结构件快速数控编程系统的集成技术研究

0 引言

　　近年，随着机械产品设计水平的提高，飞机结构上大量采用薄壁机械加工整体零件取代传统的钣金铆接装配组合件，飞机的结构件为飞机上的主要承力构件，是飞机骨架的主要组成部分，类别包括框、梁、肋、壁板、接头等，其结构复杂，制造精度高，加工难度大，制造周期长，严重制约飞机零件的生产，进而影响零部件的部装和飞机的总装。

　　飞机结构件普遍采用数控机床加工，而在航空制造企业中数控机床利用率较低的一个重要原因是数控程序编制的质量较低和效率较差，机床的加工参数没有处于最优的切削状态，机床经常处于停机状态等待程序修改。数控加工程序的编制经历了手工代码直接编程、字符式计算机辅助编程APT(Automatic Programming T001)和计算机图形交互式编程三个阶段。现在广泛采用的是计算机图形交互式编程方式，其工作流程是通过零件几何定义、刀具定义和加工路径定义操作而生成数控程序。

　　现今制约数控编程质量和效率的原因有以下几个方面：①对编程人员工程能力要求高，需要编程人员对加工零件制造流程通晓，具有丰富的数控加工工艺知识和数控编程技能；②程序编制过程需要软件通过人机交互操作实现，不断地利用鼠标和键盘选择参数、元素和设置数据，交互过程繁杂，重复工作量巨大；③数控程序的编写与机床、刀具、零件、夹具、工艺规程、检测方法、生产计划等密切关联，与企业现有的CAD模块、CAPP系统、PDM系统、ERP系统、MRP系统、MES等系统的信息共享差，不能充分利用已有的资源信息，无法动态更新编程的信息。随着产品的复杂和生产进度的要求，传统的编程方式已经远远不能够满足制造需求，因此旨在提高制造自动化程度的智能数控编程技术正成为现今研究的热点。

　　本文针对结构件数控加工车间的生产流程，提出结构件快速数控编程系统的集成技术，提出基于CORBA和WEB服务的系统集成的方法，构建了系统的集成框架，有效地解决了系统的信息共享技术。

1 快速数控编程系统集成关键技术

　　1.1 结构件快速数控编程系统体系框架

　　结构件快速数控编程系统应用于数控加工车间，在结构件快速编程和制造生产中，信息是在各个单一环节中共享的，图1所示为系统的信息流程，图2所示为系统的功能结构。

图1 结构件快速数控编程的信息流程

　　系统集成的关键是内容和信息的集成，通过接口实现各功能系统、模块的数据交换和功能互相调用，形成一个综合的应用系统以共同完成结构件快速制造过程，以面向WEB服务(WEB SERVICES)为平台的系统的体系架构如图3所示，平台由用户应用层、功能服务层、应用保证层、数据资源层、基础支撑层等组成。

　　用户应用层：为编程人员提供服务，通过C／S(Client／Server)和B／S(Brower／Server)实现人机交互操作，完成数控编程的应用功能。

　　功能服务层：为系统提供应用服务，实现各种不同系统间的互相操作的流程，该层主要包括工艺编程管理、系统管理、信息管理等模块。

　　应用保证层：为系统提供各种制造服务，通过各种二次开发工具开发的组件、接口来调用、控制、协调等来实现制造组织功能，包括应用系统和网络化服务系统两大子模块。其中应用系统子层为各不同的软件厂家提供的商业化软件，具体包括CAD、CAM、ERP、PDM、MES、CAPP、SCM、CRM等。网络化制造服务系统子层是系统的核心层，基于通用对象请求代理结构CORBA(Common Object Request Broker Architecture)和多Agent及基于语义的SOA服务，主要包括Agent、WEB、CORBA服务接口及其实现等。

　　数据资源层：管理相关的数据库资源，负责业务数据的存储和共享。数据库类型主要包括文件数据库、WEB服务数据库、XML类型数据库、FTP数据库、文档数据库等，用来存储用户数据、零组件产品数据、资源数据、工艺数据、程序数据、知识数据、本体数据等各类制造和管理数据资源。

　　基础支撑层：主要负责系统平台的硬件和核心通信及标准，包括数控机床、数控测量机、个人数字助理PDA(Personal Digital Assistant)、无线射频识别RFID(Radio Frequency Identification)等硬件设备；包括Internet／Intranet网络硬件和通信协议及接口相关的标准和规范，信息安全和控制等。具体的有TCP／IP网络协议、HTTP协议、FTP协议、SMTP协议、面向服务计算的WEB服务描述语言协议WSDL(Web Server Description)、简单对象访问协议SOAP(Simple Object Access Protoc01)、统一描述发现和集成协议UDDI(Universal Description，Discovery and Integration)、RS232标准、MAP接口、XON／XOFF协议、CORRB标准、Agent的描述语言ADL(Agent Describe Language)、Agent的控制语言ACL(Agent Control Language)、Agent的通信语言KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)等。

　　系统集成了CORBA组件和WEB服务，通过CORBA规定分布对象的定义、语言映射和封装接口，将WEB SERVICES作为其上层中间组件实行服务管理，通过多对象、多层次的代理体Agent形成应用框架。不同车间层采用基于SOAP的WEB SERVICES协议，车间内部应用采用CORBA协议。在企业内部设置服务注册中心UDDI，负责管理各车间WEB服务，应用系统可以是已有的数字制造系统。也可以是新开发的系统。对已经有的PDM、ERP、CAPP、CAM系统，通过WSDL文件描述系统功能及注册方法封装成WEB SERVICES组件，最后将服务描述文件通过UDDI API接口发布到UDDI供SOAP客户调用。

　　1.2 基于本体的数控编程制造信息集成

　　本体概念源自于古西方哲学，现在被引入到信息领域用于人工智能的研究，本体是共享概念模型的显示的形式化描述。实现网络化数控制造自动化信息集成需要采用万维网联盟W3C(World Wide Web Consortium)推荐的基于DL的WEB本体描述语言OWL(Web Ontology Language)DL实现信息描述。基于OWL DL的本体定义为五元组：

　　快速数控编程制造信息具有异构、多平台、动态的特点，需要将相关信息资源的概念和关系形成领域知识，建立具有统一语义的信息集成体系。利用本体进行信息集成，系统的顶级本体由多个子本主要包括企业和车间本体、WEB服务本体、产品本体、知识本体和数控编程资源本体等。企业和车间本体描述数控车间的组织信息、人员信息、资源信息、目标策略和流程信息等；WEB服务本体企业或车间的基本信息、工艺流程信息、服务资源信息服务请求和服务策略信息等；产品本体描述数控工艺和编程的产品信息、部件和零件的结构信息、尺寸和公差信息、工艺和工装信息等；知识本体包括结构件特征识别的知识、数控工艺规划知识、切削刀具和参数选择知识等；数控编程资源本体定义编程需要的各种资源，包括设备信息、刀量具信息、毛坯信息、夹具信息、在制品信息、工艺分工信息、生产计划信息和数据资源信息等。

2 应用实例

　　根据上述体系结构和实现方法，利用J2EE企业版(Java 2 platform Enterprise Edition)和WEB Services技术构建了结构件快速数控编程原型系统。典型壁板结构件编程的部分集成运行信息模型如图4所示。

图4璧板的数控编程集成模型

3 结论

　　本文为解决结构件的快速编程问题，提出了一种面向结构件快速编程的框架体系结构，研究了基于本体的信息集成技术。该系统的体系结构和实现方法为实现信息技术、语义网与信息技术深入到制造过程的信息化提供了一种解决方案。