面向产品全生命周期的标准件库研究与实现

刘 昱， 闫光荣， 雷 毅

（北京航空航天大学机械工程与自动化学院，北京 100191）

随着现代制造业和工业技术的飞速发展，工业标准化程度的不断提高，工业分工的日益细化与协作的日益加深；标准件与通用件的使用已成为机械制造企业提高产品质量、降低产品成本、缩短产品制造周期的必要手段。其实企业考核产品设计质量的重要指标就是产品的标准化率及设计的重用率。现阶段，PLM系统的应用已经成为提升制造企业信息化水平的重要手段，设计数据是整个企业产品生命周期过程中的源头数据，只有设计数据准确、规范才能保证后续的工艺、生产、采购等业务环节数据的正确性。因此，在设计企业标准件库时，不仅仅需要从设计工具本身的角度来考虑，还需要考虑到设计数据产生后，如何纳入到PLM系统中进行管理；如何保证设计工具与 PLM 系统的单一数据源等多方面的因素。

随着计算机应用的普及与设计工具软件的进步，大多数的企业已经部分或全部应用了三维设计工具软件，目前较为主流的有SolidWorks、Proe、UG等等，同时企业也根据这些设计软件建立了自己的三维标准件库。目前也有较多的文献对三维标准件库建立的方式进行了描述，文献[1-2]描述了车辆门系统与牙嵌离合器标准件库的建立与实现方法，但研究局限于专业的标准件库方面，对通用的标准件库的原理及构建方法缺乏研究；文献[3-4]着重描述了如何利用专用的开发工具实现 SolidWorks标准件库的二次开发的方法，但对标准件库的产生原理及数据后续应用缺乏必要的研究；文献[5-6]描述了基于网络环境下，分布式部署的标准件库的架构及实现方法，但同样还是局限于设计工具本身的应用，没有将研究扩展到标准件库与PLM系统的协同应用方面。

企业的设计数据就是为了提供给下游的工艺、生产等环节使用，但目前针对标准件库的研究在标准件库的建立原理与标准件库二次开发方法方面，缺乏对标准件库如何与PLM 系统协同应用及如何形成设计工具与 PLM系统的单一数据源等方向的研究。本文正式针对此问题展开研究，并给出问题的解决思路及应用实例。

1 基于PLM的标准件库的基本原理

1.1 基于PLM的标准件库的定义与构成

目前市场上流行的PLM系统都是PDM系统发展而来，由原先的设计环节的数据管理延伸到了工艺、生产、采购、售后等业务环节，在设计环节产生的主要数据就是EBOM，其中按照零件的类型来分，EBOM的组成如下（见图1）：

1）自制件：企业自己设计、自己加工的零件，每个零件必然会对应一张单独的零件图，零件编号也大多采用企业自己的编号规则。

2）外购件：需要从别的企业购买的零件或组件，它是非标件。

3）外协件：是由企业自己设计，转移到别的企业加工的零件或组件。

4）标准件：由国家或行业定义的标准零件，具有统一的标准件编号，由专门标准件厂家生产。

图1 组成EBOM的零件类型

企业传统意义上的标准件库指的就是上面零件类型为标准件的部分；但在企业的实际应用中，标准件库的范围可以更为宽泛，企业生产中所有具有标准规格和图形的零件或组件都可以在存在与企业标准件库中。总结起来，企业标准件库的定义如下：企业标准件库是面向企业所有业务单元定义，它的数据可以为企业所有业务单元共享；标准件库应由企业中常用的标准或通用的零件或部件组成，它包含零件的图形信息与数据信息。

所以在企业的标准件库中，也可将一些通用的外购件、企标件以及企业自己定义的通用件加入到标准件库中。企业标准件库的组成如图2所示。

图2 标准件库的构成信息

1.2 构建基于PLM标准件库的必要性

基于 PLM的标准件库的一个主要意义是指标准件库的构建是面向产品的整个生命周期的，它实际是企业基础数据库的一部分，它的数据可以共享给不同的业务环节使用，而不仅仅局限于设计业务单元。同时标准件库首先要满足设计部门的应用需求，设计数据的准确与规范，很大程度决定了企业PLM 系统应用的效果。构建基于PLM的标准件库主要有以下几个作用：

1）图形数据的标准化 在企业原先的设计模式下，个人绘图时要么没有标准件库，要么是基于设计软件自带的标准件库进行绘制。这种情况造成了图纸中的标准件各不统一，绘制的标准和规格各异。而基于 PLM的标准件库是一种基于服务器的分布式架构模式，所有的标准件数据包括图形数据都是记录在PLM系统的数据库中，用户设计时基于统一的标准件库，保证了设计过程中标准件数据的共享化与标准化。

2）规格参数的规范化 在标准件库中，不仅保存了标准件的图形信息，同时还保存了标准件的规格尺寸和特征参数等信息。用户在选用一个标准件时，同时就明确了标准件的规格尺寸和特征参数，这样就避免了由于标准件的尺寸或参数信息描述的不一致，造成了下游的工艺、采购等业务环节的数据处理中出现问题。

3）设计单一数据源 在企业上了 PLM 系统之后，所有的数据都需要纳入到PLM 系统中来管理。但如果独立与 PLM 系统之外还有一个标准件库，那么标准件库中的信息实际和 PLM系统中的标准件信息是相重叠的，这样就会造成数据的重复定义以及数据定义过程中的二义性。而构建基于 PLM的标准件库则可以很好的解决这个问题。

1.3 PLM系统中标准件物料信息的传递

基于PLM的标准件库是面向整个产品生命周期的，标准件的物料信息产生后，会在整个产品生命周期过程中进行传递，供各个业务环节使用。

如图3所示，根据设计业务形成的标准件清单可以帮助销售业务进行快速报价；产生的外购件清单与标准件清单输入到采购业务后，形成相应的采购清单；而输入到生产业务后，则会形成在生产环节时的领料单。可见，设计过程中产生的标准件物料数据在产品生命周期的多个环节被加工和再利用。因此，构建基于PLM 的标准件库保证了标准件图形与规格数据的规范性，避免了数据的重复定义，给下游业务环节的数据处理带来的极大的便利性。

图3 标准件物料信息在产品生命周期中的传递

2 基于 PLM 的标准件库系统的架构与实现

2.1 基于PLM的标准件库的研究内容

基于 PLM的标准件库中的每个标准件元素都由三维参数化标准件与其对应的规格尺寸等属性信息组成。由于不同类型的标准件，其特征属性是完全不一致的，所以需要为它们定义不同的分类属性。同时标准件库与PLM系统需要实现协同应用，标准件元素需要经过相应的审核流程才能发布到标准件库中，其包括以下研究内容。

1）建立标准件模型 在SolidWorks的2010版本中，有自带的ToolBox标准件库，但它是基于尺寸驱动方式的。即一个几何图形会对应多个尺寸参数，用户选定一个图形并指定了它的尺寸参数后，会形成一个标准件的实体模型。但在基于 PLM标准件库中，标准件对象和物料对象一一对应的，所以需要通过用户交互的方式形成构建标准件的实体模型。

2）特征参数的提取 不用的标准件有不同的特征参数，如名称、代号、尺寸规格、生产厂家、单位等等，这些特征参数需要提取保存到标准件库对应的类与属性中。同时用户从标准件库中选择的标准件，也可以将它的特征参数填写到SolidWorks的文件属性中。

3）标准件数据模型的建立 因为不同类别的标准件对应不同的特征参数，而且企业的标准件库需要不断的维护与扩展。所以标准件库的数据模型必须支持标准件分类与属性的动态扩展。

4）标准件的审核流程 标准件必须经过严格的审核流程后才能进入标准件库中。前文说过，标准件库可以由多种不同类型的零件组成，如外购件和通用件的就需要经过不同的审核节点，所以需要基于 PLM的标准件库系统可以支持动态定义的工作流。

2.2 标准件库的系统架构

基于PLM的标准件库的系统架构如图4所示。

它是基于 PLM 系统开发实现，系统由平台层、对象层以及界面功能层构成。各层的功能定义如下：

1）平台层 平台层包含了数据模型与相应的应用服务。数据模型支持标准件分类及属性的定义与扩展，同时数据模型层还负责将这些定义映射为数据库中的库表结构，用户存储标准件的分类及属性信息。平台层还包含工作流引擎、文仓服务、日志服务等。工作流引擎用于定义流程模型并驱动流程节点的流转；文仓服务用于管理系统中物理文件的传输；日志服务用于记录系统中的关键操作信息。

2）对象层 对象层定义了标准件库系统中的具体数据结构，包括标准件的物理文件对象、记录标准件特征参数的数据对象、用于管理标准件创建、审核过程的流程实例、以及用于参数化驱动标准件生成的对象模板等。

3）功能界面层 功能界面层定义了标准件库在具体的三维软件平台中使用时的功能与用户交互。它包括标准件查询、插入；标准件的数据模型定义与标准件管理；工作流管理等具体功能。

图4 基于PLM的标准件库系统架构

2.3 标准件库的开发方法

Solid Works是目前在机械制造行业较为常见的一款三维设计软件，除了本身丰富、便捷的三维设计功能之外，它还通过COM技术提供了功能强大的二次开发接口（Solid Works API）。凡支持COM的开发工具，如VC++、.NET、Delphi等都可用于Solid Works的二次开发。

C#语言具有良好的面向对象思想与跨平台运行时支持的能力，.NET平台对COM技术具备良好的兼容性。所以作者选择基于.NET平台以及C#语言开发基于Solid Works的标准件库。

Solid Works的安装包中自带了 SolidWorks API SDK的安装包。解压安装后，在 Visual Studio 2008中新建项目时自动会出现“SwCSHARPAddin”的项目模板。依据此项目模板创建项目后，便可在模板给定的程序框架中，加入相应的功能实现代码。程序编译后，会自动生成Solid Works插件管理器中的功能插件，并以菜单和工具栏的形式显示在Solid Works的系统界面中。

3 基于PLM的标准件库系统的应用

3.1 标准件库的建立及维护方法

基于PLM的Solid Works标准件库的建立及维护可以分为以下几步：基础标准件库的构建；标准件特征参数的提取；标准件维护流程。

3.1.1 基础标准件库的构建

标准件库的构建首先需要整理出标准件的分类，Solid Works中提供了一个基于ToolBox模式的标准件库。用户可以基于此整理出自己常用的标准件分类以及各个分类的特征参数，并基于此在数据模型中构建出标准件的分类及相应的分类属性，如图5所示。

图5 标准件分类

ToolBox中提供的是较为完整的标准件库，但一般企业常用到的标准件也就是几千个，所以需要组织企业的资源将常用的标准件整理出来。整理的工作需要由技术部门、采购部门、标准化部门共同参与，标准件库的整理对统一企业的物料标准、降低库存、减少采购成本都有很大的好处。3.1.2 标准件的添加

标准件的添加过程可以分为以下几步：

1）标准件整理的工作可以基于ToolBox的标准件库展开，剔除其中不必要的分类、规格以及图形表达，为每一类的标准件生成特定的配置属性并添加属性值，也可将配置导出成excel表编辑后再导入回去。

2）将筛选好的标准件生成实体图形，保存在特定的目录。此时标准件的特征参数已经记录在实体零件的自定义属性中。

3）通过 PLM 系统的集成功能将标准件文件提交到基于 PLM系统构件标准件库中，同时将这些标准件指定在不同的分类下。在标准件提交的同时，系统会自动标准件中的特征参数，将其保存到标准件的对应标准件对象记录中。

3.1.3 标准件的维护流程

在标准件库的日常使用中，需要不断地维护及修改。标准件库维护的工作涉及到多个人员的参与。在一个设计人员认为一个零件可以升级为标准件或通用件时，需要启动一个标准件的审核流程（不同类型的标准件的审核流程可能是不同的），如图6所示。

图6 标准件审核

标准件的审核流程需要经过标准化的节点以及审核的节点，在审核结束后，会将审核通过的消息抄送相关的设计人员。在审核流程结束后，标准件自动被置为发布状态，供设计人员检索、使用。

3.2 标准件库的应用

在用户启动Solid Works时，可以选择装载标准件库的选择插件，然后在主界面的菜单中，就会出现使用标准件库的菜单。点击菜单，会弹出对话框，如图7所示。

图7 标准件交互选择界面

对话框左侧显示的构建与标准件库中的标准件类树；在选择一个具体的类后，会将该类下的标准件显示于对话框右上方的窗口中；选中一个具体的标准件后，在右下方的窗口中会显示该标准件对象具体的属性与特征参数。

用户可以将选中的标准件实体图形插入到当前绘图环境中，当用户需要将绘制图形提交到PLM系统中时，系统会自动识别图形中的标准件实体，并将其指向系统中已有的标准件对象，并不会在系统中再次创建新的物料对象。通过此种方式，即方便了用户对标准件的使用；也确保了PLM系统汇总设计源头信息的标准化。

4 结 论

在目前PLM系统的应用研究中，设计工具与管理信息系统的协同应用已经成为研究中的一个热点。其含义就是将尽可能多的数据纳入到PLM系统中进行管理，用户在完成设计工作时直接基于管理系统中的数据进行设计、参考。这样可以最大程度避免设计数据的重复定义，达到设计数据的标准化、规范化，实现设计工具与PLM系统的单一数据源，这也是单一产品数据源理论的一种应用与体现[7]。本文给出了构建基于PLM系统的Solid Works标准件库的原理、实现方法以及与PLM 的协同应用模式，不仅对企业提高数据的标准化，改善设计人员的工作效率，缩短产品研发周期具有一定的意义；对制造企业PLM系统的实施与应用，也具有一定的参考价值。

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