叶片产品数据管理模型研究

叶片产品数据管理模型研究

1.1数据模型的概念
    模型对于我们来说是一个熟悉的概念，模型就是指客观事物特征、变化规律的一种描述抽象，主要是对事物中的特定属性的定量抽象。为了使问题具体明确，通常以图形或者符号来描述系统及其组成部分之间的关系。在开发一个信息系统时，需要将描述的信息存放在数据库，而设计数据模型就成为如何合理有效的开发数据库重点要研究的问题。
 
    现实生活中，人们为了了解、研究世界万物，就需要描述世界万物。可以用自然语言来描述它，虽然显得直接明了，但是如果所有事物都是用自然语言来描述的话，就显得繁琐、冗余，更不能实现数字化管理。因此，人们只是抽取事物的特征来描述，并把描述事物特征的符号称为数据。过去人们是把这些数据文件存放在文件柜里，随着社会和科学技术的迅速发展，这种数据管理已经不能满足人们的需要，从2o世纪60年代起，人们开始借助计算机技术和数据库管理技术来管理急剧增长的数据。
 
   数据库，顾名思义，就是存放数据的仓库，只不过这个仓库是计算机存储设备，而且数据库中的数据是按一定的格式来储存的。由于计算不能直接处理现实活动中描述事物的语言，人们就事先就描述事物特征的语言转化计算机能够处理的数据，最后用模型来抽象表示，这种模型就称为数据模型(DataMedel)，它是对客观事物的及其之间的联系的数据描述，简单来说就是一种数据组织形式，它是设计数据库的核心和基础。
 
    通常，任何一种数据模型都是严格定义概念的集合，而且任何一种数据模型都是具有描述数据和数据间联系两个功能。数据模型作为数据库系统实现的基础和构架形式，应该要满足三方面要求:首先要能真实地模拟现实世界;其次是能够容易被人们所理解;最后便是能在计算机上实现。通常来讲一种数据模型要同时很好地满足这三个方面的要求是比较困难的。
 
1.2叶片产品制造特点
1.2.1叶片的特点
    叶片是汽轮机机械和航空发动机的“心脏”，是高压压气机和高压涡轮的极为重要的零件。它将燃气的热能转变为转子机械能的作用。叶片一般都在高温、高压、高腐蚀的条件下工作，而动叶片在高速下运动。在大型汽轮机中，动叶片的顶端线速度会达到600m/s，因此叶片高速工作时叶片会受到很大的离心力和气流作用力。一般叶片由叶身、叶根、叶冠三部分组成。
 
    叶身是叶片的基本组成部分，相邻叶片的叶型部分构成气流通道，它的横截面呈月牙形，是根据风洞实验成型的。叶根是将动叶片固定在叶轮的连接部分，它的结构保证叶片在任何运行条件下都能牢固的固定，一般的叶根型式有T型、纵树型和叉型。叶身以上的部分叫叶冠，叶片的组装的方式不同，叶冠的结构随之不同。
 
1.2.2叶片加工流程
    由于叶片的种类多、数量大、型面复杂以及几何尺寸精度要求高等特点，叶片的制造检测难度高，而公司的军工叶片具有宽弦、薄叶型、大扭角、材料含有昂贵的高温合金元素，制造难度更高。叶片的加工质量直接影响机组的效率和寿命，这也是国内外叶片生产厂家一直研究叶片制造工艺的原因。
 
    叶片的制造工艺十分复杂，一块叶片上要同时具有渗、喷、涂、镀多种涂敷层，而且叶片的在不同的部位也有不同的要求，多种工艺交替进行。由于叶片的质量要求高，每种叶片都要采用多种无损检测方法，而且在不同的工序还重复进行，一块叶片从原材料到成品入库要进行五六次的无损检测，叶片的部分几何尺寸测量采用三坐标、激光等方法测量。
 
    叶片的加工流程是指叶片从原材料到叶片成品出厂的过程。叶片的种类繁多，叶片的结构特点也是各不相同，叶片的生产的具体流程也不尽相同。叶片的一般加工流程如图3-1所示。叶片可能会经历图所示的叶片的全部加工流程，也有可能只经历部分流程(如有的叶片不经过后面的机加工阶段，直接以半成品出厂)。
 
    根据叶片加工流程，叶片的生产状态分为原材料、棒料、坯料、热处理前锻件、模锻件、精锻件、粗抛光件以及成品。

1.3叶片产品数据内容分析
1.3.1技术协议分析
    由于公司只负责叶片的制造，对于叶片的具体要求都是有客户在技术协议上给出的。技术协议一般是指甲乙双方经过协议商定的叶片制造指导性文件，乙方要严格按照技术协议的内容对叶片进行制造。协议中内容很广，从原材料到成品出厂都有详细的信息，协议中详细规定了原材料、毛坯外形尺寸、探伤、热处理、理化性能、叶片的型线数据等等，且每个要求都参照了国家标准。
 
1.3.2叶片产品数据内容分析
    解决叶片的制造质量和效率问题在于利用先进的管理思想、数字化技术，实现叶片的数字化制造。
    本论文所描述的叶片产品数据，是指叶片产品在加工制造过程中所需要的、所用的以及生成的数据。叶片产品制造过程中涉及到大量的产品数据，这是由叶片的结构特点以及叶片高要求决定的。通过对叶片的产品数据总结分析，有以下几点特点:
    (1)与其它产品不同，叶片图纸由客户提供，并且不同客户对叶片的加工会提出不同要求，公司不进行叶片的设计，只负责制造，叶的产品数据主要在制造阶段。
 
    (2)叶片的形状复杂，没有任何数学模型，叶身是通过点云描述的。
 
    (3)叶片产品数据的细化程度高，在客户提供的技术协议中，对于叶片在加工制造中的各种信息给出了详细的规定，这些信息在普通的产品机械加工中并不常见。
 
    (4)叶片的加工工艺复杂、工序多，主要有:锻造、热处理、机加工、特种工艺等加工阶段，每种加工都有相应的指导信息如:工艺文件、各种标准、检验方法等。
 
    (5)图纸多，叶片在制造过程中有大量的工程图，如:工装图、工艺附图、锻件图等。
    通过以上分析得出:本文所描述的叶片产品数据应包括叶片制造过程中所涉及的尺寸、材料、机械性能、重复加工过程中数据以及相关的工程图等。对于这些叶片产品数据应进行统一管理，把其中的关键数据抽象出来，存放到数据库中的字段中，去除冗余的数据，以精炼数据结构。
 
1.3.3叶片产品数据的模型研究
    无锡某叶片有限公司是一家生产制造型的企业，公司只进行叶片的生产制造，不进行叶片的产品设计。所生产的叶片产品是属于单个零件产品。本课题研究主要是叶片的生产制造，因此，初步确定叶片产品数据管理系统的应用范围为质量保证部、锻造部、机加工部、理化室、探伤室、采购部、销售部。但是在叶片的生产制造过程中，不同阶段不同部门对叶片的产品数据需求是各不相同。
 
叶片的生命周期从销售订单开始，客户给出产品图纸和技术协议，经过材料采购、生产加工、成品入库到最终交货。由于该公司是面向客户订单生产制造叶片的，公司的主要客户有几家公司。因此，如图3-2所示，本论文按照客户将叶片分为东汽、上汽、哈汽、杭汽、西门子、东芝、GE以及其它八种。又可以如图3-3所示，将叶片按照叶片的生产制造特点分为大模锻、中小模锻、方钢、航空军工四大种类。

    一个叶片产品的生产制造涉及多个部门，当采购、制造、检测的信息不能满足叶片生产加工时，可能造成巨大的损失和浪费。因此在叶片产品数据管理系统中，为了适应企业信息化的发展，应当建立一个能满足不同阶段的信息需求的数据模型。我们知道，叶片对于性能、质量的要求很高。每种叶片产品出厂，都配备一本质量保证书。
 
    质量保证书中记录了叶片从原材料到成品出厂的生产制造过程的信息。可以说，质量保证部是叶片产品数据的在该公司信息终点。为了叶片的生产制造过程能重复使用和参考，也为了提高叶片产品生产制造速度，叶片产品的三维模型以及相对应的工装图纸也要放入系统中。同时，对叶片工装图纸的入库管理可以方便叶片工装的设计。
    为了实现上述叶片产品数据管理要求，建立叶片在该公司所涉及的主要对象模型。如图3-4所示。
 
1.4 BOM与叶片产品结构研究
1.4.1 BOM的定义
    BOM(Bill Of Material，物料清单)，有时也称产品结构表或产品结构树。就是指产品的零部件明细以及产品的结构。概念上讲是指一个物料项的所有子物料项的列表，在ERP系统中，物料就是指所有的原材料、半成品、成品、配套件、协作件等的统称。具体讲就是构成一个产品的所有零件、装配件以及原材料的列表。它就是产品结构的技术文件。产品的生命周期过程，是指根据不同的语义关系物料项相互作用的过程。
 
    产品在生命周期的不同阶段产品的BOM信息具有不同形式，因此产生产品结构多视图。按照产品生命周期不同阶段，BOM可分为制造BOM(Manufacturing BOM，简称MBOM)、工艺BOM(Process BOM，简称PBOM)、设计BOM(Engineering BOM，简称EBOM)等等。
 
    其中，生产人员关注的是那些零部件由自己生产以及装配，工艺人员关注的是那些零部件需要自己编制的工艺计划，对设计人员来说，他关注的是产品结构中的全部节点构成的零部件明细表。产品生命周期内数据的流动过程就是BOM的转化，因此，BOM是企业进行产品数据管理的依据。如图3-5所示为各阶段的不同BOM，其中EBOM→PBOM→MBOM的过程是整个转化过程中的关键。此外BOM还是ERP/PDM/CAPP等系统的重要接口，是各个系统集成的关键之处。

1.4.2产品结构管理的组成
    从上章可知，产品结构与配置管理是PDM的重要功能之一，这是因为产品信息贯穿于产品设计、工艺设计、生产制造、采购计划等过程，因此，产品信息能及时、可靠的传递到各个部门显得很重要。所以，如何建立一个面向产品的产品结构模型，并通过产品结构将所有与产品信息相关的工程数据和文档关联起来是一个必须要研究的问题。
 
    产品结构与配置管理在PDM的要实现的目标有以下几个:
      (1)基于产品结构管理所有的产品数据和文档。
      (2)根据产品生命周期中的不同阶段，生成不同的产品结构视图。
      (3)对于某类产品能基于规则的产品配置。

    为实现上述目标，应当建立以产品结构为组织核心的信息管理模式。在企业中一组零件按一定的关系装配起来的就为部件，一组零部件按一定的关系装配起来的就为产品通过前面的对叶片产品的结构分析，也可以按照类似于产品的零部件分解，形成分层的树状结构，也称为产品结构树。通过产品结构树可以清楚的看出产品中零部件的父子从属关系。
 
    在研究的叶片产品结构中，根节点代表一种叶片产品，枝节点和叶节点分别代表原材料、半成品、成品、叶片的加工过程以及相关的数据。具有相同对象和方法的集合是类，而类中相似的对象为实例，采用面向对象技术，对叶片分别归类为成品类、半成品类、原材料类。图3-6所示为产品类或部件类结构及其属性。为了描述产品结构这个对象，我们可以用数学集合的概念来描述。产品结构的数学关系为:
                              ASMtree=(NODE, ASM)     (3.1)
    其中，NODE为表示产品及其零部件全体，NODE中元素为node，表示一个个子对象。ASM为集合。 ASM中的元素asm。表示节点node和node，节点的组合关系，也就是装配关系。
    而零件，可以基于特征的方法来描述它，可表示为:
                                  PTtree=( E，V )                   (3 .2)
    式中，E为节点集合，表示零件及其属性元素总体，e表示特征。V为集合，表示零件与父对象之间的关系。
 

    基于叶片的产品结构而展开的产品数据管理包括产品结构与配置管理、产品-文档关联、版本管理等。
    (1)产品结构与配置管理
产品结构与配置管理主要是管理产品所包含的零部件和它们之间的层次配置关系。在叶片PDM系统中，通过产品结构树可以很清楚的看出叶片在原材料、半成品、成品阶段的信息属性，即产品ID、产品名称、成品阶段的探伤和尺寸信息等，同时也可以看出叶片制造过程中所涉及的工装产品结构及其基本属性。
 
    (2)产品-文档关联
一般在产品数据管理系统中，产品与文档关联有两种:一是通过文件夹作为中间的桥梁，如图3-7(a)所示:二是两者直接关联，这种在两者关联不是很多情况下使用方便，如图3-7(b)所示。
 
    在目前的叶片生产制造过程中，与叶片产品以及叶片的工装相关联的文档不是很多，就采用第二种方式。

1.4.3叶片产品结构模型研究
    由上述分析可知，EBOM是产品在设计阶段的BOM，主要表示产品由哪些零部件组成以及这些零部件之间的装配关系。叶片产品的特殊性在与和其他产品相比，叶片产品是不具有零部件结构装配关系的零件类产品，从纯粹的产品结构来看，叶片产品不具有普通的产品BOM结构，但是我们从面向叶片产品角度，叶片从原材料、半成品到成品入库的过程来研究叶片的叶片的产品结构，也就是面向叶片制造过程的BOM。考虑到企业早已实施ERP系统，BOM是ERP数据流通的基础，为了实现与ERP系统的信息交换，叶片的产品结构就是系统间集成的基础。
 
    叶片的产品结构可以分为原材料、半成品、成品。半成品按照生产状态从上到下进一步可分为精锻件、模锻件、热处理前锻件、坯料、棒料。因此叶片的产品结构可如图3-8所示。

    由于叶片产品结构是面向制造过程，结构中除了原材料还有半成品以及成品，而这些在ERP中都是物料清单，ERP的基础就是物料清单，物料清单是财务部门核算成本、采购和外协、配套和领料以及编制计划的基础。因此在系统中对产品结构以物料形式存储，并给予一定的规则编号，就可以建立起本系统与ERP系统之间连接桥梁。物料代号的编码要与ERP系统中编码对应。
 
1.4.4产品结构树的数据结构设计
    企业的产品结构通常是通过BOM来描述的，以下是产品的产品结构，图3-10为产品的树状结构，表3-2为该结构在数据库以BOM表的形式存储，它按照图所示先后顺序存储零部件所在的层数和数量。
 

    可以看出，表3-2能表达出图3-10的产品结构关系，但是，这种结构是依赖于数据中的先后顺序来确定，很是不稳定，一旦数据库BOM中的某条记录发生变化，就会影响整个产品结构树的产品结构关系，因此需要在数据库中采用新的数据结构来存储这个产品结构树。
 
    仔细观察可以发现，表3-2BOM表结构中每条记录不能完整的表达出每个节点在产品结构树种的确切位置，一个节点的位置必须依赖于另外一个节点的位置来确定。所以如果每条记录能准确的记录节点在产品结构树的位置就可以解决这个问题，为此，设计另外的一种数据结构来存储。如表3-3所示。
                              表3-3新设计的BOM表数据结构

    在本系统中，叶片的产品结构没有上述产品零部件关系复杂，因此，也可以采用上述的父子表示方法来实现产品树的建立。表3-4为存储叶片产品结构树的数据结构。
表3-4产品结构的数据结构

1.4.5系统中产品结构树的实现方法
    叶片产品结构的建立是建立在物料管理的基础上，在面向叶片的产品数据管理系统中建立叶片产品结构有两种方法:

    (1)直接创建子物料。系统中如果还没有录入需要添加的物料，首先选择所要某个节点，然后点击创建物料按钮，创建完成后选择刚才创建的物料，就可以添加到产品结构中对应的节点下面了了。
    (2)搜索已有物料再添加到某个节点下点击搜索物料按钮后，打开查找物料窗口界面，把搜索到的物料作为这个节点的子物料。如图3-11所示。
 
1.5基于产品结构的数据管理研究
    建立好叶片产品结构以后，就可以基于产品结构树的每个节点对叶片产品数据管理。叶片产品数据包括加工指导性数据，这些数据都是在技术协议、图纸、工艺中明确详细的规定的，还包括叶片在不同的加工阶段的加工数据，加工数据包括尺寸外形数据、重量频率数据、机械性能数据、热处理数据、化学成分数据、金相数据等等，叶片从原材料到成品或者半成品出厂过程中要经过全部或者部分这些加工过程。
 
    基于产品结构的产品数据管理过程如图3-12所示。由于叶片的产品结构是面向叶片制造过程的，因此基于产品结构的产品数据管理是从原材料开始的，先将产品结构的每个节点作为叶片制造过程中的加工过程名称的根节点，并基于此对该节点的加工信息进行管理，通过对每个节点的添加加工过程名称以及加工过程的相关标准信息就形成了指导叶片加工的信息树。
 
    在叶片的加工过程中就可以根据信息树的指导信息管理叶片加工，并把叶片加工过程的数据按照编写叶片指导性信息一样填入，最终叶片加工完成后，就形成了一个完整叶片信息树，这个信息树不仅包括叶片的指导性信息还包括叶片的加工过程中数据，实现对叶片从原材到成品或者半成品出厂过程的加工数据管理。

    如图3-13所示为基于产品结构的叶片信息模型，通过这个模型我们可以看出某种叶片产品从原材料到成品出厂这个过程中的不同的阶段会有不同的加工工程，而每个加工过程信息又包括标准信息和加工数据信息。这些信息分门别类，父、子从属，呈树状结构排列，结构明晰、直观，满足了对于叶片产品数据管理的需求。

1.6本章小结
    本章主要介绍了数据模型的概念，对叶片产品制造特点和加工流程的分析研究，并建立了叶片产品数据的数据库。其次对叶片产品结构进行建模，并在叶片产品结构的基础上对叶片在各个阶段的加工信息进行结构化管理。

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