面向產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的研究及應(yīng)用

潘 盟 曹 巖 賈 峰 賀志昊 從 政

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

近年來，很多制造企業(yè)在對(duì)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理時(shí)，主要依賴于PDM[1]。某兵工企業(yè)在設(shè)計(jì)端沒有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范：(1)當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)端標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)傳入PDM時(shí)，由于設(shè)計(jì)端書寫不規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)信息不全，使得PDM中的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)傳入其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)時(shí)，CAPP、CAM及ERP無法確認(rèn)工藝信息、制造信息和采購信息，使得在工藝、制造及采購階段則出現(xiàn)一物多名、一名多物。(2)由于企業(yè)在設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)及制造等各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施了多套應(yīng)用系統(tǒng)，使得設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)及制造等各個(gè)環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都分散在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，使不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間；增加了很多無效的工作，如數(shù)據(jù)治理，浪費(fèi)了人力、財(cái)力，更為嚴(yán)重的是造成標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品數(shù)據(jù)的不一致，阻礙了數(shù)字化協(xié)同研制流程的正常運(yùn)行。為解決這一問題，向企業(yè)所使用的標(biāo)準(zhǔn)件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和各個(gè)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的需求進(jìn)行分析，提出了面向產(chǎn)品全生命周期的[2-4]標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計(jì)端統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)件的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5]，當(dāng)數(shù)據(jù)流入PDM、CAPP、CAM及ERP系統(tǒng)時(shí)，保證后續(xù)的工藝、制造和采購等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的一致性，通過唯一屬性確定唯一標(biāo)準(zhǔn)件，保證了一碼一物[6-7]，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

在產(chǎn)品制造業(yè)中涉及到的設(shè)計(jì)軟件有很多種，如UG、SolidWorks和CATIA等，該企業(yè)內(nèi)使用的設(shè)計(jì)軟件為CATIA。CATIA是一款具有友好界面、功能強(qiáng)大、易于操作等特點(diǎn)的三維CAD/CAM軟件，在曲面設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。利用CATIA知識(shí)工程進(jìn)行參數(shù)化建模[8]，為模型的存儲(chǔ)節(jié)省了空間，利用CATIA的二次開發(fā)CAA在B/S結(jié)構(gòu)下進(jìn)行交互界面的開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立有利于設(shè)計(jì)端對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的管理[9-11]。

統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件庫主要由本地庫和數(shù)據(jù)庫兩部分組成，其組織結(jié)構(gòu)及其功能如圖1所示。

1 標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)是將分散、雜亂的數(shù)據(jù)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范形成一條一致的數(shù)據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)是面向產(chǎn)品全生命周期的整個(gè)過程，包含了產(chǎn)品在使用過程中設(shè)計(jì)、制造、工藝和采購各個(gè)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的需求，根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的需求，形成了一條一致的標(biāo)準(zhǔn)件主數(shù)據(jù)，包含了標(biāo)準(zhǔn)件分類、標(biāo)準(zhǔn)件編碼、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板及標(biāo)準(zhǔn)件三維模型，它們之間的關(guān)系如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)的制作流程：收集某兵工企業(yè)內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)使用的所有標(biāo)準(zhǔn)件，以標(biāo)準(zhǔn)件屬性為第一原則，便于企業(yè)管理和檢索，制定合理的分類；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分類，制作標(biāo)準(zhǔn)件編碼，編碼不僅滿足現(xiàn)在要求，還的應(yīng)對(duì)以后會(huì)增加的標(biāo)準(zhǔn)件；分析各個(gè)部門對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)屬性需求和標(biāo)準(zhǔn)件基礎(chǔ)屬性，根據(jù)分類制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模板。統(tǒng)一數(shù)據(jù)的制作流程如圖3所示。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)件分類

標(biāo)準(zhǔn)件是指在結(jié)構(gòu)、尺寸、畫法等方面全部已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)件的分類在機(jī)械產(chǎn)品手冊(cè)上已經(jīng)有具體的分類，針對(duì)企業(yè)需要制定符合自己的分類，調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)狀和參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)制定適合企業(yè)自己的分類。分類要求如下：

(1)明確標(biāo)準(zhǔn)件分類的范圍,分類必須包括從設(shè)計(jì)、工藝、制造和采購等部門的全部標(biāo)準(zhǔn)件。

(2)標(biāo)準(zhǔn)分類要以標(biāo)準(zhǔn)件的自然屬性為第一分類原則，并兼顧企業(yè)管理要求與實(shí)用性相結(jié)合原則。

(3)在確定標(biāo)準(zhǔn)件分類的過程中，參照國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件特性進(jìn)行科學(xué)分類，確定合理的分類層級(jí)，并對(duì)每個(gè)類別所包含的內(nèi)容進(jìn)行明確的定義，最終形成分類標(biāo)準(zhǔn)。

(4)分類要適應(yīng)物資集中采購的管理需求，適應(yīng)信息化建設(shè)集成、整合、應(yīng)用一體化的管理要求，做到實(shí)用、方便。標(biāo)準(zhǔn)件的分類如圖4所示。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)件編碼

面向產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)模板的重要前提是建立合理科學(xué)的統(tǒng)一編碼。統(tǒng)一編碼是實(shí)現(xiàn)信息集成、交換、共享的前提，也是企業(yè)進(jìn)行管理和信息化工作的重要基礎(chǔ)，由于企業(yè)在不同型號(hào)間重復(fù)編碼、設(shè)計(jì)與制造單位編碼不兼容，造成企業(yè)內(nèi)部編碼的多樣性和不完整性，各個(gè)子公司和業(yè)務(wù)系統(tǒng)多應(yīng)用獨(dú)立的編碼，造成“一碼多物、一物多碼”的現(xiàn)象，給各個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互和共享帶來了困難，統(tǒng)一編碼利于企業(yè)分工明確、檢索標(biāo)準(zhǔn)件信息等。針對(duì)企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)件的編碼要求如下：

(1)按照標(biāo)準(zhǔn)分類：按照大類、中類、小類分別賦碼,分別為兩位編碼。

(2)預(yù)留碼：兩位預(yù)留碼預(yù)防以后會(huì)增加的新的標(biāo)準(zhǔn)件。

(3)一種標(biāo)準(zhǔn)件有多種規(guī)格型號(hào)，四位流水碼不僅要滿足當(dāng)前需要，還要滿足未來會(huì)新增的多種型號(hào)規(guī)格；通過分類碼對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行分類管理，不僅適應(yīng)數(shù)據(jù)管理與實(shí)際的需求，也便于產(chǎn)品在使用過程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計(jì)分析；對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)件賦予流水碼，在類別調(diào)整的情況下，也能保持代碼的穩(wěn)定性。

(4)唯一性：每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)僅為一個(gè)編碼。如圖5所示。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板

標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期過程中提供了完整的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件分類和各個(gè)系統(tǒng)的需求，根據(jù)分類、編碼制作出標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板，其中軸承零件又細(xì)分為3種。當(dāng)設(shè)計(jì)端產(chǎn)品的物料清單產(chǎn)生后，其中的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)信息就會(huì)在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期過程中進(jìn)行傳遞，供各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用，標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)一數(shù)據(jù)，包含了設(shè)計(jì)端需要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝所需要的工藝數(shù)據(jù)、制造端所需的制造數(shù)據(jù)以及采購端所需要的采購數(shù)據(jù)等，標(biāo)準(zhǔn)件信息都嚴(yán)格遵守標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板，標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)保證標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)信息能夠在各個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行無縫傳遞。針對(duì)企業(yè)，標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)模板要求如下：

(1)分析企業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、制造各個(gè)部門對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)信息需求，定制合理的標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模板，其中模板中數(shù)據(jù)信息依據(jù)最新版修訂的標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)文件。

(3)標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)模板信息滿足企業(yè)以BOM為核心的PDM、CAPP、ERP系統(tǒng)集成，有效地實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)流的閉環(huán)管理與信息集成。標(biāo)準(zhǔn)件模板信息如圖6所示。

螺栓的統(tǒng)一數(shù)據(jù)如圖7所示，六角頭帶槽螺栓統(tǒng)一數(shù)據(jù)包含CATIA、CAM、ERP、CAPP所需要的全部數(shù)據(jù)。螺栓模板信息及各系統(tǒng)的需求如圖8所示。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型

標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型利用CATIA知識(shí)工程進(jìn)行參數(shù)化建模，將標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型儲(chǔ)存在本地庫中進(jìn)行統(tǒng)一管理。標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)與三維模型是一一對(duì)應(yīng)的，由于相同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)下的同型號(hào)規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)件信息由于材質(zhì)、性能等級(jí)、表面處理、產(chǎn)品等級(jí)和表面處理的不同產(chǎn)生多種標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)。針對(duì)這種情況，主要以編碼來確定一條標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)，根據(jù)這條標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)確定與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件三維模型，確定完成后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件三維模型根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性的定義。標(biāo)準(zhǔn)件六角頭帶槽螺栓的統(tǒng)一數(shù)據(jù)和該統(tǒng)一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)三維模型及標(biāo)準(zhǔn)件屬性的定義如圖9所示。

2 標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

采用的數(shù)據(jù)庫為SQL Server 數(shù)據(jù)庫。統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)的管理，完成統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)，以及表之間的關(guān)系，確保設(shè)計(jì)人員在開發(fā)界面能夠在最短時(shí)間能夠精確檢索出自己所需要的數(shù)據(jù)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)要非常嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)模板進(jìn)行字段的定義，確定表與表之間的關(guān)系，以中類表、小類表、緊固件模板表為例進(jìn)行展示。中類表邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示，小類表邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示，緊固件的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表3所示。

表1 中類表結(jié)構(gòu)

表2 小類表結(jié)構(gòu)

表3 緊固件的模板表

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)

將數(shù)據(jù)表之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確定關(guān)系，避免數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)的利用率。以中類表、小類表、密封件各類表為例，大類表的主鍵為小類表的外鍵，小類表的主鍵為密封件各類表的外鍵，將它們之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。中類表、小類表及各密封件表之間的關(guān)系如圖10所示。

3面向產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的開發(fā)流程

標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫在CATIA中通過二次開發(fā)以插件的形式展現(xiàn)管理員和設(shè)計(jì)人員，點(diǎn)開插件標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，可以按照需求檢索標(biāo)準(zhǔn)件，可以查看標(biāo)準(zhǔn)件詳細(xì)的尺寸信息、三維模型的預(yù)覽、二維尺寸圖的預(yù)覽，最后調(diào)用本地庫的模主型進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)生成三維模型。通過詳細(xì)尺寸信息，二維尺寸圖，三維模型的預(yù)覽，可以在直觀了解標(biāo)準(zhǔn)件的幾何特征信息，使用戶在設(shè)計(jì)時(shí)更具有目的性。開發(fā)過程中使用的方法如下：

(1)CATIA的二次開發(fā)是對(duì)CATIA軟件的定制化，其中二次開發(fā)的方式有好幾種，其中基于CAA的CATIA二次開發(fā)功能強(qiáng)大，開發(fā)效率高且穩(wěn)定，結(jié)合特定的開發(fā)環(huán)境RADE，以VC++2005為載體，搭建開發(fā)環(huán)境。

(2)在CATIA CAA開發(fā)環(huán)境下，使用CATDlog命令，利用標(biāo)簽、文本框、選擇列表等空間進(jìn)行交互界面的開發(fā)。

(3)利用ADO連接標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，主要使用兩個(gè)接口，_CommandPtr和_ConnectionPtr，_Command Ptr便于管理員對(duì)數(shù)據(jù)的增加、刪除、更新，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和管理。使用_Connection Ptr接口便利設(shè)計(jì)人員按照類別檢索和進(jìn)行模糊查詢，將查詢的結(jié)果加載到交互界面上。

(4)連接本地庫ObjectModelerBase框架下的CATDocumentServices接口，標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型都存放在對(duì)應(yīng)類別的文件夾下，模型的文件名都是以標(biāo)準(zhǔn)件編碼命名,以螺栓為例：CATDocumentServices::Open(“D:\標(biāo)準(zhǔn)件\緊固件\螺栓\010107000013.CATPart”,pDoc)。

(5)三維模型的預(yù)覽利用CATNavigation3DViewer方法可以零件模型;二維尺寸圖的預(yù)覽CATDialog接口中的SetIconName()方法。

(6)生成三維模型是將三維模型主模型加載到當(dāng)前的Product下使用CATIProduct接口中的AddProduct()；如果是同產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)不同型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)件生成三維模型要根據(jù)主模型進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，尺寸驅(qū)動(dòng)使用CATICkeParmFactory接口，遍歷當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)件主模型參數(shù)，修改參數(shù)，更新生成三維模型。面向產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的開發(fā)流程圖如圖11所示。

4 標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例展示

檢索產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB 29.1—1988，型號(hào)規(guī)格M5×20的螺栓進(jìn)行展示為例，按照類別檢索如圖12所示，螺栓的詳細(xì)信息如圖13所示。

5 結(jié)語

本文分析了現(xiàn)有企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)端和數(shù)據(jù)管理存在的缺陷，提出了面向產(chǎn)品全生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理方法，并開發(fā)出面向產(chǎn)品全生命周期統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)企業(yè)內(nèi)各系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)的需求，提出了標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)的概念，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)件的分類、編碼、數(shù)據(jù)模板。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)的前提下，提出了標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和表之間的關(guān)聯(lián)。

(3)設(shè)計(jì)了面向產(chǎn)品全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理庫的開發(fā)流程，并完成開發(fā)，在CATIA的交互界面中，通過檢索確定信息，生成三維模型。本文的研究以應(yīng)用與某車輛工程研究所。