工藝數據的可定制性表達模型研究*

羅年猛,郭 錦,朱 林

(華中科技大學國家CAD支撐軟件工程技術研究中心,湖北 武漢 430074)

工藝數據的可定制性表達模型研究*

羅年猛,郭 錦,朱 林

(華中科技大學國家CAD支撐軟件工程技術研究中心,湖北 武漢 430074)

工藝規劃靈活的可定制能力是工藝系統適應不同企業或同一企業不同時期需求變化的一項關鍵技術。通過分析工藝的定制需求，提出了一種數據表達模型，較好地解決了工藝規劃的層次結構以及內容的可定制性問題，提高了工藝規劃的快速響應能力，使CAPP系統能夠適應不同行業、不同企業的不同需求，能夠適應企業工藝規范的更改與調整。

定制；工藝數據；表達模型；工藝規程；CAPP

1 引言

近些年來，除了傳統的制造行業之外，各種新興行業層出不窮，各行業間千差萬別，并且即使在同一行業中各企業之間的工藝數據差異化也越來越大，導致工藝數據的個性化增強。隨著生產模式的進步，對同一企業，在不同的階段，其工藝數據會不斷地擴充和更改，對計算機輔助工藝規劃CAPP(Computer Aided Process Planning)系統的定制能力提出了更高的要求，而決定CAPP系統定制能力的核心就是工藝數據模型的可定制性。對此學者們進行了大量的研究，體現在基于工藝卡片的通用工藝數據表達模型[1,2]、基于工藝操作的中性數據表達模型[3]、可定制的工藝數據存儲方式[4,5]、與PDM集成的工藝數據的定制[6]等眾多方面。但是，上述研究未能很好地解決工藝規劃中層次結構的定制、工藝數據之間關聯關系的定制和數據結構變更后的兼容性問題。

針對上述問題，本文從CAPP系統的核心“工藝數據”出發，通過分析不同行業、不同企業以及同一企業不同階段的工藝需求，建立了可定制CAPP系統的工藝數據模型，較好地解決了工藝規劃的層次結構以及內容的可定制性問題，提高了工藝規劃的快速響應能力，使工藝系統得以擺脫由于不同企業需求不一致以及不同時期的需求不同而需要對工藝系統局部甚至全部進行重新程序開發的問題，很好地保證企業系統的連續性以及數據的共享性、準確性和唯一性。

2 可定制的工藝數據模型

2.1 工藝規劃層次結構

如圖1所示，完整的工藝規劃包括工藝路線、工藝過程、工序、工步和匯總等先后層次結構的工藝規程，每一層的工藝規程都需經過審批、修改、最終定型。各層次工藝規程都由工藝元素構成，如熱處理工藝過程由產品型號、零部件序號、工序號、工時、變形量、裝爐溫度等工藝元素構成，所有的工藝元素集中在工藝元素庫中。在工藝規劃的過程中，會產生大量的工藝規程，這些工藝規程有很多都是由相同的工藝元素構成，所以為了方便管理數量龐大的工藝規程，把由相同工藝元素構成的工藝規程抽象成一種工藝規程類型，各層次可能有多種工藝規程類型。

Figure 1 Hierarchy of process planning圖1 工藝規劃層次結構

各層次的工藝規程類型之間存在著結構上的關聯關系。工藝路線、工藝過程、工序、工步等層次依次細分，細分層次繼承了前面層次的部分工藝元素，而匯總是針對所有層次的工藝規程類型。如機加工工藝路線和機加工工序之間的產品型號、工序號、設備型號等存在一對一對應關系，匯總規程類型與源規程類型之間的工藝元素存在著運算關系。

對于不同的行業、不同的企業以及同一企業的不同階段，工藝的不同可以歸納為三個方面：(1)層次結構不同；(2)工藝規程類型不同；(3)各層的工藝規程類型中工藝元素的關聯關系不同。上述完整的工藝規劃層次結構能夠滿足不同企業的工藝規劃層次需求。企業根據其實際情況選擇合適的工藝規劃層次結構，可能是三層的工藝結構(工藝路線-工藝過程-工序)，也可能是兩層工藝結構(工藝過程-工序)或者是其他層次的工藝結構。從工藝元素庫中選擇合適的工藝元素定制相應的工藝規程類型，可以滿足企業各層次的工藝規劃的內容的定制需求。

2.2 工藝規程類型

工藝規劃中存在若干個層次，每一層次由一系列工藝規程類型構成。各層次之間存在著一定的層次結構關系，如父子關系。在對工藝規程類型進行介紹前，引入工藝元素庫的概念。

定義1工藝元素庫PES(Process Elements Set)是可配置的工藝元素集合，存放了企業所有的工藝元素，PES={P1,P2,…,Pn}。其中Pi(i∈[1,n])是第i個元素，可以表示成三元組的形式P=〈ID, T, V〉，ID為該工藝元素的全局唯一標示符，T為工藝元素類型，由正則表達式來規定，V為該工藝元素的值。

定義2工藝規程類型PPT(Process Procedure Type)是相似工藝規程的抽象，可表示為四元組的形式：PPT=〈ID,name,father,content〉。其中，ID為該類型的唯一標示符，name為該類型名稱，father是該類型的層次結構關系，content={P1,P2,…,Pm}表示該類型包含的工藝元素的集合，如零部件序號、工序號、工序內容等。

定義3工藝元素映射PM(Process Element Mapping)表示工藝規程類型PPTi與工藝元素庫PES之間的映射關系，PMi={ai1,ai2,…,ain}T為n元列矩陣，其中,

工藝規程類型的構成模型可以表示為：PPT:content=PES*PMi，其中PPT:content表示工藝規程類型PPT的工藝元素集合。如圖2所示，工藝元素庫PES是獨立的可定制的數據倉庫，存放了所有的工藝元素，工藝規程類型通過工藝元素映射規則PM從PES中獲取所需的工藝元素。

Figure 2 Content customization of PPTs圖2 工藝規程類型的內容定制

2.3 數據模型

各層次的工藝規程類型之間除了存在著層次結構的關系外，還存在工藝元素間的關聯關系。為了表示工藝元素之間的關聯關系，引入項對象OI(OperationItem)和元素關聯關系ER(ElementRelationship)的概念。

定義4項對象(OI)是一個二元組，OIij=〈PPTi:father,PPT:Pj〉，其中PPTi:father體現工藝規程類型PPTi的層次結構關系，描述了其對應的上一層次的工藝規程類型，PPTi:Pj表示PPTi的一個工藝元素。

定義5元素關聯關系(ER)用來處理項對象之間的關系，常用的關聯關系如表1所示，用戶可以自定義關聯關系符號。

Table 1 Common ER for process elements表1 常用的工藝元素關聯關系

工藝規程類型可以拆分成若干個項對象，工藝規程類型中工藝元素的值可以由項對象和元素關聯關系來確定。如圖3所示，左側為工藝規程類型結構樹，體現了工藝規程類型的層次結構關系，右側為工藝規程類型之間的元素關聯關系。

Figure 3 Structural relationships among PPTs圖3 工藝規程類型結構關系

所有工藝元素的關聯關系運算規則如下：

任意三個項對象之間的關系：OIij=(OIqv)ER(OIuw)，其中ER為二元關聯。OIqv與OIuw能否進行操作，取決于OIqv:father與OIuw:father的關系，其基本原則是不能造成OIqv:P與OIuw:P的數據重復與沖突，比如說工時定額匯總時不能同時匯總同一零件機加工工藝路線規程與機加工工序規程的工時。

項對象之間的多元關系可以由上述一元關聯和二元關聯經過復合操作得到，OIij=(OIkl)ER(OIqu)ER(OIvw)…ER(OIxy)，通過該數學模型可以定制工藝規程類型間的工藝元素關聯關系。

工藝規程之間的關聯關系比較復雜，不僅僅限于以上兩種關系，用戶可以通過自定義工藝元素關聯關系來實現。用戶自定義的工藝元素關聯關系須滿足以上的運算原則，運算結果的形式都由用戶自定。

3 企業定制

3.1 定制流程

根據上文提出的可定制工藝數據模型，企業實施定制的過程如圖4所示。

步驟1對工藝規劃的層次進行劃分。工藝規劃的層次結構如圖1所示，企業根據自己的實際情況從工藝路線、工藝過程、工序、工步和匯總等工藝規劃層次中選擇合適的結構。

步驟2劃分各個工藝規劃層次的工藝規程類型。比如工藝路線層次的工藝規程有機加工工藝路線規程、焊接工藝路線規程、熱處理工藝路線規程等；工序工藝規程可以分為機加工工序規程、焊接工序規程、熱處理工序規程等等；匯總規程包括工時定額、材料定額等，如圖4中的步驟②。

Figure 4 Customization process圖4 定制過程

步驟3定制各層次工藝規程類型之間的層次結構關系。企業在工藝規程類型管理結構樹上添加相應的工藝規程類型節點，構建如圖3左側的工藝規程類型管理結構樹。例如，機加工工藝路線規程類型(PPT1)為工藝路線規程類型節點，子節點掛機加工工序規程類型(PPT2)節點，焊接工藝路線規程類型(PPT3)為工藝路線規程類型節點，子節點掛焊接工序規程類型(PPT4)節點。在對節點進行操作的過程中，得到PPT2:father=PP1，PPT4:father=PPT3。依此類推，可以確定全部的工藝層次結構關系，如圖4中的步驟③。

步驟4配置工藝元素庫。企業在對工藝規程類型進行定制之前，需要先配置好工藝元素庫PES，如圖4中的步驟④。

步驟5定制工藝規程類型。從PES中選擇所需的工藝元素，即建立PM的過程，從而定制工藝規程類型內容PPT:content。例如，機加工工藝路線規程PPT1，假設其工藝元素映射PM={0,1,0,…,1,0}，得到該類型包含的工藝元素為〈產品型號，零部件序號，零部件名稱，工序號，工序內容，單件工時，工裝,…〉，這樣就確定了PPT1:content的內容。以此類推，可以確定所有工藝規程類型的PPT:content，如圖4中的步驟⑤。

步驟6定制工藝規程類型的工藝元素之間的關聯關系。(1)確定相關工藝規程類型的工藝元素，得到其項對象；(2)定制項對象的運算關系。

3.2 數據變更維護

企業在發展的過程中，生產模式、產品種類和加工方法等的變化會導致工藝規劃層次結構和內容的變化，這些變化具體體現在工藝元素庫、工藝層次結構、工藝規程類型和工藝規程類型中工藝元素關聯關系的變化,下面對這四個方面進行詳細說明。

工藝元素庫的變更包括工藝元素的增加、修改和刪除。增加工藝元素時只需定義該元素的ID、名稱和類型等；修改工藝元素的名稱和類型時，自動修改與之關聯的工藝規程類型及關聯關系；刪除工藝元素時，必須按照如圖4的定制流程對與變更相關的工藝規程類型及關聯關系進行重新定制。

工藝規劃層次結構變更包括層次的增加和刪除。增加的層次須來自工藝路線、工藝過程、工序、工步和匯總等工藝規劃層次。由于工藝路線、工藝過程、工序、工步是依次細分的關系，增加或刪除其中某一層，只需對其所有細分層次進行相應的變更。比如兩層結構(工藝路線-工藝過程)變更為三層結構(工藝路線-工藝過程-工序)，只需對工序層中的工藝規程類型及關聯關系進行定義。變更匯總層不對其他層次造成影響。

工藝規程類型的變更體現在工藝元素的增加和刪除。增加工藝元素時，只需要定義該元素與其他工藝規程類型的關聯關系。刪除工藝元素時，需要處理兩種情況：(1)刪除與之關聯細分層相應的工藝元素數據及關聯關系；(2)刪除與之關聯的匯總層相應工藝元素關聯關系。

工藝規程類型中工藝元素的關聯關系(ER)變更包括ER的增加、修改和刪除。企業根據實際情況對ER進行重定義，相應的工藝元素數據會自動進行調整。

4 可定制工藝數據模型的實現

以某汽車制造企業的實際定制情況為例，如圖5所示，為該企業工藝規程類型管理部分結構圖，左邊為工藝規程類型的管理結構樹，確定工藝規程類型的層次結構關系，右邊為工藝規程類型中工藝元素關聯關系的定義。

Figure 5 Management of PPTs圖5 工藝規程類型管理圖

如圖6所示為某型號汽車前橋工藝路線，圖左邊是前橋的工藝規程結構樹，右邊為樹節點對應的工藝規程。本文提出的可定制工藝數據模型不依賴于傳統的工藝卡片式工藝表達，但是考慮到國內現在工藝規劃還是以工藝卡片的形式為主，因此可以將工藝卡片作為工藝數據的輸入和輸出格式，而數據模型采用可定制的工藝數據模型，工藝數據存儲于關系數據庫中。

Figure 6 Process planning instance圖6 工藝規劃示例

5 結束語

可定制工藝數據模型在CAPP系統中的成功應用，不僅能夠滿足各行業、各企業的不同需求，解決了企業工藝數據發生變化時的兼容性問題，使工藝系統得以擺脫由于不同企業需求不一致以及不同時期的需求不同而需要對工藝系統局部甚至全部進行重新程序開發的問題，極大地方便了軟件的實施和維護。

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LUONian-meng,born in 1972,PhD,associate professor,his research interests include CAD/CG.

郭錦(1988-),男，湖北天門人，碩士生，研究方向為計算機輔助設計/計算機圖形學。E-mail:243735801@qq.com

GUOJin,born in 1988,MS candidate,his research interests include CAD/CG.

朱林(1955-),男，湖北武漢人，副教授，研究方向為計算機輔助設計/計算機圖形學。E-mail:zhul@hustcad.com

ZHULin,born in 1955,associate professor,his research interests include CAD/CG.

Researchonexpressionmodelforcustomizabilityofprocessdata

LUO Nian-meng,GUO Jin,ZHU Lin

(National CAD Support Software Engineering Research Center,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Flexible customizability of process planning is a key technology for process systems to adapt to the changing requirements of different enterprises and the requirements in different periods of an enterprise. The paper analyzes the customization requirements of the process planning, and proposes a data representation model, which solves the customizability of hierarchy of process planning as well as content and improves the rapid response capability of the CAPP system to adapt to different needs of different industries, different enterprises and the changes of enterprise standard.

customize;process data;expression model;process procedure;CAPP

2012-09-10;

：2012-12-30

國家863計劃資助項目(2007AA040505)

1007-130X(2014)02-0367-05

TP305

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.028

羅年猛(1972-),男,湖北松滋人，博士，副教授，研究方向為計算機輔助設計/計算機圖形學。E-mail:luonm@hust.edu.cn

通信地址：430074 湖北省武漢市華中科技大學機械科學與工程學院國家CAD支撐軟件工程技術研究中心Address:National CAD Support Software Engineering Research Center,School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,Hubei,P.R.China