数字化加工岛工程设备资源管理系统开发

第一章绪论1.1 课题研究背景及意义制造业是人类精神文明与物质世界的保障，更是权衡国家综合国力的权威指标[1]，在刺激国家经济增长、保证社会稳定、提高技术创新等方面都发挥着至关重要的作用。随着计算机、数控、网络通讯等技术的创新与发展，传统的制造技术以及观念已不能完全满足社会的发展需求。在此情况下，大力发展数字化加工模式已成为重要任务。如数字化加工岛概念，通过岛;型布局打破传统的流水线;生产模式，从而释放加工作业的灵活性，实现了生产制造的柔性化。在一些制造业发达国家，该种加工模式及概念已投入到实际生产中。立足于中国制造 2025;以及工业 4.0;，政府大力推行数字化加工模式[2]，对高端制造业给予极大支持和资助，集中体现在设备资源的信息采集[3]与集成[4]方面。国内的设备资源管理与发展国家依然存在着一定的距离，仍有一系列问题待解决。①传统落后的人工管理方式已经无法适应当前以电子计算机技术[5]为主导的现代信息化管理体系，车间资源信息凌乱，无法对设备进行分类管理；②数控机床或其他昂贵设备缺乏有计划的保养体系，由于使用频繁，导致故障频发，严重影响设备使用寿命，增加企业加工成本。③传统的刀具管理方式只能对刀具静态信息进行记录，无法对其全生命周期流程进行管理[6]；由于没有将刀具与机床进行有效的关联，往往会造成信息的封闭；对刀具寿命管理还是依靠泰勒计算公式[7]，但是随着各种切削技术的发展以及各种新型材料的出现，泰勒计算公式已经无法对刀具寿命进行有效计算。针对目前设备资源管理存在的问题，应主要研究设备信息的关联性和集成性，实现信息资源的共享，避免信息孤岛;[8]。根据设备管理存在的问题，建立先进、科学的管理体系，参考传统管理方式的优点，同时将先进的理论与技术引入到当前的设备管理[9]理念中。在这样的背景下，本论文以加工岛中的数控机床与刀具等重要设备为研究对象，开发设计一套符合现代制造业发展需求的数字化加工岛设备资源管理系统。针对数控机床，通过对其基本信息进行管理，达到机床资源的信息化操作；通过与机床通讯模块进行集成，完成对机床的现实监测及数据采集，实现对其动态信息管理与交互；制定科学合理的维护计划，有效降低机床故障率；建立一套完善的数控机床维修决策理论，避免由于维修不及时或不合理对机床使用率造成影响。针对刀具，建立完善的管理体系，对其静态以及动态信息进行全方位管理；建立基于 GA-ELM 的铣刀寿命预测模型对其寿命进行预测，避免在切削加工中由于刀具使用寿命不足而出现崩刃现象的发生。.........1.2 课题国内外研究现状随着制造业信息化建设的不断深入，实现设备资源的信息化管理可以为其管理决策提供理论依据[11-12]，进一步为车间生产计划的制定[13]提供详细的信息资源，是数字化加工岛生产运作的重要支撑。对此，不少国内外学者已经展开较为细致的研究。罗企、于东等设计基于智能移动终端的数控车间设备资源管理系统，并应用多线程池技术搭建一种高并发的机床数据采集模型，实现对机床数据的采集与信息推送[14]。俞辉设计基于 web 的设备管理及其故障诊断系统，实现设备技术现实、设备维护信息管理等功能[15]。刘国斌学者基于 MES 的动态实时性特征，实现对数字化车间资源的静态和动态信息管理[16]。张艳蕊学者基于 Windows 平台开发，在 OpenGL 与 VC++ 6.0 混合框架下创造一个三维可视化数字环境，利用 Access 作为系统的后台数据库，实现了数字化加工车间的总体布局以及车间设备的信息集成[17]。李明学者结合实际企业要求，以 Oracle 作为后台数据库实现对信息的管理与维护，并采用 SSH 技术完成系统框架的代建，结合 POL 与 XL技术实现数据的输入与输出，设计出一套符合现代企业要求的设备信息管理系统，极大提高了企业员工的工作效率[18]。印度 VIT 大学 Vijaya umar Manupati 等学者研究基于协商方法的网络式分布制造执行系统，实现对数字化加工车间生产资源信息流的管理[19]。以上研究虽然取得了一定成果，但是仍存在众多需改进之处，例如：管理的设备单一，只是对机床或者与之相关的备件进行管理；软件系统功能简易，不足以全面、细致地对设备进行有效管理；软件系统的跨平台性能差，只能通过 PC对系统进行访问，使用受到限制。..........第二章数字化加工岛设备资源管理系统总体设计目前国内众多企业的数控设备信息化程度不高，以至于对信息的获取不够准确、及时；其次，虽然大多数设备管理系统具备对台账等静态信息的管理，但是无法获取设备的实时现实，所以往往会造成信息滞后，从而使设备控制层成为信息孤岛;。同时，对于数控机床等贵重设备，对其进行合理的、计划性的维护可以保证机床现实稳定、减少故障发生、提高使用寿命，但是目前对于机床维护的管理缺少计划性，对机床维护的执行缺少监管，造成欠维护甚至不维护。此外，对于机床故障的维修，缺少足够的理论支撑，无法对其制定合理可行的维修决策。刀具作为加工过程的直接执行者，掌握刀具的实时信息对工件加工有着重要意义，但是目前对刀具的管理不够全面，缺乏对刀具使用流程规则的详细制定。同时，缺少行之有效的方法对刀具寿命进行预测，造成在生产加工过程中经常出现由于刀具寿命不足而崩刃、刀具破损的现象，严重影响加工进程。此外，以往的设备管理都是对机床、刀具进行单一化管理，没有为其搭建关联性，使得设备间数据阻塞，无法进行及时有效的信息交流。本文基于web开发数字化加工岛设备资源管理系统以解决上述存在问题。系统基于Node.js运行环境，前后端逻辑操作皆使用avaScript编程语言，通过HTML5搭建网页布局框架、CSS3、BootStrop完成页面渲染，结合AngularS的directive命令以及Meteor的发布、订阅机制实现系统的开发。利用HTML5 中的跨平台属性，可以利用多种的设备对系统进行访问、操作，如：PC机、智能手机、平板电脑等，使对软件系统的使用不局限于硬件设备以及使用地点。通过与企业数据通讯模块集成，实现对数控机床进行数据采集和现实监控，可以消除设备信息滞后现象，并且也为机床的维护及维修提供决策、执行依据。通过建立基于故障率特征的维修决策模型，为机床维修提供新的理论依据。通过对刀具使用周期进行划分、结合企业实际业务流程，设计出入库规则，实现刀具的全生命周期管理。通过对模块式刀具系统进行研究分析，建立数控机床与刀具之间的关联，实现设备间的信息流通。通过分析刀具寿命影响因素，建立基于GA-ELM的刀具寿命预测模型，实现对其精准预测，避免加工中刀具崩刃、破损现象发生。2.1 设备资源管理系统的需求分析与功能划分本文以某企业的数字化加工车间的数控机床与刀具作为主要研究对象，在对其进行充分调研与分析的基础上，根据该车间设备资源现状及管理方式，对数字化加工岛设备资源管理系统总结出如下的需求分析:(1)系统用户管理：结合企业实际人员体系结构，对人员按照部门以及角色分类，并对各角色设置不同的操作权限，基于权限实现对系统各类功能模块的访问与操作。此外对企业员工的工作任务进行全面纪录，以此作为员工效绩考核的重要依据。(2)数控机床管理：由于数控机床种类繁多，因此需要对机床按照功能进行功能划分，并实现对机床名称、型号、生产厂家、规格参数、类别等基本信息的管理。为了能够方便、及时掌握数控机床的使用情况，需要对其进行现实监测；为了延长数控机床的使用寿命，防止机床的过维护或者欠维护、降低机床维护成本，需要根据机床类别对其制定不同的维护保养计划，同时指派相关维护人员完成维护任务，并对维护结果进行记录与及时的反馈，实现数控机床的现实检查，保证数控机床处在安全稳定的现实，提高其使用率；在连续的生产制造过程中，假设机床关键部件因故障不能顺利、良好的运转，会严重影响生产过程，给企业经济造成巨大损失，所以建立完善的数控机床维修机制对保证机床现实稳定、安全运行有着重要意义。(3)刀具管理:由于车间刀具种类繁多、规格复杂，传统的手工管理方式不仅效率低下而且易出错，显然无法满足现代企业的需求。所以需要对数控车间的刀具按照加工能力进行分类、实现对刀具名称、加工特征、材质、供应商、规格参数等基本信息管理。为了对刀具进行现场识别与信息记录，需要制定合理完善的编码机制，确定刀具的唯一性。出入库操作作为刀具管理系统中的主要功能，可对刀具的使用过程进行跟踪，细致全面的把控每一把刀具的实际应用情况，因此要结合企业实际需求确立出入库规则流程。为了实现设备间信息的交流互换，要建立机床与刀具的信息关联机制。刀具在加工过程中如果寿命不足会出现崩刃现象，将会对加工任务造成极大的影响。所以，完成刀具寿命预测管理将显得尤为重要，首先需要确定影响刀具寿命的因素，然后建立相应的预测模型，通过比对刀具寿命预测值与实际加工需要的时长判定刀具是否可进行工件加工。.........2.2 设备资源管理系统开发工具介绍系统基于 web 开发，应用当前流行的 Html5,avaScript,Css3 等 web 前端技术与编程语言，结合 AngularS 与 Meteor 框架，采用 MongoDB 作为系统后台数据库。软件系统架构如图 2-2 所示，采用三层架构模式，通过各层间的数据交换及请求应答，实现软件系统的特定功能模块。C/S(Client/Server,客户端/服务器)模式，如图 2-3 所示，也叫作胖客户端应用程序，在该模式下服务器负责后台数据库的管理操作，并对数据安全层实行加锁保护。客户端负责与用户交互，然后向服务器发送请求，主要适用于安全要求较高的系统。如在Windows系统下，它可以充分利用软件资源、本地硬件等，极大的提高了系统的开发效率，但是它也存在安装维护困难、更新操作麻烦、通讯能力差等问题。.........第三章数控机床管理模型研究...........143.1 数控机床基本信息的管理....153.2 数控机床维护管理 ......163.2.1 机床维护项目分析 ..........173.2.2 数控机床维护计划制定...........183.2.3 机床维护计划的执行监控.......193.3 基于故障率特性的维修模型研究..........20第四章刀具全生命周期管理......294.1 刀具的基本信息管理...........304.2 模块式刀具的优选方案设计........334.3 刀具的出入库管理 ......394.4 基于 GA-ELM 铣刀寿命预测模型研究............43第五章数字化加工岛设备资源管理系统的 web 开发与测试.......515.1 系统数据库设计 .........515.2 系统主要功能及其界面设计.......585.3 数字化加工岛设备资源管理系统的测试......67第五章数字化加工岛设备资源管理系统的 web 开发与测试5.1 系统数据库设计在信息管理系统中，对后台数据的存储是程序开发的关键，它不但影响数据的操作速度，而且关系到软件的生存周期。对数据库进行合理设计，可以缩短开发周期，降低软件系统维护成本。所以对数据库进行精确设计在软件开发中占据极其主要的地位。本论文设计的数据库主要应用对某企业的数字化车间设备资源的管理，主要的研究对象是数控机床与数控刀具，为此要能够充分满足对企业各部门阶层员工的使用要求，系统要求每一个来访用户进行信息登录，并允许系统的管理人员可以查看这些信息。同时结合企业的实际部门人员安排，以部门为单位对部门内的不同职位的员工设置权限，可以实现对车间资源的有效管理。系统主要分为三大模块，分别是人员管理、机床管理和刀具管理，具体的功能需求在第二章中已经进行了详细的说明，此处不再继续进行详述。概念设计有助于反应信息间的内在联系，通过对数据之间的内在关联建立准确的数据模型，可以对应用领域的信息进行充分描述，从而使数据关系更容易转换成数据库系统所识别逻辑模式，更容易被使用者所掌握、理解。本论文对数据库的概念模式设计主要通过 E-R 模型来实现，该模型主要由属性、实体、联系三部分组成，通常用 E-R 来对其进行描述。

.........总结设备资源作为数字化车间的重要组成部分，在车间生产中占据着重要的地位，长期以来因为设备种类繁多、规模庞大，信息之间的无法进行有效的关联，造成了信息孤岛;。针对上述问题，本文通过开发数字化加工岛设备资源管理系统，实现了对数字化车间中的数控机床、数控刀具等重要设备的综合管理。本软件系统主要有三大功能模块，分别为用户管理模块、数控机床管理模块、刀具管理模块。课题取得的研究结果与创新点如下所示：(1)为了解决软件部署、可移动化等问题，考虑系统的数据量并不是十分庞大，所以本系统采用B/S架构的基于web开发，具有维护简易、方便操作、开发成本低等优势；并采用时下流行的HTML5 编程语言及优秀的前端框架Angulars进行软件的开发。(2)针对当前设备管理存在的问题，本论文以数字化加工车岛中最主要的设备（机床、刀具）为研究对象，综合分析了对象的特征，设计了对数控机床静态信息的管理并对其制定了科学合理的维护保养、故障维修决策模型，并对机床的维护与维修任务进行全程追踪记录，降低了机床故障的发生频率，提高了机床的使用寿命。(3)对数控刀具进行全生命周期管理，即从刀具采购入库到报废出库的全过程追踪，并对刀具制定科学的编码，极大地方便了现场操作人员对刀具的识别。其次，深入的研究了模块式刀具的约束及特征，利用灰色关联分析法和层次分析法相结合对其进行最优选择；针对刀具寿命管理，传统的刀具寿命计算公式已经无法对实际加工环境下的刀具寿命进行合理预测，为此本文提出采用基GA-ELM网络模型对刀具寿命预测，并取得了良好的效果。(4)本系统与机床通讯模块相集成，可实现对数控机床的现实监测与数据采集，从而建立完善的机床管理体系。..........参考文献（略）