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【摘要】：为解决网络化制造中联盟企业安全、便捷共享数据的难点问题。通过对网络化制造的北京及需求分析，在对网络合作伙伴选择、加工设备现场和远程监控方法理论研究的基础上，建立了一种网络化制造的集成平台, 并提出异地数控加工工艺系统，通过该平台，企业可实现网上信息发布、制造资源查询、合作伙伴选择及零部件图纸远程传输与加工的功能，对网络化制造集成平台的后续建设具有参考价值和指导意义。
关键词:网络化制造；异地数控加工；产品特征；网络发布；参数优化；仿真
Abstract: Through analysisingthebackgroundand needs ofnetworked manufacturing, weestablisha networked manufacturing platformintegrated based onthe research ofnetwork partners in the selection、equipment procession on-site 、remote monitoring theory, the key technology of platform system is also discussed in detail, the solution of difficult problems of Network Alliance partners safe in networked manufacturing and convenient sharing of product data have been got . The platform not only enables business information publishing online、manufacturingresource discovery、partner selection, but also make it possible that parts drawings can been in remote transmission and processing. Finally, some practice in the networked manufacturing platform is introduced.The model and method in this thesis have areference value and significance for the Follow-up building ofnetworked manufacturing platform
Keywords: network manufacturing; Network Alliance partners; product features; web publishing; parameter optimization; simulation
中圖分类号：G250.72 文献标识码：A 文章编号：
0前言：
网络化制造（networked-manufacturing）是一种基于数字化、柔性化敏捷制造和精益生产的，由多种、异构、分布式的制造资源，以一定互联方式，利用计算机网络组成的、开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应客户需求变化的制造系统，是一种面向群体协同工作并支持开放集成性的系统。
随着经济全球化，信息和服务网络化的发展，网络化制造已经成为现代制造业的重要发展趋势之一。网络化制造主要解决两大问题：商业层面，由于各企业在资源、技术和制造能力等方面的自主建设，从而造成行业重复投资，降低了行业整体竞争力和效益；技术层面，虽然有国际和国家标准可供参考，但由于各企业信息系统的局部自治性，导致信息模型间缺乏语义一致，资源无法共享。如何有效的实现制造资源网络化共享、零部件远程传输和异地加工，本文提出的异地数控加工工艺模块能很好的解决这一问题。
1系统总体结构
1.1系统总体结构
如图1所示．本系统主要由网络联盟合作伙伴选择支持模块、网络化制造模块、制造执行层车间调度模块三部分构成。网络联盟合作伙伴选择支持模块主要用来实现用户注册、信息管理、订单管理、伙伴选择、信息发布等一系列功能；网络化制造模块基于web技术及TCP/IP软件的HTTP标准协议，在产品设计及特征造型过程中，设计商和制造商可以互传图形信息，共享仿真软件，异地优化各种工艺资源参数，实现跨平台图形资源共享及瞬时传递；制造执行层车间调度模块是基于多Agent原型系统中实现了敏捷车间调度的模型和算法，主要用于制造执行层调度原型系统设计与开发。
图1 网络化制造系统结构分布图
1.2系统开发平台的选择
系统采用ASP、Java、SQL等软件，基于HTML技术及XML技术进行开发建设，ASP 可以将Script 语法直接加在HTML 网页中，也可以轻易地集成现有的客户端VBScript和DHTML，创建和运行动态、交互的Web 服务器应用程序，接收来自客户端的请求，并对后端数据库进行存取操作，将处理结果返回到客户端浏览器。
2异地数控加工工艺参数模块建模
工艺参数优化是数控加工前的重要工作之一，基于Web工艺参数优化是网络化数控加工的重要组成。在网络环境下，可以收集网络联盟分布式企业的各种工艺资源信息，共享其经验数据，采用先进的优化方法选择切削参数，其结果可以输入NC代码中，进行异地NC加工仿真和异地产品制造。
2.1 数控加工参数优化的网络结构
于客户机/服务器的请求响应方式，建立工艺参数优化网络结构。客户端通过Web浏览器在Internet上与服务器相连，通过查询和提取Web数据库中工艺信息，进入工艺参数优化模块进行优化，优化结果经过CAD/CAM参数传输，完成NC网络仿真后，实现产品的异地试验与加工。
2.2 工艺参数优化的数学模型
2.2.1 数学模型
从提高加工效率出发，以最大生产率（即最短加工时间）为优化目标，在保证给定表面粗糙度Ra情况下，确定数控铣削加工的铣削用量。由于铣削深度ap和铣削宽度aw由加工余量和加工方法确定，所以ap和aw不作优化变量。但是它们对每齿铣削进给量f、铣削速度v造成影响，需要作为输入对f、v进行优化。加工约束主要有机床和刀具本身的性能限制和被加工工件的质量要求，包括转速和进给率的范围限制、最大切削力约束、最大切削功率约束和工件表面粗糙度约束等。综上所述，优化数学模型如下：
（1）以最大生产率为目标，完成一个工序的时间：
式中 D——铣刀直径
L——铣削工件长度
e——进给速度中附加移动，包括趋近、超程和所有的定位移动（mm）
z——铣刀齿数
f——每齿进给量（mm/齿）
v——铣削速度（mm/min）
R——加工一个工件时工具或刀具快速移动的总长度（mm）
r——快速移动速度（mm/min）
ti——工序之间从一种刀具换到另一种刀具的转位（自动或手动）时间（min）
td——在换刀装置中更换磨钝刀具的时间（min）
Tt——铣刀一个齿到用钝为止工件或刀具的移动量（mm）
（2）确定下列约束条件
性能约束：
①最大切削力Fmax的限制[139]
②最大理论表面粗糙度Rmax的限制
③最大切削功率Pmax的限制
边界约束：
①铣削速度的限制
②进给量的限制
式中n——铣刀转速（r/min）
kr——铣刀过渡刃偏角
——铣刀副偏角
——铣削条件改变时铣削力修正系数
系数CF、XF、yF、uF、qF、wF可在数据库中查得（其余同上）。
2.2.2 优化算法
采用罚函数（Penalty Function Method）法处理上述数学模型，根据约束条件的特征构造惩罚函数，加到目标函数中去，将目标函数和不等式约束转化为下面无约束公式：
式中 J——不等式约束个数
gj(f,v)——不等式约束函数
λ——违反约束的惩罚参数，是一个单调下降的任意正数
处理该公式采用分类约束形式，即首先将目标函数与除了切削力和功率以外的不等式约束相结合，求出极值范围。然后再验证是否符合切削力和功率约束，如果不符合，则重新确定铣削速度和铣削进给量的约束，进一步求极值，直到检验符合性能约束为止，算法流程如图2所示。该流程中，首先输入已知条件vmin、vmax、fmin、fmax、kr、等，而惩罚参数λi依照递减顺序，由δ进行分配，初值λ0选为1。其中ε为惩罚函数F(f*,v*,λi)与目标函数tm(f*,v*)在某一惩罚参数值下极值点处对比极限，取值为0.01。
3.实例分析
基于本文提出的系统结构和相关关键技术．以齿轮泵端盖的仿真制作为例进行了一次铣削工艺参数的网络优化设计演示．采用Java和JavaScript语言开发基于客户机/服务器的优化程序，安装PWS虚拟服务器程序，Web数据库使用Access语言建立。由Java管理Access数据库，经过JavaScript与Java间的接口来调用Web数据库中工艺信息。
以齿轮泵端盖为例，输入下列已知条件：
工件材料45#钢；
材料硬度200HB；
要求表面粗糙度Ra值为1.6；
加工余量是10mm；
采用X5032型号铣床加工；
刀具材料为高速钢；
刀具类型为立铣刀；
铣刀直径8mm；
过渡刃偏角为15度；
副偏角为2度。
根据以上给定的机床、刀具、工件的参数，可以通過访问数据库，查得数学模型中的约束条件极限数值。然后，进入优化算法流程，进行铣削工艺参数的网络优化，求得最优铣削用量铣削速度v和每齿进给量f。所得出的优化数值可根据需要进行圆整，然后，查询铣床的加工参数，进行相近值选取。
这里需要特别提出的是铣削深度aP虽然不进行优化，但是它参与优化，而且根据加工方法、表面粗糙度要求以及总加工余量可以选定aP值的大小。
使用Pro/Engineer软件实现产品的几何造型，将工艺参数优化结果输入其加工machining模块中，生成NC代码、走刀轨迹和NC仿真过程，然后采用捕捉技术形成Web支持的位图及avi动画，嵌入如图4和5所示的Web浏览页中。
图4 走刀轨迹的Web页面 图5 数控仿真的Web 页面
4.结束语
本文提出了一种网络化制造集成平台系统，该系统考虑网络化制造集成平台的特点，整理了网络联盟企业合作伙伴选择的影响因素，分别确定了相应的量化评价标准，建立了异地数控加工工艺模块的数学模型；能够达到异地图纸传输、加工的目的，因此对网络化制造集成平台的后续建设具有参考价值。
5.参考文献
[1]王启义，葛研军，施志辉等. 数控车削虚拟加工环境全景仿真技术[J]，机械设计与制造工程，2001，31（1）：39-40
[2] 李国龙，郭钢，徐宗俊. 基于Web浏览器的NC代码仿真[J]，机械工艺师，2001，10：24-25
[3] 李斌，师汉民，胡春华，吴波，杨叔子. 基于Agent分布式网络化制造模式的研究[J]，中国机械工程，1999，10（2）：1358-1362
[4] 刘贵杰, 刘立静,唐婷,巩亚东,王宛山.磨削过程计算机集成智能监控系统, 中国机械工程, 2006, Vol.16, p1843.
[5] 马永军，蔡鹤皋，张曙. 网络联盟企业中的设计伙伴选择方法[J]. 机械工程学报，2000, 36（1），15-19.
[6] S.H.WU，J.Y.H.FUH，A.Y.C.NEE. Concurrent process planning and scheduling in distributed virtual manufacturing. [J] IIE Transactions（2002）34，p.77-89.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:网络化制造；异地数控加工；产品特征；网络发布；参数优化；仿真
Abstract: Through analysisingthebackgroundand needs ofnetworked manufacturing, weestablisha networked manufacturing platformintegrated based onthe research ofnetwork partners in the selection、equipment procession on-site 、remote monitoring theory, the key technology of platform system is also discussed in detail, the solution of difficult problems of Network Alliance partners safe in networked manufacturing and convenient sharing of product data have been got . The platform not only enables business information publishing online、manufacturingresource discovery、partner selection, but also make it possible that parts drawings can been in remote transmission and processing. Finally, some practice in the networked manufacturing platform is introduced.The model and method in this thesis have areference value and significance for the Follow-up building ofnetworked manufacturing platform
Keywords: network manufacturing; Network Alliance partners; product features; web publishing; parameter optimization; simulation
中圖分类号：G250.72 文献标识码：A 文章编号：
0前言：
网络化制造（networked-manufacturing）是一种基于数字化、柔性化敏捷制造和精益生产的，由多种、异构、分布式的制造资源，以一定互联方式，利用计算机网络组成的、开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地响应客户需求变化的制造系统，是一种面向群体协同工作并支持开放集成性的系统。
随着经济全球化，信息和服务网络化的发展，网络化制造已经成为现代制造业的重要发展趋势之一。网络化制造主要解决两大问题：商业层面，由于各企业在资源、技术和制造能力等方面的自主建设，从而造成行业重复投资，降低了行业整体竞争力和效益；技术层面，虽然有国际和国家标准可供参考，但由于各企业信息系统的局部自治性，导致信息模型间缺乏语义一致，资源无法共享。如何有效的实现制造资源网络化共享、零部件远程传输和异地加工，本文提出的异地数控加工工艺模块能很好的解决这一问题。
1系统总体结构
1.1系统总体结构
如图1所示．本系统主要由网络联盟合作伙伴选择支持模块、网络化制造模块、制造执行层车间调度模块三部分构成。网络联盟合作伙伴选择支持模块主要用来实现用户注册、信息管理、订单管理、伙伴选择、信息发布等一系列功能；网络化制造模块基于web技术及TCP/IP软件的HTTP标准协议，在产品设计及特征造型过程中，设计商和制造商可以互传图形信息，共享仿真软件，异地优化各种工艺资源参数，实现跨平台图形资源共享及瞬时传递；制造执行层车间调度模块是基于多Agent原型系统中实现了敏捷车间调度的模型和算法，主要用于制造执行层调度原型系统设计与开发。
图1 网络化制造系统结构分布图
1.2系统开发平台的选择
系统采用ASP、Java、SQL等软件，基于HTML技术及XML技术进行开发建设，ASP 可以将Script 语法直接加在HTML 网页中，也可以轻易地集成现有的客户端VBScript和DHTML，创建和运行动态、交互的Web 服务器应用程序，接收来自客户端的请求，并对后端数据库进行存取操作，将处理结果返回到客户端浏览器。
2异地数控加工工艺参数模块建模
工艺参数优化是数控加工前的重要工作之一，基于Web工艺参数优化是网络化数控加工的重要组成。在网络环境下，可以收集网络联盟分布式企业的各种工艺资源信息，共享其经验数据，采用先进的优化方法选择切削参数，其结果可以输入NC代码中，进行异地NC加工仿真和异地产品制造。
2.1 数控加工参数优化的网络结构
于客户机/服务器的请求响应方式，建立工艺参数优化网络结构。客户端通过Web浏览器在Internet上与服务器相连，通过查询和提取Web数据库中工艺信息，进入工艺参数优化模块进行优化，优化结果经过CAD/CAM参数传输，完成NC网络仿真后，实现产品的异地试验与加工。
2.2 工艺参数优化的数学模型
2.2.1 数学模型
从提高加工效率出发，以最大生产率（即最短加工时间）为优化目标，在保证给定表面粗糙度Ra情况下，确定数控铣削加工的铣削用量。由于铣削深度ap和铣削宽度aw由加工余量和加工方法确定，所以ap和aw不作优化变量。但是它们对每齿铣削进给量f、铣削速度v造成影响，需要作为输入对f、v进行优化。加工约束主要有机床和刀具本身的性能限制和被加工工件的质量要求，包括转速和进给率的范围限制、最大切削力约束、最大切削功率约束和工件表面粗糙度约束等。综上所述，优化数学模型如下：
（1）以最大生产率为目标，完成一个工序的时间：
式中 D——铣刀直径
L——铣削工件长度
e——进给速度中附加移动，包括趋近、超程和所有的定位移动（mm）
z——铣刀齿数
f——每齿进给量（mm/齿）
v——铣削速度（mm/min）
R——加工一个工件时工具或刀具快速移动的总长度（mm）
r——快速移动速度（mm/min）
ti——工序之间从一种刀具换到另一种刀具的转位（自动或手动）时间（min）
td——在换刀装置中更换磨钝刀具的时间（min）
Tt——铣刀一个齿到用钝为止工件或刀具的移动量（mm）
（2）确定下列约束条件
性能约束：
①最大切削力Fmax的限制[139]
②最大理论表面粗糙度Rmax的限制
③最大切削功率Pmax的限制
边界约束：
①铣削速度的限制
②进给量的限制
式中n——铣刀转速（r/min）
kr——铣刀过渡刃偏角
——铣刀副偏角
——铣削条件改变时铣削力修正系数
系数CF、XF、yF、uF、qF、wF可在数据库中查得（其余同上）。
2.2.2 优化算法
采用罚函数（Penalty Function Method）法处理上述数学模型，根据约束条件的特征构造惩罚函数，加到目标函数中去，将目标函数和不等式约束转化为下面无约束公式：
式中 J——不等式约束个数
gj(f,v)——不等式约束函数
λ——违反约束的惩罚参数，是一个单调下降的任意正数
处理该公式采用分类约束形式，即首先将目标函数与除了切削力和功率以外的不等式约束相结合，求出极值范围。然后再验证是否符合切削力和功率约束，如果不符合，则重新确定铣削速度和铣削进给量的约束，进一步求极值，直到检验符合性能约束为止，算法流程如图2所示。该流程中，首先输入已知条件vmin、vmax、fmin、fmax、kr、等，而惩罚参数λi依照递减顺序，由δ进行分配，初值λ0选为1。其中ε为惩罚函数F(f*,v*,λi)与目标函数tm(f*,v*)在某一惩罚参数值下极值点处对比极限，取值为0.01。
3.实例分析
基于本文提出的系统结构和相关关键技术．以齿轮泵端盖的仿真制作为例进行了一次铣削工艺参数的网络优化设计演示．采用Java和JavaScript语言开发基于客户机/服务器的优化程序，安装PWS虚拟服务器程序，Web数据库使用Access语言建立。由Java管理Access数据库，经过JavaScript与Java间的接口来调用Web数据库中工艺信息。
以齿轮泵端盖为例，输入下列已知条件：
工件材料45#钢；
材料硬度200HB；
要求表面粗糙度Ra值为1.6；
加工余量是10mm；
采用X5032型号铣床加工；
刀具材料为高速钢；
刀具类型为立铣刀；
铣刀直径8mm；
过渡刃偏角为15度；
副偏角为2度。
根据以上给定的机床、刀具、工件的参数，可以通過访问数据库，查得数学模型中的约束条件极限数值。然后，进入优化算法流程，进行铣削工艺参数的网络优化，求得最优铣削用量铣削速度v和每齿进给量f。所得出的优化数值可根据需要进行圆整，然后，查询铣床的加工参数，进行相近值选取。
这里需要特别提出的是铣削深度aP虽然不进行优化，但是它参与优化，而且根据加工方法、表面粗糙度要求以及总加工余量可以选定aP值的大小。
使用Pro/Engineer软件实现产品的几何造型，将工艺参数优化结果输入其加工machining模块中，生成NC代码、走刀轨迹和NC仿真过程，然后采用捕捉技术形成Web支持的位图及avi动画，嵌入如图4和5所示的Web浏览页中。
图4 走刀轨迹的Web页面 图5 数控仿真的Web 页面
4.结束语
本文提出了一种网络化制造集成平台系统，该系统考虑网络化制造集成平台的特点，整理了网络联盟企业合作伙伴选择的影响因素，分别确定了相应的量化评价标准，建立了异地数控加工工艺模块的数学模型；能够达到异地图纸传输、加工的目的，因此对网络化制造集成平台的后续建设具有参考价值。
5.参考文献
[1]王启义，葛研军，施志辉等. 数控车削虚拟加工环境全景仿真技术[J]，机械设计与制造工程，2001，31（1）：39-40
[2] 李国龙，郭钢，徐宗俊. 基于Web浏览器的NC代码仿真[J]，机械工艺师，2001，10：24-25
[3] 李斌，师汉民，胡春华，吴波，杨叔子. 基于Agent分布式网络化制造模式的研究[J]，中国机械工程，1999，10（2）：1358-1362
[4] 刘贵杰, 刘立静,唐婷,巩亚东,王宛山.磨削过程计算机集成智能监控系统, 中国机械工程, 2006, Vol.16, p1843.
[5] 马永军，蔡鹤皋，张曙. 网络联盟企业中的设计伙伴选择方法[J]. 机械工程学报，2000, 36（1），15-19.
[6] S.H.WU，J.Y.H.FUH，A.Y.C.NEE. Concurrent process planning and scheduling in distributed virtual manufacturing. [J] IIE Transactions（2002）34，p.77-89.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。