网络协同制造系统的构想与实现

1、劲t M张管勇等：M络如问制达系址的构也9实现1620)3 年劲t M张管勇等：M络如问制达系址的构也9实现劲t M张管勇等：M络如问制达系址的构也9实现学科进展与展望网络协同制造系统的构想与实现张智勇 吴波 杨叔子(峻中科技大学机械学冼机减电子与信息工畏系，武汉430)74)【摘 要牙折了目前M论业的现状，提出充分利用现南技术对创造系统进行改造爰援升当前制 進企业丸爭力的必煞之路。制追骨琼的月装是制迪崔滋的智能化勺网络化的址战开域式体系结 构的采用与来于C0KBA規范的软赴圾结构的实现，£就电系统具有柔性的«il,异构制造资源之 何的通倍与协作使不同的制谡资源能够抉速地賈

2、成到系统的集成框架结梅中并能针对制逍任务 快谡形屁动态的妃织结构，便剑适系疣在变化的环境中具有级大的辙捷性。关键词智能制造敏捷制造，协同制造资源集成劲t M张管勇等：M络如问制达系址的构也9实现劲t M张管勇等：M络如问制达系址的构也9实现屮何科学叹龊I; 何家ri然科学秋介贞助陵II文 200211 )1 I h 枚到引盲由于经挤全球化及知识经济时代的到来无国 界化企业经营的洁势愈来愈明显籟个制造市场的 竟争呈现出明£的国际化和一体化c与此同时，用 户消费水半的捉咼消费者不再满足十大众化产品， 个性化、待殊化快至是用户参与设计、制造的产品 耍求愈来愈多，导致整个制造市场显现出明显的

3、不 确定性共至是不甩定性J制造企业在采用先进制造 战略提岛产品的牛.产效率缩短产品生产周期的同 吋，还需从产品的质呈、成本、时间、服务、环保等多 方面进行考虑，提祷对市场的敏捷响应能力来保证 在全球化市场竞争中麻禅一席之地，茨至是更多的 市场份额 但对丁如何利用已冇的技术来改造和提 升传统的制造业，使系统内原本分散的制造资源(如 应用系统、制造设备或遗留系统等)集成息来形成 核心竟争能力增强对环境的反应能力；同时，将各 具核心能力的企业联合起来，在相互通信与协调的 基础上形成增伉网络，共同来对市场的变化做岀积 极的响应，实现双X.-宣足个值得探讨的课题“本 文试图从这-角度出发提出用碎M的理论

4、勺方法 来对制造系统中分散的制造资源进行建模与封装 (encapsulate),形成智能化的制逍单元增强其对外 交互、协调与仿息处理能力。用X.ML对制造资源的 居性进行描述幷用于制造资源在制造系统屮的注 册，在保证制造系统央有可扩展件的同吋，使不同的 制造资源在通殆时具有共同性的语育。基于C0K BA规范的软总线结构，便不同的制造资源具有即桶 即用的特性，同时使制造系统具有极大的柔性<> 在 不同制造项H的需求卜实现动态的组织结构使制 造系统具有敏捷地响应危力二在本文的戢后部分给 出了系统实现的原巾系统及相应的运行流程1网络协同制造系统的构想制造企业是一复杂的系统它包括制造设备应

5、 用系统(to.CADXAPP.CAM.MES等)、人类资源爭 制造资源同时也包括知识、倍息.资金、市场等无形 资源二在制造过程中不同制造资源之间涉及到复 杂的物料流与信息流c在文献1】中表明信息交换 的速率与效率直接形响物流的流动效率U因此在 制造系统中加强不同制适资源之间的伎息交互与协 作的程度将有助于制造系统的执行效率与系统性能 的提高制造系统中的制造活动涉及到产胡的设 计、制造、销售甚至是与客户交互等过程提岛不同 功能活动之间的佰息交换与协同的速度，冇助于提 岛制造系统对外的敏捷性与执行效率在传统的制造方式中产昂的设计、制造过程是 一串行过程设计与制造周期成本岛，有肘还会 岀现多次反复

6、严重影响了制造系统执行效率竞争 力不强缺乏对坏境变化的应变能力n制造系统应 在先进制造战略(如僧能制造、敏捷制造、并行工稈 等)的指导下允分利川现有的技术对传统的制造企 业进行改达以期在以F几个方面冇所突破.(1) &计、制造过程的并行性。CAx(CADs CAPP .CAM等)不称是独V.的系统彼此之间歳能相 厲通仃与协调这样任产品的设计、工艺规划、制造 中不再足串行的过稈在设汁阶段就能发现问题缩 短产甜的开发时问提高产品制逍的质燉与效率。(2) 信息获取与处理的种能性。毎个制造资源 (加工设备、应用系统成遗割系统等)应足独立的智 能单元JI*从网络口动获取借息与处珅的能力 这样山多

7、个类似的智能单兀组成的制造系统单个 的个体貝冇从网络获取制造任务，而系统则能髓时 把握整个系统中各资源的属性与状态。无论从个体 还是到快休都具有信息自动获取与处理的智能件。(3) 组织结构的灵活性;.系统应几冇开放的体 系结构，任制造资源的动态变化(加入、撤消、故障 吋不会对其他制造资源的H作产生任何形响。同 UjJfflA到系统中的制适资源应能随时把握住系统 的全局视图(系统中所有制造资源的名称、通信地 址、般务能力等)。(4) 运行仟理的敏捷性。在外界环境变化时制 造系统应口有快連集成相关制造资源组织生产完 成制造任务的能力°这种能力应表现加制造系统根 据订单任务自廈构组织结构的

8、能力。同时在外界 坏境发生变化时俣持系统稳定的能力了2系统实现的关键技术网络协同制造系统的提出对制造系统的体系 结构勺组织结构提出r更高的要求，从体系结构而 育，它耍求制造系统只有开放式的即描即用的结 构这样任制造资源动态变化时如加入、撇消、更改 服务等动态刷新这些伯息并被所有资源所利 川从绍织结构而言它应見有灵活的.面向市场的 组织结构，能够以项目的方式迅速集结所需制逍资 源组织生产完成客八所提交的制造任务，甚至足让 客户参耳产品的设计与制造工作、客P订单任务执 仃状态的跟跺等但传统制造蟆式勺制造技术很堆 实现这一点。因此网络协同制造系统咸冇相应的 技术作为支拧來实现上述日标“基于上述考虑我

9、 们对网络协同制逍系统中的关键技术作研究J2.1基于agem枝术的制造资源建横人制造设备.应用系统等制造资源它们不仅 仅是组织单元的附属物同肘也是制适活动的执行 者与支持者它们作用发挥的好坏自接关系到企业 的成败-信息技术与计算机技术滙速发展的今 天对制造资源提出了见岛的要求它们不仅应冇 相应的处理问题的能力(如设讣加工能力)，同时 应具冇支持网络功能、秤能信息的获取与处理功能 以及通伯与协调隧力° E卩在网络制造的坏境F企 业中的制造资源应具冇如下的技术特点：支持网络功能凤域匕分布的、异构的厲治 的制造资源，能通过网络接受制造任务并递交制遗 结果，这是不同类型的制造资源进行网络集成

10、的基 础。(2) 白治或半a怡的:能够自主或在操作工人或 其他制造资源的控制下完成相应的加工任务.(3) 信息的交互与共享:能通过网络与其它制造 资嫌进行古息交互与共仪、信恵可以足结构化信息 也可以是小结构化的信息交互的方式町以通过数 据库.表格、中间件等。(4) 协调与协作能力:不同制造资源之间的合作 町采用双方可理解的方式进行，这种方式可以足通 用的，也町以是双方门定义的如合同网协议、星于 市场机制的合同网协议等s(5) 局部问题規划能力。应能根据自!的任务 队列、状态进行扃部的任务规划而不仅仅处被动的 任务接受者。周部任务规划是对集中式任务现划的 一种补充这样既可避免性能瓶颈问題又可实现

11、 个制造资源的主动性。(6) 制造过程中的自适应能力.制造系统曲于 其所处环境因索的影响处于动态变化的过程半中亍 因此保持系统性能的稳定是一个制造系统适应环 境变化的重要评价指标。从上面可以右岀阴络化制造环境下的制造资 源在许多方面的特性非常类似于多agent系统中的 咻亦7,因此用帔川技术对制造资源进行建模， 并利用agent、多agent系统的体系结构、通信方式、 协调技术来处埋分布的、异构的、H洽的制造资源之 间的合作与协卿对于提升的制造资源的利用率缩 短产品的加工时间增强企业的市场竞争力是项 有力的措施。这样单个制造资源是基于知汉的系 统具右信息的自动伏取与处理匪力°同时,不

12、同的 制造资源之间，在开放式体系结构的墓础上实现信 息的共学与协调并在外界坏境(制造任务的订单) 18中 H H -T *5?2003 牛的作用下形成动态的组织结构对市场的变化作岀 敏捷地响丿亂2.2基于CORBA规范的制造资源的封装网络协同制造系统的提岀既不零巨额的投资 作冋报电不足妥摊弃原有的制适资源、而圧企充份 利用现有制造技术、信息技术的革础上对原有制造 资源进行改造，从而达到提尙企业竞争力的冃的。 因此，从这个角度出发，对系统中原有的分布、异构 的制造资滩持別是遗留系统(legacy sYhlem)进行封 装(encapsulate) 增强其对外交互与协调能力便其 在信息接受勺处理方

13、面具有一定的智能性，将圧充 分利用制造系统内现冇制造资源的基础。MT h述考虑©充分利用agent理论与技术及 分布Xii n规范COKBA的棊础上本文提出了如图 1所示的制造资源(制造设备、应用系统)的封装模 型c该模型的提thR的腿为了能够使片构的制造 资源间貝冇信息交互与协调、制造任务规划与自适 应能力同时能快速地集成到集成框架中去实现制 造资源的快速集成图|制造设备、闲用系傥的网堵包豪楼製从该模型中可以看出制造资源的包取器 (wrapper)应包括以下儿个方面的功能：(I)通信与协作練通信与协作的目的足为了增 强制造资源与外界之间的伯息勺知识共享的程度, 提尚制造资源的利用率

14、。2)知识的背理，经过包裹以后的制造资源应 是基丁知识的系统，这样在信息的接受、信息的处 理、问越规划与处理等过程中体现出相应的智能.<3)W部任务骨理c它定制造窃源对自身的状 态、任务进行竹理的一种方式。列外包臬蘇的接口应值得关注。它包括人机 接LI、实体接门以及网络按它与所研究的问肢 右f接关系c人机接1丨除了貝有友好的人机界面 外还应有较好地融合人的智能的能力。制造设釦 型的实休接口可以采川常规化的网络通信设俯如 网络卡、串行线等。而对于应川类型的实体而詳则 可采用如数据库农格或中间件的方式来作为不同 应用系统之间的接口 从而达到不同应用系统之间 的集成“制适资源的打装实现r制造资

15、源的种能化，这 样制造资源就町作为附ml进行网络之间的信息交 互与其孚并进行局部佻任务与调度“这样的方式 有助于提高分布应用中人体制造资源的智能性对 十山多个类似的个体组成的系统而才则在任务观 划、分配制造过程的自治性等方面将有别干集屮式 制造系统，这将冇助干制造系统基丁制造任务的n 重组。2.3制造资源的集成制造资源的集成是建V在资源模型与系统体系 结构基础上的°从体系结构的发展历程来看，它经 历了这样的几个阶段.且每个阶段貝有不同于其 他的特点。图2(“所示的是集中式的体系结构。 在该体系结构中上一级的资源agent监俗与控制下 级的资»： agent的活动，而下级的资

16、源邮m本 身无多少自怡权它只负贲上一级的资agent分派 下来的任务°图2(b)所示的是联合旳的体系结构" M 卜看它与集中式体系结构无多大的总別但它 们A系统的组织与管理万面存在木质的芜别。在各 个资源agcnl的自治性方面，二者存在差别前者无 自治性可言，在上一级资源agent控制下工作只能 局限于某一个范他不能与其他范旧内的资源。的m 进行通信与协调；后者具有一定的自治权.上一级的 资源agent只对下一层次的资源agent的活动起到协 调作川只作协调器(faclitalor)的作用，不同范IH内 的资源昭切1之间可以利用协调器进行相互间的通 倍与协调作用或进行功能匕

17、的调用。图2(c)所示 的是完全分散、自治的多喊ru系统结构c在这种体 系结构中各agent可看作是分散治的制造资源. 具有独立完成任务或与英他啪讽协作完成任务的 能力°对于不同的制造资源agent而言集成除了系统 体系结构以外，还应有集成的茶础设施与资源模熨 的问题即不同的制造资腺ageiH之间如何便捷地进 行通信与孙调同时对协调中的同一个槪念有相同 的理解二集成粧础设施是分布式应用输以牛.存的基 础。从系统的角度而白如何给个体制造资源提供 一个即插即用的Jf放式的集成框架，R能动态刷新 资源的状态与属性。从个体制造资源角度而占如 何动态地加人制造系统屮它需耍功能上的支持20

18、87;l« N科学从金2(MB 牛这种功能应体现用以F儿个方面，-足如何对自己础一足如何接受信息与处理信息，表现出应有的的沱册仃息辿行掛述任注册过程屮能被其他的资智能性且具控制自W行为的能力二源所如.11能械珅解这圧它们相扛通信与协调的基20»l« N科学从金2(MB 牛20»l« N科学从金2(MB 牛(a)(b)(c)ffl2 Mir资3)仪改的体条結恂g此中j:体«tan(h)联介炮体瑕结构定全0牧的体恳址楫20»l« N科学从金2(MB 牛20»l« N科学从金2(MB 牛3系统的运行丛

19、于以上何也同时也为了验证理论上的正确 件在集成华中科技大学机械学院已冇的制造资竦 的取础上我们利川Borland公司的CBuilder 5.0/ JBuilded.O的集威开发环境开发网络协同制造系 统的原也条统乐乜系统的硬件结构图如图3所示°圈3网络莎同劄辺系统嫌©的便件僦恂图3.1系统的组成网络协同解适系统的凍型系统由系统服务器、 MES设讣单元工艺规划、制造执行系统以及制造 执行啟尤等组成。(Dflfi务器山系统wd,服务器数据库眼务 器、PI)M服务器等组成是系统内信息与数据交换 的炀所同时也总系统对外的接小如系统订甲的获 取系统内的制造资源服务在广域网内的提供勾共

20、 咲(2)资源件理器。它足系统内制适资源集成的 取础：它的*川应体现在以卜儿个方面：一定负责 系统内制造资源的注册与管理,，资源不再用限于加 1.设备，如应用系统，CAD'CAPP制造执行系统等 都可以看作是制造资源。二是进行系统内的制造任 务规划与任务分配。三是为不同的制造资源之间的 通信与协作提供支持。(3) 设计单元“它由设卄单元邮讽与CAD a- 即组成C员责条统内任务的设计彳*(4) CAPPo 它JSrtl CAPP agent 与 CAPP 细成负 贲系统内制造任务的工艺过程规划宀(5) 制造单元。由制造单元1和制造单元2组 成。毎个制造爪元均冇制适笊元agmi与机床ag

21、enl 组成它的作用主耍为槌个实验系统提供网络化的 制造设备完成加工任务°(6) MESo负资制造任务的规划习调度)它的 作用体现在以下儿个方而。一足从资源背理签接受 制造任务二二是对制造资源实时监柠以便进行相 应的任务规划；三是进行任务训度，根据任务的不同 形成动态的制造单元。3.2系统中的信总涼该系统中的毎个结虫必独通过网络注册才能 成为该原和系统的正式成员以获取相应的权限，才 能与系统屮的其他结点进行协作，协同完成制造任 务。整个廉里系统的備息流科?如图4所示。垄于卜述过程，进行了简皿零件的设计、工艺规 划、制造任务的规划勺调度以及加工实验脸证工作. 实验结果表明该系统运行竹:

22、能良好，能完成预期的 任务从原理匕实现了我们所提出的网络协同制造 系统，4结论网络协同制适系统的提出与实现，说期r充分 利川现右的制造技术、借息技术对传统的制造资源 进行封装以增彊它们之间的缶息交互与共亨以及 协调能力，达到增陨制造单元的列能性、系统体系结 构的柔性以及细织结构的敏捷性从而提升制造系 统的竟争能力的H的。参考文献t 1 I Soph So l> ' AtlioiM* Onott Mnmrrnll. rierrrPhinrm*Scuimu. N/'lwnricd nMnii(artiirin|c: Thr imfw<t inwmeluin 4wr- i

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