基于产品数据管理的并纱机模块化配置系统研究

计算机集成制造系统

ComputerIntegratedManufacturingSystems

Vol.14No.6June2008

文章编号:1006-5911(2008)06-1078-07

基于产品数据管理的并纱机模块化配置系统研究

肖新华1,史明华1,郝霄鹏2,杨亚楠1

(1.天津工业大学机械电子学院,天津󰀁300160;2.天津宏大纺织机械有限公司,天津󰀁300241)

摘󰀁要:为满足产品模块化配置的需求,应用基于参数映射的模块划分方法,对并纱机产品进行了模块划分,引入层次化接口矩阵,描述了并纱机模块的接口关系。提出了面向对象的产品数据模型,并研究了它的实现机制,给出了并纱机面向对象产品数据建模方案。提出了基于产品数据管理的产品配置流程和系统框架,并以SmarTeam作为产品数据管理集成平台,阐述了并纱机模块化配置系统的具体过程,给出了FA716A型并纱机配置实例。实例表明,该配置系统实现了并纱机产品的模块化快速配置,确保了与其他计算机集成制造系统分系统的无缝集成。

关键词:模块划分;层次化接口矩阵;产品配置;面向对象产品数据模型;系统框架中图分类号:TP391󰀁󰀁󰀁

文献标识码:A

Doublerwindermodularconfigurationsystembasedonproductdatamanagement

XIAOXin󰀁hua,SHIMing󰀁hua,HAOXiao󰀁peng,YANGYa󰀁nan

1

1

2

1

(1.SchoolofMachinery&Electron,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160,China;

2.TianjinHongdaTextileMachineryCo.,Ltd,Tianjin300241,China)

Abstract:Tomeettherequirementsofmodularproductconfiguration,amoduleclassificationmethodbasedonpa󰀁rametermappingwasappliedtodoublerwinder.Thehierarchyinterfacematrixeswereintroducedtodescribeinter󰀁facerelationshipsofmodules.Anobject󰀁orientedproductdatamodelwasproposedanditsimplementationmecha󰀁nismwasdiscussed.Andobject󰀁orientedproductdatamodelingschemeofdoulberwinderwasalsoprovided.TheconfigurationflowandframeworkbasedonProductDataManagement(PDM)integratedplatformwereputfor󰀁ward.ThedevelopmentprocessofconfigurationsystembasedonSmarTeamPDMwasprovided,andaconfigura󰀁tionexampleofFA716Awasexplained.Consequently,doublerwinderconfigurationcouldbequicklyachieved,andtheseamlessintegrationwithothersystemswasalsoensured.

Keywords:moduledivision;hierarchyinterfacematrixes;productconfiguration;object󰀁orientedproductdatamod󰀁el;systemframework

0󰀁引言

在激烈的市场竞争环境下,企业迫切需要以有

限的资源配置出多样化、个性化的产品,从而缩短产品开发周期,降低成本,获取大规模定制[1]的经济效益。基于模块化设计技术的产品配置生产方式具有

较强的适应性,能够提高资源利用率,减少零部件设计和工装的制造。产品数据管理(ProductDataManagement,PDM)是一种用来管理所有与产品相

关的信息和相关过程的技术[2],它提供统一的信息模型和组件封装技术,能实现与计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)、计算机辅助工艺

收稿日期:2007󰀁08󰀁23;修订日期:2007󰀁10󰀁25。Received23Aug.2007;accepted25Oct.2007.

基金项目:天津市科技攻关培育资助项目(06FZRJGX01300)。Foundationitem:ProjectsupportedbytheTianjinMunicipalScience&Technol󰀁

ogyCommission,China(No.06FZRJGX01300).

作者简介:肖新华(1978-),男,湖南桂阳人,天津工业大学机械电子学院讲师,硕士,主要从事数字化设计与制造、CIMS等的研究。

E󰀁mail:xxinhua@126.com。

第6期肖新华等:基于产品数据管理的并纱机模块化配置系统研究

表1󰀁并纱机产品配置参数表

配置参数名卷绕形式锭距/mm供纱形式锭数手向

成品筒管规格/mm󰀁

合并股数/股喂入筒子规格/mm

可选参数值槽筒,拨片375,400,500托盘,斜杆,外置8,16,32,48左手,右手0󰀂,󰀁37 170,3󰀂30!,󰀁46 1702,3,4󰀁300 152,󰀁260 152,󰀂有,无

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设计(ComputerAidedProcessPlanning,CAPP)、计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing,CAM)、企业资源计划(EnterpriseResourcePlan󰀁ning,ERP)等系统的无缝集成。

当前,并纱机产品向着单锭化、智能化、系列化、多样化方向发展,产品数据日益庞大。在统一的PDM平台上进行产品设计、制造、管理和配置系统的集成[4],将推动企业信息化向纵深发展,充分发挥资源整合的效益。本文研究面向产品配置的并纱机模块划分方法,以SmarTeam作为PDM平台,研究并纱机PDM模型的构架,并研究开发基于PDM平台的并纱机模块化配置系统。

[3]

参数特征

AAABBB󰀁BB󰀁C

辅助装置

1󰀁面向产品配置的模块划分方法

1󰀂1󰀁配置参数的提炼

配置参数是从用户需求中提炼出来的、反映产品主要技术性能水平和个性化特征的参数,是在产品族平台上派生产品的主要依据。用户需求是企业进行产品设计的源头和依据。用户对并纱机的需求主要体现在以下几个方面:

(1)锭数的系列化󰀁由于受厂房和产量等因素的制约,不同用户对并纱机锭数的要求不同。锭数系列化可通过节数系列化来实现,每节由若干锭组成,每锭单独控制。这样既能减少停机次数又能满足机架的设计和制造要求。

(2)锭距的规范化󰀁锭距对并纱机的结构影响较大,同时对并纱机的供纱能力有一定制约。设置规范化的锭距供用户选择,可以减少配置时结构的修改,并满足供纱能力的要求。

(3)卷绕形式的要求󰀁卷绕形式是并纱机性能水平的主要标志,包括槽筒式和拨片式等。卷绕形式对成纱质量和机器产量影响很大。

(4)工艺衔接要求󰀁由于并纱机处于纺纱工艺的中间环节,要求其喂入筒子规格应符合络筒机输出的筒子规格,成品筒管规格应符合后续工艺要求。

通过上述分析,可将并纱机的配置参数分解成产品族参数(A)、基本配置参数(B)和可选参数(C),如表1所示。产品族参数[5]是确定产品性能、结构和价格的主要参数,基本配置参数是并纱机正常运行所必需的配置参数,用户可根据自身情况选配可选参数。

1󰀂2󰀁基于参数映射的并纱机模块划分

模块划分是进行产品模块化配置设计的基础,

国内外许多专家学者进行了大量研究。启发式图解方法[6]在构建功能模型的基础上,通过分析功能元之间的能量、物料和信号之间的转化来进行模块的规划,它仅仅考虑了以功能实现方式探讨模块的形成,无法体现设计需求与设计约束。基于设计矩阵

的模块识别方法,考虑了零部件之间的综合交互关系,并利用模糊聚类[7]等方法,对产品进行了模块划分。本文提出了基于参数映射的模块划分方法,其基本思想是:通过配置参数提炼和模块规划,建立配置参数集CS=(CS1,CS2,∀,CSk)

T

T

与模块集

MK=(MK1,MK2,∀,MKm)之间的映射关系,并以同一参数映射最少模块为原则(即某一参数改变时影响的模块最少)。

进行基于参数映射的模块划分时,除了遵循模块化划分基本理论[8]外,还应考虑以下原则:#将产品族配置参数、基本配置参数和可选参数分别映射到不同模块。与模块的配置参数相关的零部件应分离出来,以便模块能根据配置参数进行派生。∃将未来预期变化程度高的零部件与其他零部件相分离,形成可变型模块,从而将设计变化尽量限制在单一模块范围内,以提高模块整体的通用性和稳定性。%进行产品功能分析,以确定子功能的层次。然后根据零部件对各子功能实现的相对贡献度,将共享度相似的零件归入到同一模块中。&保持模块的结构独立性,这是实现生产过程高效率和低成本的保证,可以通过零部件之间的结构关联来分析。零部件之间的结构关联包括物理关联和几何关联。

基于以上原则,根据并纱机配置参数与模块的映射关系,考虑模块划分粒度与模块成本的因素,规划出并纱机模块划分如图1所示。

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值得注意的是,只需给出配置参数与叶级模块的映射关系,父级模块的配置参数为所有自己模块的配置参数的并集。

口等。机械接口的主要功能是提供模块的支撑,进行约束定位,传递力和运动等;电气接口用于连接电气元件和传递控制信号;软件接口用于实现不同软件系统之间的信息集成;物理量转换接口可在模块之间进行光机电信号转换等。各种类型的接口有公共的属性,也有自身的特点。为实现模块组合,需要对所有模块的接口进行标准化、系列化工作。

2󰀁模块接口的层次化矩阵描述

模块接口是模块内部与外界环境之间进行结合的特征集合,通过这些集合实现模块空间的定位,以及模块与外界物质、能量和信息的交换[9]。模块接口是模块组合的依据,是模块化产品配置的基础。在进行模块划分以后,产品由具有层次关系的一

系列模块组成。子模块通过标准接口组合成上一级模块,最终由一级模块组合成产品。为便于模块的组合,应考虑同级模块之间的接口,子级模块之间通过子级模块的接口组合,形成父级模块,而不必考虑不同级模块的接口。因此,可以采用层次化接口矩阵来描述模块接口,图2为并纱机层次化模块接口矩阵。图中∋1(表示表示同级模块之间具有连接关系,∋0(表示同级模块之间不具有连接关系。模块自身之间认为具有连接关系,且模块之间的接口是相互的,因此模块接口矩阵是对角线为∋1(的对偶阵(右对角)。

对于模块化产品配置而言,仅表示模块之间有无关联是不够的,还需进一步表达清楚模块接口的类型、参数、编码、名称等。模块接口可分为机械接口、电气接口、软件接口,以及各种物理量的转换接

3󰀁面向对象产品数据模型研究

3󰀂1󰀁面向对象产品数据模型的原理

面向对象(Object󰀁Oriented,OO)技术最开始应

用于程序开发中,现已广泛应用于许多领域。本文在产品数据模型建模过程中引入了OO思想,提出了面向对象产品数据模型(Object󰀁OrientedProductDataModel,OOPDM)的概念,即通过分析产品数据的特点,对产品数据进行整理、分析和分类,使类与类之间具有纵向树型关系和横向平行关系,纵向树型通过父子类来描述,横向平行关系通过链接类描述,具有完整的类描述和类之间链接关系描述的产品数据模型即为OOPDM。

OOPDM具有以下特点:#数据类是相同数据对象的抽象,其属性描述了这些对象的基本特征;∃

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树型链接类描述同一数据类之间的层次关系,横向链接类描述不同数据类之间的关联关系;%子类可以继承父类的所有属性和操作,也可以拥有自身的特殊属性和操作;同时子类还可以继承父类的权限设置、链接属性等,从而便于处理PDM复杂的权限管理和数据关联;&链接类不但可以描述类之间的平行关系,还可以通过链接属性描述这种关系的具体内容,如某一零件在多个产品或部件中使用,使用的数量可以通过链接属性来描述。3󰀂2󰀁基于关系型数据库的实现机制

关系型数据库为当前的主流数据库,如DB2,Oracle,MicrosoftSQLServer均为关系型数据库,其主要特点是用平行的数据表来描述复杂的数据逻辑。在关系型数据库中建立复杂的OOPDM,必须有一套实现机制来支持。本文提出以下实现机制:

(1)数据类与对象的实现机制󰀁用一张类汇总表存储所有类(包括父类、子类、链接类)的ID、名称、类型和类描述表的名称。类描述表存储类的属性名称及其特征。同一大类的所有对象用一张对象汇总表存储,若对象为子类的对象,则需关联该子类的对象表,以描述子类对象自身的属性。

(2)纵向树型关系的实现󰀁采用单父)单子法描述,即用一条记录描述一个层次关系,每条记录均说明子类ID及父类ID,多条记录相结合描述树型关系。

(3)横向平行关系的实现󰀁类与类之间的平行链接可用链接类来描述。链接类与父类、子类一样具有链接属性,但同时也能说明哪些类之间具有平行链接关系。

基于关系型数据库的OOPDM实现机制的实体󰀁关系(Entity󰀁Relation,ER)图描述如图3所示。

3󰀂3󰀁并纱机面向对象产品数据库模型的建模实例并纱机产品数据总体上分成产品数据、模块数据和零件数据三层,可以采用产品资源树、产品结构树、文档树的形式来管理。产品资源树下挂并纱机产品库、模块库、零件库和文档库,相当于并纱机产品数据总目录,具体的信息由产品结构树和文档树来描述;产品结构树描述产品的模块组成和模块的零件构成;文档树描述并纱机文档的结构。产品资源树、产品结构树和文档树自身的层次关系由父子类描述,树之间的关系可由链接类描述。

产品资源树由产品类和资源目录类组成,产品类描述并纱机产品的配置参数等信息,产品配置参数是模块配置参数的合集;资源目录类相当于文件夹,用于分类管理产品数据。产品结构树由各种模

块类和零件类组成,每一模块类均描述了模块的配置参数等信息,产品配置参数和模块配置参数是并纱机模块化配置的主要信息。零件类包括零件代号、材料、类型的信息。文档树由三维装配图类、三维零件图类、二维工程图类和其他文件类等组成。

并纱机产品数据管理中涉及的工作流程模型、用户权限模型和生命周期模型等也可以用OOPDM方式进行建模。

4󰀁基于产品数据管理的并纱机模块化配置

系统设计

4󰀂1󰀁配置流程设计

并纱机模块化配置系统可以采用基于模块化产品实例配置[10]的思想,基本过程可分解成相似实例

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提取、产品实例修改、配置方案预装配和配置方案生成四个阶段。

(1)相似实例提取󰀁用户输入需求参数,根据需求参数查询产品实例库,计算实例的相似度,若有相似度为1的产品实例,则说明该实例完全满足用户需求,直接输出配置结果;否则,取相似度最大的实例作为相似实例,并提取该实例的模块组成。(2)产品实例修改󰀁将用户需求参数与相似实例的参数进行比较,找出不同的配置参数,根据参数映射,确定相似实例中需要进行变型的模块。模块的变型有三种方式:

1)模块替换󰀁根据参数映射形成的模块需求查询模块库,若有满足条件的模块,则用该模块替换实例中相应的模块。

2)模块修改󰀁若查询模块库没有完全满足条件的模块,可以通过在已有模块基础上进行修改来满足用户需求。

3)模块创建󰀁若无法通过模块修改来满足用户需求,则需要进行模块创建。修改或创建后形成的

[11]

新模块都将存入PDM模块库中。

(3)配置方案预装配󰀁将产品实例的三维模型和用来替换的模块三维模型从PDM中检出,并利用三维CAD平台产品进行模块替换、修改和创建。根据用户需求,对产品配置方案进行预装配,以便检查配置的合理性。

(4)配置方案生成󰀁相似实例中不满足用户需求的模块经过替换、修改或创建以后,形成用户所需的产品配置结果,生成该配置的产品结构,将其添加到产品库中,从而不断扩充产品实例库。4󰀂2󰀁配置系统框架

基于PDM的并纱机模块化配置系统可充分发挥PDM集成平台的优势,对产品和数据、工作流程和用户权限等进行统一管理。利用PDM应用扩展工具进行配置系统开发,从而实现PDM平台上的模块化配置系统与其他应用系统的无缝集成,系统框架如图4所示。

󰀁󰀁数据层对系统数据统一管理,PDM数据库用于

存放结构化数据,PDM电子仓库用于存放应用系统产生的电子文档(如CAD图形、配置参数表、技术文件等),产品配置数据库存放配置参数、映射规则等支持产品模块化配置所必需的数据。

PDM平台主要由核心功能模块、客户化定制工

具、应用集成工具和应用扩展工具组成。核心功能模块是管理产品和模块数据的主要模块,包括产品管理、模块管理、产品结构、文档管理、工作流程和用户权限管理等。应用集成工具可以设置PDM与企

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业通用系统(如CAD,CAPP,CAE,CAM,ERP,办公自动化(OfficeAutomation,OA))等的集成方式。对于企业个性化系统(如并纱机模块化配置系统),则需通过应用扩展工具对PDM进行二次开发,实现统一安全的数据访问和功能扩展。

扩展应用层是在PDM平台上,针对企业需要开发的个性化应用系统。对于并纱机模块化配置系统,其功能模块主要包括用户需求获取模块、基于实例配置模块、配置方案预装配模块和配置系统维护模块等,各模块下均有子功能模块。

(1)设计产品模块化配置数据库,利用VB+

SmarTeamAPI开发并纱机模块化配置系统,生成ActiveX.dll动态链接库。

(2)编写SmartScript调用动态库,接口函数格式如下:

FunctionDWMCS(ApplHndlAsLong,SstrAsString,FirstParAsLong,SecondParAsLong,ThirdParAsLong)AsInteger

DimSmSessionAsSmApplic.SmSession∀

SetSmSession=SCREXT_ObjectForInterface(Ap󰀁plHndl)

SetMainObj=SmSession.ObjectStore.ObjectFromDa󰀁ta(SmRecord,True)

MainObj.Retrieve/获取SmarTeam进程对象

SetSmSecurety=CreateObject(\"BSJConfiguration󰀁Project.BSJConfigurationClass\")/调用并纱机配置模块

∀

EndFunction

5󰀁并纱机模块化配置系统开发过程

SmarTeamPDM系统支持面向对象产品数据建模,框架灵活、稳定可靠、易于定制和功能扩展,是一款性能优异的PDM集成平台。本文在SmarT󰀁eam平台上,通过其客户化定制工具,架构了并纱机PDM系统,主要定制过程如下:

(1)利用DataModelDesigner建立面向对象的并纱机产品数据模型,包括定义数据类、链接类的属性,以及类的树型链接和平行链接关系等。

(2)利用FormDesigner设计数据类的展示界面,以实现良好的人机交互。

(3)利用FlowChartDesigner定制产品配置、模块修改/创建、图样审批、文档发布等工作流程。

(4)利用IntegrationTools设置PDM平台与CAD,CAPP,CAM,ERP,OA等应用系统的集成。

(5)利用UsersMaintenance设置用户/用户组的权限、用户角色等。图5为定制生成的并纱机产品数据管理系统界面。

(3)运行脚本维护工具,设置SmarTeam调用二次开发功能模块的入口。

(4)利用菜单管理器,设计并纱机模块化配置菜单,以便调用二次开发模块。

(5)设置配置系统各功能模块的使用权限,以保证系统数据的安全。

图6为并纱机模块化配置系统的主界面。左侧以树型结构显示相似产品实例的模块组成;右上方显示实例模块的参数和接口信息;右下方显示模块需求,以及按相似度大小显示PDM模块库中的模块。

定制生成的并纱机PDM系统能完成产品和模块数据、相关流程和用户权限的管理,但不能实现产品的快速配置,为此需利用应用扩展工具进行并纱机模块化配置系统开发。开发过程如下:

该配置系统能够根据用户需求自动从PDM中提取最相似产品,并用符号∋∗(标识满足用户需求的模块,用符号∋ (标识需要进行处理的模块。根据用户需求查询模块库时,若存在相似度为1的模块,则系统提示采用模块替换的处理方式;若相似度大于0󰀂5且小于1,提示在已有模块上进行修改;若相似度小于0󰀂5,系统提示需要进行模块创建。相似实例中不满足用户需求的模块经过替换、修改或

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创建以后,形成了用户所需的产品方案。该方案可在CAD系统(如Pro/E)中进行模块化预装配,若方案合理,则可以将该方案的产品结构和文档的数据存入PDM中。

了产品设计的标准化、模块化、系列化,并且支持并行集成化产品开发,从而提升企业市场竞争力。参考文献:

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6󰀁应用实例

本文在集成化PDM软件SmarTeam平台上,

利用VisualBasic6󰀂0,以MicrosoftSQLServer2000作为数据库系统,开发了并纱机模块化配置系统(DoubleWinderModularConfigurationSystem,DWMCS),利用DWMCS进行了FA716A型并纱机的快速配置,具体过程如下:

(1)输入用户需求(锭距400mm,锭数48,供纱形式为托盘,合并股数为4股,喂入筒子规格为󰀁160 152mm;卷绕形式为槽筒,成品筒管规格为0󰀂,󰀁37 170mm,手向为右手,辅助装置为选用)

(2)根据用户需求提取出最相似产品(CPBSFA716A󰀁0001,相似度为0󰀂7083)作为实例进行配置。相似度按式(1)进行计算:

Sim=

++

i

nz1Pi,Ck

++P

j

k=1

mz

j

,Ck。(1)

k=1

式中:Sim为实例的相似度,表明实例与用户需求的吻合程度;Pi为实例的各项配置参数的权重系数;Ck为与参数Pi相关的模块复杂程度系数;n为配置参数的个数;m为实例配置参数与用户需求相符合的参数个数;z为与参数Pi相关的模块个数。

(3)在产品实例CPBSFA716A󰀁0001基础上,系统根据参数映射规则,提示替换纱架模块和车头模块,即可形成满足用户需求的产品方案CPBSFA716A󰀁0002。

(4)在Pro/E中调出产品实例,根据骨架模型和接口匹配性进行配置方案预装配,若合理则将配置方案存入到SmarTeam中,完成产品配置。

7󰀁结束语

本文将模块化技术应用于并纱机产品设计中,在SmarTeam平台上定制了满足企业应用的并纱机PDM系统。在此基础上进行了基于实例的模块化产品配置系统研究开发,从而实现了产品资源的共享和重用,确保了配置系统与其他CIMS分系统的无缝集成。根据用户需求,在已有产品基础上,通过模块替换、修改或创建,快速完成并纱机产品的模块化配置,能根据Pro/E进行方案预装配,以及在PDM中生成配置方案的产品结构和相关文档。该系统的应用不仅确保了产品的优化配置,而且增强