面向機(jī)械產(chǎn)品的零部件庫技術(shù)研究

郝維娜，劉光輝，陳以磊，于　東，劉　哲

(西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

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面向機(jī)械產(chǎn)品的零部件庫技術(shù)研究

郝維娜，劉光輝，陳以磊，于東，劉哲

(西安交通大學(xué) 機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

摘要：針對(duì)目前我國零部件庫存在的集成度低、數(shù)據(jù)不全、適用范圍小問題，研究基于Web的面向機(jī)械產(chǎn)品的零部件庫技術(shù).依據(jù)ISO13584標(biāo)準(zhǔn)，通過完善零部件庫的結(jié)構(gòu)信息，利用零部件族技術(shù)，構(gòu)建基于Web共享資源的零部件資源庫，并對(duì)零部件庫的一般構(gòu)造過程進(jìn)行總結(jié).運(yùn)用跨平臺(tái)模型生成技術(shù)，研究零部件庫中資源的不同表達(dá)方式，以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)人員的使用需求.經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠滿足相關(guān)企業(yè)與機(jī)械設(shè)計(jì)人員對(duì)該類型零部件資源庫的需求.

關(guān)鍵詞：零部件；資源庫；零部件族

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中需要使用大量的標(biāo)準(zhǔn)件、外購件等零部件，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，需要反復(fù)查閱相關(guān)手冊(cè)，從大量零部件中篩選以確定零部件的外形、尺寸等信息，工作繁重且效率低下.隨著機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與快速性都提出了更高的要求.為此，本研究提出面向機(jī)械產(chǎn)品的零部件庫構(gòu)建技術(shù)，在Web環(huán)境下，利用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)將分散于世界各地的零部件制造企業(yè)的設(shè)計(jì)資源與制造能力有效整合與集成，并與系統(tǒng)集成，與相關(guān)的企業(yè)進(jìn)行在線信息交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零部件資源最大范圍的動(dòng)態(tài)共享與重用，為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度.

1零部件庫體系結(jié)構(gòu)

1.1零部件庫系統(tǒng)組成

零部件庫是一個(gè)數(shù)據(jù)信息集合系統(tǒng)，包含產(chǎn)品信息、產(chǎn)品屬性和組織信息，即零部件庫的結(jié)構(gòu)信息.全面的信息便于用戶完整地了解企業(yè)的產(chǎn)品，從而做出最準(zhǔn)確的判斷.產(chǎn)品信息除幾何、拓?fù)湫畔⑼?，還包含零部件材料、零部件成本等面向產(chǎn)品的整個(gè)生成周期的完整信息，同時(shí)零部件庫所涵蓋的產(chǎn)品范圍不僅有標(biāo)準(zhǔn)件，還有供應(yīng)商的外購件、定制件等.通過標(biāo)準(zhǔn)零部件庫構(gòu)造技術(shù)[1]建立的零部件庫，不僅可以保證零部件信息的完整性和獨(dú)立性，還能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)中用到的零部件信息收集起來，采用標(biāo)準(zhǔn)的格式進(jìn)行描述和存儲(chǔ)，以便于管理和維護(hù).利用零部件庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，管理人員可對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)，并提供與CAD系統(tǒng)對(duì)接的標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶可以方便地從零部件庫獲取零部件信息，并得到對(duì)應(yīng)的三維模型，為機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)提供支持.

零部件庫系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.零部件庫系統(tǒng)由庫內(nèi)容、數(shù)據(jù)字典和庫管理系統(tǒng)三部分組成，通過表達(dá)傳輸、數(shù)據(jù)訪問、庫數(shù)據(jù)接入三類接口以及庫管理系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)零部件庫內(nèi)信息的集成與分享.

圖1　零部件庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2網(wǎng)絡(luò)化零部件庫

在接口部分增加網(wǎng)絡(luò)接口，將信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)來傳輸，可方便地構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的零部件共享資源庫[2].

基于ISO13584標(biāo)準(zhǔn)的零部件庫系統(tǒng)架構(gòu)可方便地構(gòu)建基于Web的在線零部件庫，并與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)集成.通過網(wǎng)絡(luò)接口，信息傳輸經(jīng)過Internet，標(biāo)準(zhǔn)的邏輯模型保證標(biāo)準(zhǔn)零部件庫內(nèi)容中的信息描述文件滿足http等網(wǎng)絡(luò)交換協(xié)議，以便于網(wǎng)絡(luò)傳輸.后期基于XML[3]技術(shù)，能夠更好地滿足網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸與共享的需求，構(gòu)建完善的基于Web的零部件庫系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)化零部件庫系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖2　網(wǎng)絡(luò)化零部件庫系統(tǒng)架構(gòu)

基于Web的零部件庫內(nèi)容是由一個(gè)庫傳輸文件組成的，也可引用多個(gè)庫外部文件[4].庫傳輸文件的功能是生成零部件庫電子目錄，供用戶查詢和檢索零部件信息.外部文件主要包括零部件技術(shù)文檔以及幾何圖形程序，實(shí)現(xiàn)零部件視圖表達(dá)的功能.

在用戶對(duì)零部件庫系統(tǒng)進(jìn)行訪問時(shí)，使用瀏覽器就可以方便地查看零部件庫的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品的信息，檢索和選擇所需零部件產(chǎn)品，查看零部件信息，以及請(qǐng)求零部件的特定表達(dá)，如獲取零部件的圖紙與三維模型等.庫管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶選定的零部件，從零部件庫提取零部件的信息以及創(chuàng)建三維模型所需要的視圖表達(dá)信息，解析幾何圖形程序內(nèi)容，利用系統(tǒng)提供的接口函數(shù)完成模型的建立.

2零部件庫構(gòu)建技術(shù)

2.1零部件族構(gòu)造技術(shù)

零部件通用族是用于定義技術(shù)領(lǐng)域分類的一項(xiàng)技術(shù)[5].通過描述子族共有的屬性信息，將通用族拆分為子族，從而描述結(jié)構(gòu)相同或相似的一組零部件的特有信息.為滿足用戶的需求，零部件族不僅需要包含用于查詢零部件實(shí)例的屬性信息，還需要含有用于特定領(lǐng)域的屬性信息，如生成用戶需要的三維模型、數(shù)控加工程序、有限元分析模型等的多視圖表達(dá)信息，完成零部件完整信息的描述.

通過以上零部件庫構(gòu)建技術(shù)和資源，針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的零部件資源構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)零部件庫.這里以其中較為簡單的零部件為例說明零部件庫構(gòu)建方法：依據(jù)ISO13584標(biāo)準(zhǔn)[6]及零部件的設(shè)計(jì)資料，總結(jié)描述零部件所需要的重要屬性信息，利用零部件族構(gòu)造技術(shù)建立的零部件族結(jié)構(gòu)圖圖3所示.

圖3　零部件族結(jié)構(gòu)

零部件族結(jié)構(gòu)圖中有1個(gè)根族、3個(gè)零部件通用族和6個(gè)零部件簡單族：緊固件根族不包含屬性，只用于分類目的；螺釘、螺母和墊圈族包含零部件簡單族的共有屬性，即在上層描述，被下層共享；簡單零部件族包含的內(nèi)容除了上層所有屬性之外，還包括各族的特有屬性信息，以區(qū)分不同簡單族的結(jié)構(gòu)和特性.零部件族屬性包括可用屬性和可見屬性兩類，以方便零部件屬性信息的繼承和重用.

零部件庫的信息描述內(nèi)容分別存儲(chǔ)在通用模型和功能模型兩個(gè)文件中.通用模型文件主要完成零部件族結(jié)構(gòu)信息和屬性信息的描述；功能模型文件主要完成零部件表達(dá)信息的描述.此外，零部件的視圖表達(dá)信息由功能視圖類與視圖控制變量來描述.

2.2零部件庫構(gòu)造過程

通過說明機(jī)械產(chǎn)品零部件庫中部分零部件族的構(gòu)建過程，總結(jié)零部件庫構(gòu)建的通用方法，為構(gòu)建大規(guī)模的機(jī)械產(chǎn)品零部件庫提供參考.

(1)確定零部件庫描述信息.STEP標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)單個(gè)零部件信息在各CAD平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)換與共享的功能.STEP物理文件包括頭段部分和數(shù)據(jù)段部分.頭段部分需要提供FILE_DESCRIPTION、FILE_NAME(文件名稱、組織、作者)、FILE_SCHEMA(ISO13584_25_IEC61360_5_LIBRARY_IMPLICIT_SCHEMA)等信息.數(shù)據(jù)段部分需要確定零部件庫根目錄名稱、供應(yīng)商標(biāo)識(shí)、供應(yīng)商名稱、供應(yīng)商所屬組織、供應(yīng)商地址等信息.根據(jù)零部件族構(gòu)造方法，將零部件組織為單一繼承的樹形結(jié)構(gòu)，類、屬性的名稱與BSU、屬性類型及其數(shù)據(jù)類型、單位、值域、取值等.簡單零部件族需進(jìn)行類擴(kuò)展定義，包括確定標(biāo)識(shí)屬性、實(shí)例屬性值.

(2)利用規(guī)定的邏輯模板，描述零部件的信息，完成通用零部件模型文件的開發(fā)，并通過相關(guān)工具檢測(cè)零部件庫信息的正確性與完整性.

(3)對(duì)于簡單零部件族，收集數(shù)據(jù)表信息并存儲(chǔ)為Excel格式，使用相關(guān)工具導(dǎo)入零部件庫，完成實(shí)例數(shù)據(jù)表信息的添加，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展信息的描述以及實(shí)例數(shù)據(jù)庫的建立.

(4)開發(fā)零部件簡單族對(duì)應(yīng)的幾何圖形程序，并添加相關(guān)的外部文件引用信息.

3跨平臺(tái)模型生成技術(shù)

為了滿足用戶對(duì)零部件信息的各種需求，實(shí)現(xiàn)零部件模型信息在不同CAD系統(tǒng)間的共享和交換，研究零部件模型信息的參數(shù)化中性表達(dá)技術(shù).零部件的模型信息主要包括兩類：幾何圖形元素信息和模型結(jié)構(gòu)信息.幾何圖形元素(如點(diǎn)、線、輪廓、面、草圖、特征等)主要是用來構(gòu)建零部件模型的，而模型結(jié)構(gòu)信息是用來表達(dá)模型的構(gòu)建歷史，實(shí)現(xiàn)類似于模型樹的功能，以記錄模型的構(gòu)建過程.兩類模型信息具有不同的結(jié)構(gòu)，而參數(shù)化表達(dá)需要通過一些約束關(guān)系來實(shí)現(xiàn).圖4規(guī)定以下的幾何表達(dá)項(xiàng)用于描述模型中的幾何圖形元素.

圖4　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾何圖形元素

標(biāo)準(zhǔn)定義的幾何圖形元素有點(diǎn)、線、面、體在三維空間內(nèi)的圖形表達(dá)，用來實(shí)現(xiàn)零部件模型信息的中性表達(dá)，完成信息的共享與交換.

為了方便計(jì)算機(jī)的處理，建立專門格式的ASCII順序文件以符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的中性文件.使用數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)格式在不同的CAD系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)交換數(shù)據(jù)功能的過程如圖5所示.系統(tǒng)是通過STEP中性文件來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與交換的.

圖5　基于STEP的數(shù)據(jù)交換

要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在不同CAD系統(tǒng)之中的交換，各系統(tǒng)之間必須存在一種共同的數(shù)據(jù)處理模式.通過中性文件前置處理器，發(fā)送方可以將需要的零部件數(shù)據(jù)信息的STEP文件傳遞給其他系統(tǒng)，而后其他系統(tǒng)可通過各自的處理器接口讀入發(fā)送方傳遞的中性文件并將其轉(zhuǎn)化為該系統(tǒng)的本地格式，同時(shí)，STEP后置處理器通過讀入傳遞來的STEP文件將交換結(jié)構(gòu)描述的數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息.這樣，就可以便捷地實(shí)現(xiàn)零部件數(shù)據(jù)信息在不同系統(tǒng)之間的交換.

4零部件庫系統(tǒng)實(shí)例

通過以上技術(shù)，建立基于Web的面向機(jī)械產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)件、常用零部件模型庫，在資源中心可以找到進(jìn)入零部件庫的接口.

系統(tǒng)根據(jù)不同類別被分成多個(gè)子零部件庫，包括流體系統(tǒng)零部件、機(jī)械系統(tǒng)通用零部件、機(jī)械制造系統(tǒng)零部件、電氣工程零部件、道路車輛工程零部件5個(gè)子庫(圖6).

用戶進(jìn)入該系統(tǒng)后，點(diǎn)擊相對(duì)應(yīng)的子庫標(biāo)簽就可以進(jìn)入零部件庫.圖7所示為機(jī)械系統(tǒng)通用零部件庫，庫內(nèi)包含了大量常用的零部件信息，包括緊固件、軸承、鍵、帶傳動(dòng)及其零部件、型材、沖壓模具零部件、注塑模具零部件.

圖6　子零部件庫

圖7　機(jī)械系統(tǒng)通用零部件庫

圖8所示為緊固件庫中內(nèi)六角螺釘庫的索引過程.用戶可按照需求，根據(jù)類型標(biāo)簽，得到所需的零部件信息.系統(tǒng)還可為用戶提供各個(gè)規(guī)格的內(nèi)六角螺釘參數(shù)值信息以及多種常用格式的模型下載.

此外，系統(tǒng)向用戶提供了零部件供應(yīng)商的相應(yīng)信息，便于用戶選購零部件.

5結(jié)束語

文章通過對(duì)面向機(jī)械產(chǎn)品零部件庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)建技術(shù)以及跨平臺(tái)模型生成技術(shù)的討論，建立了基于Web的零部件庫系統(tǒng)，并對(duì)零部件庫的一般構(gòu)造過程進(jìn)行總結(jié)，為大規(guī)模零部件庫的構(gòu)建提供參考.基于ISO13584標(biāo)準(zhǔn)，通過零部件族的構(gòu)造技術(shù)完成標(biāo)準(zhǔn)零部件庫的建立.通過該系統(tǒng)，機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)快速便捷地獲得零部件2D/3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)的技術(shù)資料.利用零部件庫技術(shù)建立的面向機(jī)械行業(yè)的零部件資源庫服務(wù)系統(tǒng)，零部件設(shè)計(jì)資源總量超過800個(gè)子類，逾10萬系列規(guī)格.系統(tǒng)可以較好地滿足設(shè)計(jì)人員的大部分需求，且能夠?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)其他類型的數(shù)據(jù)庫提供理論支持.

圖8　內(nèi)六角螺釘庫的索引過程

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收稿日期：2015-10-03

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013AA040604)

作者簡介：郝維娜(1989-)，女，陜西咸陽人，博士研究生，研究方向?yàn)榫軠y(cè)量.

文章編號(hào)：1006-3269(2016)02-0016-05

中圖分類號(hào)：TH16；TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1006-3269.2016.02.004

Research on Components Databases Technology of Mechanical Products

HAO Wei-na, LIU Guang-hui,CHEN Yi-lei, YU Dong, LIU Zhe

(State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049,China)

Abstract：This paper studies the information technology of components database system based on Web technology aiming at problems of the existed components databases in our country, such as low integration level, data incomplete and narrow application. According to the standard ISO13584 and the part technology, the sharing components database system based on Web was established by completing the structure of components databases system. Furthermore, general construction process of components databases system was summarized in this paper. To meet the demands of mechanical designers, components model files among different platforms has been realized by the research of resources in different ways. After verification，the system can well meet the needs of the enterprise and mechanical designers for this type of parts resource database.

Key words:components; components database system; part family