羅年猛,郭 錦,朱 林

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

工藝數(shù)據(jù)的可定制性表達模型研究*

羅年猛,郭 錦,朱 林

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

工藝規(guī)劃靈活的可定制能力是工藝系統(tǒng)適應(yīng)不同企業(yè)或同一企業(yè)不同時期需求變化的一項關(guān)鍵技術(shù)。通過分析工藝的定制需求，提出了一種數(shù)據(jù)表達模型，較好地解決了工藝規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)以及內(nèi)容的可定制性問題，提高了工藝規(guī)劃的快速響應(yīng)能力，使CAPP系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同行業(yè)、不同企業(yè)的不同需求，能夠適應(yīng)企業(yè)工藝規(guī)范的更改與調(diào)整。

定制；工藝數(shù)據(jù)；表達模型；工藝規(guī)程；CAPP

1 引言

近些年來，除了傳統(tǒng)的制造行業(yè)之外，各種新興行業(yè)層出不窮，各行業(yè)間千差萬別，并且即使在同一行業(yè)中各企業(yè)之間的工藝數(shù)據(jù)差異化也越來越大，導(dǎo)致工藝數(shù)據(jù)的個性化增強。隨著生產(chǎn)模式的進步，對同一企業(yè)，在不同的階段，其工藝數(shù)據(jù)會不斷地擴充和更改，對計算機輔助工藝規(guī)劃CAPP(Computer Aided Process Planning)系統(tǒng)的定制能力提出了更高的要求，而決定CAPP系統(tǒng)定制能力的核心就是工藝數(shù)據(jù)模型的可定制性。對此學(xué)者們進行了大量的研究，體現(xiàn)在基于工藝卡片的通用工藝數(shù)據(jù)表達模型[1,2]、基于工藝操作的中性數(shù)據(jù)表達模型[3]、可定制的工藝數(shù)據(jù)存儲方式[4,5]、與PDM集成的工藝數(shù)據(jù)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(guī)劃中層次結(jié)構(gòu)的定制、工藝數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的定制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變更后的兼容性問題。

針對上述問題，本文從CAPP系統(tǒng)的核心“工藝數(shù)據(jù)”出發(fā)，通過分析不同行業(yè)、不同企業(yè)以及同一企業(yè)不同階段的工藝需求，建立了可定制CAPP系統(tǒng)的工藝數(shù)據(jù)模型，較好地解決了工藝規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)以及內(nèi)容的可定制性問題，提高了工藝規(guī)劃的快速響應(yīng)能力，使工藝系統(tǒng)得以擺脫由于不同企業(yè)需求不一致以及不同時期的需求不同而需要對工藝系統(tǒng)局部甚至全部進行重新程序開發(fā)的問題，很好地保證企業(yè)系統(tǒng)的連續(xù)性以及數(shù)據(jù)的共享性、準確性和唯一性。

2 可定制的工藝數(shù)據(jù)模型

2.1 工藝規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

如圖1所示，完整的工藝規(guī)劃包括工藝路線、工藝過程、工序、工步和匯總等先后層次結(jié)構(gòu)的工藝規(guī)程，每一層的工藝規(guī)程都需經(jīng)過審批、修改、最終定型。各層次工藝規(guī)程都由工藝元素構(gòu)成，如熱處理工藝過程由產(chǎn)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(gòu)成，所有的工藝元素集中在工藝元素庫中。在工藝規(guī)劃的過程中，會產(chǎn)生大量的工藝規(guī)程，這些工藝規(guī)程有很多都是由相同的工藝元素構(gòu)成，所以為了方便管理數(shù)量龐大的工藝規(guī)程，把由相同工藝元素構(gòu)成的工藝規(guī)程抽象成一種工藝規(guī)程類型，各層次可能有多種工藝規(guī)程類型。

Figure 1 Hierarchy of process planning圖1 工藝規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

各層次的工藝規(guī)程類型之間存在著結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)關(guān)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(guī)程類型。如機加工工藝路線和機加工工序之間的產(chǎn)品型號、工序號、設(shè)備型號等存在一對一對應(yīng)關(guān)系，匯總規(guī)程類型與源規(guī)程類型之間的工藝元素存在著運算關(guān)系。

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

2.2 工藝規(guī)程類型

工藝規(guī)劃中存在若干個層次，每一層次由一系列工藝規(guī)程類型構(gòu)成。各層次之間存在著一定的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，如父子關(guān)系。在對工藝規(guī)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(yè)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(guī)定，V為該工藝元素的值。

定義2工藝規(guī)程類型PPT(Process Procedure Type)是相似工藝規(guī)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(jié)構(gòu)關(guān)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(nèi)容等。

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

工藝規(guī)程類型的構(gòu)成模型可以表示為：PPT:content=PES*PMi，其中PPT:content表示工藝規(guī)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(shù)據(jù)倉庫，存放了所有的工藝元素，工藝規(guī)程類型通過工藝元素映射規(guī)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(guī)程類型的內(nèi)容定制

2.3 數(shù)據(jù)模型

各層次的工藝規(guī)程類型之間除了存在著層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系外，還存在工藝元素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為了表示工藝元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，引入項對象OI(OperationItem)和元素關(guān)聯(lián)關(guān)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(xiàn)工藝規(guī)程類型PPTi的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，描述了其對應(yīng)的上一層次的工藝規(guī)程類型，PPTi:Pj表示PPTi的一個工藝元素。

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

Table 1 Common ER for process elements表1 常用的工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系

工藝規(guī)程類型可以拆分成若干個項對象，工藝規(guī)程類型中工藝元素的值可以由項對象和元素關(guān)聯(lián)關(guān)系來確定。如圖3所示，左側(cè)為工藝規(guī)程類型結(jié)構(gòu)樹，體現(xiàn)了工藝規(guī)程類型的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，右側(cè)為工藝規(guī)程類型之間的元素關(guān)聯(lián)關(guān)系。

Figure 3 Structural relationships among PPTs圖3 工藝規(guī)程類型結(jié)構(gòu)關(guān)系

所有工藝元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系運算規(guī)則如下：

任意三個項對象之間的關(guān)系：OIij=(OIqv)ER(OIuw)，其中ER為二元關(guān)聯(lián)。OIqv與OIuw能否進行操作，取決于OIqv:father與OIuw:father的關(guān)系，其基本原則是不能造成OIqv:P與OIuw:P的數(shù)據(jù)重復(fù)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(guī)程與機加工工序規(guī)程的工時。

項對象之間的多元關(guān)系可以由上述一元關(guān)聯(lián)和二元關(guān)聯(lián)經(jīng)過復(fù)合操作得到，OIij=(OIkl)ER(OIqu)ER(OIvw)…ER(OIxy)，通過該數(shù)學(xué)模型可以定制工藝規(guī)程類型間的工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系。

工藝規(guī)程之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系比較復(fù)雜，不僅僅限于以上兩種關(guān)系，用戶可以通過自定義工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系來實現(xiàn)。用戶自定義的工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系須滿足以上的運算原則，運算結(jié)果的形式都由用戶自定。

3 企業(yè)定制

3.1 定制流程

根據(jù)上文提出的可定制工藝數(shù)據(jù)模型，企業(yè)實施定制的過程如圖4所示。

步驟1對工藝規(guī)劃的層次進行劃分。工藝規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，企業(yè)根據(jù)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(guī)劃層次中選擇合適的結(jié)構(gòu)。

步驟2劃分各個工藝規(guī)劃層次的工藝規(guī)程類型。比如工藝路線層次的工藝規(guī)程有機加工工藝路線規(guī)程、焊接工藝路線規(guī)程、熱處理工藝路線規(guī)程等；工序工藝規(guī)程可以分為機加工工序規(guī)程、焊接工序規(guī)程、熱處理工序規(guī)程等等；匯總規(guī)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(guī)程類型之間的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系。企業(yè)在工藝規(guī)程類型管理結(jié)構(gòu)樹上添加相應(yīng)的工藝規(guī)程類型節(jié)點，構(gòu)建如圖3左側(cè)的工藝規(guī)程類型管理結(jié)構(gòu)樹。例如，機加工工藝路線規(guī)程類型(PPT1)為工藝路線規(guī)程類型節(jié)點，子節(jié)點掛機加工工序規(guī)程類型(PPT2)節(jié)點，焊接工藝路線規(guī)程類型(PPT3)為工藝路線規(guī)程類型節(jié)點，子節(jié)點掛焊接工序規(guī)程類型(PPT4)節(jié)點。在對節(jié)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(jié)構(gòu)關(guān)系，如圖4中的步驟③。

步驟4配置工藝元素庫。企業(yè)在對工藝規(guī)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(guī)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(guī)程類型內(nèi)容PPT:content。例如，機加工工藝路線規(guī)程PPT1，假設(shè)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(chǎn)品型號，零部件序號，零部件名稱，工序號，工序內(nèi)容，單件工時，工裝,…〉，這樣就確定了PPT1:content的內(nèi)容。以此類推，可以確定所有工藝規(guī)程類型的PPT:content，如圖4中的步驟⑤。

步驟6定制工藝規(guī)程類型的工藝元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。(1)確定相關(guān)工藝規(guī)程類型的工藝元素，得到其項對象；(2)定制項對象的運算關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)變更維護

企業(yè)在發(fā)展的過程中，生產(chǎn)模式、產(chǎn)品種類和加工方法等的變化會導(dǎo)致工藝規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的變化，這些變化具體體現(xiàn)在工藝元素庫、工藝層次結(jié)構(gòu)、工藝規(guī)程類型和工藝規(guī)程類型中工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)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(guān)聯(lián)的工藝規(guī)程類型及關(guān)聯(lián)關(guān)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(guān)的工藝規(guī)程類型及關(guān)聯(lián)關(guān)系進行重新定制。

工藝規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)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(guī)劃層次。由于工藝路線、工藝過程、工序、工步是依次細分的關(guān)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(yīng)的變更。比如兩層結(jié)構(gòu)(工藝路線-工藝過程)變更為三層結(jié)構(gòu)(工藝路線-工藝過程-工序)，只需對工序?qū)又械墓に囈?guī)程類型及關(guān)聯(lián)關(guān)系進行定義。變更匯總層不對其他層次造成影響。

工藝規(guī)程類型的變更體現(xiàn)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(guī)程類型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。刪除工藝元素時，需要處理兩種情況：(1)刪除與之關(guān)聯(lián)細分層相應(yīng)的工藝元素數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)關(guān)系；(2)刪除與之關(guān)聯(lián)的匯總層相應(yīng)工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系。

工藝規(guī)程類型中工藝元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系(ER)變更包括ER的增加、修改和刪除。企業(yè)根據(jù)實際情況對ER進行重定義，相應(yīng)的工藝元素數(shù)據(jù)會自動進行調(diào)整。

4 可定制工藝數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)

以某汽車制造企業(yè)的實際定制情況為例，如圖5所示，為該企業(yè)工藝規(guī)程類型管理部分結(jié)構(gòu)圖，左邊為工藝規(guī)程類型的管理結(jié)構(gòu)樹，確定工藝規(guī)程類型的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，右邊為工藝規(guī)程類型中工藝元素關(guān)聯(lián)關(guān)系的定義。

Figure 5 Management of PPTs圖5 工藝規(guī)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(guī)程結(jié)構(gòu)樹，右邊為樹節(jié)點對應(yīng)的工藝規(guī)程。本文提出的可定制工藝數(shù)據(jù)模型不依賴于傳統(tǒng)的工藝卡片式工藝表達，但是考慮到國內(nèi)現(xiàn)在工藝規(guī)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(shù)據(jù)的輸入和輸出格式，而數(shù)據(jù)模型采用可定制的工藝數(shù)據(jù)模型，工藝數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

Figure 6 Process planning instance圖6 工藝規(guī)劃示例

5 結(jié)束語

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

[1]DongMin-qin,ZhuLin.CAPPcardmodelingingraphicenvironment[J].MechanicalEngineer, 2006(10):49-51.(inChinese)

[2]YangRui-hua,KongXian-shu,QinGuang-li.ResearchonthekeytechnologyofcustomizationfordocumentofCAPPsystem[J].MachineDesignandManufacturingEngineering, 2002, 31(5):68-69.(inChinese)

[3]ChenYong-fu,HuangZheng-dong,ChenGang.Researchonneutralinformationmodelformanufacturingprocesses[J].MechanicalScienceandTechnology, 2004, 23(8):1001-1004.(inChinese)

[4]ChenHua-gui,WangHua-chang,WangGeng-yun.ResearchandapplicationonthecustomizedCAPPsystemtechnology[J].Mechanical&ElectricalEngineeringTechnology, 2007, 36(3):40-42.(inChinese)

[5]YeLi-na,LinLan-fen.ResearchofCAPPservicebasedonSaaS[J].ComputerEngineering, 2010, 36(22):268-271.(inChinese)

[6]LiangFeng,LiuZhi-feng,ZhuHua-bing,etal.ResearchoncustomizedPDM-basedCAPPsystem[J].MechanicalScienceandTechnology, 2003, 22(3):511-513.(inChinese)

[7]ZhouQiu-zhong,FanYu-qing.EBOPbasedresearchoncomplicatedproductprocessdatamodel[J].ManufacturingAutomation, 2008, 30(8):15-18.(inChinese)

[8]XunXua,WangLi-hui,NewmanST.Computeraidedprocessplanning—Acriticalreviewofrecentdevelopmentsandfuturetrends[J].InternationalJournalofComputerIntegratedManufacturing, 2011, 24(1):1-31.

[9]HuangWei-jun,HuYu-jin,CaiLi-gang.Aneffectivehybridgraphandgeneticalgorithmapproachtoprocessplanningoptimizationforprismaticparts[J].InternationalJournalofAdvanceManufacturingTechnology, 2012, 62(9-12):1219-1232.

附中文參考文獻：

[1] 董敏欽, 朱林. 基于圖形環(huán)境的工藝卡片建模研究[J]. 機械工程師, 2006(10):49-51.

[2] 楊瑞華, 孔憲庶, 秦光里.CAPP系統(tǒng)中工藝文件定制關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].機械設(shè)計與制造工程, 2002, 31(5):68-69.

[3] 陳永府, 黃正東, 陳剛. 中性工藝信息模型研究[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2004, 23(8):1001-1004.

[4] 陳華貴, 王華昌, 王耕耘. 定制化CAPP系統(tǒng)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 機電工程技術(shù),2007, 36(3):40-42.

[5] 葉利娜，林蘭芬. 基于SaaS的CAPP服務(wù)研究[J]. 計算機工程, 2010, 36(22):268-271.

[6] 梁峰, 劉志峰, 朱華炳, 等. 基于PDM的定制化CAPP系統(tǒng)研究和開發(fā)[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2003,22(3):511-513.

[7] 周秋忠, 范玉青. 基于EBOP的復(fù)雜產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)模型研究[J]. 制造業(yè)自動化, 2008, 30(8):15-18.

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(shè)計/計算機圖形學(xué)。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(shè)計/計算機圖形學(xué)。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(shè)計/計算機圖形學(xué)。E-mail:luonm@hust.edu.cn

通信地址：430074 湖北省武漢市華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院國家CAD支撐軟件工程技術(shù)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