工艺数据的可定制性表达模型研究*

罗年猛,郭 锦,朱 林

(华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心,湖北 武汉 430074)

工艺数据的可定制性表达模型研究*

罗年猛,郭 锦,朱 林

(华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心,湖北 武汉 430074)

工艺规划灵活的可定制能力是工艺系统适应不同企业或同一企业不同时期需求变化的一项关键技术。通过分析工艺的定制需求，提出了一种数据表达模型，较好地解决了工艺规划的层次结构以及内容的可定制性问题，提高了工艺规划的快速响应能力，使CAPP系统能够适应不同行业、不同企业的不同需求，能够适应企业工艺规范的更改与调整。

定制；工艺数据；表达模型；工艺规程；CAPP

1 引言

近些年来，除了传统的制造行业之外，各种新兴行业层出不穷，各行业间千差万别，并且即使在同一行业中各企业之间的工艺数据差异化也越来越大，导致工艺数据的个性化增强。随着生产模式的进步，对同一企业，在不同的阶段，其工艺数据会不断地扩充和更改，对计算机辅助工艺规划CAPP(Computer Aided Process Planning)系统的定制能力提出了更高的要求，而决定CAPP系统定制能力的核心就是工艺数据模型的可定制性。对此学者们进行了大量的研究，体现在基于工艺卡片的通用工艺数据表达模型[1,2]、基于工艺操作的中性数据表达模型[3]、可定制的工艺数据存储方式[4,5]、与PDM集成的工艺数据的定制[6]等众多方面。但是，上述研究未能很好地解决工艺规划中层次结构的定制、工艺数据之间关联关系的定制和数据结构变更后的兼容性问题。

针对上述问题，本文从CAPP系统的核心“工艺数据”出发，通过分析不同行业、不同企业以及同一企业不同阶段的工艺需求，建立了可定制CAPP系统的工艺数据模型，较好地解决了工艺规划的层次结构以及内容的可定制性问题，提高了工艺规划的快速响应能力，使工艺系统得以摆脱由于不同企业需求不一致以及不同时期的需求不同而需要对工艺系统局部甚至全部进行重新程序开发的问题，很好地保证企业系统的连续性以及数据的共享性、准确性和唯一性。

2 可定制的工艺数据模型

2.1 工艺规划层次结构

如图1所示，完整的工艺规划包括工艺路线、工艺过程、工序、工步和汇总等先后层次结构的工艺规程，每一层的工艺规程都需经过审批、修改、最终定型。各层次工艺规程都由工艺元素构成，如热处理工艺过程由产品型号、零部件序号、工序号、工时、变形量、装炉温度等工艺元素构成，所有的工艺元素集中在工艺元素库中。在工艺规划的过程中，会产生大量的工艺规程，这些工艺规程有很多都是由相同的工艺元素构成，所以为了方便管理数量庞大的工艺规程，把由相同工艺元素构成的工艺规程抽象成一种工艺规程类型，各层次可能有多种工艺规程类型。

Figure 1 Hierarchy of process planning图1 工艺规划层次结构

各层次的工艺规程类型之间存在着结构上的关联关系。工艺路线、工艺过程、工序、工步等层次依次细分，细分层次继承了前面层次的部分工艺元素，而汇总是针对所有层次的工艺规程类型。如机加工工艺路线和机加工工序之间的产品型号、工序号、设备型号等存在一对一对应关系，汇总规程类型与源规程类型之间的工艺元素存在着运算关系。

对于不同的行业、不同的企业以及同一企业的不同阶段，工艺的不同可以归纳为三个方面：(1)层次结构不同；(2)工艺规程类型不同；(3)各层的工艺规程类型中工艺元素的关联关系不同。上述完整的工艺规划层次结构能够满足不同企业的工艺规划层次需求。企业根据其实际情况选择合适的工艺规划层次结构，可能是三层的工艺结构(工艺路线-工艺过程-工序)，也可能是两层工艺结构(工艺过程-工序)或者是其他层次的工艺结构。从工艺元素库中选择合适的工艺元素定制相应的工艺规程类型，可以满足企业各层次的工艺规划的内容的定制需求。

2.2 工艺规程类型

工艺规划中存在若干个层次，每一层次由一系列工艺规程类型构成。各层次之间存在着一定的层次结构关系，如父子关系。在对工艺规程类型进行介绍前，引入工艺元素库的概念。

定义1工艺元素库PES(Process Elements Set)是可配置的工艺元素集合，存放了企业所有的工艺元素，PES={P1,P2,…,Pn}。其中Pi(i∈[1,n])是第i个元素，可以表示成三元组的形式P=〈ID, T, V〉，ID为该工艺元素的全局唯一标示符，T为工艺元素类型，由正则表达式来规定，V为该工艺元素的值。

定义2工艺规程类型PPT(Process Procedure Type)是相似工艺规程的抽象，可表示为四元组的形式：PPT=〈ID,name,father,content〉。其中，ID为该类型的唯一标示符，name为该类型名称，father是该类型的层次结构关系，content={P1,P2,…,Pm}表示该类型包含的工艺元素的集合，如零部件序号、工序号、工序内容等。

定义3工艺元素映射PM(Process Element Mapping)表示工艺规程类型PPTi与工艺元素库PES之间的映射关系，PMi={ai1,ai2,…,ain}T为n元列矩阵，其中,

工艺规程类型的构成模型可以表示为：PPT:content=PES*PMi，其中PPT:content表示工艺规程类型PPT的工艺元素集合。如图2所示，工艺元素库PES是独立的可定制的数据仓库，存放了所有的工艺元素，工艺规程类型通过工艺元素映射规则PM从PES中获取所需的工艺元素。

Figure 2 Content customization of PPTs图2 工艺规程类型的内容定制

2.3 数据模型

各层次的工艺规程类型之间除了存在着层次结构的关系外，还存在工艺元素间的关联关系。为了表示工艺元素之间的关联关系，引入项对象OI(OperationItem)和元素关联关系ER(ElementRelationship)的概念。

定义4项对象(OI)是一个二元组，OIij=〈PPTi:father,PPT:Pj〉，其中PPTi:father体现工艺规程类型PPTi的层次结构关系，描述了其对应的上一层次的工艺规程类型，PPTi:Pj表示PPTi的一个工艺元素。

定义5元素关联关系(ER)用来处理项对象之间的关系，常用的关联关系如表1所示，用户可以自定义关联关系符号。

Table 1 Common ER for process elements表1 常用的工艺元素关联关系

工艺规程类型可以拆分成若干个项对象，工艺规程类型中工艺元素的值可以由项对象和元素关联关系来确定。如图3所示，左侧为工艺规程类型结构树，体现了工艺规程类型的层次结构关系，右侧为工艺规程类型之间的元素关联关系。

Figure 3 Structural relationships among PPTs图3 工艺规程类型结构关系

所有工艺元素的关联关系运算规则如下：

任意三个项对象之间的关系：OIij=(OIqv)ER(OIuw)，其中ER为二元关联。OIqv与OIuw能否进行操作，取决于OIqv:father与OIuw:father的关系，其基本原则是不能造成OIqv:P与OIuw:P的数据重复与冲突，比如说工时定额汇总时不能同时汇总同一零件机加工工艺路线规程与机加工工序规程的工时。

项对象之间的多元关系可以由上述一元关联和二元关联经过复合操作得到，OIij=(OIkl)ER(OIqu)ER(OIvw)…ER(OIxy)，通过该数学模型可以定制工艺规程类型间的工艺元素关联关系。

工艺规程之间的关联关系比较复杂，不仅仅限于以上两种关系，用户可以通过自定义工艺元素关联关系来实现。用户自定义的工艺元素关联关系须满足以上的运算原则，运算结果的形式都由用户自定。

3 企业定制

3.1 定制流程

根据上文提出的可定制工艺数据模型，企业实施定制的过程如图4所示。

步骤1对工艺规划的层次进行划分。工艺规划的层次结构如图1所示，企业根据自己的实际情况从工艺路线、工艺过程、工序、工步和汇总等工艺规划层次中选择合适的结构。

步骤2划分各个工艺规划层次的工艺规程类型。比如工艺路线层次的工艺规程有机加工工艺路线规程、焊接工艺路线规程、热处理工艺路线规程等；工序工艺规程可以分为机加工工序规程、焊接工序规程、热处理工序规程等等；汇总规程包括工时定额、材料定额等，如图4中的步骤②。

Figure 4 Customization process图4 定制过程

步骤3定制各层次工艺规程类型之间的层次结构关系。企业在工艺规程类型管理结构树上添加相应的工艺规程类型节点，构建如图3左侧的工艺规程类型管理结构树。例如，机加工工艺路线规程类型(PPT1)为工艺路线规程类型节点，子节点挂机加工工序规程类型(PPT2)节点，焊接工艺路线规程类型(PPT3)为工艺路线规程类型节点，子节点挂焊接工序规程类型(PPT4)节点。在对节点进行操作的过程中，得到PPT2:father=PP1，PPT4:father=PPT3。依此类推，可以确定全部的工艺层次结构关系，如图4中的步骤③。

步骤4配置工艺元素库。企业在对工艺规程类型进行定制之前，需要先配置好工艺元素库PES，如图4中的步骤④。

步骤5定制工艺规程类型。从PES中选择所需的工艺元素，即建立PM的过程，从而定制工艺规程类型内容PPT:content。例如，机加工工艺路线规程PPT1，假设其工艺元素映射PM={0,1,0,…,1,0}，得到该类型包含的工艺元素为〈产品型号，零部件序号，零部件名称，工序号，工序内容，单件工时，工装,…〉，这样就确定了PPT1:content的内容。以此类推，可以确定所有工艺规程类型的PPT:content，如图4中的步骤⑤。

步骤6定制工艺规程类型的工艺元素之间的关联关系。(1)确定相关工艺规程类型的工艺元素，得到其项对象；(2)定制项对象的运算关系。

3.2 数据变更维护

企业在发展的过程中，生产模式、产品种类和加工方法等的变化会导致工艺规划层次结构和内容的变化，这些变化具体体现在工艺元素库、工艺层次结构、工艺规程类型和工艺规程类型中工艺元素关联关系的变化,下面对这四个方面进行详细说明。

工艺元素库的变更包括工艺元素的增加、修改和删除。增加工艺元素时只需定义该元素的ID、名称和类型等；修改工艺元素的名称和类型时，自动修改与之关联的工艺规程类型及关联关系；删除工艺元素时，必须按照如图4的定制流程对与变更相关的工艺规程类型及关联关系进行重新定制。

工艺规划层次结构变更包括层次的增加和删除。增加的层次须来自工艺路线、工艺过程、工序、工步和汇总等工艺规划层次。由于工艺路线、工艺过程、工序、工步是依次细分的关系，增加或删除其中某一层，只需对其所有细分层次进行相应的变更。比如两层结构(工艺路线-工艺过程)变更为三层结构(工艺路线-工艺过程-工序)，只需对工序层中的工艺规程类型及关联关系进行定义。变更汇总层不对其他层次造成影响。

工艺规程类型的变更体现在工艺元素的增加和删除。增加工艺元素时，只需要定义该元素与其他工艺规程类型的关联关系。删除工艺元素时，需要处理两种情况：(1)删除与之关联细分层相应的工艺元素数据及关联关系；(2)删除与之关联的汇总层相应工艺元素关联关系。

工艺规程类型中工艺元素的关联关系(ER)变更包括ER的增加、修改和删除。企业根据实际情况对ER进行重定义，相应的工艺元素数据会自动进行调整。

4 可定制工艺数据模型的实现

以某汽车制造企业的实际定制情况为例，如图5所示，为该企业工艺规程类型管理部分结构图，左边为工艺规程类型的管理结构树，确定工艺规程类型的层次结构关系，右边为工艺规程类型中工艺元素关联关系的定义。

Figure 5 Management of PPTs图5 工艺规程类型管理图

如图6所示为某型号汽车前桥工艺路线，图左边是前桥的工艺规程结构树，右边为树节点对应的工艺规程。本文提出的可定制工艺数据模型不依赖于传统的工艺卡片式工艺表达，但是考虑到国内现在工艺规划还是以工艺卡片的形式为主，因此可以将工艺卡片作为工艺数据的输入和输出格式，而数据模型采用可定制的工艺数据模型，工艺数据存储于关系数据库中。

Figure 6 Process planning instance图6 工艺规划示例

5 结束语

可定制工艺数据模型在CAPP系统中的成功应用，不仅能够满足各行业、各企业的不同需求，解决了企业工艺数据发生变化时的兼容性问题，使工艺系统得以摆脱由于不同企业需求不一致以及不同时期的需求不同而需要对工艺系统局部甚至全部进行重新程序开发的问题，极大地方便了软件的实施和维护。

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

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[7] 周秋忠, 范玉青. 基于EBOP的复杂产品工艺数据模型研究[J]. 制造业自动化, 2008, 30(8):15-18.

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

郭锦(1988-),男，湖北天门人，硕士生，研究方向为计算机辅助设计/计算机图形学。E-mail:243735801@qq.com

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

朱林(1955-),男，湖北武汉人，副教授，研究方向为计算机辅助设计/计算机图形学。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

国家863计划资助项目(2007AA040505)

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

TP305

：A

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

罗年猛(1972-),男,湖北松滋人，博士，副教授，研究方向为计算机辅助设计/计算机图形学。E-mail:luonm@hust.edu.cn

通信地址：430074 湖北省武汉市华中科技大学机械科学与工程学院国家CAD支撑软件工程技术研究中心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