（机械设计及理论专业论文）面向产品设计重用的零件库研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 如今，在大规模定制环境下，产品设计技术己经成为国内外学术界和企业界研究与 应用的热点。而零件库作为支撑其技术实现的重要工具，有利于企业在产品设计过程中 使用零件库对已有设计资源及成果最大限度的重用，从而缩短产品设计时间，在制造企 业中有着广泛的需求和应用。 随着信息技术的发展，国内外零件库理论和零件库建立方法的研究已取得很多成 果。然而，无论是网络标准件库还是企业已有的一些专用零件库都存在着集成性、可扩 充性差的问题，迫切需要研究适应企业产品变化的可定制零件库建库方法，帮助企业建 立开放性的零件库。针对这一需求，本文研究了基于 pdm/plm 平台、面向产品设计的开 放性零件库系统的构架和实现方法。 本文首先详细介绍建立零件库的相关技术；其次，着重阐述零件库的编码设计和参 数化零件库；最后，在系统需求分析和用例分析的基础上，构建了面向产品设计的开放 性零件库系统的功能模块结构，建立了零件库系统的功能模型、信息模型，并对数据库 的系统元库和数据表进行设计。主要研究内容如下： 1、在现有零件库应用与开发现状的分析基础上，针对零件库技术存在的问题，提 出利用模板技术开发具有柔性的、可扩展的开放性零件库系统。 2、为了实现零件库中对零件的快速高效查询，在分析目前零件柔性分类编码系统 所存在的问题基础上，研究了零件库的编码设计实现方法。 3、由于零件参数化设计是缩短产品设计周期的重要环节，且考虑到企业零件种类 和数量不断增长的需求，将零件 cad 模型作为参数化模板，以此建立参数化零件库，从 而大大减少了零件库的存储量。 4、采用模块化系统设计的思想，对系统进行了模块划分，并在系统需求分析和用 例分析的基础上，建立了零件库系统的功能模型和信息模型。 关键词：零件库 零件族 事物特性表 分类编码 柔性编码 参数化设计 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract nowadays, in the mass customization environment, product design technology has become the focus of research and application in range of academics at home and abroad.part library,as an important support tool for product design, is used by enterprise to reuse the existed design resources in process of product design.thus,it can save much time and manpower, which has been widely used in the manufacturing industry. with the development of information technology, a lot of achievements have been made for the theory of part library and the method of building part library.however, both web standard part library and part library built in enterprise lack of integration and scalability,it is urgent to research on the method of building the customizable part library in order to adapt the various products, which would help to build a open part library suitable for a certain enterprise.this paper studies the structure and implement method of the open part library system based on pdm/plm (product data management/product lifecycle management) platform for product design. firstly, the method of building part library is detailed. then, in this paper, part flexible classification and coding as well as part parametric design are studied in chapter three and four. at last, the functional model and information model of part library are constructed based on analysis of the demands and use cases. meanwhile, meta- database and tables are also designed. the main content of the paper is as follows: 1. the flexible and scalable open part library is presented by using template technology aiming to solve the widespread problems in existing part library, by analyzing application and development of the existing part library 2. in order to enquire fast and efficiently, coding design of part library is studied considering the problems in part flexible classification and coding system. 3. parametric part design is an important aspect in saving product design cycle, meeting the demand of the growing number of parts in enterprise. therefore parametric part library is built using cad model as parametric model, reducing the storage of part library. 4. module division of part library system is done according to the modular system design ideas. meanwhile, the functional model and information model of part library are constructed based on the analysis of demands and use cases. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii keywords： part library, part family, layouts of article characteristics, classification and coding, flexible coding, parametric design 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 随着市场竞争日益激烈和现代信息技术的不断发展，产品设计周期越来越来短，主 要实现形式之一是将已有零件组建成零件库，以便于设计重用。目前，不同软件开发商 开发了标准件库，不少制造企业也根据自身需要建立起内部零件库，同时在网络环境下 更合适信息交换的零件库正在孕育之中，而面向产品设计重用的零件库倍受关注。 1.1 本文研究的背景与意义本文研究的背景与意义 1.1.1 研究背景研究背景 据统计，设计中 80%为变型设计和自适应设计，而完全创新的设计只占 20%1。在典 型订单产品中，有 50%左右的零部件属于标准件或外购件，而 40%左右的零部件属于变 型零部件，只有 10%的零部件才属于全新的零部件2。由此可见，可以将属于大部分的 标准件和变型件通过变型设计或适应设计来满足主要的设计要求。 企业在设计中将标准 件、变型件等可用的零件信息放在零件库中统一管理和利用，设计人员可以很方便的在 库中进行零件信息查询、浏览，并通过接口将信息纳入到设计工作中。 同时，有关建立零件库的信息技术不断进步，如 cax 集成技术、网络技术的成熟， 使得在网络环境下建立企业内部零件库，实现零件资源信息共享成为可能。企业内部设 计部门、 制造部门、 采购部门等相关人员都可以在零件库中查找到所需的零件信息数据。 一般企业的零件都会随时间而有所增长， 应将这些新增的零件放入已建好的零件库 中，这就要求零件库具有可扩充性，而不是依赖零件库系统的开发商来完成这种琐碎、 设计技术较强而持续的工作。若是由企业自主来完成，将会节省持续的开发费用，也可 以提高零件库的可维护性。 1.1.2 研究意义研究意义 (1)研究的必要性 随着企业信息化的推进， 企业在设计重用方面的需求越来越强， 且对零件库的功能要求不断提高，而现有零件库系统功能方面有所欠缺，有待于进一步 的完善。 (2)研究的应用价值 零件库的建立可以有效组织零件信息和相关方面的管理；零 件库的应用是缩短产品设计开发周期、提高产品质量、降低产品成本的重要手段。面向 设计重用的零件库为企业设计人员提供有效的检索机制，在这种机制下，能够方便、快 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 速、准确的查询到满足设计条件的零件；开放性零件库便于新增零件的入库，以实现零 件库的不断扩充，最终形成具有企业特色的设计知识共享的零件库。目前，已经有些企 业建立了针对某种产品的零件库，并在此基础上构建设计系统；也有些软件开发商开发 了不同的标准件库(二维、三维)。而针对传统的零件库，开放性零件库势必会有更好的 应用前景。 1.2 大规模定制下的产品设计概述大规模定制下的产品设计概述 在市场竞争和产品需求多样化、复杂化的双重压力下，企业不断寻求新的产品设计 方法来加速响应速度，以提高竞争力。由此，新的产品设计思想和理念应运而生，如快 速设计、变型设计、并行工程。其核心思想是通过产品信息集成与共享来缩短产品生命 周期。产品设计阶段是产品生命周期的始端，故研究如何缩短产品设计时间具有重要意 义。由此，以 pdm/plm(产品数据管理/产品全生命周期管理)平台为基础，集成 cad、 capp、cae 等系统，将产品的设计信息贯穿于整个产品的生命周期，会更有利于设计信 息的共享和设计效率的提高。 这种市场环境影响不仅使企业产品设计方式发生了改变， 也使企业的生产模式发生 了变迁。企业生产模式2主要经历了从手工单件定制、大规模生产、大规模定制等的变 迁，而大规模定制在激烈的市场竞争中也日益得到广泛的应用。大规模定制(mc)是一种 以大批量生产的效率和成本向用户提供定制产品的生产模式3。面向大规模定制的产品 设计在产品设计的业务过程、相关技术以及设计系统框架三方面有着自身的特点，是完 全着眼于客户需求和新生产模式理念的研究范畴，具体内容为45： (1)产品设计的业务过程 大规模定制下产品设计过程分成新产品族开发和产品配 置设计两个过程。企业中的产品不再是以单个的产品为管理单元，而是将产品按功能等 分类标准抽象成一系列的产品族，这是将面向对象的思想运用于产品平台的搭建，有利 于产品信息模型的计算机处理，从而提高管理效率。新产品族开发是针对产品族设计的 新产品开发， 其设计结果不再是一个具体的产品实例， 而是包含产品族信息的产品模型。 在已有动态产品族模型的基础上， 利用产品配置器进行产品配置， 即产品的可配置设计， 只需按要求进行产品相关功能、结构或参数的设计，最终是对组成产品的各零件的参数 化设计以及它们之间的装配关系确定；如果已有的产品模型不能满足设计要求，可以通 过产品部分或局部的改变(零部件的局部修改)来完成设计任务，即产品的变型设计，这 要求设计人员具有一般的设计、制造知识及能力。整个设计业务过程是继承、积累原有 设计成果以及不断在原有基础上创新的过程，具有设计周期短的特点。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 (2)产品设计系统框架 由上述大规模定制下产品设计的业务过程可得出产品设计 系统的功能模型，包括：产品需求分析、产品平台设计、零部件建模、产品配置、产品 数据管理。 产品需求分析是通过市场调查和客户分析， 确定要开发产品族的功能、 性能， 从而确定产品类的市场定位，然后进行产品型谱分析，获得产品型谱和型谱表。根据产 品需求分析确定的产品型谱、产品功能等，规划通用设计平台，基于该平台进行变型设 计，完成产品族构架定义。在信息化工具的支持下将产品族结构中的各个节点进行数字 化建模。数字化模型的构建过程主要依据产品族构架中各个零部件的结构、参数、规格 等等要求进行，这样的数字化模型便是零部件模型。产品的配置设计是以产品族模型为 基础，按用户订单要求，借助配置工具而进行的一系列实例化设计工作，同时系统还能 面向各个不同部门提供不同的视图配置。 整个产品族设计和产品配置设计过程必须依赖 统一的信息平台，即产品数据管理平台(pdm)或产品全生命周期管理平台(plm)。 (3)产品设计相关技术 实施面向大规模定制的产品设计的相关技术包括模块化设 计、标准化和规范化。模块化设计是在产品功能分析的基础上，对一定范围内不同功能 或相同功能而不同性能、不同规格的产品划分出一系列功能模块。这些模块用来组合不 同的产品，是经过标准化、规范化的模块；模块的建立过程同时也是其标准化、规范化 的过程，故模块化过程和规范化标准化过程是同时进行的，也相互促进。产品的标准化 是指产品构成内容和产品构成相关资源的标准定义， 而规范化是指规范产品定义的过程 和内容，以有效地控制由于设计的随意性而造成的产品构成的多样性。对零部件的标准 化和规范化尤为重要，因为零部件是构成产品结构的基础，它的标准化和规范化是实现 产品族设计思想的保证。 1.3 面向产品设计重用的零件库概述面向产品设计重用的零件库概述 设计重用67是指将在设计活动中所获得的设计信息、知识或经验运用到以后的设 计中。设计重用包括两方面的内容：对设计原理、设计过程中的知识内容和经验进行分 析、总结，提取其中有规律的东西，以备以后的重用；根据当前的设计要求，以一定的 方法和方式获取过去相似的或相同的设计知识内容，用于当前的设计中。设计重用既包 括设计方法、工具和过程等抽象知识的重用，也包括零件等设计结果的重用。由此，可 从设计资源方面将设计重用分为基于知识的重用(包括设计技术、设计知识、设计经验) 和基于成果的重用(包括零件、产品平台、模块、软件系统)。前者可以建立知识库系统， 而后者可以建立零件库、产品设计平台等系统。其实，目前多数的设计过程是基于以前 设计知识的重用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 在产品设计中， 研究设计资源重用和创建重用资源的理论和方法就是产品设计重用 技术。产品设计重用是cad领域的一个新兴的研究热点。目前，实现产品设计重用的途 径之一8是采用大规模定制设计的策略。大规模定制下，产品平台设计就是运用面向重 用设计的主要方法。同时，在产品配置设计过程中对可重用零件的依赖程度越来越大。 产品设计重用的目的是有效的组织和管理一切可重用资源， 使企业在创建新资源时 能充分利用和发挥现有资源优势9，并同时考虑新资源的可重用性。产品设计重用在产 品设计的不同阶段重用资源内容有所不同：在概要设计阶段会侧重设计原理、设计技术 等，如知识库；在详细设计阶段就会注重设计成果，如零件库等。 由于产品设计资源是企业资源中最重要的部分， 充分利用企业现有设计资源来支持 产品的快速开发，从而使设计资源得到合理的利用，可以给企业带来可观的利益。而本 文着重考虑产品设计成果资源的重用，其核心在于支持零件的标准化、规范化，建立面 向产品设计重用的零件库。 这是企业提高产品设计效率、 缩短产品开发周期的重要手段。 同时，对那些设计知识和经验不足的设计人员来说，可以通过使用零件库来学习已有的 经验、企业规范以及设计过程知识。 面向产品设计重用的零件库不仅在产品设计时集成cad软件系统进行零件的参数化 模型设计，还在产品设计平台中提供系列化的零件，以构造产品结构树。 在产品设计中的可重用零件具有复杂的信息，没有统一的描述格式，就难于表达、 管理和查询；可重用零件的参数化设计是实现设计重用的技术之一，其主要思想是将零 件抽象成类及其实例化；企业内部，可重用零件种类不同，数目繁多，需要有效的组织 和功能完善的检索机制。因此，面向设计重用的零件库系统实现的相关技术主要包括零 件信息的组织和表达、零件的参数化设计、零件的信息检索。本文将在第二章对这些相 关技术作详细论述。 1.4 国内外研究现状国内外研究现状 1.4.1 国外研究现状国外研究现状 在理论方面， 研究集中在零件库中零件信息表达方式， 主要在以下几方面： 文献10 研究了零件族的拓扑框架，以适应如何高效的信息组织；文献11研究了基于本体论的 不同零件库的集成，一种趋向知识库的方法，用以解决如何充分的表达各种零件各方面 的信息；文献12研究了基于参数化设计的混合中性格式cad零件库的建立，其出发点是 处理cad系统间的异构现象。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 在应用方面，不少软件开发商纷纷建立网络零件库以提供图形文件下载服务，目前 已有多个极具规模的web零件库13。文献14建立用于模具设计的三维cad标准零件库。 文献15还探讨了中小型企业的零件库开发中面临的挑战，并提出了在不同业务功能下 基于零件库资源共享的产品设计技术的实施措施。 在零件库标准化研究方面，德国作为 cad 零件库标准化认识较早的国家之一，作出 了重大的贡献。制定的相关标准包括：din40oo事物特性表系列标准、din4001cad 标准件图形文件系列标准、din663o4cad 标准件数据交换格式程序接口标准等。 在此完整配套的标准体系技术的支持下， 德国开发了国家级标准的各 cad 零件库软件系 统， 这些 cad 零件库标准和符合标准的零件库系统的推广使用给德国工业企业发展带来 了极大的好处16。另外，iso 制定了 iso13584 系列标准，该标准规定了可用于实现不 同 cad 系统之间数据交换的中性模式。 文献17阐述了基于 iso13584 标准理论的商务产 品数据在 b2b 模式中的信息规范。 iso13584 标准的零件库建库方法以及零件库系统得到 一定的发展，网络环境下 iso13584 标准的企业零件库系统的构建方法及信息的网络发 布等技术正成为热点。 1.4.2 国内研究现状国内研究现状 国内对零件库的理论研究比较深入。文献18基于iso13584提出的零件库的概念和 step标准提供的中性文件交换机制，构建了一个开放式的广义零件库系统的体系结构， 并从企业零件资源的组织、零件库数据的存放形式和数据转换、基于web的零件库管理 系统的设计和开发三个方面阐述了建立零件库系统的具体方法。文献16将step标准与 iso13584标准结合，采用step标准的方法来实现零件库信息模型，通过step特征模型来 实现零件库信息模型，及其实现中的关键技术。文献2基于iso13584标准本体和xml技 术对所抽取的制造信息进行结构化的语义描述，并实现了零件资源信息的概念检索。在 上述基础上，开发了基于web零件库的零件供应商信息服务原型系统，将web零件库扩展 成具有分布式自组织性的系统，并且具有asp平台服务功能。文献19研究在虚拟企业中 基于本体论的web零件库信息共享的框架。 在应用方面，开发商建立了不少网络标准件库，也有不少企业通过针对某种产品进 行的cad二次开发建立起零件库。文献20主要研究pro/e平台下的基于网络数据库的标 准件库和基于族表技术的标准件库以及标准件库管理工具的开发。 文献21建立了基于c s结构的网络环境下的可参数化三维零件库系统，建立了标准件库和非标准件库。该 零件库具有可扩充性， 可以涵盖机械领域中所有标准零件以及企业内部要经常使用或加 工的非标准件，是一种较实用的企业应用软件。文献13根据企业的需求，设计并实现 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 了一个基于web的零件库系统。该系统采用参数化的方法建立零件库，可以支持多种主 流三维cad软件。用户通过web就可以使用和管理零件库。文献22基于b/s网络模式的三 维参数化库系统开展研究， 为网络环境下的资源共享和协同设计提供了解决方案和技术 平台。 文献23研究并开发了基于ug平台的几何编程转换接口以解决不同cad应用系统之 间的数据转换。 几何编程接口软件系统开发关键部分主要是从iso13584标准描述零件的 机制及实体构造原理出发，符合iso13584-31接口标准的零件几何图形程序的编写和转 换程序的编写两部分。文献24研究了零件库在不同类型企业的应用模型，并分析了各 应用层之间的联系以及它们的实现。文献25研究基于网格技术的标准件零件库的企业 信息共享。国内还有其它的一些web零件库，大多是包括有多种零部件的专业化网站13。 在零件库标准化研究方面， 我国选择了世界最先进的标准(即等效采用德国din标准) 来建立健全我国cad标准件库的标准体系及其各标准。 我国等效采用德国din标准件库系 列标准并结合我国具体的标准件情况制定我国cad标准件库国家标准，这样既可以满足 我国当前的急需， 尽早开发完成我国的cad标准件库标准体系和国家级标准的cad标准件 库开发，又容易和将来的国际标准接轨或根据相应的国际标准进行转化2627。 我国的cad标准件库标准体系由三部分组成: 第一部分，事物特性表系列标准。此系列标准对各行业通用的标准零部件的特性进 行了标准格式的描述规定。其第一层是总体规定，第二层是各具体零部件事物特性的描 述格式规定。参照din40oo事物特性表系列标准制定标准gb10091.1事物特性表定义 和原理。 第二部分，cad标准件图形文件系列标准。此系列标准以第一部分事物特性表标准 为基础，对各行业通用的标准零部件的图形特性和非图形特性进行标准格式的描述。其 第一层是总体规定编制总则，第二层是各具体零部件图形特性的描述格式规定。参照 din4001cad标准件图形文件系列标准制定gb/t15049 cad标准件文件编制总则。 第三部分，cad标准件库图形编程接口标准。此标准是cad系统与cad标准件库之间 的图形接口规范。 由于1996年国际标准化组织iso制定发布了iso13584-31图形编程接口 (由din66304和express语言描述组合而成)， 所以我国依据iso13584-31图形编程接口标 准制定了gb/t 17645.31-1998标准。这些标准的开发和制定为开发我国标准的cad标准 件库奠定了技术基础，使开发建立我国cad系统必备的标准的标准件库软件系统成为可 能。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1.5 本文研究的主要内容及论文结构本文研究的主要内容及论文结构 本文研究的对象是适用于面向设计与制造型企业产品设计的开放性零件库， 目的是 建立企业内部面向产品设计重用的零件库来支持企业产品设计， 而不仅仅是某 cad 系统 附带的零件库。 由于在设计过程中主要是用到零件三维模型， 故该零件库为三维零件库。 由上面的国内外研究现状分析，企业零件库系统研究仍有以下两方面不足： (1)零件库的内容方面 对零件库的研究主要集中在标准件的建库，而对非标准件 的建库涉及较少；主要涉及零件的几何信息，需要另外开发非几何属性库，如材料库。 (2)零件库的功能方面 零件库系统功能还不完善，存在集成性差、可扩充性差等 不足。如零件库中零件的查询功能单一，有些只提供名称查询，有的虽然提供了编码系 统来加快查询，但仍然难以完全满足设计人员的检索需求；零件库需要集成 pdm/plm 平 台、cad 系统来实现零件信息管理和零件库的参数化，有些只提供与 cad 系统的集成， 而忽视了零件生命周期信息的管理； 能否将新增零件放入零件库中关系到零件库的扩充 性，这一功能特性往往依赖于系统开发商，无疑提高了成本。 针对以上不足之处，在吸收前人对零件库的建立与实现方法的研究成果基础上，本 文的研究内容主要包括： (1)随着企业的标准化工作进一步加强，可以对不同类型的非标准件采用不同方法 标准化，与标准件一样在零件库中建立数字模型，同时还需要数字模型中不仅包括几何 信息还要包含非几何信息，由此，本文将建立具有一般性、灵活性的零件信息模型，它 是建立零件库的基础。 (2)信息检索是零件库应用的基础，检索的准确性和效率将直接影响该系统性能、 设计重用效率。文中对基于特征的零件柔性分类编码实现进行了研究，这种分类编码可 以支持零件快速有效的查询，并提高查询的准确度。 (3)零件库的应用离不开与 cad 系统的集成，企业环境中可能采用了不同的 cad 系 统，而 iso13584 标准提供用于实现不同 cad 系统之间数据交换的中性模式。然而，这 种中性模式零件库的实施对于中小型企业来说比较复杂，且企业所用的 cad 系统有限， 故本文将采用模板技术来屏蔽 cad 系统不同所带来的信息共享问题， 也有效地解决了零 件库的扩充性问题，还能更容易实施零件 cad 模型的参数化设计。 本文的结构如下： 第一章，叙述大规模定制下产品设计的特点、面向产品设计重用的零件库内容以及 本文所研究零件库的产生背景及研究意义，并分析了零件库在国内外的研究现状。 第二章，分别详细介绍了构建零件库的相关技术。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 第三章，详细介绍零件库编码设计的实现方法和编码结构，分析编码的意义，并给 出编码的实例。 第四章，着重论述建立参数化零件库的实现方法。 第五章，在分析系统功能需求的基础上，概要介绍零件库系统的功能框架，各功能 模块的划分及其联系。建立零件库的信息模型和数据模型，并介绍零件库系统的软件实 现。 第六章，总结全文，展望后续的研究。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2 构建零件库的相关技术构建零件库的相关技术 零件库是将设计中的可重用零部件信息存放到一起，采用一定的格式进行零件描 述，并提供与 cad 系统的集成接口，设计人员可以进行检索、访问，方便地将检索到的 信息纳入设计文件中。 狭义的零件库是国家或行业标准化机构颁布的标准件集合。 广义零件库是可重用的 零件的集合,它包括符合国家标准的零件、 由供应商提供的产品成品和企业已有的零件。 广义零件库强调的是工程数据的可重用性，强调的是如何组织和使用大量零件信息，即 如何对零件进行组织分类，如何定位零件，如何提供给不同用户所需的信息，如何进行 零件的参数化设计等5。 2.1 零件的分类编码零件的分类编码 分类编码28是为了达到一定目的和要求而采用的相应分类编码原理、 规则和步骤并 按预定的方案对分类编码对象的信息或属性进行描述。 分类过程可看成一系列分类环节和分类标志的总和。 分类环节是取信息对象在分类 过程中所经历的每个层次或步骤。分类环节可进一步分为:横向环节(又称粗分环节)和 纵向环节(又称细分环节)。横向环节具有粗分类的作用，对于某个指定横向环节内的各 纵向环节则是对此横向环节分类标志的进一步具体化和细化。分类环节愈多，则分类系 统所包含的分类标志也必然愈多，因此对事物的描述也愈详尽。但这时分类过程复杂， 分类中可能出现差错的概率也愈高。正如前所述，分类系统是为一定分类目的服务的， 所以分类环节的多少，应根据所要达到的分类目的来考虑。原则上，在满足一定分类目 的前提下，分类环节应力求愈少愈好。分类标志是事物进行分类的依据，分类标志往往 选取被分类事物固有的特征和属性。事物的分类过程，实际上就是被分类的事物在遍历 每个分类环节时，对各自分类标志的进行对比检验的过程。因此，正确选择事物的特征 和属性作为分类标志，同样是分类系统设计中要认真研究的另一重要问题。分类标志的 选择必须根据分类系统所要达到的分类目的来考虑。 编码是用规定的字符来代表复杂的概念。这种复杂的概念若用文字描述，必将十分 冗长和累赘。将编码技术用于分类编码系统，也就是用规定的字符来代表每个纵向环节 上的分类标志所描述的信息对象的特征和属性。 这样便可使复杂的分类标志所代表的特 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 征和属性概念字符化或代码化，从而便于记忆和应用。 从信息分类编码理论角度来看，零件的分类编码由零件分类和零件编码两部分组 成。零件分类就是根据零件信息内容的属性或特征，将零件信息按一定的原则和方法进 行区分和归类，并建立起一定的分类系统和排列顺序，以便管理和使用信息。分类的内 容涉及要解决选择哪些属性作为分类属性，各个分类属性之间的关系如何。零件编码就 是将各具体的零件赋予有一定规律性的，易于计算机和人识别与处理的符号。 零件的分类的方法主要有20：层次式分类法和非层次式分类法。层次式零件分类的 基础是一个树状的结构。 从处于某个层次的分类元素出发， 可以向下划分任意多个层次， 每个层次可以包括任意多个分类元素。分类结构中的每一条路径，是指向被检索对象的 路标。分类树上所有的分类元素都可以被定义任意多个与形状和功能相关的特性。按照 这种原理，就可以进行多重分类。非层次式零件分类的思想是将零件信息从不同方面分 别开来，这样有利于不同用户对信息不同侧重的要求。 零件的编码不仅要对分类结果用字符来描述， 还要体现零件在其不同生命周期中不 同的特征属性，以便于人们对零件信息的概要理解、查询和运用。设计人员可能更关心 零件的设计特征，如功能特征、结构特征；capp 系统需要从库中获得零件的工艺特征， 如精度特征、材料特征；采购人员希望得到零件的数量、价格等属性信息。 零件库中存在大量零件信息，需要对零件库的编码设计进行研究，以便方便而有效 地检索到满足要求的零件。如上所述，零件库中零件分类编码包括两个过程： (1)分类形成零件族 成为零件组织表达形式。 (2)编码设计 包括零件族编码和零件实例编码，它们是密不可分的，采用相同的 编码原则和规则。零件族编码是定性的描述，满足定性查询；而零件实例是定量描述， 满足设计中需对某些特征属性有量要求的查询。 2.2 基于零件族的零件组织基于零件族的零件组织 建立零件库首先要考虑库中零件信息的组织形式， 零件库不再是以单个的零件的简 单集合，而是运用面向对象的思想以零件族作为对象单元组建成的整体。零件族是将外 形、功能、工艺等相似的零件归并成的零件组29，是类对象。 由此，运用类的思想在零件库中建立零件族的信息模型，其方法为：首先将事物对 象组成对象组即零件族， 在零件族之间为据有单一继承关系的树状结构的零件族层次关 系，确定每一层零件族的所有特性(包括零件的功能、几何、制造等事物特性)后,以固 定格式表，即事物特性表来描述，由此形成层级式信息表达结构；零件族就其层次结构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 可分成零件族最低层的零件相似族和上层的零件类属族，对于零件相似族，它是通过事 物特性表和几何图形模板(即零件相似族参数化cad模板)来描述的30。 零件族是类,而零 件是类的实例对象。下层零件族是上层零件族的组成部分,上层零件族的一个实例通过 调用它的下层零件族实例来形成上层零件的结构31。零件族信息模型如图2.1所示，左 边是模型主体，为零件族的结构树，每一个节点有一个事物特性表相对应，而cad参数 化模板是零件族的几何信息载体，只与零件相似族相关联。 零件分类就是依照零件的相似性(功能、结构、工艺等)将零件划分若干类，形成零 件族。常采用分层的思想来分类，可以根据需要从资源层、功能层、解原理层、结构层 建立分类体系18，分别对应资源类、组对象类、族对象类、对象类。资源层从标准化级 别、 购买/自制状态等方面出发进行分类定义， 如标准件(国标件、 行业标件、 企业标件)、 通用件、专用件(自制件)、外购件；也可从定制配置方面出发进行分类定义，如核心件、 可选件、可扩充件、定制件。功能层从抽象的功能定义出发，以相同的功能定义为准则 对资源层中的一个对象类的对象进行分类定义，若从定制配置方面可分为基本功能、辅 助功能、适应功能、特殊功能、定制功能。解原理层从抽象的解原理定义出发，以相同 的解原理定义为准则对组对象类层中的一个对象类的对象进行分类定义， 可以分成不同 零件大小类。结构层从结构定义出发，以相同的结构定义为准则对族对象类层中的一个 对象类的对象进行分类定义，形成有不同规格的零件相似族。零件分类结果是形成有继 承关系的零件族信息模型，是建立零件库的基础，故根据零件的设计、几何等特性进行 合理分类十分关键。图2.2所示是发动机零件分类形成的零件族树。 xx父零件族 x子零件族x子零件族 xx零件相似族 事物特性表 零件库 事物特性表 事物特性表 cad参数化模板 cad图 形文件 主参数表 图 2.1 零件族信息模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 零件族信息模型运用事物特性表和cad参数化模型分别从非几何信息和几何信息方 面描述零件信息。而在查询零件时，要在大量信息中快速而准确地查找到满足特定条件 的零件不是件容易的事， 则需要对零件编码， 即用数字或字符代替零件复杂的特征概念， 这样可以使零件的特征属性简单化和代码化，便于记忆和计算机处理32。 由于成组技术首先应用于制造领域(capp/cam)，故一些零件分类编码系统，如西德 的opitz, 我国的jcbm、 jlbm-1, 荷兰的miclass, 日本的kk-3等传统的零件分类编码系 统，重点解决capp/cam中需要的信息在编码中的表达，而对于支持产品设计的信息特征 涉及较少。由此，零件族的形成与零件的编码有两种不同策略：对于功能和结构特征突 出的零件，易建立零件族以及其信息模型，后实例化，再对具体实例对象编码；而对结 构相似度不高的零件，可以先录入具体零件信息，后用计算机自动提取形状和特征，并 分析对零件编码，再根据编码相似性分析，划分零件组，构建零件族。前者有利于产品 设计与零件信息模型的建立，而后者有利于成组加工工艺的设计。为了兼顾这两方面的 内容，本文的零件分类系统提供手工和自动编码两种方式，以满足那些功能结构比较复 杂的特殊零件；同时可运用编码分析工具对编码的合理性进行统计分析，以提高码值的 零件库 标准件通用件专用件外购件 机体组件曲柄连杆件配气件其他零件 机体气缸盖壳体 系列型号 资源层 功能层 解原理层 (零件大类) 解原理层 (零件小类) 结构层 箱壳体类轮盘类杆条类座架类 图 2.2 某发动机零件的分类 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 利用率。 由于传统零件分类编码系统应用的一些不足，人们提出了柔性分类编码系统的思 想，有人还提出面向大批量定制设计的柔性分类编码系统31,有关零件库编码设计的具 体内容将在第三章中讨论。 传统的零件组织方法是将不同的零件放入不同文件夹中进行管理， 给零件的查找带 来不少困难。鉴于种种不方便，人们经不断的研究发现零件在形状、功能、工艺等方面 有很多相似之处，将这些相似的零件归并成零件组29，形成零件族，这在工程上有很高 的应用价值，能提高设计、制造和装配的效率20。 零件族的基本内容包括构建零件族和零件族的应用。在了解企业产品功能、结构的 基础上，将产品分类成组形成产品族，针对构成不同产品族的零件进行功能、形状、工 艺等方面的相似性分析形成零件族，再对其进行标准化处理，以利于零件族在企业内通 用。零件族的建立过程是3334:对零件的几何形状进行相似性分析；在对零件功能、结 构进行分析的基础上提出零件族的cad模板，该模板能满足该零件族的变型要求；cad图 形模板描述了零件族的几何图形信息和拓扑信息，而零件族的尺寸参数、材料和成本等 非几何信息(也是结构化数据)则借助事物特性表来表达。 完成了零件族的构建后，在进行具体零件设计时，根据所设计零件的各功能要素及 其参数，对零件族的三维模型进行参数和结构特征的调整，即可得到新零件的cad模型 图。 建立零件族的过程，是零件族标准化的过程，也是建立零件族信息模型的过程。在 零件库中，零件族相互关系的信息表达如图2.1，即零件族的信息模型。 不同类型的零件族在建立其信息模型时有所差别： (1)对国家标准零件而言，其零件族的结构已经确定了。 (2)对于企业通用件，企业可以根据自己零件分类情况建立自身的零件族。 (3)对于一些结构复杂的非标准件，根据不同的标准化方法来建立零件族。 零件族可以减少零件种类，简化零件数据模型库，优化零件结构，而且可以使供应 商形成较大的零件批量，取得规模经济效应。并为大规模定制中的产品变型设计和配置 设计奠定良好的基础。 2.3 基于事物特性表的零件描述基于事物特性表的零件描述 零件族信息主要分为几何信息和非几何信息，几何信息采用cad模型来表示，而零 件族的尺寸参数、材料和成本等非几何信息(也是结构化数据)则借助事物特性表来表 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 达。这种将几何信息和非几何信息分开描述表达的方式，有利于信息的充分体现，给零 件库的扩充带来可能。零件的全息信息不仅来自设计方面，还有制造领域的、工程分析 领域的等，如果将所有信息存入库中将是一项繁重的工作，不过企业可以根据具体情况 确定广泛运用的零件特征信息后，采取部分信息录入库中，若日后需要其他信息，可以 比较方便地新增进去。 事物特性表35是指表征零件族的功能、几何、制造等事物特性，并以固定格式表的 形式反映出来的信息集合。 事物特性表定义了从零件族中表征和区分别的零件族和零件 族内不同规格的零件族实例的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零件族的特 性数据能够方便地在不同的系统之间交换。 事物特性表必须覆盖相当数量的近似对象,其选择和描述深度应能满足预先规定的 要求。特性是从对象组中表征和区分某一对象的决定性的性质，可分成事物特性、几何 特性、补充特性、功能特性、算法特性、分类特性和属性特性等种类，通过这些特性可 以对一个对象进行描述，所有的特征参数组成了该对象的事物特性表。事物特性表是进 行零件分类的重要手段，对于整个零件分类，一个特性只能有一种定义。 事物特性表由表行和表列构成20。 事物特性表中的每一个表行代表了一个具体的形 状元素或零部件，并具有唯一的标识号。表行是一个对象类，表行中的信息是对零件基 本记录的扩充。 在事物特性表的每一列数值中还可以根据具体的需要增加一些附加的信 息，例如可以附加一些与公称尺寸有关的公差值。在 gb/t 10091.1事物特性表定义和 原理中明确规定了事物特性表的格式，如表 2.1 所示。 表中第三行aj分别代表事物的9个特性(不用字母i)， 第四行给出了事物特性的名 称。表列是构建事物特性表(表头)的对象，存放着单位和表列的取值范围等，表列宽度 也在此被确定。可以看出，通过事物特性表的固定格式可以很容易地确定事物特性表的 表 2.1 事物特性表 1从n 特征代码 特征名称 单位 事物特征表 gb/t 10091.xx.xx 对象组名称 bld 图号 abcdefghj 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15