r 月 曰 工程硕士学位论文 第一章绪论 网络化制造对于制造业的影响正在迅速增大，正渗透到制造业的各个领域。网络为 企业寻找新的发展机遇、新的销售渠道、新的市场、新的顾客群、新的合作伙伴、新的 生产方式提供了巨大的、迅速发展的空间。 1 1 课题的目的、意义 在当今世界市场中，t q c s 一定成为衡量一个企业竞争力高低的重要指标。t q c s 的 含义是：t t i m et om a r k e t ( 产品上市时间) ，q _ _ q u a l i t y ( 质量) ，c c o s t ( 成本) ， s s e r v e ( 服务) 。在t q c s 的四个因素当中，t 为最重要的因素，所以企业必须在最短 的时间内将用户需要的产品迅速的推向市场，才有可能在竞争中占优势。网络化制造是 制造企业能够实现这一目标的最佳生产方式。 计算机及网络的出现、发展和应用使传统的产品设计与制造环境发生了根本性变 化，导致了信息时代产品开发、制造新概念的形成，即网络化制造，传统的产品开发组 织以区域性经济为主导，结构相对固定，资源相对集中，产品设计与制造的主要特征是 面向产品，这已不能满足当今社会生产力发展的需要。将网络化制造这一新的制造模式 应用于空间网架螺栓节点球的加工，能快速响应螺栓节点球网架市场多样化、个性化产 品需求，加速了螺栓节点球网架行业的发展。螺栓节点球网架是一种新颖的屋盖和承重 结构，杆件之间通过高强度螺栓连接汇交于球节点，拆装方便，受力合理，造型美观， 综合技术经济指标好，成为展览中心，体育馆等公共场所又一新的建筑模式，其发展前 景广阔。螺栓节点球是螺栓球节点网架的最关键最主要的零件，其质量的好坏直接影响 到网架的质量，其质量好坏直接影响网架结构中的内力分布。 随着螺栓球节点网架在我国的迅速发展，螺栓球从最初的标准型( 螺孔夹角相对固 定，并按一定规律分布) 发展到今天的非标准型球，从而使得各种造型别致，风格各异 的建筑网架结构不断涌现，极大地提高了我国建筑水平，促进了我国空间网架结构工程 的发展。但由于螺栓节点球具有角度变化多、精度要求高、检测难、加工难度大及单件 小批量的特点，制约了螺栓节点球的加工质量及效率，网架工程在我国仍处于初期发展 阶段。如何有效地提高螺栓球的加工质量及效率，降低成本，节约资源，己成为制约我 国螺栓球发展的瓶颈。 虚拟企业联盟能够克服企业在时间地域上的局限，即能保证企业的独立性，又有系 统内优化协调的优越性，有利于企业在是、合作时相互交流信息、共担风险、共享利益j 进行跨地区、跨部门、跨行业地引进外部资源，从而能在最短时间内具备各种需要的资 源，抓住机会，以最短时间最快速度迎合市场需求。 通过网络将分布在异地的优秀设计、制造、施工单位组合成一个虚拟企业联盟，对 螺栓节点球进行异地并行设计，远程加工，即能保证螺栓节点球的高质量、高精度，又 能缩短产品的开发、制造和施工周期，降低成本，提高经济效益。 1 2 因特网概述 1 9 6 9 年8 月3 0 日，当文特- 瑟夫等人问美国国防部高级设计研究局开发阿怕 网( a r p a ) ，第一次实现计算机之间相互交换信息时，还没有意识到这个网络会发展到 今天的因特网，到达如此之大的规模。因特网的发展速度超过了以往其他技术，如图卜i 和图卜2 所示。 基于网络环境下的节点球制造研究 用户数量( 万) 5 0 0 0 时间 1 0 个月 6 周 一天 一小时 1 分钟 播 4 1 3 3 9 时间( 年) 图l - l 因特网用户发展的快速性 每l o 个月全球因特网用户翻翻l 美国在线公司6 周内就增加了1 0 0 万个l 全球每天产生7 3 0 万个新的网页 全球1 小时内件有8 3 亿种因特网主页被新用户选择i 全球每分钟将会有9 7 万封电子邮件被发送 图1 - 2 因特网系统发展的快速性 因特网是全球最大的、开放的、由成千上万公共和专用网联结而成的计算机网络。 因特网将各部门、各企业和各种信息资源集为一体。企业可以将因特网用于各个方面， 如提供产品目录和各种服务。任何类型的信息广告、分类目录、参考手册、备忘录、 软件等，都可以放入因特网。可以说，因特网已经发展成为全世界最大的信息超级市场。 通过一根电话线与因特网相连，用户不但可以使用电子邮件与网上任何用户通信，还可 以跨地区、甚至跨国界使用远程计算机资源，查询网上各种数据库内容并获得希望得到 的各种资料。一种全新的空间一网络空间( c y b e r s p a c e ) 正呈现在人们的面前。因特网 跨越时空的限制，以巨大的运转力量带动全球经济的快速发展。 内联网( h l n 锄e t ) 利用因特网的技术组网，但与全球因特网隔离或通过防火墙相连， 主要用于企业内部，它基于t c p ，口协议，以w w w 技术为基础，用于实现企业内部信 息流的传递。外联网( e x t r a n e t ) 利用加密技术通过公共的因特网组网，具有高度的经 济性，主要用于大企业分散在世界各地的分支机构集成以及企业间的集成。因特网的基 本体系结构系统是内联网和外联网的基础，能在因特网上使用的多媒体通信技术同样可 以使用在内联网和外联网上。 h l t e m e t 是世界上最大的互联网络，i n t e m e t 把世界各地已有的各种网络，包括计算 2 三! i 堕圭i 篁! ! i ! 机网络、数据通信网已经公用电话交换网等互联起来，组成一个跨越国界范围的庞大的 互联网。因此，也称i n 把m e t 为“网络的网络”。 从网络互联的角度来看，i n t e m e t 是由成千上万个具有特殊功能的专用的计算机通 过通信线路，把分散在各地的网络连接起来，在用户看来，它是一个覆盖全球的单一网 ；络。从网络通信的角度来看， n t e m e t 是一个由1 m p 协议把各个国家、各个部门、各 种机构的内部网络连接起来的超级数据通信网。从提供信息资源的角度来看，i n t e m e t 是集各个部门、各个领域内各种信息资源为一体的超级资源网。凡是加入i l l t e i e t 的用 户，都可以通过各种工具访问所有的信息资源，i n t e r r l e t 是不受任何政府或某个组织机 构的管理和控制，它是成千上万相互协作的组织和网络的集合体。从某种意义上来说， 它处于无政府状态中，但是，连入i m e m e t 的每一个网络成员都自愿地承担对网络的管 理并支付费用，友好协作进行i n t e r n e t 上的数据传输，共享网上资源，并且共同遵守 t c p ，i p 协议的一切规定。 1 3 网络经济 进入2 l 世纪，随着因特网的迅速发展，一种新的经济模式一网络经济，正逐渐成 为现代经济中的重要组成部分，网络化将进一步促进经济全球化，并对传统市场产生巨 大的影响。 1 3 1 网络经济的概念 因特网改变了人们的工作和生活方式，也从根本上改变了现有的经济格局。由于因 特网在经济领域中的普遍应用，使得信息和知识的获取和共享成本得以急剧下降，从而 导致信息和知识代替了资本在经济中的主导地位，并最终成为核心经济资源，形成种 全新的全球经济形态一网络经济。 普林斯顿大学经济学家布林德的研究表明，过去2 0 年间，美国企业在计算机上投 入了大量的资金，但生产率却直没有明显增长。近几年美国生产率的提高以及由此产 生的美国国内生产总值的持续增长，是因为因特网的普及使高速计算机连成了网络。只 有在计算机形成高度网络化的时候才出现了全国性的生产率提高。不少经济学家认为， 因特网的迅速发展与美国经济的同步增长并非巧合。 1 3 2 网络经济的特点 网络经济的特点是：经济网络化、企业虚拟化、新行业不断涌现、产品网络化和技 术创新快速化等。 ( 1 ) 经济网络化 网络空间中的经济活动正在迅速膨胀，也正在逐步形成相应的游戏规则，竞争条件 也更公平。以前的许多经济活动如商品的购买、付款都可以在网络上完成。市场在网络 经济中从不透明变得透明，并向网络空间转移，如虚拟商店、虚拟交易市场。 ( 2 ) 企业虚拟化 各种具有不同特长的企业通过网络组织在一起，对产品协同设计制造，如同一个企 业。但这个企业是虚拟、动态的。任何企业都可以在因特网上建立自己的网站，发布自 己产品的各种信息。而且还可以通过因特网搜寻自己需要的零部件，工具和原材料以及 有关软件和资料，也可以货比三家。 ( 3 ) 新行业不断涌现 因特网给人带来新空间的同时，也在形成新的行业和新的增长点。在因特网出现新 的信息服务就是最明显的事实，如信息服务和软件服务、搜寻信息的特定服务和新型的 基于网络环境下的节点球制造研究 快递公司。 ( 4 ) 产品网络化 信息存储和传播类产品网络化，如联网随身听、网络电视机、网络电话和手提扫描 器，这些产品都能通过因特网直接上网，收发电子邮件、浏览和下载网上信息、上网处 理业务。制造装备网络化，装备的生产企业或维护中心可以通过因特网在异地进行故障 诊断，使用者也可以通过因特网对装备进行异地监控。 ( 5 ) 技术创新快速化 促进科学技术思想交流、发展和进步是因特网的最大贡献。当今科学技术加速发展， 产品更新换代速度加快，其中一个最关键因素是信息和知识交流渠道的快捷和畅通。 1 3 3 支配网络经济增长的法则 推动网络经济高速发展的内在动力是信息技术的快速发展，以及它所导致的生产与 服务成本的下降和产品经济向服务经济的转型。信息技术进步对经济的实质性影响可以 通过“摩尔定律”、“光纤定律”和“网络效应法则”等来描述。 ( 1 ) 摩尔定律 平均每1 8 个月，半导体晶片的容量会增长一倍，成本却会降低一半。如图1 3 所 示。这种趋势已持续了3 0 年，估计还会持续2 0 年。 ( 2 ) 光纤定律 因特网宽带每9 个月会增加一倍的容量，而成本降低一半。如图1 3 所示。与光纤 定律类似的还有吉尔得定律：在未来2 5 年主干网的带宽将每6 个月增加一倍。当带宽 变得足够充裕时，上网费也将下降。 时间 容量 图1 3 摩尔定律和光纤定律的示意图 时间 ( 3 ) 网络效应法则 网络的价值随着用户数量的增加而呈指数增长。2 0 世纪9 0 年代以来，因特网不仅 呈现了这种异乎寻常的增长趋势，而且正向经济和社会的各个领域进行广泛的渗透和扩 张。因特网上计算机数目越多，对经济和社会的影响也就越大。网络效应法则对企业赢 得产品或服务销售市场有很大启示，为了实现网络效应法则效应，用户人数需要达到一 个零界值。 网络经济包括两大部分：网络产业和传统产业的网络化。网络产业的发展走了一条 高速发展，随后又迅速下滑的道路。但总的来看，网络产业的发展速度超过了以往任何 一种产业的发展速度。传统产业的网络化则是种持续的快速发展，并成为网络经济中 的主要部分。网络经济的迅速发展是不可改变的趋势。 工程硕士学位论文 1 4 网络化制造 网络化制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。柔性化和敏捷化是快速响应客 户化需求的前提，表现为结构上的快速重组、快速响应的性能，并在过程中的并行性与 分布式决策。这意味着系统必须具有动态易变性，能通过快速重组，快速响应市场需求 的变化。由于制造资源与市场的全球性分布，这种快速重组必须建立在全球性的分布式 网络网络化基础之上。在网络环境下，制造企业的组织形态、经营模式和管理机制需要 有全方位的创新，使之适应网络化制造的要求，制造企业不再是孤立的个体，而是社会 大系统中的一个成员，并成为动态的制造环境中一个可资使用的制造个体资源，以企业 集成的形式，通过合作与竞争，参与动态的制造系统重组。 1 4 1 基于a g e n t 的网络化制造模式 a g e m 在分布式人工智能领域中的概念是一种智能逻辑单元，表示推理决策和求解 问题的能力。a g e m 之间通过计算机网络连接，a g e n t 作为网络上的智能节点，构成分 布多a g e n t 系统，其特点是开放性、分布式合作和适应环境变化的自组织能力。随着 a g e n t 应用与发展，它的含义也有所延伸：在一些环境中a g e n t 表示具有封闭功能、能 自主决策的功能实体，称为“自主体”或“自治体”：在另外一些环境中a g e n t 的作甩 与其原来的意义相同，是功能利益实体的代表，负责代理功能实体的一切外部事物。在 制造环境中一个a g e n t 所代表的功能实体可以是组织、生产单元和软件系统等。一个工 厂、一个企业、一个车间都是典型的功能实体的规模。选择功能实体的条件取决于a g e n t 的粒度。a g e m 的粒度反映其功能实体的规模。一般来说，各a g e l l t 自律而且彼此独立， 但可阻以别的a g e m 作为自己的友元。网络体系结构图见图l _ 4 。 计 图l 一4 基于a g 曲t 网络化制造环境 从本质上讲，任何规模、任一层次的制造系统都是由若干和完成不同任务的环节组 成。各环节在独立完成自身任务的同时，有相互协作，共同完成制造任务，因此，可以 说制造系统实现制造资源向产品转化的整个过程是一个典型的多a g e m 协同求解过程。 根据制造环境中个功能实体完成自身任务的方式，可分为三类：( 1 ) 运行过程中不 需要人干预的自动体系，如数控设各；( 2 ) 通过人机交互进行工作的人机系统，如c a d 系统等；( 3 ) 制造中人或组织，包括完全由人来操作的简单制造设备。 图1 4 所示的网络化制造环境仅仅是一种静态的组织结构形态。为了适应不确定的 快速多变的市场需求，必须建立有效的快速动态响应机制，达到系统整体的柔性与敏捷 性，其中复杂性问题和可操作性问题将变的十分突出。a g e n t 所具有的特性与基于利益 驱动的动态重组机制相结合，将使问题相对简单化，并可增强其可操作性。 在社会环境中，利益驱动是引起市场竞争，导致社会分化的核心因素。与此相类似， 由于各a g e n t 是其功能实体利益的代理，因而，在基于a g c m 的网络化制造环境中，同 基于网络环境下的节点球制造研究 样可以引入市场竞争体制，以经济利益为纽带，通过市场竞争中的招标投标方式，驱动 各a g e n t 之间的动态组合，达到制造系统的动态重组。 1 4 2 网络环境下企业集成 基于a g e m 的网络化制造模式为企业集成的实现提供了种开放式框架。企业集成 的关键是提高对环境的快速适应能力，即通过使用现代信息技术，建立灵活机动的、高 效率的信息处理和反馈系统，提高企业适应市场变化的能力，使企业在复杂多变的市场 环境中生存，并不断发展。企业集成包括系统集成( 企业内部集成) 和企业级集成( 企 业间集成) 两个层次，但其重心已经由系统级集成转向企业级集成。企业集成的实施目 标是建立增殖伙伴网络或分布式合作网络。 增殖式伙伴网络是由具有相关利益的独立企业组成，为组建一个临时的、集合性的 企业提供支持。成员间共享信息、共同响应市场、共同创造商机、相互协作、共同受益。 分布式合作网络是与传统企业的组织结构与功能裂化、分布化和虚拟化而形成的企 业网络。面对单一场所的生产计划和控制概念( 如m r p 、m r h i 等) 转变为多场所 协调与自主决策。同时由于外组产品的增加，严格的固定不变的层次结构转变为根据目 标和环境的变化动态组合的临时网络结构。其运行与管理不仅需要注重本地与自身的 活动，同时必须考虑和管理网络的相关过程。在自治的虚拟单元之间不仅仅要支持一般 应用之间的通信，如电子数据交换( e d i ) ，还要支持分布式合作。 企业集成的总体组织原则是虚拟企业或动态企业联盟。这首先需要建立企业联盟的 网络环境。企业联盟网络的建立既需要制定联盟的行为准则，又需要先进的信息技术支 持，这些服务的实现则依赖与信息技术。它们之间的关系如图1 。5 所示。 图1 5 建立企业联盟的基础 在企业联盟网络中，每个独立的企业都作为网络上的一个成员企业节点。成员企业 节点一方面保持其自治运转的特点，另一方面与网络上的其他节点合作。联盟网络上的 企业在功能上包括企业实体和企业a g e n t 。企业实体包含企业所有的自治功能完整的信 息结构以及企业内部的活动与决策。企业a g e m 是企业外部特性的体现，代表企业利益， 负责与其他企业的交互与合作。其功能是个企业内部功能与内部行为的抽象与映射， 包括企业描述信息、公共信息、质量信息、合作信息、安全信息等；二是代表企业执行 商务活动。成员节点企业可以是一个真正意义上的企业，也可以是能提供某类服务的非 完整企业，这将为中小企业带来好处。 为了维护企业联盟的正常运行，联盟网络上的节点还应包含协调节点和公共信息服 务节点。协调节点主要提供一些基本服务，如企业入盟申请的批准、入盟注册、数据采 访权限的授予等。公共信息服务节点为联盟节点成员提供一些公共信息的存储和查询服 务，如联盟成员数目、最新消息、联盟组织原则等。企业联盟网络见图1 6 。 6 工程硕士学位论文 图l 一6 企业联盟网络 点 企业联盟网络由市场驱动，通过基于商业利益的市场机制竞争，驱动企业联盟网络 中成员企业间的动态组合，形成临时性的动态企业联盟。一旦任务完成，利益关系终止， 动态联盟解散。当出现新的市场机遇时，这种重组过程重新开始。 1 5 国内外网络化制造的研究现状 “敏捷制造”已经引起了世界各国的重视，美国更是强调以敏捷制造重新夺回制造 工业的优势。如果说精益生产是从企业级考虑问题，那么敏捷制造就是跨企业即社会级 处理问题。敏捷制造的突出特点是提出了“虚拟企业”的概念，即根据市场需求，充允 利用各自的优势，不失时机的对市场作出快速响应。虚拟企业能否取得成功，关键在于 合作伙伴间是否存在敏捷的信息基础框架，以及是否充分利用了这个信息基础框架来改 善制造商、供应商、顾客和合作伙伴间的关系从而进一步降低生产成本、提高产品质量 和减少生产周期。因此，美国的政府部门、大学、科研机构和公司利用先进的通信和信 息技术建立了许多制造网络，如：“制造系统的敏捷基础框架”( a j m s 是美国国防部提 出的第一个敏捷制造计划) ；“计算机辅助制造网络”( c a m n e t 是由美国国防部a r p a 提供资助、通用电器工厂研究与开发中心开发的) ；“企业集成网”( e i n e t 是由美国国防 部删提供资助、u t a l l 大学和p a r i n e t 公司合作完成的项目) 等。 敏捷制造作为美国继c i m s 之后提出的一种更高一级的制造系统，从内涵上扩展了 现代制造系统的内容，充分体现了制造系统集成柔性产生、信息网络、管理决策等理论 所产生的巨大效果。美国专家预测，2 l 世纪初采用的这种生产模式，其生产率将比c i m s 有3 倍的增长。其理论已在自行车、汽车、电脑业等方面得到应用。为了更多的占领世 界市场的份额和制造出性能更优越的微处理器，全球最大的5 家芯片制造商已达成对敏 捷制造的共识，形成了以h p 、i n t e r 联盟和m m 、a p p l e 、m o n o r a l a 联盟的两大阵营互 相合作角逐的局面。美国三大汽车公司为了和日本丰田公司争夺市场，在美国政府和美 国汽车技术委员会的支持下，共同研究开发课题，力争开发出无污染、低油耗的新型汽 车。基于对敏捷制造的认识，香港理工大学李荣教授和同济大学张曙教授等人合作研究 的分散型网络系统，则是在消化、吸收发达国家成功的先进制造技术基础上比较适合中 国国情的理论学说，当然要实施这个生产系统，还有许多事情需要研究和解决。 7 基于网络环境下的节点球制造研究 1 6 制造企业实现网络化制造的主要步骤和方法 制造企业实现网络化制造的步骤主要有：指定规划、构造网络化制造基础平台、开 发后台应用系统、构造前台电子商务和网络化安全问题。 微软公司的n ts e v e r 、i i s 和a s p 、s q ls e v e r 以及f r o n 口a g e 为实现网络化制造提 供了主要的技术手段。因为n ts e v e r 拥有简单易用的图形用户界面、丰富的管理工具、 n i f s 安全功能、内含i i s 服务器组件，s q l s e v e r 与之天然集成。同时在n t rs e v e r 和i i s 平台上，可以用i d c 、a s p 技术方便实现数据库的动态发布。 传统的数据库应用系统采用客户机服务器模式，既有高度的交互性，高效的用户界 面等优点，但也存在数据交互和交互规则移至客户端代价高，维护成本高，缺少中央控 制，多媒体要素不易扩展等缺点。 基于受客户机的浏览器朋臣务器模式克服了以上缺点，由于w 曲服务器浏览器端的 界面布局、人机交互形式及界面间逻辑关系仅服务器端定义，从而保证了界面的完整和 清晰、易维护，并使前台客户机的负载减到最小，减少了不必要的网络连接和数据传输 ( h t t p l l 允许服务器和浏览器一次连接传输所有数据) 。采用超文本标记语言 h t m l 4 o 标准，与更多的多媒体元素，具有很强的多媒体扩展功能，前台界面更具有 吸引力a c t i v e x 充分利用了操作系统所提供的资源，是模块重用，高效运行的较好解决 方案。 实现w c b 数据库的应用，一般有两种方法：一种是w 曲服务器端提供中间件连接 w 曲服务器与数据库服务器：另一种是把应用程序下载到客户端直接访问数据库。最常 用的中间件技术有通用网关( c g i ) 和应用程序编程接口( a p i ) ，微软推出的a s p ( a c t i v e s e r v e rp a g e s ) 技术是一种开发相对容易、功能强大且高效w 曲数据库开发方法。a s p 实际上是在服务器端开发脚本语言的环境。利用a s p 开发脚本程序全部运行在服务器 端，极大地减少了对客户端的要求，而且又有效地保护了开发人员的知识产权，不受别 人侵犯。 工程硕士学位论文 第二章组建螺栓节点球网络化制造小型局域阿 目前螺栓节点球制造智能节点的加工中心都处于单机运行方式，采用微机辅助分段 输入、分段加工的方法，设备利用率普遍较低。随着加工中心的增多和现代化管理的需 要，螺栓节点球制造企业迫切需要将企业内的加工中心联网，构成d n c 系统，在网络 化制造的环境下实现集成化控制和管理，近几年国内外对d n c 系统的研究非常活跃。 要实现此目标，首先要解决计算机和加工中心的通信问题。 要完成螺栓节点且的数控加工，需要在通常的钻铣加工中心上安装数控正交分度加 紧装置，来实现螺栓节点球球面上任意分布盲孔的加工。 2 1 底层设备的通信技术 计算机与加工中心的通信方式取决于加工中心的通信接口和通信协议。加工中心的 通信接口和通信协议有以下几种：( 1 ) 录音接口，该接口为国产老式经济型数控系统的 通信接口；( 2 ) 纸带阅读机输入接口和纸带穿孔机输出接口，早期的引进的加工中心具 备此接口，新开发的已基本淘汰；( 3 ) 异步串行通信接口，如r s 2 3 2 、s 4 2 2 、s 4 8 5 等， 这是应用最普遍的一种通信接口；( 4 ) d n c 接口，如f a n i7 c d n c 2 接口，这种接口可 以实现远程通信，具有出差反馈与在线实时修改功能，便于远程管理，但结构复杂通信 软件开发难度大，价格高，因此，我国很少引进；( 5 ) 网络通信接口，只要有m a p 接 口、已太网接口、现场总线接口，这类接口通信速率高，可靠性高，新开发的开放式加 工中心大多具有已太网接口选件。m a p 网采用m a p 2 1 和m a p 3 0 制造自动化协议，是 目前较为广泛的工业网，它将宽带技术、总线技术和无源工作站耦合在一起，保证了信 息的无错传输，但要求m a p 实现与加工同步传输n c 程序时，很难达到实时性要求， 网络存取费用高，传输率低，实时性差，不适合于加工中心的联网。由此分析可知，异 步串行接口p s 2 3 2 是最常用的接口，几乎所有的加工中心都包含此接口，因此，在组建 螺栓节点球制造局域网中计算机与加工中心的通信方式都采用r s 2 3 2 接口。 对于通信距离短、组成d n c 系统的加工中心少的小型系统可采用点对点式通信连 接，如图2 1 所示。该连接方式结构简单，但连线多，易出故障，通信距离短，不适宜 于较大范围的d n c 系统。另外，通信竞争问题直阻碍着其应用的推广。 图2 1d n c 传统通信拓补结构 为了延长通信距离，使较分散的加工中心也能联网，北京机床研究所研制了数控机 床集成器和智能通信单元，通过他们连接d n c 主控计算机和多台加工中心，完成加工 程序的传递及机床状态采集上报和部分生产管理功能，成果居国内领先水平，改进后的 9 基于网络环境下的节点球制造研究 m q c 通信拓扑结构如图2 - 2 所示。这种通信结构必须针对具体的加工中心研制专门的 d n c 智能通信单元，也就是要研究螺栓节点球制造节点的d n c 智能通信单元，开发周 期长，成本高。 图2 2 改进型的d n c 通信拓补结构 9 0 年代初，我国一些企业采用一台加工中心与一台工控微机相连，所有的工控微机 再通过局域网与d n c 主控计算机相连的通信模式。这种d n c 通信模式存在以下问题： ( 1 ) 工控微机置于生产环境，环境粉尘和温度变化造成d n c 系统故障率高、可靠性差； ( 2 ) 对操作工要求较高，管理与维护工作量大；( 3 ) 加工前，n c 程序需要通过网络传 送到下位工控微机，多台加工中心先后加工一批零件时，若肼q c 主控计算机中修改了 n c 程序，会造成加工零件的不一致；( 4 ) 操作工人需要双侧操作工控微机和加工中心 操作面板，操作复杂。效率低；( 5 ) 没有全局广播功能。 由于以上通信方式存在的缺陷，我们采用一种实时、高速、可靠、廉价的新型d n c 系统，可实现远程通信，具有操作方便、开放性好的特点，其网络拓扑如图2 3 所示。 每台加工中心配备一台通信前端单元，各通信前端单元与d n c 主控计算机间采用廉价 的双绞线连接，系统具有良好的扩展性，增加一台加工中心，只需要增加一台通信前端 单元和一小段双绞线。通信前端单元主要起数据缓冲和协议转换作用，它与d n c 主控 计算机间以c a d 协议通信，与加工中心问以异步串行通信协议通信。通信前端单位体 积小，可集成在加工中心控制柜中，本身能适应恶劣的粉尘生产环境和较高的温度工作 环境，有很好的电磁兼容性，可靠性高。c a n b u s 的远程传输特性使d n c 主控计算机 远离生产现场，能置于恒温的良好环境，保证了系统整体的可靠性。新型的d n c 通信 系统彻底改变了原来双侧操作方式，实现了操作系统的单侧操作，操作工人只需根据双 侧计划和加工中心作业指导书操作，加工中心的操作面板直接申请n c 程序，系统即可 分配n c 程序到相应的加工中心的通信前端单元。另外，新型的d n c 通信系统与加工 中心的通信速率提高到1 92 0 0 b p s ，可以完成螺栓节点球高精度高质量的要求。 新型d n c 通信系统核心是c a n b u s 现场总线作为加工中心集成化控制的通信平 台，实现了一台d n c 主控计算机控制多台加工中心，主控计算机与多台加工中心之间 可实现实时、高速、可靠传输加工程序，能满足多台加工中心同时以d n c 方式加工。 c a n b u s 现场总线的优越性能使新型的d n c 通信系统具有以往系统不具备的显著优 点。 1 0 il d n c 主控计算机 c a n b u s ( 双绞线) 。上，1 i 乜墓ii 票薹翼ll 瓣il 纛薹凳il 黧l | 燃i 广_ ii il l i 厂驾素l 厂翟恚ii 挈恚fl 翟焉ll 塞紊ll 毫焉l 图2 3 新型d n c 通信网络拓补结构 2 2d n c ：系统的通信竞争 新型的d n c 通信系统中，当多台加工中心同时加工节点球时，由于n c 程序庞大， 机关中心的内存无法存放n c 程序，只能采取饼q c 传输方式加工，这有可能出现加工 中心因暂时缺少n c 程序而加工停顿的现象。这种现象称为“通信竞争”。通行竞争在 实际生产中不被允许。因为，这会严重影响零件的加工精度和质量。 引起通信竞争的因素大致有：( 1 ) 联网中的加工中心的数量m ，数量越多，竞争盼 可能性就越大；( 2 ) c a n b u s 现场总线的传输速率v 、传输效率c 、节点的切换时间f ， 传输速率是有效字节数与总传输字节数的比，c a n 采用短帧传输，传输效率较低；( 3 ) 各加工中心的通信传输速率v ，、传输效率p ，( f _ ) ，v ，通常为96 0 0 b p s ，但螺栓节点球 的加工要求v 达到1 2o o o b p s 以上；( 4 ) 加工中心程序消耗率p i ，加工中心每秒执行程 序的位数，其波动较大，但每个加工中心都有一个最大的值；( 5 ) 加工中心的数据缓冲 区b u f f e r 的大小9 ；( 6 ) 各d n c 通信前端单元的数据缓冲区b u f f e r 的大小， 是需要优化的量。 解决通信竞争问题就是利用以上的各种因素建立数学模型，优化，使所达到极 大，达到极大可保证d n c 主控计算机通信切换次数减少，提高工作效率。建立的数学 模型如下： 优化目标： m 懿肼弛 川 约束条件l ： u q p 基于网络环境下的节点球制造研究 约束条件2 ： 其中： 约束条件3 ： n o ( 5 ) 式( 1 ) 是保证数控系统的数据缓冲区中有加工程序，是加工不出现中间停动。式 ( 3 ) 为第1 台加工中心相临两次从d n c 主控计算机获取n c 程序的等待时间。式( 2 ) 、 式( 4 ) 是保证数控系统在执行完上一批从d n c 主控计算机得到的程序前，d n c 主控 计算机已将下一批加工程序段送入d n c 通信前端单元，即始终保持d n c 通信前端单元 和加工中心控制系统的数据缓冲区中都有n c 加工程序，直到整个n c 加工程序执行完 毕。 将以上数学模型的求解用于实际的d n c 通信，可保证不出现d n c 通信竞争，因为 模型求解时代入的p i 值是数控系统的最大加工程序消耗率，而数控系统的实际工作时 加工程序消耗率都低于最大值；另外，模型求解时代入的m 值为联网加工中心总数目， 而同时与d n c 主控计算机通信的加工中心数目通常少于总数目。上述数学模型最终可 求得到和v i ，假如新型d i n c 系统中各加工中心设备相同，即q f 和q 以及p f 一致， 分别以q 、p 、b 替换，则由式( 1 ) 得： 嘲 p h 由式( 2 ) 、式( 4 ) 、式( 5 ) 得： o ! 业：! 塑：! ：三 s 垒竖f 6 、 v c 一( 埘一i ) pp 、 由式( 6 ) 得一 2 i n - 1 1 总体最小解为：蕊n p = 肋r ( g ) ，( 户j 2 力，) 。 我们要找的是路径忙和 印耐，使得口，为最小。 3 j 3 c a p p ( 螺栓节点球计算机辅助数控编程) 概括地说，数控加工编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计，以确定 加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立工 件的几何模型、计算加工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹：按照数控系 统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改，直到得到合格的 加工程序。 根据问题复杂程度的不同，数控加工程序可通过手工编程或计算机自动编程来获 得。手工编程是指编制零件数控加工程序的上述步骤均由人工来完成，只能解决点位加 工或几何形状不太复杂的零件编程问题。计算机自动编程也即是计算机辅助数控编程， 它是借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序。为了实现计算机自动编 程，需要开发螺栓节点球计算机辅助数控编程系统和相应的接口程序，系统数据来自于 i g e s 文件，螺栓节点球加工路径优化结果和加工信息数据库。 设计部门开发的图样信息是制造部门确定工艺方案和制造设备的数据源，制造部门 确定的工艺文件信息又直接影响生产部门的作业计划制定。故加工信息数据库是一个具 有c 柚c a m 集成特点的数据库。这样的数据库由若干子数据库组成：精度数据库、加 工余量数据库、切削数据库、工艺装备库和材料库等。 数据组织是数据库技术的核心问题。加工信息数据库的基本数据有以下几种：材料 数据、切削用量数据、刀具数据、机床数据以及从图形数据库中获取的图形文件。 3 3 1 材料数据 加工信息数据库中包含两种材料数据。 ( 1 ) 产品材料数据内容是各制造业所用材料的特性数据，包括材料代号、名称、 规格、抗拉压强度、热处理、预加工状态等。产品的材料数据提供给产品设计和工艺装 备辅助具使用。( 2 ) 刀具材料数据库包括材料牌号、名称、力学性能参数( 密度、硬度、 抗弯强度) 和使用牲能代码。在加工过程中，刀具材料的选择与产品材料、切削参数的 选择休戚相关。 3 3 2 切削用量数据 切削用量数据是加工中最常用的数据库内容。切削数据文件与工件材料、刀具材料、 刀具的耐用度、切削条件、刀具几何形状参数、切削加工方法等诸多因素有关。通常采 用三种方法建立供数据库采用的切削用量数据。 ( 1 ) 从各类标准化手册中选取有关数据内容供创建数据库使用，例如机械加工手 册、切削用量手册等。( 2 ) 收集和分析整理本企业的生产经验数据，对各种刀具的刀具 寿命( 刀具耐用度) 制定相应的切削速度、切削深度和切削进给速率的规范，形成数据 库所需要的切削用量数据。( 3 ) 理论与实验相结合的数学建模方法。例如：运用表面刀 具耐用度与切削参数和材料组合之间的关系的泰勒公式建立各种刀具和切削方式的数 学模型，同时将与该数学模型有关的产品材料、刀具材料、切削耐用度、切削冷却方式 基于网络环境下的节点球制造研究 和冷却液等有关参数形成数据文件存入数据库中，供数学模型采用。 3 3 3 刀具数据 刀具信息贯穿于整个加工过程。不仅数控编程需要刀具信息，而且制造实时控制、 刀具存储、生产作业计划编制、订货管理、刀具维修和刀具干涉检查等都离不开刀具信 息。刀具种类繁多，刀具结构形式有整体式、装配