魏 群，段國林，周桂霞

（1. 河北工業(yè)大學 機械學院，天津 300130；2. 河北理工大學 理學院，唐山 063009）

0 引言

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）是一門管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息（包括產(chǎn)品設(shè)計文件、零件特征和產(chǎn)品特征等）和所有與產(chǎn)品相關(guān)過程的技術(shù)。其中，零件特征包括形狀特征（描述零件的功能幾何形狀信息）、精度特征（描述零件的尺寸、公差和粗糙度等信息）、材料特征（描述零件材料的組成和條件）等；產(chǎn)品特征包括產(chǎn)品的版本特征（描述產(chǎn)品功能形狀的升級換代信息）和裝配特征（描述零件在最終產(chǎn)品中的裝配關(guān)系信息），所有這些產(chǎn)品相關(guān)信息都必須基于產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)來進行組織和管理。

企業(yè)級的PDM系統(tǒng)在集成內(nèi)部各種計算機應(yīng)用系統(tǒng)的過程中，大部分采用“點對點”的集成方式，集成的雙方采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述格式，通過交換雙方都能識別的數(shù)據(jù)實現(xiàn)產(chǎn)品信息的共享，這種方式在實現(xiàn)企業(yè)間文檔信息共享中存在較大的局限性?，F(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展要求PDM系統(tǒng)面對的是各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)，它不僅要同本企業(yè)內(nèi)CAx、ERP系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品信息共享，而且要同外部企業(yè)CAx、ERP甚至PDM系統(tǒng)之間信息共享，顯然“點對點”的系統(tǒng)集成方式已不能滿足需求，因此迫切需要建立一個集成環(huán)境下的統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模式。STEP PDM Schema正是可以采用的一個STEP標準，它是CAD/ CAE/ CAM/CAPP中PDM交集的應(yīng)用技術(shù)，提供了一種產(chǎn)品信息的統(tǒng)一描述方式，采用這種模式能實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間集成環(huán)境下的產(chǎn)品信息共享。本文利用STEP PDM Schema構(gòu)建產(chǎn)品信息模型，包括產(chǎn)品、產(chǎn)品版本和產(chǎn)品關(guān)系等主要模型，為集成環(huán)境下產(chǎn)品全生命周期的信息共享與管理提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 集成環(huán)境下的的產(chǎn)品信息模型

STEP標準將產(chǎn)品定義為：通過加工或自然處理形成的任何物理對象、裝配體或產(chǎn)品中的零部件都被看作是一個產(chǎn)品，另外，任何構(gòu)成產(chǎn)品的零件或裝配體以及制造單個零件的原材料也被認為是一個產(chǎn)品，產(chǎn)品的形狀或功能隨時間的改變產(chǎn)生了產(chǎn)品的版本。針對PDM對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置設(shè)計的要求，本文所建立的產(chǎn)品信息模型包括：產(chǎn)品及產(chǎn)品版本模型（描述產(chǎn)品及其版本的定義）和產(chǎn)品定義關(guān)系模型（描述產(chǎn)品的裝配配置關(guān)系和不同產(chǎn)品之間的關(guān)系），EXPRESS-G表示如圖1和 2所示。圖中每一個方框表示一個類或一種數(shù)據(jù)類型，實線框表示實體，每個實體都有一個或多個屬性，從一個方框引出一個箭頭指向另一個方框，箭頭線上標有一個名字，這個名字是前一個方框所表示的類的成員變量，變量的類型是箭頭所指方框所示的類型，粗實線表示父類實體和子類實體之間的繼承關(guān)系，細實線表示屬性與實體之間組成關(guān)系或?qū)嶓w之間的引用關(guān)系。

1）產(chǎn)品及產(chǎn)品版本模型，如圖1所示，模型包括：

圖1 產(chǎn)品及產(chǎn)品版本模型

（1）product：產(chǎn)品類，屬性包括id，name，description和category，id是一個產(chǎn)品在計算機系統(tǒng)中的通用標識符，即使是在不同的計算機系統(tǒng)中，對于一個產(chǎn)品實例，id總是唯一的；name提供特定產(chǎn)品的卷標名；description提供對產(chǎn)品的一般性描述。這三個屬性都用EXPRESS語言的字符串數(shù)據(jù)類型（STRING）來描述，category表示該產(chǎn)品在總裝配體中的級別（如總裝配件、部件或零件），由level和description共同描述。

（2）product_version：產(chǎn)品版本類，產(chǎn)品版本（product_version）的類實例用于描述同類產(chǎn)品在不同時期的變化和當前版本的最新數(shù)據(jù)信息。產(chǎn)品版本（product_version）對象的屬性包括id，description和of_product等，其中id提供在產(chǎn)品模型環(huán)境中的版本標識；description對產(chǎn)品版本進行描述；of_product用來指出此版本與哪個產(chǎn)品對象相對應(yīng)。

2）產(chǎn)品定義關(guān)系模型，如圖2所示，用于支持產(chǎn)品和產(chǎn)品相關(guān)信息之間的連接（如產(chǎn)品與其零部件之問的裝配關(guān)系，產(chǎn)品與產(chǎn)品設(shè)計圖紙、設(shè)計分析數(shù)據(jù)文件之間的關(guān)聯(lián)等，模型包括：

（1）product_definition：產(chǎn)品定義類

用于描述產(chǎn)品和產(chǎn)品相關(guān)信息的關(guān)聯(lián)特性。產(chǎn)品定義實體通過屬性version與產(chǎn)品版本實例相關(guān)聯(lián)，通過屬性document將所有與產(chǎn)品相關(guān)的設(shè)計文件聯(lián)系在一起（如產(chǎn)品設(shè)計圖紙、工程分析數(shù)據(jù)和使用說明書等工程文件）。

圖2 產(chǎn)品關(guān)系關(guān)系模型

product_definition用來標識那些與其它信息產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品實例的特征。它包括以下成員變量：version，description，id，documents。其中version用來定義產(chǎn)品某一版本的產(chǎn)品定義，version 為product_definition類型；description是對產(chǎn)品定義的簡要說明（可選）；documents是一個全局唯一的標識符，它指向了該產(chǎn)品的相關(guān)說明文檔，例如：產(chǎn)品安全證書或質(zhì)量合格證等。

（2）product_definition_relationship：產(chǎn)品定義關(guān)系類

是一個抽象類，不能創(chuàng)建它的實例，其用途是支持不同產(chǎn)品定義實例之間的結(jié)合，描述product_definition類不同實例間所存在的約束或關(guān)系情況，但并不說明關(guān)系的細節(jié)。由于關(guān)系的多樣性和復雜性，所以對于某一方面的特殊關(guān)系或約束必須由更具體的類來說明，那些記錄具體關(guān)系內(nèi)容的類都是product_definition_relationship的派生類。

（3）product_definition_usage：產(chǎn)品構(gòu)成關(guān)系類

實體product_definition_usage是product_definition_relationship的子類，定義了一個產(chǎn)品實例作為另一個產(chǎn)品實例組成部分的情況，即定義了一個父裝配與子裝配或零件之間的組成與被組成關(guān)系。需要說明的是，這種組成與被組成系并不一定是直接裝配關(guān)系，如父裝配A由子裝配Bl和零件B2組成，而子裝配Bl由零件Cl，C2，C3組成，則A與Bl、A與Cl、Bl與C3等之間的關(guān)系均為實體product_definition_usage的實例[10]。實體product_definition_usage在兩個product_definition實體間還定義了兩種特殊的子實體made_from_usage_option 和assembly_component_usage來描述兩種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系。兩個product_definition實體實例之間的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系可以是made_from_usage_option或者是assembly_component_usage，但是不能同時是這兩種[11]，這種類型的關(guān)系通過product_definition_usage中的ONEOF來說明。

(1) make_from_usage_option：制造關(guān)系類（記為MFUO），指明一個產(chǎn)品是另一個產(chǎn)品通過機加工或其它處理形成的，同時也用于表達一個產(chǎn)品和它的原材料（也是一種產(chǎn)品）之間的聯(lián)系。選擇原材料的方法或理由由屬性rationale給出，這種特殊關(guān)系的級別由屬性ranking給出，用于制造另一種產(chǎn)品所需的原材料數(shù)量及其度量規(guī)則由屬性quantity給出。

(2) assembly_component_usage：裝配關(guān)系類（記為ACU），描述產(chǎn)品之間的裝配關(guān)系，是一個抽象的類，不包含任何實體實例，用于將幾個子類聚合在一起，區(qū)分不同的裝配關(guān)系。

quantified_assembly_component_usage：裝配數(shù)量關(guān)系類，用以指明在一個裝配體中同一種零部件的裝配數(shù)量，它是ACU類的一個子類，繼承了超類的屬性relating和related，屬性quantity指明裝配部件或零件的數(shù)量。

next_assembly_usage_occurrence：緊鄰裝配關(guān)系類，用于定義父裝配和它的子裝配或零件之間的緊鄰關(guān)系，是ACU類的子類，只包含從超類product_definition_relationship繼承的relating和related屬性。

specified_higher_usage_occurrence：最終產(chǎn)品關(guān)系類，描述一個零件與最終產(chǎn)品之間的關(guān)系，從超類product_definition_relationship繼承了兩個屬性relating和related，relating所對應(yīng)的產(chǎn)品是related所對應(yīng)的零件（也是一種產(chǎn)品）的最終產(chǎn)品，還有自己的兩個專有屬性upper_usage和next_usage。這個類描述了一個零件和它的超級（頂級）父類產(chǎn)品之間的最終產(chǎn)品關(guān)系。

promissory_usage_occurrence：借用關(guān)系類，定義一個零件或裝配體用于另一個產(chǎn)品的信息，即借用關(guān)系。通過這個類也可以捕捉一個零部件最終可用于哪些產(chǎn)品裝配的意圖信息，即一個零部件在企業(yè)所有產(chǎn)品中的借用次數(shù)，這有益于對企業(yè)進行零部件的標準化，可將ABC分類中借用次數(shù)較多（一般大于3次）的C類專用件上升為B類通用件。

2 EXPRESS模型的應(yīng)用方法

本文所建立的集成環(huán)境下的產(chǎn)品信息EXPRESS模型屬于PDM軟件的概念模式的信息模型。與具體的實現(xiàn)方式無關(guān)，而支持STEP數(shù)據(jù)交換與共享的底層實現(xiàn)機制必須是某種形式的數(shù)據(jù)模型、因此，存在著EXPRESS模型向底層實現(xiàn)機制的轉(zhuǎn)換問題。根據(jù)應(yīng)用目的和底層實現(xiàn)機制的不同，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換內(nèi)容和映射規(guī)則也不一樣，其底層實現(xiàn)機制主要有以下幾種：

1）STEP中性文件

為了實現(xiàn)集成環(huán)境下不同系統(tǒng)間不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)交換，必須使用STEP中性文件，因此需要按照STEP中性文件的語法規(guī)則，將上述EXPRESS模型映射成同時映射成STEP中性文件的物理結(jié)構(gòu)，從而保證STEP中性文件語法的正確性和讀寫STEP中性文件格式的一致性。

2）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫

STEP標準的描述語言EXPRESS具有面向?qū)ο蟮奶匦?，因此STEP模式的數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)目前主要采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。利用STEP標準的映射表將EXPRESS描述轉(zhuǎn)換成C++的結(jié)構(gòu)或類，用于某些支持C++模式的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫。如ObjectStore，O2，Versant等；也可以利用ROSE系統(tǒng)的EXPRESS2C++轉(zhuǎn)換工具將EXPRESS描述的結(jié)構(gòu)定義轉(zhuǎn)換成C++的類，再利用ROSE++程序轉(zhuǎn)換為ROSE數(shù)據(jù)庫或STEP中性文件，其應(yīng)用過程如圖3所示。

圖3 EXPRESS數(shù)據(jù)模型的ROSE數(shù)據(jù)庫應(yīng)用結(jié)構(gòu)

3）關(guān)系型數(shù)據(jù)庫

隨著制造業(yè)信息化水平的不斷提高，制造業(yè)信息管理系統(tǒng)（如ERP，PDM等系統(tǒng)）得到了廣泛的應(yīng)用，這些管理系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)庫主要是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。采用面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫可以更直接自然地實現(xiàn)EXPRESS語義，但是與關(guān)系數(shù)據(jù)庫相比，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫技術(shù)不成熟，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫不僅已有成熟的商品化軟件，且與高級編程語言的接口也相當豐富。要實現(xiàn)基于STEP標準的CAx系統(tǒng)和制造業(yè)信息管理系統(tǒng)之間的集成，首先需要將以EXPRESS語言描述的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)模型，即采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來實現(xiàn)STEP標準數(shù)據(jù)庫。當采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)時，可以將EXPRESS模型映射成服務(wù)器端關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及映射成客戶端開發(fā)工具的開發(fā)語言的類模式，以便于PDM系統(tǒng)程序的設(shè)計。

3 結(jié)束語

信息集成和協(xié)同工作是二十一世紀產(chǎn)品快速開發(fā)的基礎(chǔ)，也是PDM系統(tǒng)必然的發(fā)展方向，本文提出一種基于STEP的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建模和產(chǎn)品信息組織的角度，詳盡論述了一種合理組織繁雜的產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效方法，為集成環(huán)境下產(chǎn)品全生命周期的信息共享與集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

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