基于GPMF框架和XML的滾動軸承產品模型

魏群，段國林，周桂霞

（1. 河北工業(yè)大學 機械學院，天津 300130；2. 河北聯(lián)合大學 理學院，唐山 063009）

基于GPMF框架和XML的滾動軸承產品模型

魏群1,2，段國林1，周桂霞1

（1. 河北工業(yè)大學 機械學院，天津 300130；2. 河北聯(lián)合大學 理學院，唐山 063009）

0 引言

近年來為實現(xiàn)快速制造，制造業(yè)對支持傳統(tǒng)產品建模的技術進行了廣泛深入的研究，但這些建模方法不能支持分布制造環(huán)境中的信息交換和共享，這會導致諸多問題如信息丟失、數(shù)據(jù)格式不兼容及產品開發(fā)過程的低效，從而產生集成的瓶頸。通用產品建模框架（GPMF）可以有效地解決這些問題，以STEP為基礎，包括四個基本組成：EDM（EXPRESS Data Model）、 基 于 STEP的建模環(huán)境、五步建模法和三種EDM數(shù)據(jù)交換的共享方法。GPMF是兼容的、全面的、靈活的并支持信息交換的共享，同時為支持基于Web/Internet的產品制造，還需要將其擴展到XML的映射。

1 基于STEP的通用產品建?？蚣?/h2>

基于STEP的GPMF框架，可以用來描述不同類型的產品在開發(fā)過程的不同階段的產品信息。GPMF的輸出結果是描述產品在開發(fā)的各個階段的數(shù)據(jù)模型集，不同類型的產品數(shù)據(jù)通過GPMF框架就可以得到相應的產品信息模型。

1.1 GPMF框架結構

GPMF框架如圖1所示，整個框架由四個模塊組成：1）EDM；2）基于STEP的建模環(huán)境；3）“五步”產品建模方法；4）EDM數(shù)據(jù)交換與共享。這四個模塊參照STEP標準，采用產品建模資源、協(xié)議和實現(xiàn)方法來構建產品建模環(huán)境。EDM是GPMF框架的核心部分，定義了一整套完整的產品數(shù)據(jù)結構，并且采用了標準的數(shù)據(jù)格式。EDM模塊由11個定義好的EXPRESS schema和STEP AP203組成。每個schema使用STEP定義的資源或者由用戶自己定義的與STEP兼容的資源來建模特定類型的產品信息。“五步”建模方法是EDM的支撐模塊，定義了一種正式的方法在建模過程中邏輯地規(guī)劃建立EDM所要完成的任務[1]。

1.2 五步建模法

五步建模法用來支持開發(fā)EDM模塊，將各種不同的產品信息建模進行標準化，分五個步驟：l）模塊化；2）基本建模對象的分析；3）關系和屬性的定義；4）約束的完善；5）模塊集成，分別討論如下：

1）第一步：模塊化，這個步驟定義EDM的體系結構，主要的任務包括：（1）產品建模目標的分析；（2）產品數(shù)據(jù)的分類；（3）EDM模塊化。由于產品建模過程包括大量不同類型的數(shù)據(jù)，因此產品建模目標的分析十分復雜，分析不全面會造成大量數(shù)據(jù)的丟失或冗余，EDM就不能正確地建立產品的數(shù)據(jù)模型。所以首先要對產品數(shù)據(jù)進行分類，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分類劃分不同的模塊。如圖1所示，EDM可以劃分為四種模塊：產品通用信息模塊、產品幾何數(shù)據(jù)模塊、產品制造數(shù)據(jù)模塊和資源模塊，其中資源模塊用來表示來自其他三個模塊中的共享數(shù)據(jù)。

2）第二步：基本建模對象的分析，這個步驟的主要目標是分析EDM每一個模塊的基本結構和定義EDM的基本建模對象。這個步驟首先分析EDM每一個模塊的結構，模塊的基本元素將被定義為基本的建模對象。例如，在產品制造數(shù)據(jù)模塊，裝配信息通常被定義為四個基本的建模對象，即裝配產品對象、產品組件對象、子裝配組件對象和連接器對象，其中連接器對象用來表示各個裝配組件對象之間的關系[2]。這些對象分別被定義為實體assembly_product, part, subassembly和connector。

3）第三步：關系和屬性的定義

這個步驟通過增加已定義對象的關系優(yōu)化和增加了第二步建立的基本建模對象，包括以下四個任務：實體屬性和實體間關系的定義、已定義實體的增強、新實體的定義和正確性檢查。這個步驟的操作一直持續(xù)到EDM的每一個建模對象都被詳細地定義。

4）第四步：約束的完善

這個步驟描述EDM的約束，它包括以下三個任務：（1）對象之間以及實體關系之間約束的定義；（2）模型整體約束的添加和完善；（3）模型信息糾錯。約束完善和對象建模一樣十分重要，它使得建模對象和以及它們之間的關系按照建模的要求被正確地約束，進行了優(yōu)化[3]。

5）第五步：模型集成

第五步的主要功能是將EDM的三個模塊集成在一起，檢查每一個模塊中的表示方法及輸入輸出。使得整個EDM模塊滿足完整、最小冗余、無歧義、無錯誤的要求[4]。

圖1 GPMF框架結構

2 滾動軸承產品信息模型

滾動軸承是常見產品并被認作為一種典型產品。本文在上述基于STEP的GPMF框架基礎上，以滾動軸承產品為例，采用EXPRESS語言建立了產品開發(fā)全生命周期內所基于STEP的數(shù)據(jù)模型并描述了建模方法，該模型可用于企業(yè)管理其產品開發(fā)過程，有助于保證產品設計各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的一致性和共享性，從而最有效地利用和調度企業(yè)的各種信息資源，及早發(fā)現(xiàn)錯誤，減少產品開發(fā)時間和成本，提高產品開發(fā)質量。產品模型根據(jù)產品開發(fā)不同階段對產品信息的需求，分為幾個部分：l）產品與裝配信息數(shù)據(jù)模型；2）工具信息數(shù)據(jù)模型；3）制造信息數(shù)據(jù)模型；4）原料信息數(shù)據(jù)模型；5）供應商信息數(shù)據(jù)模型；6）員工信息數(shù)據(jù)模型。由于篇幅所限，以產品與裝配信息模型和制造信息模型為例，給出其EXPRESS圖，其它模塊可用相同方法建模。

2.1 產品與裝配信息數(shù)據(jù)模型

產品與裝配信息數(shù)據(jù)模型是為了描述滾動軸承產品信息以及滾動軸承產品裝配信息而建立的。產品與裝配信息的數(shù)據(jù)模型如圖2所示，它包含產品信息本身以及產品的裝配信息。如圖2所示，該模型的根實體是product。這一實體是為了描述滾動軸承產品的基本產品信息和制造信息而定義的。其中滾動軸承產品的基本產品信息包括：l）產品標識（如圓柱滾子軸承N2210）；2）產品分類信息（如球軸承、圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承）；3）產品的名稱；；4）產品性能及其描述信息（包括承受的載荷種類、疲勞壽命、極限轉速、最大靜載荷和軸承工作溫度等）；5）繪圖文件信息；6）產品屬性信息：包括尺寸：軸承內徑、外徑、寬度、高度和倒角等。公差：尺寸公差和旋轉精度。公差等級為P0、P6、P5、P4和P2， 精度由低到高。游隙：徑向游隙包括2、0、3、4、5等5級，軸向游隙包括2、0、3、4等4個等級。潤滑：有無潤滑，潤滑的形式（油霧、油浴和脂潤滑）。密封：有無密封，密封形式（內密封、外密封）。其他：安裝、使用、管理和保養(yǎng)等[5]。

圖2 產品與裝配信息的數(shù)據(jù)模型

產品信息中與產品制造相關的信息包括：l）產品裝配方法（定義為實體product_assembly）；2）產品的設計標準和設計者信息（分別定義為實體design_standard和product_designer）；3）產品原料信息（定義為實體product_materials）；4）項目評價信息（定義為實體project_appraisal），此信息在產品開發(fā)前期用來對產品開發(fā)的可行性進行分析；5）工具之間的關系信息（定義為實體product_tool_relationship）。滾動軸承產品是由一系列部件組裝而成的，包括內圈、外圈、滾動體、保持架，有時還有防塵蓋和密封圈等。另外還有各部件間的配合，包括軸承與軸的配合h5、j6、k6、m6、n6、p6和r6等；軸承與殼的配合H7、G7、J7、Js7、K7、M7、N7 和P7 等；軸與外殼的形位公差P0、P6和P6X。本文用實體product_assembly_detail來描述該滾動軸承產品的詳細裝配信息，實體assembly_part描述整個裝配線上的所有部件的個體信息。其中實體assembly_part是實體product的一個子類。實體assembly_part和實體product_assembly之間的相互關系以及各部件的裝配方法用實體assembly_type來描述。

實體assembly_type含有以下屬性：1）assembly_type.id_name是用來定義裝配類型的標志符；2）assembly_type.product_designing_feature是用來描述裝配特征是否是現(xiàn)成的設計特征；3）assembly_type.its_description提供了實體assembly_type的 描 述 信息；4）assembly_type.subassembly_members是用來定義裝配組件的所有子 類；5）assembly_type.suppliers則用來定義各個部件的供應商信息。

2.2 制造信息數(shù)據(jù)模型

圖3所示的是制造信息的數(shù)據(jù)模型。這一模型用來描述車間的機械性能，它對加工機器的選擇非常重要。該模型的根實體是manufacturing_information，它包括了4種信息：l）工具試生產信息；2）模具制造信息；3）機床信息；4）制造成本信息。

工具試生產信息由實體tool_work_and_production_trial_record定義。這一實體記錄了工具試生產過程的所有信息（包括管理信息和技術信息）。實體factory_moulding_machinery包括了制造車間里滾動軸承機床的所有信息，這些信息包括滾動軸承機信息，循環(huán)周期，模架的大小，質量控制信息等等。實體workshop_machinery是用來描述車間機床的成本信息的。

圖3 制造信息的數(shù)據(jù)模型

3 GPMF模型的XML映射

上述GPMF模型是基于STEP標準的，可以為不同類型的產品建模提供一種通用、標準、中性的機制，但如果應用于Internet/Intranet網(wǎng)絡制造環(huán)境，需要對該模型進行格式轉換。由于XML具有網(wǎng)絡使能、協(xié)議無關、網(wǎng)絡無關、可擴展性等性能，使得新舊系統(tǒng)之間相互交流成為可能，將EXPRESS表示的產品信息模型映射為XML表示模型，是解決數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化應用的關鍵。XML對EXPRESS語言驅動數(shù)據(jù)表達進行分析，為STEP和XML的相互轉化提供基礎支持。其基本思想是利用EXPRESS定義產品數(shù)據(jù)模型，在XML中用XML Schema定義產品結構，在EXPRESS模型與XML Schema相對應的基礎上，將STEP映射為XML文檔，并將XML文檔發(fā)布，實現(xiàn)產品信息網(wǎng)絡間的傳遞和共享。XML與STEP的信息映射轉化主要需解決EXPRESS定義的產品模型與XML Schema定義的產品模型的映射轉化，二者的映射過程如下：

3.1 確定EXPRESS實體結構與XML Schema結構的一一對應關系

XML Schema模式是W3C組織于2001年提出的一種龐大的元語言規(guī)范。它克服了DTD的缺點，具有豐富的數(shù)據(jù)類型支持和強大的內容表達能力，同時增加了對命名空間支持、采用XML語法等特點。更為重要的是，XML Schema提 供了一個廣泛且可擴展的類與類型系統(tǒng)，其創(chuàng)建方法運用了面向對象的概念和機制，如全局和局部、繼承、擴展和替代、封裝和模塊等。

3.2 EXPRESS數(shù)據(jù)模型到XML Schema的映射

EXPRESS數(shù) 據(jù) 類型到XML的映射方式主要有兩種：前期綁定(early bound）和后期綁定(1atebound）。綁定的定義是將一個值(value）與一個程序實體的某一屬性(attribute）相關聯(lián)。前期綁定是指綁定時間發(fā)生在程序執(zhí)行之前，是一種靜態(tài)綁定；后期綁定是指綁定時間在程序執(zhí)行后發(fā)生，是一種動態(tài)綁定。靜態(tài)綁定有更高的執(zhí)行效率，而動態(tài)綁定在程序編寫方面有著更大的靈活性。

兩種綁定方法相比較而言，前期綁定比后期綁定簡單，但包含多個XML文檔時，前期綁定需要為每個XML文檔創(chuàng)建一個DTD，而后期綁定可以使用共同的文檔，EXPRESS到XML的后期綁定映射更適合應用于含多個EXPRESS信息模型的XML交換應用中。后期綁定也比前期綁定在表示上更為明確，因為后期綁定使得構件(實體，屬性等）類型的表示十分清晰。后期綁定的一個不利之處是它通常需要更多的編程工作來完成對象的重構，因為在將源對象串行化的具體實現(xiàn)細節(jié)方面有更多的間接性。后期綁定格式也比前期綁定格式要冗長得多。經筆者分析后認為，EXPRESS到XML的后期綁定映射更適合應用于含多個EXPRESS信息模型的XML交換應用中。在這樣的環(huán)境下，如果采用前期綁定策略，就必須為每一個EXPRESS模型設計不同的XML標記集(即要為每個EXPRESS模型設計不同的名字空間），這會使實現(xiàn)復雜化。后期綁定的方案則能夠用單個XML標記集表示所有EXPRESS模型，因為其XML標記集是與EXPRESS元模型對象(metamodel objects），而不是與EXPRESS模型中定義的對象(objects defined in the EXPRESS model）相對應的。

4 結束語

基于STEP的GPMF框架的結構和五步建模法，能為不同類型的產品信息提供一個通用的、標準的建模環(huán)境，不同的應用系統(tǒng)可以對同一信息模型根據(jù)自身需求進行存取，支持產品開發(fā)過程的產品信息共享與交換以及產品數(shù)據(jù)的管理。而且這些模型可以根據(jù)一定的映射規(guī)則，映射到一個基于Web/Internet的XML格式中，從而實現(xiàn)產品信息數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡應用。

[1]Shane Q. Xie and Wan-Lin Chen. A Generic Product Modeling Framework for Rapid Development of Customised Products, 2008.

[2]艾青松. 產品信息共享的相關基本理論與關鍵技術研究[D]. 武漢理工大學, 2008.

[3]A JC Trappey, T-H Liu, C T Hwang. Using EXPRESS data modeling technique for PCB assembly analysis. Computer in Industry, 2009, 34(1)l11-123.

[4]李原, 李建軍, 何為平. 基于PDM的CAX集成技術研究[J]. 2007, 22(1).

[5]李善平, 劉乃若, 郭鳴. 產品數(shù)據(jù)標準與PDM[M]. 清華大學出版社, 2002.

Product data model of rolling bearing based on GPMF and XML

WEI Qun1,2, DUAN Guo-lin1, ZHOU Gui-xia1

基于STEP的GPMF框架可以為不同類型的產品建模提供一種通用、標準、中性的機制，使得不同的應用系統(tǒng)或程序可以對封裝產品信息的模型根據(jù)自身需求進行存取，以支持產品開發(fā)過程的數(shù)據(jù)共享與管理，為支持基于Web/Internet的產品制造，需要將其擴展。本文利用GPMF框架以滾動軸承產品為例，建立了滾動軸承產品開發(fā)全生命周期的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)了產品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存取與管理，并研究了數(shù)據(jù)模型的XML映射方法。

GPMF；STEP；滾動軸承；數(shù)據(jù)模型；XML

魏群（1970－），女，副教授，博士生，研究方向為機械制造、產品數(shù)據(jù)管理。

TP391；TH122

A

1009-0134(2011)4(下)-0025-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).08

2010-11-25