基于Web和Pro,E的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用.doc

基于Web和Pro/E的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用徐毅1，陳旺2，金博1，屈福政3，滕弘飛2(大連理工大學(xué) 1計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系, 2機(jī)械工程學(xué)院, 3精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)()摘 要：在復(fù)雜機(jī)械可重用設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，可重用零部件庫(kù)是其主要組成部分。本文以履帶起重機(jī)可重用設(shè)計(jì)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，利用Pro/E提供的二次開發(fā)接口J_link和J2EE平臺(tái)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于Web和Pro/E環(huán)境下的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng).設(shè)計(jì)人員既可在Pro/E平臺(tái)下，也可以通過Web對(duì)零部件庫(kù)進(jìn)行操作。采用XML-schema描述零部件信息，使用XQuery對(duì)零部件進(jìn)行查詢。最后給出一個(gè)履帶起重機(jī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工程應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：可重用零部件；J_link；J2EE；XML；XQuery中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AWeb and Pro/E-based Reusable Parts Library System Design and its ApplicationXu Yi1 , Cheng Wang2 , Jin Bo1 , Qu Fu-zheng3 , Teng Hong-fei2(1. Department of Computer Science and Engineering, Dalian University of Technology, 2. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, 3. Key Laboratory for Dalian University of Technology Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education, Dalian 116024)Abstract: reusable parts library is the major part in the reuse design system of complex machines. With the secondary development interface (J_link) provided by Pro/E and the J2EE platform technology, this paper realizes the design of reusable parts library of crawler crane. Designers can operate reusable parts library either through Web system or through Pro/E platform. In the reusable parts library, XML-schema, an advanced and prevalent techonolgy, is employed to represent the information about the parts, which can be queried with XQuery language. An application example of a diesel motor of crawler crane is given at the end of the paper. Key words: reusable part; J_link; J2EE; XML; XQuery50 引言隨著大規(guī)模定制及配置設(shè)計(jì)的發(fā)展，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件和通用件的依賴程度也越來越大，建立以標(biāo)準(zhǔn)件和通用件為核心的可重用零部件庫(kù)已成為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的重要手段之一1。據(jù)調(diào)查2，在一個(gè)合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，約有75%的設(shè)計(jì)活動(dòng)可以采用標(biāo)準(zhǔn)件或可重用零部件來完成。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)件和可重用零部件，不僅可以降低產(chǎn)品成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，還可使產(chǎn)品具有可靠的性能，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量。收稿日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50275019，50335040,50575031，60674078）作者簡(jiǎn)介：徐毅（1975 - ），男，遼寧大連人，博士研究生，主要從事可重用設(shè)計(jì)、智能計(jì)算方面的研究。E-mail: 對(duì)于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中被廣泛使用的可重用件，一般都有特定的性能數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)及幾何參數(shù)等，其描述沒有統(tǒng)一的格式，用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)難以管理。目前企業(yè)普遍采用PDM軟件對(duì)可重用件進(jìn)行管理，但效果往往并不盡如人意，究其原因主要存在以下幾方面問題：（1）與CAD模型相關(guān)的數(shù)據(jù)難以維護(hù)：PDM存儲(chǔ)了零部件的CAD實(shí)體模型以及與CAD模型相關(guān)的數(shù)據(jù)，如幾何參數(shù)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)采用大量不同類別的文件存儲(chǔ)，例如WORD或EXCEL等文件。這種方式既不利于相關(guān)數(shù)據(jù)的維護(hù)，又很難對(duì)零部件進(jìn)行有效的檢索。（2）缺乏可視化瀏覽的功能：用戶無法通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)三維零部件進(jìn)行三維瀏覽和交互操作。（3）與CAD平臺(tái)集成困難：目前PDM軟件大都與CAD設(shè)計(jì)平臺(tái)相互獨(dú)立，即使有的能做到相互集成，集成度也較低，很難滿足設(shè)計(jì)者的實(shí)際工作需要。（4）零部件的檢入檢出效率較低：目前PDM大都是以HTTP協(xié)議將文件檢入檢出，HTTP協(xié)議對(duì)傳輸大文件的速度較慢，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，尤其是在團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)時(shí)，檢入檢出速度往往成為影響設(shè)計(jì)效率的瓶頸?；谏鲜鰡栴}，為了更有效地對(duì)可重用零部件進(jìn)行管理，本文以履帶起重機(jī)設(shè)計(jì)為研究背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Web和Pro/E平臺(tái)的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)，旨在提高設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)周期。1 系統(tǒng)描述圖1所示為本文研究的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)框架。本文以J2EE技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用Java開發(fā)語言、XML技術(shù)，通過Pro/E提供的J_Link（基于Java語言）二次開發(fā)接口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Web和Pro/E平臺(tái)下的可重用零部件庫(kù)管理系統(tǒng)。用戶可根據(jù)零部件的功能或裝配關(guān)系等，按照分類樹的方式對(duì)零部件進(jìn)行組織和管理，采用XML -Schema來描述和規(guī)范零部件的類型和數(shù)據(jù)格式，零部件的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)例以XML的格式存入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中，其三維CAD實(shí)體模型以及對(duì)應(yīng)的VRML、JPG文件存儲(chǔ)在文件服務(wù)器上，采用了XQuery語言對(duì)零部件進(jìn)行查詢，通過Ftp協(xié)議實(shí)現(xiàn)了CAD實(shí)體模型的上傳和下載。設(shè)計(jì)人員既可以通過Web瀏覽、查找及下載自己所需的零部件，也可以在Pro/E平臺(tái)下直接完成對(duì)零部件的添加、查詢、裝配等功能。1.1 系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)由上至下包括四個(gè)層次：界面層、頁(yè)面服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層及數(shù)據(jù)層。（1） 界面層：提供了終端用戶的系統(tǒng)訪問界面。包括兩種用戶界面（基于Web和基于Pro/E平臺(tái)）。用戶既可以通過Web瀏覽器訪問零部件庫(kù)管理系統(tǒng)，也可以在Pro/E平臺(tái)下，通過Pro/E的二次開發(fā)程序直接訪問管理系統(tǒng)。用戶在Pro/E平臺(tái)下可以瀏覽、查詢、裝配零部件，在存儲(chǔ)Pro/E實(shí)體模型時(shí)，可直接生成實(shí)體模型對(duì)應(yīng)的VRML文件和JPG文件并存儲(chǔ)到文件服務(wù)器上，通過VRML和JPG格式文件，用戶可以實(shí)時(shí)地通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)三維零部件進(jìn)行可視化瀏覽。（2） 頁(yè)面服務(wù)層：由一些運(yùn)行在Web服務(wù)器上的Servlet、JSP頁(yè)面、JavaBean組件構(gòu)成。它們響應(yīng)客戶端的HTTP請(qǐng)求，進(jìn)行參數(shù)解析，檢驗(yàn)用戶輸入數(shù)據(jù)的合法性，根據(jù)請(qǐng)求將數(shù)據(jù)傳遞給后端的應(yīng)用邏輯層，并負(fù)責(zé)將處理結(jié)果回送給用戶。（3） 業(yè)務(wù)邏輯層：主要是由Servlet、基于Java Web容器的獨(dú)立線程、Java應(yīng)用程序組成。業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)處理零件庫(kù)管理的各種功能，根據(jù)用戶提交的請(qǐng)求對(duì)可重用零部件庫(kù)進(jìn)行具體操作，包括零部件的存儲(chǔ)、查詢、下載等。在零部件管理系統(tǒng)程序中封裝了Ftp協(xié)議，通過Ftp協(xié)議對(duì)零部件的CAD實(shí)體模型進(jìn)行上傳和下載操作，提高了傳輸效率。（4） 數(shù)據(jù)層：包括零部件文件庫(kù)和零部件數(shù)據(jù)庫(kù)，零部件文件庫(kù)包括三維CAD實(shí)體模型及相對(duì)應(yīng)的VRML文件和JPG文件；零部件數(shù)據(jù)庫(kù)包括與零部件相關(guān)的各種結(jié)構(gòu)化信息。每一個(gè)零部件都有一個(gè)唯一的ID，對(duì)應(yīng)著零部件文件庫(kù)中的一個(gè)目錄， 目錄下存放著該零部件的CAD實(shí)體模型和其它相關(guān)文件，查詢的時(shí)候，首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索零部件相關(guān)信息，然后通過ID找到零部件文件庫(kù)中的文件。圖1 可重用零部件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.2 系統(tǒng)功能描述可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)功能描述如圖2所示：（1） 普通用戶的功能：普通用戶可以根據(jù)關(guān)鍵詞，例如零部件的幾何參數(shù)、性能數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等對(duì)零部件進(jìn)行查詢；用戶可以在線查看零部件的相關(guān)信息并對(duì)零部件進(jìn)行可視化瀏覽；對(duì)于查找到的零部件，用戶可以下載或者在Pro/E平臺(tái)下直接添加、裝配；用戶在Pro/E環(huán)境中，可以隨時(shí)將工作結(jié)果保存到后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，保存的結(jié)果包括三維CAD實(shí)體模型，以及與模型相關(guān)的其它文件信息數(shù)據(jù)；用戶設(shè)計(jì)完成后，可以將相關(guān)的數(shù)據(jù)提交給管理員，由管理員進(jìn)行整理。如果管理員認(rèn)為該零件具有可重用性，可將其錄入到可重用零部件庫(kù)中。（2） 管理員的功能包括: 用戶管理，包括添加、刪除用戶，設(shè)置用戶權(quán)限等。維護(hù)可重用零部件庫(kù)，包括可重用零部件的錄入，刪除、修改等。 圖2 可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)功能描述圖2 關(guān)鍵技術(shù)本章描述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，包括零部件的信息表達(dá)、零部件的信息檢索、Pro/E的集成以及數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等。2.1 零部件信息表達(dá)由于每種典型零部件都有特定的性能數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和幾何參數(shù)，對(duì)其描述亦沒有統(tǒng)一的格式，用傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)很難管理，因此本文采用XML-Schema來描述和規(guī)范零部件的信息表達(dá)，零部件的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)例以XML的格式存入Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中。XML是W3C創(chuàng)建并推薦的數(shù)據(jù)表示語言3， XML文檔存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是層次結(jié)構(gòu)，還同時(shí)支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),有著良好的可擴(kuò)展性和自描述性，適合存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類型復(fù)雜且具有對(duì)象特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)4。XML Schema 是W3C推薦的規(guī)范XML文檔結(jié)構(gòu)的方法，它采用XML語法，引入了數(shù)據(jù)類型的概念，提供了比DTD更有力的文檔約束機(jī)制4。圖3為使用XML Schema定義的一個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的部分示例數(shù)據(jù)，定義的數(shù)據(jù)包括零部件的產(chǎn)品信息、性能數(shù)據(jù)、幾何參數(shù)等。圖4為對(duì)應(yīng)的XML描述的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)例，數(shù)據(jù)實(shí)例中包括了兩個(gè)柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，編號(hào)分別為0001和0002。在本文中，每種類型零部件的所有數(shù)據(jù)實(shí)例都保存到一個(gè)XML文件中，這樣做既利于數(shù)據(jù)的組織和驗(yàn)證，也可提高檢索的效率。圖3 XML Schema數(shù)據(jù)規(guī)范在Oracle中存儲(chǔ)XML數(shù)據(jù)一般有三種方式：映射整個(gè)XML文檔為單一的完整對(duì)象，如XML Type CLOB；在關(guān)系表中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建該數(shù)據(jù)的XML Type視圖；映射XML文檔至一個(gè)Oracle本機(jī)的XML Type。由于在本文中要保存的可重用零部件庫(kù)中的數(shù)據(jù)是固定的，保存之后不需要更新的，因此本文選擇第一種方法來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即通過在關(guān)系表中建立一個(gè)CLOB字段來存儲(chǔ)單個(gè)XML文件，在檢索時(shí)候?qū)⒄麄€(gè)文件作為一個(gè)整體進(jìn)行檢索。管理員在錄入零部件數(shù)據(jù)前，要先生成定義零部件的XML Schema文檔，一個(gè)典型的可重用零部件一般包括仿真數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等信息。根據(jù)XML Schema文檔生成相應(yīng)的包含零部件各種信息的XML數(shù)據(jù)文件。實(shí)現(xiàn)時(shí)通過調(diào)用Oracle提供的XDK Java軟件包對(duì)CLOB字段中的XML文件進(jìn)行訪問和解析7。圖4 XML 描述的數(shù)據(jù)實(shí)例2.2 零部件信息檢索由于零部件信息保存在XML文檔中,因此在信息檢索時(shí)應(yīng)使用適于XML的檢索方法,同時(shí)還需支持多XML文檔的檢索,以滿足用戶的需要。W3C 發(fā)布的XML查詢語言XQuery1.0提供了FLWR(For Let Where Return)表達(dá)式5,可以方便地從多個(gè)XML文檔中提取所需數(shù)據(jù),滿足系統(tǒng)的要求。本文采用XQuery語言實(shí)現(xiàn)對(duì)零件信息的有效檢索。如圖5所示為一個(gè)使用XQuery語言檢索XML數(shù)據(jù)的例子，檢索的內(nèi)容是返回額定功率小于4500、外包絡(luò)幾何長(zhǎng)度小于1.5的柴油機(jī)信息，結(jié)果如圖6所示。 圖5 XQuery查詢示例圖6 檢索結(jié)果查詢時(shí)采用關(guān)鍵詞檢索數(shù)據(jù)，根據(jù)關(guān)鍵詞生成符合XQuery語法的XQuery文件，通過調(diào)用OJXQI7（OJXQI是由Oracle開發(fā)的Java語言版本的XQuery API）來查詢XML中的數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果由XQueryResultObject對(duì)象返回給用戶。調(diào)用OJXQI檢索數(shù)據(jù)的部分Java代碼如下：/建立查詢上下文XqueryContext ctx=new XqueryContext(conn);/準(zhǔn)備查詢PreparedXQuery xq=ctx.prepareXQuery(strm);/得到結(jié)果XqueryResultSet rset=xq.executeQuery();2.3 Pro/E的集成將Pro/E軟件與可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)集成，可極大方便設(shè)計(jì)人員的使用。用戶可直接在Pro/E平臺(tái)下查詢、瀏覽、裝配遠(yuǎn)程的可重用零部件，而用戶完成的零部件設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的信息也可以隨時(shí)存入到零部件庫(kù)中。本文采用Pro/E提供的J_Link開發(fā)接口，對(duì)Pro/E進(jìn)行了二次開發(fā)。J_Link是由Pro/E提供的基于Java的應(yīng)用程序開發(fā)接口6, 它提供了豐富的庫(kù)函數(shù), 能夠使外部Java應(yīng)用程序安全有效地訪問Pro/E的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用程序，并無縫的集成到Pro/E平臺(tái)下。通過J_Link對(duì)Pro/E二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)的主要功能如圖7所示。用戶在Pro/E平臺(tái)下首先登陸到與其權(quán)限對(duì)應(yīng)的用戶界面。在保存三維實(shí)體CAD模型時(shí)，調(diào)用二次開發(fā)程序?qū)С瞿Ｐ臀募?，生成模型的VRML文件和JPG文件，保存到可重用部件庫(kù)中，用戶還可將所需的零部件下載到本地，或調(diào)用二次開發(fā)程序直接打開或裝配零部件。圖7 Pro/E二次開發(fā)功能示意圖2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Oracle是較廣泛使用的大型數(shù)據(jù)庫(kù)之一，當(dāng)前最新的版本是Oracle10g。Oracle的XML DB提供了高性能的本機(jī)存儲(chǔ)、檢索和XML處理技術(shù)，使得XML功能與Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器無縫連接。本文正是基于Oracle構(gòu)建可重用零部件數(shù)據(jù)庫(kù)的。數(shù)據(jù)庫(kù)共包括五個(gè)表，分別是PARTDB，USERTEMP，GROUPS，ROLES，USERS。（1） PARTDB中存儲(chǔ)了和零部件類型相關(guān)的信息：零部件類型的名稱、ID、子節(jié)點(diǎn)的ID、兄弟節(jié)點(diǎn)的ID、CLOB字段等，CLOB字段中存儲(chǔ)了這一類零部件實(shí)例的所有的數(shù)據(jù)。根據(jù)ID值，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)候首先創(chuàng)建一個(gè)樹型結(jié)構(gòu)，每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)都代表了一類零部件，然后根據(jù)CLOB字段中零部件實(shí)例的數(shù)據(jù)在樹結(jié)構(gòu)上添加葉子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)代表某種類型零部件的實(shí)例數(shù)據(jù)并有唯一的ID值，當(dāng)用戶檢索到零部件時(shí)候，管理系統(tǒng)根據(jù)零部件的ID號(hào)找到相應(yīng)的實(shí)體文件，供用戶下載或?yàn)g覽。 （2） USERTEMP表結(jié)構(gòu)同PARTDB表類似，用來保存用戶在工作過程中的三維CAD實(shí)體文件和相關(guān)數(shù)據(jù)。（3） GROUPS，ROLES，USERS三個(gè)表提供了對(duì)用戶權(quán)限的控制。ROLES表字段包括ID、Name、LIMIT_RANGE等，在LIMIT_RANGE字段中保存了該角色可訪問的零部件ID，格式為ID1;ID2;ID.IDn;。IDn對(duì)應(yīng)了PARTDB中的ID字段。GROUPS和 USERS表結(jié)構(gòu)同ROLES表類似，一個(gè)組可以包括一個(gè)或多個(gè)角色，而一個(gè)用戶可以屬于一個(gè)或幾個(gè)組，通過這些組合，管理員可以方便地對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行管理。用戶登陸后，可根據(jù)權(quán)限瀏覽或檢索相應(yīng)的零部件。零部件庫(kù)中的數(shù)據(jù)由管理員在Pro/E平臺(tái)下錄入的，錄入的數(shù)據(jù)包括Pro/E的實(shí)體模型、與實(shí)體模型相對(duì)應(yīng)的VRML文件和JPG文件、包含零部件信息的XML文件等。對(duì)于用戶保存的臨時(shí)數(shù)據(jù)，由于不需要經(jīng)過XML Schema驗(yàn)證，因此只需在Pro/E平臺(tái)上直接保存并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。3 應(yīng)用實(shí)例本文以履帶起重機(jī)零部件管理為例，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用過程。首先設(shè)計(jì)人員進(jìn)入基于Pro/E平臺(tái)的零部件重用庫(kù)，系統(tǒng)界面如圖8所示，左邊的樹型目錄為所有可重用零部件列表，設(shè)計(jì)人員可以展開左邊的樹型目錄瀏覽零部件，還可以采取檢索方式，根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的各種查詢條件（如關(guān)鍵詞檢索）對(duì)零部件進(jìn)行檢索。當(dāng)檢索到零部件，系統(tǒng)以圖片的方式顯示該零部件，如圖8顯示設(shè)計(jì)人員搜索到的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模型，用戶還可查看該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模型的各類信息并對(duì)其進(jìn)行三維瀏覽。若該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)需求，則可直接裝配或?qū)ζ溥M(jìn)行變型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后數(shù)據(jù)可保存到零部件庫(kù)中?；赪eb的用戶界面如圖9所示，同Pro/E平臺(tái)下的用戶界面類似，用戶可以在Web平臺(tái)下檢索、瀏覽、下載相應(yīng)的零部件。圖8 Pro/E平臺(tái)下的用戶界面 圖9 Web環(huán)境下的用戶界面4 結(jié)語可重用零部件庫(kù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。本文以J2EE技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Web和Pro/E平臺(tái)下的可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)。本零部件庫(kù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：采用XML描述零部件各類復(fù)雜信息，通過XQuery語言對(duì)零部件查詢；通過Ftp協(xié)議檢入檢出零部件，提高了傳輸效率；通過對(duì)Pro/E的二次開發(fā)，將Pro/E軟件與可重用零部件庫(kù)系統(tǒng)集成，方