魏群，段国林，周桂霞

（1. 河北工业大学 机械学院，天津 300130；2. 河北联合大学 理学院，唐山 063009）

基于GPMF框架和XML的滚动轴承产品模型

魏群1,2，段国林1，周桂霞1

（1. 河北工业大学 机械学院，天津 300130；2. 河北联合大学 理学院，唐山 063009）

0 引言

近年来为实现快速制造，制造业对支持传统产品建模的技术进行了广泛深入的研究，但这些建模方法不能支持分布制造环境中的信息交换和共享，这会导致诸多问题如信息丢失、数据格式不兼容及产品开发过程的低效，从而产生集成的瓶颈。通用产品建模框架（GPMF）可以有效地解决这些问题，以STEP为基础，包括四个基本组成：EDM（EXPRESS Data Model）、 基 于 STEP的建模环境、五步建模法和三种EDM数据交换的共享方法。GPMF是兼容的、全面的、灵活的并支持信息交换的共享，同时为支持基于Web/Internet的产品制造，还需要将其扩展到XML的映射。

1 基于STEP的通用产品建模框架

基于STEP的GPMF框架，可以用来描述不同类型的产品在开发过程的不同阶段的产品信息。GPMF的输出结果是描述产品在开发的各个阶段的数据模型集，不同类型的产品数据通过GPMF框架就可以得到相应的产品信息模型。

1.1 GPMF框架结构

GPMF框架如图1所示，整个框架由四个模块组成：1）EDM；2）基于STEP的建模环境；3）“五步”产品建模方法；4）EDM数据交换与共享。这四个模块参照STEP标准，采用产品建模资源、协议和实现方法来构建产品建模环境。EDM是GPMF框架的核心部分，定义了一整套完整的产品数据结构，并且采用了标准的数据格式。EDM模块由11个定义好的EXPRESS schema和STEP AP203组成。每个schema使用STEP定义的资源或者由用户自己定义的与STEP兼容的资源来建模特定类型的产品信息。“五步”建模方法是EDM的支撑模块，定义了一种正式的方法在建模过程中逻辑地规划建立EDM所要完成的任务[1]。

1.2 五步建模法

五步建模法用来支持开发EDM模块，将各种不同的产品信息建模进行标准化，分五个步骤：l）模块化；2）基本建模对象的分析；3）关系和属性的定义；4）约束的完善；5）模块集成，分别讨论如下：

1）第一步：模块化，这个步骤定义EDM的体系结构，主要的任务包括：（1）产品建模目标的分析；（2）产品数据的分类；（3）EDM模块化。由于产品建模过程包括大量不同类型的数据，因此产品建模目标的分析十分复杂，分析不全面会造成大量数据的丢失或冗余，EDM就不能正确地建立产品的数据模型。所以首先要对产品数据进行分类，然后根据数据分类划分不同的模块。如图1所示，EDM可以划分为四种模块：产品通用信息模块、产品几何数据模块、产品制造数据模块和资源模块，其中资源模块用来表示来自其他三个模块中的共享数据。

2）第二步：基本建模对象的分析，这个步骤的主要目标是分析EDM每一个模块的基本结构和定义EDM的基本建模对象。这个步骤首先分析EDM每一个模块的结构，模块的基本元素将被定义为基本的建模对象。例如，在产品制造数据模块，装配信息通常被定义为四个基本的建模对象，即装配产品对象、产品组件对象、子装配组件对象和连接器对象，其中连接器对象用来表示各个装配组件对象之间的关系[2]。这些对象分别被定义为实体assembly_product, part, subassembly和connector。

3）第三步：关系和属性的定义

这个步骤通过增加已定义对象的关系优化和增加了第二步建立的基本建模对象，包括以下四个任务：实体属性和实体间关系的定义、已定义实体的增强、新实体的定义和正确性检查。这个步骤的操作一直持续到EDM的每一个建模对象都被详细地定义。

4）第四步：约束的完善

这个步骤描述EDM的约束，它包括以下三个任务：（1）对象之间以及实体关系之间约束的定义；（2）模型整体约束的添加和完善；（3）模型信息纠错。约束完善和对象建模一样十分重要，它使得建模对象和以及它们之间的关系按照建模的要求被正确地约束，进行了优化[3]。

5）第五步：模型集成

第五步的主要功能是将EDM的三个模块集成在一起，检查每一个模块中的表示方法及输入输出。使得整个EDM模块满足完整、最小冗余、无歧义、无错误的要求[4]。

图1 GPMF框架结构

2 滚动轴承产品信息模型

滚动轴承是常见产品并被认作为一种典型产品。本文在上述基于STEP的GPMF框架基础上，以滚动轴承产品为例，采用EXPRESS语言建立了产品开发全生命周期内所基于STEP的数据模型并描述了建模方法，该模型可用于企业管理其产品开发过程，有助于保证产品设计各环节数据的一致性和共享性，从而最有效地利用和调度企业的各种信息资源，及早发现错误，减少产品开发时间和成本，提高产品开发质量。产品模型根据产品开发不同阶段对产品信息的需求，分为几个部分：l）产品与装配信息数据模型；2）工具信息数据模型；3）制造信息数据模型；4）原料信息数据模型；5）供应商信息数据模型；6）员工信息数据模型。由于篇幅所限，以产品与装配信息模型和制造信息模型为例，给出其EXPRESS图，其它模块可用相同方法建模。

2.1 产品与装配信息数据模型

产品与装配信息数据模型是为了描述滚动轴承产品信息以及滚动轴承产品装配信息而建立的。产品与装配信息的数据模型如图2所示，它包含产品信息本身以及产品的装配信息。如图2所示，该模型的根实体是product。这一实体是为了描述滚动轴承产品的基本产品信息和制造信息而定义的。其中滚动轴承产品的基本产品信息包括：l）产品标识（如圆柱滚子轴承N2210）；2）产品分类信息（如球轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承）；3）产品的名称；；4）产品性能及其描述信息（包括承受的载荷种类、疲劳寿命、极限转速、最大静载荷和轴承工作温度等）；5）绘图文件信息；6）产品属性信息：包括尺寸：轴承内径、外径、宽度、高度和倒角等。公差：尺寸公差和旋转精度。公差等级为P0、P6、P5、P4和P2， 精度由低到高。游隙：径向游隙包括2、0、3、4、5等5级，轴向游隙包括2、0、3、4等4个等级。润滑：有无润滑，润滑的形式（油雾、油浴和脂润滑）。密封：有无密封，密封形式（内密封、外密封）。其他：安装、使用、管理和保养等[5]。

图2 产品与装配信息的数据模型

产品信息中与产品制造相关的信息包括：l）产品装配方法（定义为实体product_assembly）；2）产品的设计标准和设计者信息（分别定义为实体design_standard和product_designer）；3）产品原料信息（定义为实体product_materials）；4）项目评价信息（定义为实体project_appraisal），此信息在产品开发前期用来对产品开发的可行性进行分析；5）工具之间的关系信息（定义为实体product_tool_relationship）。滚动轴承产品是由一系列部件组装而成的，包括内圈、外圈、滚动体、保持架，有时还有防尘盖和密封圈等。另外还有各部件间的配合，包括轴承与轴的配合h5、j6、k6、m6、n6、p6和r6等；轴承与壳的配合H7、G7、J7、Js7、K7、M7、N7 和P7 等；轴与外壳的形位公差P0、P6和P6X。本文用实体product_assembly_detail来描述该滚动轴承产品的详细装配信息，实体assembly_part描述整个装配线上的所有部件的个体信息。其中实体assembly_part是实体product的一个子类。实体assembly_part和实体product_assembly之间的相互关系以及各部件的装配方法用实体assembly_type来描述。

实体assembly_type含有以下属性：1）assembly_type.id_name是用来定义装配类型的标志符；2）assembly_type.product_designing_feature是用来描述装配特征是否是现成的设计特征；3）assembly_type.its_description提供了实体assembly_type的 描 述 信息；4）assembly_type.subassembly_members是用来定义装配组件的所有子 类；5）assembly_type.suppliers则用来定义各个部件的供应商信息。

2.2 制造信息数据模型

图3所示的是制造信息的数据模型。这一模型用来描述车间的机械性能，它对加工机器的选择非常重要。该模型的根实体是manufacturing_information，它包括了4种信息：l）工具试生产信息；2）模具制造信息；3）机床信息；4）制造成本信息。

工具试生产信息由实体tool_work_and_production_trial_record定义。这一实体记录了工具试生产过程的所有信息（包括管理信息和技术信息）。实体factory_moulding_machinery包括了制造车间里滚动轴承机床的所有信息，这些信息包括滚动轴承机信息，循环周期，模架的大小，质量控制信息等等。实体workshop_machinery是用来描述车间机床的成本信息的。

图3 制造信息的数据模型

3 GPMF模型的XML映射

上述GPMF模型是基于STEP标准的，可以为不同类型的产品建模提供一种通用、标准、中性的机制，但如果应用于Internet/Intranet网络制造环境，需要对该模型进行格式转换。由于XML具有网络使能、协议无关、网络无关、可扩展性等性能，使得新旧系统之间相互交流成为可能，将EXPRESS表示的产品信息模型映射为XML表示模型，是解决数据网络化应用的关键。XML对EXPRESS语言驱动数据表达进行分析，为STEP和XML的相互转化提供基础支持。其基本思想是利用EXPRESS定义产品数据模型，在XML中用XML Schema定义产品结构，在EXPRESS模型与XML Schema相对应的基础上，将STEP映射为XML文档，并将XML文档发布，实现产品信息网络间的传递和共享。XML与STEP的信息映射转化主要需解决EXPRESS定义的产品模型与XML Schema定义的产品模型的映射转化，二者的映射过程如下：

3.1 确定EXPRESS实体结构与XML Schema结构的一一对应关系

XML Schema模式是W3C组织于2001年提出的一种庞大的元语言规范。它克服了DTD的缺点，具有丰富的数据类型支持和强大的内容表达能力，同时增加了对命名空间支持、采用XML语法等特点。更为重要的是，XML Schema提 供了一个广泛且可扩展的类与类型系统，其创建方法运用了面向对象的概念和机制，如全局和局部、继承、扩展和替代、封装和模块等。

3.2 EXPRESS数据模型到XML Schema的映射

EXPRESS数 据 类型到XML的映射方式主要有两种：前期绑定(early bound）和后期绑定(1atebound）。绑定的定义是将一个值(value）与一个程序实体的某一属性(attribute）相关联。前期绑定是指绑定时间发生在程序执行之前，是一种静态绑定；后期绑定是指绑定时间在程序执行后发生，是一种动态绑定。静态绑定有更高的执行效率，而动态绑定在程序编写方面有着更大的灵活性。

两种绑定方法相比较而言，前期绑定比后期绑定简单，但包含多个XML文档时，前期绑定需要为每个XML文档创建一个DTD，而后期绑定可以使用共同的文档，EXPRESS到XML的后期绑定映射更适合应用于含多个EXPRESS信息模型的XML交换应用中。后期绑定也比前期绑定在表示上更为明确，因为后期绑定使得构件(实体，属性等）类型的表示十分清晰。后期绑定的一个不利之处是它通常需要更多的编程工作来完成对象的重构，因为在将源对象串行化的具体实现细节方面有更多的间接性。后期绑定格式也比前期绑定格式要冗长得多。经笔者分析后认为，EXPRESS到XML的后期绑定映射更适合应用于含多个EXPRESS信息模型的XML交换应用中。在这样的环境下，如果采用前期绑定策略，就必须为每一个EXPRESS模型设计不同的XML标记集(即要为每个EXPRESS模型设计不同的名字空间），这会使实现复杂化。后期绑定的方案则能够用单个XML标记集表示所有EXPRESS模型，因为其XML标记集是与EXPRESS元模型对象(metamodel objects），而不是与EXPRESS模型中定义的对象(objects defined in the EXPRESS model）相对应的。

4 结束语

基于STEP的GPMF框架的结构和五步建模法，能为不同类型的产品信息提供一个通用的、标准的建模环境，不同的应用系统可以对同一信息模型根据自身需求进行存取，支持产品开发过程的产品信息共享与交换以及产品数据的管理。而且这些模型可以根据一定的映射规则，映射到一个基于Web/Internet的XML格式中，从而实现产品信息数据的网络应用。

[1]Shane Q. Xie and Wan-Lin Chen. A Generic Product Modeling Framework for Rapid Development of Customised Products, 2008.

[2]艾青松. 产品信息共享的相关基本理论与关键技术研究[D]. 武汉理工大学, 2008.

[3]A JC Trappey, T-H Liu, C T Hwang. Using EXPRESS data modeling technique for PCB assembly analysis. Computer in Industry, 2009, 34(1)l11-123.

[4]李原, 李建军, 何为平. 基于PDM的CAX集成技术研究[J]. 2007, 22(1).

[5]李善平, 刘乃若, 郭鸣. 产品数据标准与PDM[M]. 清华大学出版社, 2002.

Product data model of rolling bearing based on GPMF and XML

WEI Qun1,2, DUAN Guo-lin1, ZHOU Gui-xia1

基于STEP的GPMF框架可以为不同类型的产品建模提供一种通用、标准、中性的机制，使得不同的应用系统或程序可以对封装产品信息的模型根据自身需求进行存取，以支持产品开发过程的数据共享与管理，为支持基于Web/Internet的产品制造，需要将其扩展。本文利用GPMF框架以滚动轴承产品为例，建立了滚动轴承产品开发全生命周期的数据模型，实现了产品数据的统一存取与管理，并研究了数据模型的XML映射方法。

GPMF；STEP；滚动轴承；数据模型；XML

魏群（1970－），女，副教授，博士生，研究方向为机械制造、产品数据管理。

TP391；TH122

A

1009-0134(2011)4(下)-0025-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(下).08

2010-11-25