1 引言
隨著新產品設計制造技術的不斷發展，零件的設計趨勢朝著標準化、系列化的方向發展。伴隨著制造企業分工的不斷細化，企業所需的零部件將由零件供應商提供。零件庫可使企業通過互聯網查看和下載所需的零部件，提高企業的設計、制造、生產的效率；同時，零件供應商也可通過零件庫宣傳和推銷自己的產品。中小企業實力有限，很難承擔建零件庫的軟硬件費用。云制造模式為中小企業信息化建設提供了新的出路。本文采用云制造模式，在制造云的基礎上開發了面向多用戶的零件庫系統。中小企業通過租用系統空間管理和宣傳零部件，這樣可以節省很多費用。零件庫對于中小企業宣傳、銷售其產品有很大幫組，可以顯著提高企業信息化水平。
2 云制造模式下的零件庫系統
云制造是一種通過實現制造資源和制造能力的流通，達到大規模收益、分散資源共享與協同的制造新模式。制造云[2]是云制造系統架構的核心，是大量的云服務按照一定的規則聚合在一起所形成的動態云服務中心，能透明地為用戶提供可靠的、廉價的、按需使用的產品全生命周期應用服務。
1.1 云制造模式下的零件庫系統運營模式
在云制造模式下，零件庫不再由大公司建立，而是由運營商建立，主要服務對象是中小企業。運營商建立零件庫，但不提供零部件資源；中小企業租用運營商提供的零件庫，是零部件資源的提供者，即：供應商，當然也可以是使用者；采購商通過系統查看零部件并訂購。在此模式下，中小企業可以有效降低建立零件庫的門檻及風險，有效解決中小企業無力建立零件庫的困難。
圖1 云制造模式
零件庫業務流程如圖2 所示，主要包括工程師、采購商、供應商、營運商四種角色。工程師通過搜索引擎在零件庫中需要合適的零部件模型，然后下載該零部件模型并加入到自己的設計中，以減少設計時間，在生產階段會向采購商提出訂購請求；供應商自身信息就構成了“供應商信息”庫，提供的零部件資源就組成了“零件庫”，與采購商之間的訂單就是了“訂單”庫；采購商根據工程師的請求進行采購；運營商對整個零件庫進行管理和維護。
圖2 零件庫業務流程
1.2 云制造模式下的零件庫系統功能
零件庫系統是在制造云基礎上建立的。本文所論及的制造云包括非常豐富的功能，不能一一敘述，只將與零件庫系統相關的部分進行闡述，可分為兩個部分，分別為：1）制造云框架的搭建，2）在此制造云之上的零件庫系統。
與傳統零件庫相比較，建立云制造模式下的零件庫會遇到新的問題。云制造模式下的零件庫系統是為數量眾多的中小企業服務的，會出現如下問題：1）各中小企業提供的零部件命名規則、分類標準不一致；2）零部件建模工具不一致，導致零部件格式種類繁多；3）隨著用戶數量的不斷增多而帶來的訪問壓力增大問題，平臺需要具有擴展性；4）多家企業共享同一平臺及數據庫，數據安全非常重要。針對上述問題，本文提供了標簽及本體來統一零部件的命名及分類，通過數據格式轉化實現數據格式的統一，采用服務器集群和數據庫垂直切分技術實現平臺擴展，采用兩種數據隔離方式保證數據安全。
2 系統架構
2.1 多層架構
本文是在制造云基礎上實現零件庫系統的，該零件庫系統采用多層架構實現，如圖3 所示。最底層是資源層，該層的資源主要是由供應商提供；最頂層是界面層，主要是為采購商提供信息輸入輸出界面；中間部分是制造云，該層由運營商負責管理和維護。制造云又分為三層，分別是邏輯層、服務層、數據層。中間層還包含一個比較獨立的部分，即：運營服務，主要用來對整個制造云及零件庫系統進行管理和監控的。制造云提供的功能豐富，無法一一闡述，該架構圖只將本文零件庫系統所涉及的部分表示出來，其余部分省略。
2.2 系統數據庫
本文采用Force 數據模型[5]，如圖4 所示。由于平臺資源種類繁多，而且允許用戶定制服務，所需數據必須具有動態性、擴展性。平臺使用一系列元數據、數據表和軸表，在需要時才動態地生成用戶數據。
在圖1 中，對象元數據表用來存儲用戶定制對象信息，包括對象標識ObjID、對象名稱ObjName 等。字段元數據用來存儲定制字段（關系數據表中的列或屬性），包括唯一標識FieldID、所屬對象標識ObjID等。數據表存儲結構化和非結構化數據，用戶可以直接訪問，這些數據通過Objects 和Fields 映射到所有的定制對象的字段上。特殊軸表中的Indexes 包括強類型的索引列，用來定位相應數據類型字段的數據；
UniqueFields 軸表允許指定對象的某列是否具有唯一性；Relationships 允許在應用對象之間聲明參照完整性約束關系；NameDenorm 表用于存儲每個對象實例的ObjID 和Name 值，可以通過一個簡單的查詢就能獲取每個被引用的對象實例的Name 值。
圖3 零件庫系統架構
圖4 數據庫設計
3 零件庫系統
3.1 零件命名規則及數據表關聯
零件文件名共包含15 位數字，其中前7 位數字對應零件的級別，以此標明零件種類；8-12 標明該零件供應商，最后三位是零件發布企業的自編號。用戶在零件庫中搜索合適的零件，然后通過PartList 表中的PartsName 字段來索引零件模型，同時通過PartList 表中的PartsFatherID 索引零件供應商。零件命名規則、PartList 表和ProviderList 表的關系如圖5 所示。
圖5 零件命名規則及數據表關聯
3.2 零件三維模型在線顯示
3.2.1 數據格式轉換
用戶使用三維建模軟件建立零部件模型，一般三維軟件只輸出VRML 文件，但是VRML 文件大，不便于網絡傳輸，需要將VRML 文件轉化成X3D 文件才能實現在互聯網快速的動態交互。本文采用NIST（National Institute of Standards and Technology）的開發包VRML97ToX3DNist.jar[4]作為核心模塊，來處理用戶三維建模軟件輸出的.wrl 文件。
VRML97ToX3D 是一個獨立軟件包，在使用該軟件包時只需要按照要求編寫一個批處理文件，來調用里面的Vrml97ToX3DNist.jar 包。具體的源碼如下：
@convert.bat /批處理文件
@echo/開始轉化
call v2x3d.bat model/gear.wrl model/gear.x3d /調用v2x3dtest.bat
echo /轉化已經完成
v2x3d.bat /批處理文件
set CLASSPATH=Vrml97ToX3dNist.jar /設置路徑java iicm.vrml.vrml2x3d.vrml2x3d%1%2 /開發轉化3.2.2 零部件三維模型顯示及動態交互為更好的展示零件，系統采用可擴展標記語言——X3D（eXtensible 3D，可擴展3D）實現零件三維模型展示及動態交互，用戶可通過瀏覽器對零件進行旋轉和縮放。X3D 是Web3D 聯盟推出的新一代網絡3D 語言標準[6]，它以國際標準VRML97 為基礎，結合了XML，Java 和流技術，具有方便的擴展功能。
X3D 文件中的基本節點（Node）是由域（Field）和事件（Event）組成的，域保存數據，事件實現與外界的交互。X3D 有多種交互方式，有僅限于X3D 各節點間的內部交互方式，還有EAI（External AuthoringInterface，外部編程接口）和SAI（Script AuthoringInterface，腳本編程接口）兩種外部交互方式，本文采用EAI 方式實現動態交互。
EAI 是X3D 提供的外部編程接口[7]，是與X3D 瀏覽器插件相聯系的Java 包，EAI 包含于外部HTML 頁面中的JavaApplet 通信的接口，利用一系列Java 類來實現對X3D 交互。
將X3D 和Java Applet 置于同一個網頁中，JavaApplet 將用戶的交互信息傳遞給X3D 場景，X3D 作出相應反饋動作。應用EAI 方式實現動態交互過程如圖6 所示，基本方法如下：
通過GetBrowser（）方法獲得Browser 信息，即：用戶的動態交互信息，對Browser 對象使用GetNode（）方法獲得節點信息；在節點確定后，即可通過GetEventIn（）向節點的EventIn 域發出指令，使用GetEventOut（）從節點的EventOut 域獲取反饋信息，即實現動態交互。
圖6 EAI 交互過程
3.3 零件組織與管理
本文采用零部件分類、標簽、本體相結合方式來進行零部件的組織與管理，使零部件資源有序化。零件分類結構共有為5 個級別。這5 個級別是在開發零件庫時確定的，但是某級別下的子級別個數會隨著新零件的不斷出現而隨之增加。零件供應商在添加零件時，需要選擇零件所屬種類。這種分類方法比較死板，不能隨著零件的不斷增多和用戶興趣點的轉移而改變。
標簽又稱大眾分類法，指采用任意自由詞對信息資源進行標注而形成的分類詞表[8]。供應商在添加零件時可以輸入一個或多個表征該零件特征的標簽，如：45#鋼、鍍鋅、34 元。采購商可以通過一個或多個標簽檢索需要的零件。為保證標簽的有序性和有效性，系統記錄每次搜索的輸入項、輸出項，將這些搜索情況進行統計、排序，將使用次數多的標簽推薦給供應商和采購商。在供應商添加標簽時，推薦其使用排名靠前的標簽；對于采購商，建議采用使用次數多的標簽進行檢索。在搜索次數達到一定數量級后，標簽的排序就逐漸穩定下來。
圖7 零件庫運行界面
采用與管理標簽類似的方法管理本體庫。對于同一個零件，不同供應商可能給出不同的名稱；同時，同一個名稱可能對應不同的零部件。采用上述“搜索—排序”方式來管理本體庫，將使用次數多的作為該零件的本體，將其余的名稱或零件作為該本體的具體實例，繼承該本體的所有屬性。
4 實例
本文在制造云的基礎上開發了名為CMoPL（Cloud Manufacturing oriented Parts Library，面向云制造的零件庫）的零件庫系統。系統運行界面如圖7 所示，左側為零件分類結構樹，右上部分為標簽列表，右下方為零件列表。用戶通過瀏覽器即可在線查看零件三維模型。
5 結論
鑒于中小企業難以承擔建立零件庫的費用，本文提出采用云制造模式建立零件庫系統。本文對基于云制造模式的零件庫運營模式進行了闡述；針對多用戶的零件庫系統，提出多層架構、Force 數據模型、數據隔離等方式建立系統框架；采用X3D 進行零部件在線顯示及動態交互，通過分類、標簽、本體來進行零部件的組織與管理。中小企業通過租用來使用本系統，該零件庫可以有效幫助中小企業宣傳產品，對于提高企業信息化水平有很大幫助。
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本文標題：基于云制造模式的零件庫系統
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