基于設計環境的圖紙BOM管理系統

2012-07-09 01:16:16羅年猛肖祖安

圖學學報 2012年5期

羅年猛，肖祖安，朱林

（華中科技大學國家企業信息化應用支撐軟件工程技術研究中心，湖北武漢 430074）

在工業生產實踐中，如何有效的管理大量的工程圖紙，并提高其重復利用的效率成了非常棘手的問題[1]。PDM（Product Data Management，產品數據管理），作為對企業設計過程管理，已經在國外一些著名企業中得到廣泛的應用，但是在國內，部分企業的PDM在應用中困難重重，周期長，數據采集和處理難，缺乏準確性，PDM實施成功率低成了普遍現象，這樣的企業在我國為數不少，大多是一些中小型企業，它們把CAD僅僅作為繪圖工具來使用，經過多年的積累，存在大量無序的電子文檔，企業一方面需要把這些寶貴的信息整理成可查閱的電子資料庫，而另一方面實施PDM等管理軟件又存在高成本、高風險等問題。而且企業往往需要進行大量的改造，投入很多的人力，這不是所有中小企業都可以承受的，但是他們又迫切的想擺脫手工編制 BOM（Bill Of Material，物料清單）的繁瑣。因此，這些企業急需一種簡單易用的“圖紙BOM管理系統”。它不需要PDM、PLM中過于約束的功能、繁瑣的流程管理，只需要實現零件圖紙的查看、產品結構的管理、BOM 數據的提取和輸出等基本功能[2]。因此，本文提出了一種簡潔、高效的圖紙BOM管理的方法，從邏輯上對圖紙進行劃分，以某一產品（或產品的某一部件）的所有圖紙（一套圖紙）為對象，幫助設計者管理和維護該套圖紙，并且方便輸出各種形式的BOM數據報表。

1 圖紙BOM管理系統的設計

1.1 系統的總體架構

1.1.1 系統需要具備的功能

利用計算機來輔助企業生產管理，首先要使計算機能夠獲取產品的構成及相關的物料，為了便于計算機識別，必須把用圖示表達的產品結構轉化成某種數據格式，這種以數據格式來描述產品結構的文件就是物料清單，即是BOM[3]。在設計過程中，BOM 的數據來源主要是整套產品設計圖紙中的標題欄和明細表中的信息。標題欄主要記錄了該零件或是部件的名稱、圖號等信息；明細表則記錄了部件或子部件所引用的零件的名稱和數量等信息。故圖紙中的標題欄和明細表不僅反映了該零件（或部件）的物料信息，還反映了零件之間的結構層次關系。在國內一些中小型制造企業中，設計圖紙的無序化、BOM 報表的手工編制和人工管理嚴重的阻礙了知識的共享和重用，工作人員大量的時間和精力都花在了重復的勞動上，制約了企業的發展，降低了企業的市場競爭力，故對于這些企業來說，如何有效的管理設計圖紙和BOM數據是其企業信息化的關鍵一步。

對于上面所描述情況，這些企業需要一種圖紙BOM管理系統，來規范的管理他們的圖紙和BOM數據，該系統必須具備如下4個功能：

1）實現圖紙的批量管理、快速查看和查找；

2）能夠從圖紙中提取所需的BOM信息；

3）直觀的生成產品結構，并且實現對產品結構的管理；

4）生成多種形式的BOM報表。

最后，考慮到設計人員習慣于CAD繪圖環境并且要對圖紙進行快速查看，故該系統集成于CAD環境中。

1.1.2 系統的架構設計

為了實現對圖紙數據的統一管理和存取，系統的底層采用數據庫支持，數據庫是現在應用非常廣的數據管理技術，常用的數據模型有如下3種：

1）層次模型(Hierarchical Model)，使用樹形結構來表示數據以及數據之間的聯系；

2）網狀模型(Network Model)，使用網狀結構表示數據以及數據之間的聯系；

3）關系模型(Relational Model)，是一種理論最成熟,應用最廣泛的數據模型。在關系模型中，數據存放在一種稱為二維表的邏輯單元中，整個數據庫又是由若干個相互關聯的二維表組成的。

與層次模型和網狀模型相比，關系模型結構簡單，采用了人們習慣的表達形式，易于掌握。它以關系理論作為指導，可以通過集合運算、謂詞演算來表示查詢。因此，本文的數據庫設計采用了關系模型[4]。

整個系統的架構如圖1所示。

系統分為3個層次：底層數據、中間處理和CAD平臺。底層數據中，“工程圖紙”是原始數據，圖紙中標題欄和明細表信息被提取到“圖紙數據庫”中，這些數據是生成BOM報表的基礎。然而，對于用戶來說，數據庫中的數據是與他們的操作直接相關的“原始數據”，數據庫中的圖紙數據和“工程圖紙”中的圖紙文件有一一對應的關系，這個是為了方便用戶對圖紙進行查找和查看；“中間處理”主要是對數據庫中的數據再次抽取的過程，提取用戶需要的數據并且進行相關的解析，為最終的輸出做準備；“CAD平臺”則是用戶直接操作的環境，主要是實現數據的圖形化或是視圖化的過程。這樣的層次結構使得圖紙數據和管理程序相對獨立，降低了整個系統的維護成本，同時，在保證數據完整性的前提下，管理程序以后的擴展也非常方便。

圖1 圖紙BOM管理系統的架構

1.2 關鍵技術和算法實現

由1.1節可以得知，系統的主要功能是圖紙數據的提取和數據的導出，圖紙數據庫是整個數據流的樞紐，所以圖紙數據庫的設計、圖紙數據的提取和數據的導出是整個系統的關鍵，其中，數據的導出主要包括產品結構的生成和BOM報表的輸出。

1.2.1 圖紙數據庫的設計

圖紙數據庫是整個系統數據的樞紐，是用戶操作的直接數據來源，故數據庫的設計對整個系統非常的關鍵。

由圖1可以看出，圖紙數據庫中首先必須包含如下數據：

1）數據庫數據和圖紙的映射關系；

2）圖紙之間的結構關系；

3）圖紙的BOM數據。

數據庫數據是整個系統的基礎，但是如何有效的組織數據則直接影響到系統的檢索性能，故需要對原始圖紙數據進行合理的分類。在數據庫中主要采用如圖2所示的幾個表來存儲圖紙的主要信息。

圖2中，“圖紙定義文件表”、“定義文件和字段值映射關系表”和“字段屬性表”包括了整個圖紙的標題欄和明細表的定義屬性，包括各個屬性代表的名稱和在圖紙上的偏移坐標，這些定義信息是識別圖紙的基礎。工程上圖紙的管理通常是通過產品來劃分的，在這里系統以“項目”的概念來分別管理不同的產品的圖紙。“圖紙信息表”中主要是標題欄的信息，它和“明細表信息”表中的明細表信息是“圖紙關系表”的數據來源，這3個表最終匯總成了“產品結構信息”表。對于一個項目來說，主要的信息有：項目ID、圖紙ID、明細表信息ID、定義文件ID和字段屬性ID，在數據庫中對這些信息進行合理劃分，分別存放在不同的表中，用各自的ID 做索引值，來進行數據檢索。這樣的信息組織減少了數據冗余，提高了應用程序的查詢效率，同時，數據的層次結構簡潔清晰，方便用戶的管理和維護。

圖2 圖紙數據庫設計圖

1.2.2 圖紙的批量錄入

圖紙管理以“項目”為劃分，每個“項目”的圖紙都可以批量錄入，指定文件夾或是多個dwg文件都可以。對于單張圖紙的錄入過程如圖3所示，圖紙的批量錄入是循環執行單張錄入的過程。

圖3 單張圖紙的錄入過程

圖3 “遍歷圖紙”是對圖紙中所有實體的迭代過程，從中找出標題欄和明細表，然后對整個標題欄和明細表的數據進行讀取，這是圖紙數據讀取的關鍵部分。對圖紙數據的讀取主要有3種方法：“模板匹配法”、“塊屬性定義”和“圖紙屬性定義文件”。其中，“模板匹配法”要求現有的圖形和預先定義的模板的形式完全一致，這樣就可以根據模板中的位置來提取圖紙中的數據，該方法主要用于一些格式比較固定的純表格類數據的提取，對圖紙的要求非常嚴格[5]；“塊屬性定義”是現在用的非常廣的一種圖紙數據提取方法，在AutoCAD中提供一種塊編輯器功能，可以對圖塊進行屬性定義或是在圖塊中填寫擴展數據來標識圖形，在獲取數據時對圖紙進行遍歷，找到之前定義的屬性塊，這樣就可以通過定義的屬性提取出填寫在圖紙中的數據[6]；“圖紙屬性定義文件”則主要適合一些自由表格圖形的數據提取，通過在屬性表中定義的圖紙屬性和相應的相對坐標及坐標偏移量就可以找到一個包容盒，這樣包容盒中的文字數據就可以很方便的提取了[7]。這里，系統提供了“塊屬性定義”和“圖紙屬性定義文件”這兩種方法來提取圖紙數據。下面主要是以“塊屬性定義”為例，圖紙中標題欄和明細表都被定義成帶屬性的塊，完整定義信息是由定義文件和保存在圖塊中的擴展數據組成的。圖紙的遍歷僅執行一次，遍歷的算法過程如圖4所示。

圖4 圖紙的遍歷過程

“讀取標題欄信息是否成功”，是檢查遍歷的圖紙的結果中是否存在標題欄的ID，如果存在則讀取標題欄中保存的擴展數據，找到相應的定義文件，定義文件中保存了標題欄的字段的定義信息，然后根據定義信息可以得到標題欄中各個字段的填寫區域，從而可以獲取到標題欄中填寫的所有信息，例如：圖號、名稱、圖幅等。“讀取明細表信息是否成功”的過程也是類似的。程序的基本流程圖如圖5所示。

圖5 讀取標題欄定義的過程

“檢查是否存在遞歸包含”的作用是檢查一張圖紙是否在明細表中又包含了自己，如果存在遞歸包含則不會被添加到圖庫中，因為這在輸出產品結構樹時會引起一個類似死循環的結構。如果要添加的文件已經存在圖紙數據庫中，則刪除原來已經保存在數據庫中的相關圖紙信息，重新添加一次。

1.2.3 產品結構樹輸出

在圖紙的標題欄和明細表信息的錄入時，系統會在圖庫數據庫中新建1個“圖紙關系表”（如果已經存在，則或刪除重建），用來管理錄入圖庫中的圖紙之間的關系。“圖紙關系表”中主要記錄了3個字段：項目ID（根據項目新建的順序，從1開始順序取值）、圖紙ID（按照圖紙添加的順序，從1開始順序取值）、父圖紙ID。圖紙的父子關系主要是根據圖紙中的明細表的引用關系來確定的：如果a圖紙的明細表中引用了b圖紙，則認為b圖是a圖的零件，a圖是b圖的父親。產品結構樹的輸出過程如圖6所示。

圖6 產品結構樹輸出過程

“建立文檔父子關系”是產品結構樹的關鍵步驟，其過程主要分為3步：

1）從“圖紙信息表”中獲取圖紙ID；

2）根據圖紙ID在相應的“明細表信息表”中查詢該圖紙明細表中所引用的圖紙的ID，保存到一個數組中；

3）根據獲得的圖紙 ID數組逐個的查詢，這樣就得到了文檔的父子關系，然后添加到“圖紙關系表”中；

“檢查是否存在遞歸包含”的依據是“圖紙關系表”中圖紙ID和其父圖ID是否相等，如果相等，則認為是存在遞歸包含，不相等接著進行下一步，插入到結構樹的相應位置進行顯示。

1.2.4 BOM報表輸出

BOM報表可以輸出多種格式：txt、xls、dbf和dwg。圖紙的數據包含標題欄和明細表信息，數據按照產品結構樹的層次來輸出。BOM 報表輸出的數據來自“產品結構信息”表，這個表中的數據是“圖紙信息表”和“明細表信息表”的綜合，包含的數據量非常大，考慮到整個系統的性能，“產品結構信息”表不會自動刷新，用戶在需要時手動刷新。txt、xls和dbf格式都是按照順序直接寫出數據，是比較通用的格式，而dwg格式報表則是把數據填寫在dwg格式的表格中，這是很多管理軟件沒有的報表格式，dwg格式的報表在工業實際中應用非常廣泛，符合設計人員的使用習慣，方便修改和維護。dwg格式報表需要預先定義一個報表格式和相應的表格定義文件，系統會根據dwg表格模板和定義文件中定義的字段選擇性的提取“產品結構信息”表中的數據填寫到表格中，從而輸出dwg報表。

2 圖紙BOM管理系統實例

圖紙BOM管理首先是要建立圖庫數據庫，數據庫中主要包含圖紙的定義信息，和各個用于存儲圖紙信息的數據表，這些信息都是以后圖紙的信息提取和保存的基礎。然后可以新建項目、添加圖紙，新建的項目和添加的圖紙信息都會被保存到先前建立的數據庫中，系統最終會根據圖紙的信息生成一個產品結構樹，可以對樹中的任意一張圖紙進行查看，填寫等操作，對于每個項目都可以輸出報表，選擇輸出報表，可以得到如表1所示的報表數據。

針對這個網格中數據，可以輸出成多種格式：txt、dbf和dwg。對于dwg格式的報表需要預先定制好輸出的表格形式，表2是輸出的dwg報表。

3 結束語

圖紙BOM管理系統已經在多個企業使用，如：成都成工工程機械有限公司等，系統直接集成在CAD環境中，操作簡單直觀，符合設計人員的使用習慣，提高了圖紙數據的重復利用率，減少了設計者的重復勞動，得到了用戶的一致好評。未來該圖紙BOM管理可以朝著網絡協同方面發展，實現多用戶并行工作和圖紙數據的完全共享，這將又會是一次大的飛躍。

表1 報表數據

表2 輸出dwg報表

[1] 葉濤,郭暉. 基于AutoCAD的圖庫管理系統設計與實現技術[J]. 武漢理工大學學報,2007,29(2):51-54.

[2] 楊曉鎮. 產品設計 BOM 信息自動生成及管理的研究[D]. 大連: 大連理工大學,2007.

[3] 林婭. 制造 BOM 的數據存儲和查詢優化技術研究及軟件研發[D]. 重慶: 重慶大學,2007.

[4] 何玉潔. 數據庫基礎及應用技術[M]. 北京: 清華大學出版社,2002: 7-15.

[5] 劉建民. 工程圖檔信息管理系統的設計與實現[D].天津: 天津大學,2005.

[6] 張良棟,王杰. CAD圖中明細表信息的提取和BOM 生成方法的研究[J]. 制造業自動化,2004,24(12): 46-49.