面向產品全生命周期的標準件庫研究與實現

劉 昱， 閆光榮， 雷 毅

（北京航空航天大學機械工程與自動化學院，北京 100191）

隨著現代制造業和工業技術的飛速發展，工業標準化程度的不斷提高，工業分工的日益細化與協作的日益加深；標準件與通用件的使用已成為機械制造企業提高產品質量、降低產品成本、縮短產品制造周期的必要手段。其實企業考核產品設計質量的重要指標就是產品的標準化率及設計的重用率。現階段，PLM系統的應用已經成為提升制造企業信息化水平的重要手段，設計數據是整個企業產品生命周期過程中的源頭數據，只有設計數據準確、規范才能保證后續的工藝、生產、采購等業務環節數據的正確性。因此，在設計企業標準件庫時，不僅僅需要從設計工具本身的角度來考慮，還需要考慮到設計數據產生后，如何納入到PLM系統中進行管理；如何保證設計工具與 PLM 系統的單一數據源等多方面的因素。

隨著計算機應用的普及與設計工具軟件的進步，大多數的企業已經部分或全部應用了三維設計工具軟件，目前較為主流的有SolidWorks、Proe、UG等等，同時企業也根據這些設計軟件建立了自己的三維標準件庫。目前也有較多的文獻對三維標準件庫建立的方式進行了描述，文獻[1-2]描述了車輛門系統與牙嵌離合器標準件庫的建立與實現方法，但研究局限于專業的標準件庫方面，對通用的標準件庫的原理及構建方法缺乏研究；文獻[3-4]著重描述了如何利用專用的開發工具實現 SolidWorks標準件庫的二次開發的方法，但對標準件庫的產生原理及數據后續應用缺乏必要的研究；文獻[5-6]描述了基于網絡環境下，分布式部署的標準件庫的架構及實現方法，但同樣還是局限于設計工具本身的應用，沒有將研究擴展到標準件庫與PLM系統的協同應用方面。

企業的設計數據就是為了提供給下游的工藝、生產等環節使用，但目前針對標準件庫的研究在標準件庫的建立原理與標準件庫二次開發方法方面，缺乏對標準件庫如何與PLM 系統協同應用及如何形成設計工具與 PLM系統的單一數據源等方向的研究。本文正式針對此問題展開研究，并給出問題的解決思路及應用實例。

1 基于PLM的標準件庫的基本原理

1.1 基于PLM的標準件庫的定義與構成

目前市場上流行的PLM系統都是PDM系統發展而來，由原先的設計環節的數據管理延伸到了工藝、生產、采購、售后等業務環節，在設計環節產生的主要數據就是EBOM，其中按照零件的類型來分，EBOM的組成如下（見圖1）：

1）自制件：企業自己設計、自己加工的零件，每個零件必然會對應一張單獨的零件圖，零件編號也大多采用企業自己的編號規則。

2）外購件：需要從別的企業購買的零件或組件，它是非標件。

3）外協件：是由企業自己設計，轉移到別的企業加工的零件或組件。

4）標準件：由國家或行業定義的標準零件，具有統一的標準件編號，由專門標準件廠家生產。

圖1 組成EBOM的零件類型

企業傳統意義上的標準件庫指的就是上面零件類型為標準件的部分；但在企業的實際應用中，標準件庫的范圍可以更為寬泛，企業生產中所有具有標準規格和圖形的零件或組件都可以在存在與企業標準件庫中?？偨Y起來，企業標準件庫的定義如下：企業標準件庫是面向企業所有業務單元定義，它的數據可以為企業所有業務單元共享；標準件庫應由企業中常用的標準或通用的零件或部件組成，它包含零件的圖形信息與數據信息。

所以在企業的標準件庫中，也可將一些通用的外購件、企標件以及企業自己定義的通用件加入到標準件庫中。企業標準件庫的組成如圖2所示。

圖2 標準件庫的構成信息

1.2 構建基于PLM標準件庫的必要性

基于 PLM的標準件庫的一個主要意義是指標準件庫的構建是面向產品的整個生命周期的，它實際是企業基礎數據庫的一部分，它的數據可以共享給不同的業務環節使用，而不僅僅局限于設計業務單元。同時標準件庫首先要滿足設計部門的應用需求，設計數據的準確與規范，很大程度決定了企業PLM 系統應用的效果。構建基于PLM的標準件庫主要有以下幾個作用：

1）圖形數據的標準化 在企業原先的設計模式下，個人繪圖時要么沒有標準件庫，要么是基于設計軟件自帶的標準件庫進行繪制。這種情況造成了圖紙中的標準件各不統一，繪制的標準和規格各異。而基于 PLM的標準件庫是一種基于服務器的分布式架構模式，所有的標準件數據包括圖形數據都是記錄在PLM系統的數據庫中，用戶設計時基于統一的標準件庫，保證了設計過程中標準件數據的共享化與標準化。

2）規格參數的規范化 在標準件庫中，不僅保存了標準件的圖形信息，同時還保存了標準件的規格尺寸和特征參數等信息。用戶在選用一個標準件時，同時就明確了標準件的規格尺寸和特征參數，這樣就避免了由于標準件的尺寸或參數信息描述的不一致，造成了下游的工藝、采購等業務環節的數據處理中出現問題。

3）設計單一數據源 在企業上了 PLM 系統之后，所有的數據都需要納入到PLM 系統中來管理。但如果獨立與 PLM 系統之外還有一個標準件庫，那么標準件庫中的信息實際和 PLM系統中的標準件信息是相重疊的，這樣就會造成數據的重復定義以及數據定義過程中的二義性。而構建基于 PLM的標準件庫則可以很好的解決這個問題。

1.3 PLM系統中標準件物料信息的傳遞

基于PLM的標準件庫是面向整個產品生命周期的，標準件的物料信息產生后，會在整個產品生命周期過程中進行傳遞，供各個業務環節使用。

如圖3所示，根據設計業務形成的標準件清單可以幫助銷售業務進行快速報價；產生的外購件清單與標準件清單輸入到采購業務后，形成相應的采購清單；而輸入到生產業務后，則會形成在生產環節時的領料單。可見，設計過程中產生的標準件物料數據在產品生命周期的多個環節被加工和再利用。因此，構建基于PLM 的標準件庫保證了標準件圖形與規格數據的規范性，避免了數據的重復定義，給下游業務環節的數據處理帶來的極大的便利性。

圖3 標準件物料信息在產品生命周期中的傳遞

2 基于 PLM 的標準件庫系統的架構與實現

2.1 基于PLM的標準件庫的研究內容

基于 PLM的標準件庫中的每個標準件元素都由三維參數化標準件與其對應的規格尺寸等屬性信息組成。由于不同類型的標準件，其特征屬性是完全不一致的，所以需要為它們定義不同的分類屬性。同時標準件庫與PLM系統需要實現協同應用，標準件元素需要經過相應的審核流程才能發布到標準件庫中，其包括以下研究內容。

1）建立標準件模型 在SolidWorks的2010版本中，有自帶的ToolBox標準件庫，但它是基于尺寸驅動方式的。即一個幾何圖形會對應多個尺寸參數，用戶選定一個圖形并指定了它的尺寸參數后，會形成一個標準件的實體模型。但在基于 PLM標準件庫中，標準件對象和物料對象一一對應的，所以需要通過用戶交互的方式形成構建標準件的實體模型。

2）特征參數的提取 不用的標準件有不同的特征參數，如名稱、代號、尺寸規格、生產廠家、單位等等，這些特征參數需要提取保存到標準件庫對應的類與屬性中。同時用戶從標準件庫中選擇的標準件，也可以將它的特征參數填寫到SolidWorks的文件屬性中。

3）標準件數據模型的建立 因為不同類別的標準件對應不同的特征參數，而且企業的標準件庫需要不斷的維護與擴展。所以標準件庫的數據模型必須支持標準件分類與屬性的動態擴展。

4）標準件的審核流程 標準件必須經過嚴格的審核流程后才能進入標準件庫中。前文說過，標準件庫可以由多種不同類型的零件組成，如外購件和通用件的就需要經過不同的審核節點，所以需要基于 PLM的標準件庫系統可以支持動態定義的工作流。

2.2 標準件庫的系統架構

基于PLM的標準件庫的系統架構如圖4所示。

它是基于 PLM 系統開發實現，系統由平臺層、對象層以及界面功能層構成。各層的功能定義如下：

1）平臺層 平臺層包含了數據模型與相應的應用服務。數據模型支持標準件分類及屬性的定義與擴展，同時數據模型層還負責將這些定義映射為數據庫中的庫表結構，用戶存儲標準件的分類及屬性信息。平臺層還包含工作流引擎、文倉服務、日志服務等。工作流引擎用于定義流程模型并驅動流程節點的流轉；文倉服務用于管理系統中物理文件的傳輸；日志服務用于記錄系統中的關鍵操作信息。

2）對象層 對象層定義了標準件庫系統中的具體數據結構，包括標準件的物理文件對象、記錄標準件特征參數的數據對象、用于管理標準件創建、審核過程的流程實例、以及用于參數化驅動標準件生成的對象模板等。

3）功能界面層 功能界面層定義了標準件庫在具體的三維軟件平臺中使用時的功能與用戶交互。它包括標準件查詢、插入；標準件的數據模型定義與標準件管理；工作流管理等具體功能。

圖4 基于PLM的標準件庫系統架構

2.3 標準件庫的開發方法

Solid Works是目前在機械制造行業較為常見的一款三維設計軟件，除了本身豐富、便捷的三維設計功能之外，它還通過COM技術提供了功能強大的二次開發接口（Solid Works API）。凡支持COM的開發工具，如VC++、.NET、Delphi等都可用于Solid Works的二次開發。

C#語言具有良好的面向對象思想與跨平臺運行時支持的能力，.NET平臺對COM技術具備良好的兼容性。所以作者選擇基于.NET平臺以及C#語言開發基于Solid Works的標準件庫。

Solid Works的安裝包中自帶了 SolidWorks API SDK的安裝包。解壓安裝后，在 Visual Studio 2008中新建項目時自動會出現“SwCSHARPAddin”的項目模板。依據此項目模板創建項目后，便可在模板給定的程序框架中，加入相應的功能實現代碼。程序編譯后，會自動生成Solid Works插件管理器中的功能插件，并以菜單和工具欄的形式顯示在Solid Works的系統界面中。

3 基于PLM的標準件庫系統的應用

3.1 標準件庫的建立及維護方法

基于PLM的Solid Works標準件庫的建立及維護可以分為以下幾步：基礎標準件庫的構建；標準件特征參數的提??；標準件維護流程。

3.1.1 基礎標準件庫的構建

標準件庫的構建首先需要整理出標準件的分類，Solid Works中提供了一個基于ToolBox模式的標準件庫。用戶可以基于此整理出自己常用的標準件分類以及各個分類的特征參數，并基于此在數據模型中構建出標準件的分類及相應的分類屬性，如圖5所示。

圖5 標準件分類

ToolBox中提供的是較為完整的標準件庫，但一般企業常用到的標準件也就是幾千個，所以需要組織企業的資源將常用的標準件整理出來。整理的工作需要由技術部門、采購部門、標準化部門共同參與，標準件庫的整理對統一企業的物料標準、降低庫存、減少采購成本都有很大的好處。3.1.2 標準件的添加

標準件的添加過程可以分為以下幾步：

1）標準件整理的工作可以基于ToolBox的標準件庫展開，剔除其中不必要的分類、規格以及圖形表達，為每一類的標準件生成特定的配置屬性并添加屬性值，也可將配置導出成excel表編輯后再導入回去。

2）將篩選好的標準件生成實體圖形，保存在特定的目錄。此時標準件的特征參數已經記錄在實體零件的自定義屬性中。

3）通過 PLM 系統的集成功能將標準件文件提交到基于 PLM系統構件標準件庫中，同時將這些標準件指定在不同的分類下。在標準件提交的同時，系統會自動標準件中的特征參數，將其保存到標準件的對應標準件對象記錄中。

3.1.3 標準件的維護流程

在標準件庫的日常使用中，需要不斷地維護及修改。標準件庫維護的工作涉及到多個人員的參與。在一個設計人員認為一個零件可以升級為標準件或通用件時，需要啟動一個標準件的審核流程（不同類型的標準件的審核流程可能是不同的），如圖6所示。

圖6 標準件審核

標準件的審核流程需要經過標準化的節點以及審核的節點，在審核結束后，會將審核通過的消息抄送相關的設計人員。在審核流程結束后，標準件自動被置為發布狀態，供設計人員檢索、使用。

3.2 標準件庫的應用

在用戶啟動Solid Works時，可以選擇裝載標準件庫的選擇插件，然后在主界面的菜單中，就會出現使用標準件庫的菜單。點擊菜單，會彈出對話框，如圖7所示。

圖7 標準件交互選擇界面

對話框左側顯示的構建與標準件庫中的標準件類樹；在選擇一個具體的類后，會將該類下的標準件顯示于對話框右上方的窗口中；選中一個具體的標準件后，在右下方的窗口中會顯示該標準件對象具體的屬性與特征參數。

用戶可以將選中的標準件實體圖形插入到當前繪圖環境中，當用戶需要將繪制圖形提交到PLM系統中時，系統會自動識別圖形中的標準件實體，并將其指向系統中已有的標準件對象，并不會在系統中再次創建新的物料對象。通過此種方式，即方便了用戶對標準件的使用；也確保了PLM系統匯總設計源頭信息的標準化。

4 結 論

在目前PLM系統的應用研究中，設計工具與管理信息系統的協同應用已經成為研究中的一個熱點。其含義就是將盡可能多的數據納入到PLM系統中進行管理，用戶在完成設計工作時直接基于管理系統中的數據進行設計、參考。這樣可以最大程度避免設計數據的重復定義，達到設計數據的標準化、規范化，實現設計工具與PLM系統的單一數據源，這也是單一產品數據源理論的一種應用與體現[7]。本文給出了構建基于PLM系統的Solid Works標準件庫的原理、實現方法以及與PLM 的協同應用模式，不僅對企業提高數據的標準化，改善設計人員的工作效率，縮短產品研發周期具有一定的意義；對制造企業PLM系統的實施與應用，也具有一定的參考價值。

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