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基于Web的CAPP若干关键技术

2007-07-23蔡力钢 张国军 王丰锦 李培根

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简述基于Web和数据库的CAPP的必要性,介绍这种CAPP的体系结构、功能和特点, 论述以产品结构树为核心的用户化工艺文件信息模 型、工艺文件的表达、基于Web的CAPP与PDM之间的关系、基于Web的工艺文件模板定义、CAPP与MRPII/ERP之间的信息集成、面向产品或BOM的工艺设计方法、基于操作的工艺设计导航等关键技术。

    Web和数据库技术在现代制造系统中发挥着越来越重要的作用, 将Web和数据库技术应用于CAPP是一个发展趋势。现代制造系统对CAPP提出了更高的要求, 这一点从如下几个方面可以看出: ①现代制造系统要求产品设计、工艺设计、生产管理、加工制造等多个环节或部门并行协同工作, 共享信息。CAPP不仅是连接产品设计(CAD)与加工制造(CAM)的桥梁, 更是连接产品设计与生产管理(MRPII/ERP) 的重要纽带。②CAPP是一个多用户与多任务并行协同的工作环境。③CAPP 应与PDM实现集成, 共享产品信息, 并以此为基础实现CAPP与其它应用系统之间的信息集成。④随着 动态企业联盟的兴起以及数字化制造技术的发展, 联盟内的多个企业或部门可能分布全球, 这必然要求CAPP系统支持远程工艺设计和数据共享。
    由此可见, 现代制造业中的CAPP系统离不开网络与数据库, 以及Internet/Intranet和Web技术的支持, 因为这些技术本身就支持多任务与多用户并行协同工作, 支持信息的并行传输与共享。传统的以生成零件工艺路线为目的、或片面地追求工艺设计自动化完全忽略CAPP自动化(如简易填表式CAPP)的CAPP系统将不能满足现代制造业的需要。
    笔者将Web、PDM与数据库技术引入CAPP, 建立了一种基于B/S 的CAPP 体系结构。

    1 基于Web的CAPP集成平台的结构、功能和特点

    1. 1 体系结构和功能

    基于Web的CAPP集成平台的体系结构见图1。


    图1 中各主要部分的功能简介如下:
    (1) 网络 
    本地和远程企业或部门内部是以NT或NOVELL局域网为基础组建的Intranet,一般可以分成产品设计与PDM 局域网、CAPP局域网、以MRPII为核心的生产管理局域网等,各局域网通过路由器或网关互联。企业或部门内部的Intranet 通过调制解调器或路由器或交换机与Internet 或电话网相联, 由此组成企业Intranet/Internet。
    (2) 浏览器 
    如IE和Navigator等。具有一定权限的用户可以在全球任何一台与Internet或电话网相联的计算机登录到CAPP集成平台, 实现远程工艺设计以及工艺文件和工艺资源等信息的查询。
    (3)Web服务器 
    集成CAD和CAPP平台的所有功能组件, 负责网络管理、PDM与用户之间的通讯、处理Web用户对数据库的访问和更新数据库等。对于CAPP 而言, 主要功能如下: ①接受PDM 发布的工艺设计项目并对其进行管理;②将工艺设计项目分解成任务并对其进行管理,以电子邮件的方式向CAPP工作组或成员发布工艺设计任务; ③按照用户请求发布有关工艺设计页面或模板; ④ 将用户请求转换成SQL查询语句, 利用这些查询语句通过CAPP集成平台数据库服务器或其它数据库(如PDM产品数据库)服务器访问数据库中的有关资源; ⑤将访问结果(SQL查询结果) 转换成HTML 语言后通过网络传送给用户; ⑥ 将用户的工艺设计结果转换成SQL 语言存入数据库; ⑦对工艺设计权限和工艺文件的版本进行管理; ⑧内置防火墙, 用于网络的安全控制。
    (4) 产品数据管理系统 
    用于对产品数据、工艺文件和工艺资源等数据进行维护和管理, 负责数据的存储、查询和备份, 维护数据的一致性和安全性。其数据库管理系统可以是Oracle、Sybase或SQL Server 等。

    1. 2 主要特点

    (1) 新型B/S 体系结构 采用Web 技术, 支持远程或异地工艺设计, 客户端具有几乎为零的维护代价, 便于系统扩充、维护和推广应用。
    (2) 基于PDM 的CAD/CAPP/MRPII/ERP集成 以PDM、Web技术、网络和数据库为依托, 以统一的产品数据模型为核心进行工艺设计,实现CAPP系统内部各用户以及CAPP与CAD、MRPII/ERP等应用系统之间的信息共享和集成。
    (3) 面向产品结构或BOM进行工艺设计工艺设计的过程就是将原产品结构或设计BOM演变转化成制造BOM(即MBOM) 的过程,MBOM 是MRPII/ERP 的重要基础数据。
    (4) 并行协同工艺设计 面向多任务与多用户并行工艺设计环境, 使多个工艺人员在不同地点进行协调工作成为可能。
    (5) 项目管理 能对工艺设计项目和任务进行管理, 对工艺设计任务进行分解和委派, 实现工艺设计过程及权限的管理和控制, 实现工艺设计、工艺设计过程管理, 工艺文件和资源管理的全面计算机化和网络化。
    (6) 工具化 系统管理员能根据自己的实际需求定制各种Web 页面或模板, 用户可以选择和激活各种Web页面或模板进行工艺设计和建立工艺设计资源库, 大大增加了平台的灵活性和可扩充性。
    (7) 实用化的变异式工艺设计手段 在对工艺文件和工艺设计资源库进行全方位管理的基础上, 提供丰富的工艺文件操作手段。

    2 关键技术

    2. 1 以产品结构树(或BOM)为核心的用户化工艺文件信息模型

    不同的企业工艺文件的格式和种类是不同的, 但如果抛开具体格式和种类, 从数据抽象的角度看, 可以将工艺文件之间的关系和字段抽象成数据库的关系模式。关系模式中的字段可以允许用户扩充, 关系模式的具体表现形式则可以由用户定义。如此建立的工艺文件信息模型就可以满足不同用户的需求。为此将工艺文件信息模型分成3个层次进行建模, 见图2。


从图2可以看出, 产品结构树模型和工艺文件信息模型相对独立, 二者通过产品结构树的节点关键字(一般是节点ID或物料号) 发生联系。
数据层和逻辑层表达的是工艺文件的关系模式,完成工艺文件信息的数据库描述和存储, 建立工艺信息的关联关系和实现工艺信息的增、删、改等操作, 数据层和逻辑层对所有企业的工艺文件应该是通用的, 这是工艺文件信息模型的基础。用户层是模型在用户面前的具体表示形式, 可以通过工艺文件模板定义和工艺文件类型管理工具来实现。

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    2. 2 工艺文件的表达

    工艺文件种类繁多, 图文并存, 工艺文件之间的关系复杂, 如何对其描述是工具化CAPP系统的一个重要问题。从数据抽象的角度看, 任何1 个工艺文件均可以用1个图形文件和若干个一维和二维数据库表来进行描述, 以工序卡或作业指导书为例, 其描述方法见图3。图3中, 基本属性以及一维和二维数据表用工艺文件的关系模式进行描述, 存储于PDM的产品数据库中, 是产品信息模型的1个子集。数据集就是1个工艺文件的. dwg或.doc文件, 存储于PDM的文件服务器中。数据库表和数据集通过产品结构树中的节点关键字建立联系, 从而通过产品结构树可以方便快捷地查询或浏览工艺文件。

    2. 3 基于Web 的CAPP与PDM之间的关系

    一方面, CAPP所需要的产品信息来自PDM; 另一方面, CAPP的设计结果(即工艺文件)交由PDM进行管理。并行工程环境下基于Web 的CAPP系统与PDM 的关系见图4。


    从图4 可见, 系统主要分成三大部分, 即CAPP的PDM模块、CAPP的工艺文件编辑与模板定制模块、数据交换模块。CAPP的PDM模块采用Web、ASP 和ActiveX技术以及Java语言在PDM上二次开发, 是一个Web应用, 主要负责工艺文件的管理和系统维护。CAPP的工艺文件编辑与模板定制模块在AutoCAD等图文编辑工具上二次开发而成, 其中工艺文件模板定义与管理模块为用户提供工艺文件模板和工艺文件类型定义与管理工具。数据交换模块负责CAPP的PDM 模块与CAPP 的工艺文件编辑模块之间的双向数据交换, 采用Win-socket 技术实现。

    2. 4 基于Web的工艺文件模板定义

    2. 4. 1 工艺文件数据库、工艺文件模板、工艺文件类型、工艺文件实例之间的关系(见图5)


    用户可以自定义工艺文件模板和工艺文件类型, 并将工艺文件模板中的表格区域与工艺文件数据库表中的字段相对应, 建立工艺文件模板与工艺文件数据库表以及工艺文件类型之间的关系。创建或打开1 个工艺文件相当于对1 个工艺文件模板进行实例化或打开1 个工艺文件的模板实例。工艺文件模板实例化的过程为, 打开工艺文件浏览器, 选中产品结构树上的某一节点, 选取“新建”菜单, 选取需要创建的工艺文件类型, 系统自动激活与该工艺文件类型对应的模板, 并将该模板中的表格区域与产品数据以及工艺文件数据库表中的字段挂钩, 在图文编辑器中创建该模板的1 个实例, 至此用户可对此实例进行编辑。

    2. 4. 2 利用ActiveX与ASP技术实现基于Web的工艺文件模板定义
    利用分层技术将传统的CAPP功能模块合理地分解成较小的功能组件, 并用对象对其进行描述和封装, 开发出满足不同功能要求的CAPP平台的ActiveX 控件, 利用ASP合理规划好CAPP集成平台的Web页面, 定义好集成平台的ASP 应用。1个ASP应用包含了1组定义和设计好的Web页面、ActiveX 控件以及页面之间的联系, 以及应用本身的属性等。
    利用ASP开发工具将集成平台的ActiveX功能组件组合成具有一定CAPP功能的动态Web页面, 如工艺设计平台的登录界面等。用户在调用这些页面时可以激活ActiveX 的事件, 实现ActiveX 控件之间的通讯, 从1个CAPP页面切换到其它相关的CAPP页面, 利用不同页面完成工艺设计任务的下达和接受, 产品数据的获取,工艺设计资源的查询, 工艺文件的检索、生成、存储、统计和打印输出等各种任务。
    由于ActievX控件生成方便, 接口统一, 便于使用, 可以将CAPP系统使用的部分对象(包括ActiveX和ASP内嵌对象)的定义提供给用户,以便用户对其进行扩充甚至重新定义新的对象和控件, 用户也可以将现有的ActiveX 控件和ASP内嵌对象重新组合, 产生新的功能组件(即ActiveX控件), 并将它们组合成符合自己要求的工艺设计模板或Web页面, 将CAPP平台扩充为适合自己需求的CAPP系统, 从而大大提高了CAPP系统的工具化水平和可扩充性。

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    2. 5 面向产品或BOM 进行工艺设计

    工艺设计活动一般分成2 个层次: 零件加工工艺设计和装配工艺设计。零件加工工艺设计针对产品结构树或BOM的1个节点进行; 装配工艺设计必须针对整个产品结构或BOM进行。面向产品或BOM进行工艺设计主要基于以下2 个方面的考虑: ①工艺设计的过程就是将产品的设计结构树或设计BOM演变转化成MBOM的过程, 而MBOM和零部件的工艺路线是MRPII或ERP制订物料需求计划、组织生产和进行成本核算等的重要依据; ②一般企业的变型产品和系列产品居多, 工艺设计的重复劳动很大, 需要利用计算机进行变异或变型工艺设计。
    为了快速进行面向BOM的工艺设计, 系统必须提供如下主要模块: ①MBOM编辑工具; ②BOM比较工具; ③工艺设计过程导航工具; ④丰富的工艺文件与工艺资源查询工具; ⑤基于PDM与统一产品数据模型的产品数据、工艺文件和工艺资源引用或借用关系维护工具; ⑥ 装配工艺设计过程中的装配件数量自动提示; ⑦自动汇总物料单、零部件主记录和加工路线报告等辅助工艺文件; ⑧提供与MRPII/ERP的接口。

    2. 6 基于PDM的CAPP与MRPII之间的信息集成

    为了避免信息的二次输入,MRPII应能从PDM直接接收产品信息和CAPP所产生的有关信息。最常用的集成方式有2 种: 系统方式和中性文件方式, 见图6。


    系统方式是指二者在系统层和数据库层实现数据的通讯与集成, 即当某一产品的零件主记录、制造BOM和工艺路线生成以后, CAPP的MRPII模块自动激活1个数据库应用, 通过PDM将这些信息更新到MRPII系统中相应数据库; 当某一产品由于工程更改而引起上述信息发生更改时, CAPP的MRPII模块同样要激活1个应用,将这些更改信息更新到MRP II的数据库中的有关字段。这是一种最理想和高效率的集成方式, 但要求CAPP的MRPII模块或PDM要能够知道MRPII系统的产品信息数据库表的结构, 并能允许对其直接进行操作,MRPII还要提供相应的二次开发环境。
    由于目前许多MRPII系统不允许其它系统对其数据库进行直接操作, 所以也可以采用中性文件的形式实现集成。CAPP的MRPII模块将产品信息和所产生的工艺信息以一定的格式存储在中性文件中,MRPII的应用模块监测该中性文件的变化, 将新产品的中性文件读入MRPII系统,同时建立新产品的产品信息数据库。若某产品在MRPII中已存在, 而该产品发生了工程更改时,中性文件只记录更改信息, 这时MRPII的应用只需将这些更改信息去更新MRPII已有的产品信息数据库中的相应字段即可。

    2. 7 基于操作的工艺设计导航

    工艺设计是个性化很强的工作, 不同企业在工艺设计流程、工艺文件格式、工艺资源管理与使用等方面差别很大。对于传统的CAPP系统, 开发者不得不花大量的时间和精力进行用户化设计, 使用者往往也需要投入较多的时间学习系统操作, 不便于CAPP系统的推广应用。
    为此, 提出了一种基于操作的工艺设计导航技术。工艺设计导航是指工艺设计过程中, 通过系统引导的方式, 利用设计规则、设计经验和设计资源, 逐步引导设计人员完成设计工作。设计导航的关键在于经验共享、数据重用和信息的快速获取, 因此, 其前提是设计数据和资源的电子化、集成化的管理。基于操作的设计导航的原理是以“操作”作为设计活动的基本单元, 以“数据”作为设计活动的对象和结果, 通过建立数据与数据、数据与操作以及操作与操作之间的关联关系, 以工艺数据的快速生成、快速定位、快速获取和合理重组为主要手段, 对工艺设计进行动态导航和柔性导航, 进而提高工艺设计的效率和水平。用户可以通过工艺设计导航工具定义符合自己需求的工艺设计导航。

责任编辑:李婵娟
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