面向產品全生命周期的標準件統一數據庫的研究及應用

潘 盟 曹 巖 賈 峰 賀志昊 從 政

(西安工業大學機電工程學院，陜西 西安710021)

近年來，很多制造企業在對產品的數據管理時，主要依賴于PDM[1]。某兵工企業在設計端沒有對標準件數據進行統一、規范：(1)當產品設計端標準件數據傳入PDM時，由于設計端書寫不規范，標準件數據信息不全，使得PDM中的標準件數據傳入其他業務系統時，CAPP、CAM及ERP無法確認工藝信息、制造信息和采購信息，使得在工藝、制造及采購階段則出現一物多名、一名多物。(2)由于企業在設計、工藝、生產及制造等各個環節實施了多套應用系統，使得設計、工藝、生產及制造等各個環節的標準件基礎數據都分散在各業務系統中，使不同系統之間的協調工作會浪費大量時間；增加了很多無效的工作，如數據治理，浪費了人力、財力，更為嚴重的是造成標準件產品數據的不一致，阻礙了數字化協同研制流程的正常運行。為解決這一問題，向企業所使用的標準件的基礎數據和各個系統對標準件數據的需求進行分析，提出了面向產品全生命周期的[2-4]標準件統一數據庫，在設計端統一了標準件的基礎數據[5]，當數據流入PDM、CAPP、CAM及ERP系統時，保證后續的工藝、制造和采購等業務系統中的標準件數據的一致性，通過唯一屬性確定唯一標準件，保證了一碼一物[6-7]，縮短了產品的開發周期，提高了產品的設計質量。

在產品制造業中涉及到的設計軟件有很多種，如UG、SolidWorks和CATIA等，該企業內使用的設計軟件為CATIA。CATIA是一款具有友好界面、功能強大、易于操作等特點的三維CAD/CAM軟件，在曲面設計、鈑金設計上有著明顯的優勢。利用CATIA知識工程進行參數化建模[8]，為模型的存儲節省了空間，利用CATIA的二次開發CAA在B/S結構下進行交互界面的開發和標準件庫的建立有利于設計端對標準件數據的管理[9-11]。

統一數據標準件庫主要由本地庫和數據庫兩部分組成，其組織結構及其功能如圖1所示。

1 標準件的統一數據

統一數據是將分散、雜亂的數據按照一定的標準、規范形成一條一致的數據。

標準件的統一數據是面向產品全生命周期的整個過程，包含了產品在使用過程中設計、制造、工藝和采購各個系統對標準件數據的需求，根據各個系統的需求，形成了一條一致的標準件主數據，包含了標準件分類、標準件編碼、標準件數據模板及標準件三維模型，它們之間的關系如圖2所示。

標準件的統一數據的制作流程：收集某兵工企業內各個系統使用的所有標準件，以標準件屬性為第一原則，便于企業管理和檢索，制定合理的分類；根據標準分類，制作標準件編碼，編碼不僅滿足現在要求，還的應對以后會增加的標準件；分析各個部門對標準件數據屬性需求和標準件基礎屬性，根據分類制定統一的數據模板。統一數據的制作流程如圖3所示。

1.1 標準件分類

標準件是指在結構、尺寸、畫法等方面全部已經標準化，標準件的分類在機械產品手冊上已經有具體的分類，針對企業需要制定符合自己的分類，調研國內外現狀和參考機械設計手冊制定適合企業自己的分類。分類要求如下：

(1)明確標準件分類的范圍,分類必須包括從設計、工藝、制造和采購等部門的全部標準件。

(2)標準分類要以標準件的自然屬性為第一分類原則，并兼顧企業管理要求與實用性相結合原則。

(3)在確定標準件分類的過程中，參照國家和行業相關標準，結合企業標準件特性進行科學分類，確定合理的分類層級，并對每個類別所包含的內容進行明確的定義，最終形成分類標準。

(4)分類要適應物資集中采購的管理需求，適應信息化建設集成、整合、應用一體化的管理要求，做到實用、方便。標準件的分類如圖4所示。

1.2 標準件編碼

面向產品全生命周期的標準件統一數據模板的重要前提是建立合理科學的統一編碼。統一編碼是實現信息集成、交換、共享的前提，也是企業進行管理和信息化工作的重要基礎，由于企業在不同型號間重復編碼、設計與制造單位編碼不兼容，造成企業內部編碼的多樣性和不完整性，各個子公司和業務系統多應用獨立的編碼，造成“一碼多物、一物多碼”的現象，給各個系統之間數據交互和共享帶來了困難，統一編碼利于企業分工明確、檢索標準件信息等。針對企業，標準件的編碼要求如下：

(1)按照標準分類：按照大類、中類、小類分別賦碼,分別為兩位編碼。

(2)預留碼：兩位預留碼預防以后會增加的新的標準件。

(3)一種標準件有多種規格型號，四位流水碼不僅要滿足當前需要，還要滿足未來會新增的多種型號規格；通過分類碼對標準件進行分類管理，不僅適應數據管理與實際的需求，也便于產品在使用過程對標準件的統計分析；對不同規格型號的標準件賦予流水碼，在類別調整的情況下，也能保持代碼的穩定性。

(4)唯一性：每個標準件的統一數據僅為一個編碼。如圖5所示。

1.3 標準件數據模板

標準件的統一數據在產品的整個生命周期過程中提供了完整的標準件數據信息，并根據標準件分類和各個系統的需求，根據分類、編碼制作出標準件數據模板，其中軸承零件又細分為3種。當設計端產品的物料清單產生后，其中的標準件數據信息就會在產品的整個生命周期過程中進行傳遞，供各個業務系統使用，標準件的統一數據，包含了設計端需要的設計數據、工藝所需要的工藝數據、制造端所需的制造數據以及采購端所需要的采購數據等，標準件信息都嚴格遵守標準件數據模板，標準件統一數據保證標準件數據信息能夠在各個系統中進行無縫傳遞。針對企業，標準件的數據模板要求如下：

(1)分析企業內部的設計、工藝、生產、制造各個部門對標準件數據信息需求，定制合理的標準件數據模板。

(2) 標準件統一數據的數據模板，其中模板中數據信息依據最新版修訂的標準件的標準文件。

(3)標準件統一數據模板信息滿足企業以BOM為核心的PDM、CAPP、ERP系統集成，有效地實現企業數據流的閉環管理與信息集成。標準件模板信息如圖6所示。

螺栓的統一數據如圖7所示，六角頭帶槽螺栓統一數據包含CATIA、CAM、ERP、CAPP所需要的全部數據。螺栓模板信息及各系統的需求如圖8所示。

1.4 標準件的三維模型

標準件的三維模型利用CATIA知識工程進行參數化建模，將標準件的三維模型儲存在本地庫中進行統一管理。標準件統一數據與三維模型是一一對應的，由于相同產品標準號下的同型號規格標準件信息由于材質、性能等級、表面處理、產品等級和表面處理的不同產生多種標準件統一數據。針對這種情況，主要以編碼來確定一條標準件統一數據，根據這條標準件統一數據確定與之對應的標準件三維模型，確定完成后，對標準件三維模型根據標準件統一數據進行屬性的定義。標準件六角頭帶槽螺栓的統一數據和該統一數據對應三維模型及標準件屬性的定義如圖9所示。

2 標準件統一數據庫的設計

采用的數據庫為SQL Server 數據庫。統一數據庫可以實現標準件統一數據的管理，完成統一數據庫邏輯設計和物理設計，以及表之間的關系，確保設計人員在開發界面能夠在最短時間能夠精確檢索出自己所需要的數據。

2.1 標準件統一數據庫的邏輯設計

統一數據庫的邏輯設計要非常嚴謹，嚴格按照標準件數據模板進行字段的定義，確定表與表之間的關系，以中類表、小類表、緊固件模板表為例進行展示。中類表邏輯結構設計如表1所示，小類表邏輯結構設計如表2所示，緊固件的邏輯結構設計如表3所示。

表1 中類表結構

表2 小類表結構

表3 緊固件的模板表

2.2 標準件統一數據庫數據表之間的關聯

將數據表之間進行關聯，確定關系，避免數據冗余，提高數據的利用率。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，將它們之間進行關聯。中類表、小類表及各密封件表之間的關系如圖10所示。

3面向產品全生命周期的標準件統一數據庫的開發流程

標準件統一數據庫在CATIA中通過二次開發以插件的形式展現管理員和設計人員，點開插件標準件統一數據庫，可以按照需求檢索標準件，可以查看標準件詳細的尺寸信息、三維模型的預覽、二維尺寸圖的預覽，最后調用本地庫的模主型進行尺寸驅動生成三維模型。通過詳細尺寸信息，二維尺寸圖，三維模型的預覽，可以在直觀了解標準件的幾何特征信息，使用戶在設計時更具有目的性。開發過程中使用的方法如下：

(1)CATIA的二次開發是對CATIA軟件的定制化，其中二次開發的方式有好幾種，其中基于CAA的CATIA二次開發功能強大，開發效率高且穩定，結合特定的開發環境RADE，以VC++2005為載體，搭建開發環境。

(2)在CATIA CAA開發環境下，使用CATDlog命令，利用標簽、文本框、選擇列表等空間進行交互界面的開發。

(3)利用ADO連接標準件統一數據庫，主要使用兩個接口，_CommandPtr和_ConnectionPtr，_Command Ptr便于管理員對數據的增加、刪除、更新，對標準件統一數據庫的維護和管理。使用_Connection Ptr接口便利設計人員按照類別檢索和進行模糊查詢，將查詢的結果加載到交互界面上。

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

(5)三維模型的預覽利用CATNavigation3DViewer方法可以零件模型;二維尺寸圖的預覽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前的Product下使用CATIProduct接口中的AddProduct()；如果是同產品標準號不同型號標準件生成三維模型要根據主模型進行尺寸驅動，尺寸驅動使用CATICkeParmFactory接口，遍歷當前標準件主模型參數，修改參數，更新生成三維模型。面向產品全生命周期的標準件統一數據庫管理系統的開發流程圖如圖11所示。

4 標準件實例展示

檢索產品標準號為GB 29.1—1988，型號規格M5×20的螺栓進行展示為例，按照類別檢索如圖12所示，螺栓的詳細信息如圖13所示。

5 結語

本文分析了現有企業在產品設計端和數據管理存在的缺陷，提出了面向產品全生命周期的統一數據管理方法，并開發出面向產品全生命周期統一數據庫，結論如下：

(1)根據企業內各系統對標準件數據的需求，提出了標準件統一數據的概念，設計了標準件的分類、編碼、數據模板。

(2)在標準件統一數據的前提下，提出了標準件統一數據庫的設計和表之間的關聯。

(3)設計了面向產品全生命周期的標準件統一數據庫管理庫的開發流程，并完成開發，在CATIA的交互界面中，通過檢索確定信息，生成三維模型。本文的研究以應用與某車輛工程研究所。