結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009）

目前，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)與工藝存在脫節(jié)，有些產(chǎn)品圖紙存在標(biāo)注不規(guī)范、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、公差標(biāo)注過嚴(yán)、加工性差等問題[1]。這給制造過程帶來很大的負(fù)擔(dān)加大了不合格品的產(chǎn)生。此外，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中需要閱讀大量的設(shè)計(jì)資料，其中大多數(shù)是紙質(zhì)設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)者還必須進(jìn)行比對(duì)、篩選、驗(yàn)證，如選擇合適的原材料、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、公差、標(biāo)注等，最終選取相對(duì)較好的方案[2]。由于設(shè)計(jì)者本身知識(shí)和設(shè)計(jì)資料的局限性，使得設(shè)計(jì)結(jié)果不可能達(dá)到最好。

為了有效解決這個(gè)問題，本文開發(fā)了基于C/S（Client/Service，客戶端和服務(wù)器）模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo)系統(tǒng)，將信息化技術(shù)融入到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。該系統(tǒng)集成豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，包括選材庫、尺寸公差庫、形位公差庫、工程化指導(dǎo)等。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品特征直接方便地從系統(tǒng)中獲得金屬材料、公差、標(biāo)注方法、建模方法等相應(yīng)的設(shè)計(jì)資料，最終提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝性。

1 系統(tǒng)組成及功能

1.1 系統(tǒng)總體介紹

該系統(tǒng)是針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整個(gè)過程的專業(yè)軟件系統(tǒng)，涉及計(jì)算機(jī)應(yīng)用、軟件編程和數(shù)據(jù)庫操作等多個(gè)方面。

一個(gè)良好的系統(tǒng)平臺(tái)會(huì)給系統(tǒng)后續(xù)的開發(fā)和維護(hù)帶來簡(jiǎn)便，也會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)行和操作更穩(wěn)定。為了提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo)系統(tǒng)的知識(shí)共享度，本文采用基于C/S模式的系統(tǒng)架構(gòu)，相對(duì)于B/S（Brower/Service，瀏覽器和服務(wù)器）模式的系統(tǒng)架構(gòu)而言，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)運(yùn)行速度基本不受訪問用戶數(shù)量的限制。軟件系統(tǒng)平臺(tái)基于Visual Studio.NET 2005，開發(fā)環(huán)境和語言為Win Form和C#，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)選用Oracle9i。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo)系統(tǒng)是供設(shè)計(jì)人員使用的，通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行調(diào)查，明確需求，策劃系統(tǒng)方案、功能模塊及流程圖，主要包括系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊和系統(tǒng)應(yīng)用模塊兩大類，其中系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊包括系統(tǒng)的登陸和運(yùn)行界面、用戶管理、密碼安全管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等；系統(tǒng)應(yīng)用模塊包括合理選材模塊、公差標(biāo)注模塊、工程化指導(dǎo)模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖Fig.1 Flow chart of the system structure

1.2 系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊

一套軟件系統(tǒng)不僅包括系統(tǒng)應(yīng)用模塊，而且必須包含系統(tǒng)整體框架及其基礎(chǔ)模塊，如系統(tǒng)的登錄和運(yùn)行界面、用戶管理、密碼安全管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等?；A(chǔ)模塊是軟件系統(tǒng)完整性的必要要求。可以說，系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)模塊的開發(fā)難度遠(yuǎn)大于應(yīng)用模塊。

1.2.1 登陸模塊

系統(tǒng)登錄模塊是進(jìn)入系統(tǒng)的大門，也是系統(tǒng)第一道安全屏障。用戶輸入正確的用戶名和密碼，則可以進(jìn)入系統(tǒng)操作界面，如圖2所示。否則，系統(tǒng)提示用戶名或密碼有誤，禁止登錄系統(tǒng)。在操作界面上用戶可以根據(jù)需要選中相應(yīng)的功能項(xiàng)，系統(tǒng)即刻將該功能對(duì)應(yīng)的操作窗口激活并顯示為當(dāng)前窗口。系統(tǒng)操作界面包括：系統(tǒng)提示、當(dāng)前窗口名稱、用戶信息、當(dāng)前時(shí)間等。

圖2 系統(tǒng)操作界面Fig.2 Operating interface of the system

1.2.2 用戶管理模塊

系統(tǒng)用戶管理模塊包括注冊(cè)新用戶和用戶管理兩個(gè)功能。注冊(cè)新用戶功能能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)中增加新的用戶，具有注冊(cè)權(quán)限的用戶設(shè)定新用戶的默認(rèn)密碼，并指定角色，完成新用戶注冊(cè)。用戶管理功能能夠?qū)崿F(xiàn)修改系統(tǒng)用戶信息，包括重置密碼、更換角色、刪除用戶等操作。本系統(tǒng)的用戶分為3種類型：Admin超級(jí)用戶、系統(tǒng)管理員用戶和普通用戶。在系統(tǒng)初始化時(shí)創(chuàng)建一個(gè)默認(rèn)的Admin超級(jí)用戶，Admin用戶擁有唯一的最高權(quán)限，可以創(chuàng)建和管理系統(tǒng)管理員用戶和普通用戶；系統(tǒng)管理員用戶擁有所有的管理權(quán)限，可以創(chuàng)建和管理普通用戶；普通用戶在數(shù)據(jù)管理模塊中只有查詢的權(quán)限。所有用戶都可以管理自己的用戶信息。系統(tǒng)用戶管理模塊流程如圖3所示。

圖3 用戶管理模塊流程Fig.3 Process of user management module

1.3 系統(tǒng)應(yīng)用模塊

1.3.1 合理選材模塊

選材模塊是該系統(tǒng)主要應(yīng)用模塊之一。選材模塊包括選材原則和選材兩部分。選材原則功能主要指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員如何進(jìn)行合理選材，選材時(shí)要考慮哪些因素等；選材功能可以根據(jù)用戶的輸入條件從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中快速檢索出滿足條件的材料信息，并將符合條件的材料信息按照優(yōu)先順序依次列出。

對(duì)于企業(yè)來說，并不會(huì)備齊所有的材料和規(guī)格，而是會(huì)根據(jù)企業(yè)對(duì)材料的需求和應(yīng)用情況，形成企業(yè)自身的材料優(yōu)選目錄。所以針對(duì)特定的企業(yè)，合理選材所涉及的材料種類將大大減少，合理選材模塊所準(zhǔn)備的基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)也減小。

以某航空企業(yè)為例，系統(tǒng)材料庫中錄入了該企業(yè)材料優(yōu)選名錄中原材料的基本信息，種類涵蓋結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、鎂合金、銅合金和不銹鋼；毛坯種類包括板材、棒材、管材和絲等。選材功能輸入條件包括材料種類、品種、參考規(guī)格、彈性模量、極限應(yīng)力、硬度等涉及材料特征和力學(xué)性能的參數(shù)。選材時(shí)不僅是選規(guī)格，更重要的是讓所選擇的材料滿足使用性能。本系統(tǒng)的開發(fā)就兼顧了各種因素，確保選材過程的科學(xué)性。圖4以鋁合金、棒材、參考規(guī)格30為例說明了選材模塊的使用過程。

圖4 合理選材應(yīng)用實(shí)例Fig.4 Example of reasonable selection and application

1.3.2 公差標(biāo)注模塊

在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中，孔軸公差配合表包括間隙配合、過度配合、過盈配合3種，數(shù)量繁多，但是許多公差帶和配合使用甚少，形同虛設(shè)，不僅增加了定值刀具和量具的品種規(guī)格，而且給管理帶來困難，影響經(jīng)濟(jì)效益。為此，GB/T1801-1999規(guī)定了基本尺寸至500mm的常用和優(yōu)先孔和軸公差帶，在此基礎(chǔ)上又規(guī)定了常用和優(yōu)先基孔制配合和基軸制配合[3]。在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)，公差配合可以限定在國(guó)家規(guī)定的常用和優(yōu)先基孔制配合和基軸制配合范圍及其選用的原則以內(nèi)。

公差標(biāo)注模塊主要是指出公差等級(jí)選用的實(shí)例，以此為參考使設(shè)計(jì)者從公差標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值表中選出最合適的公差值。為了更好地讓設(shè)計(jì)人員了解制造過程，系統(tǒng)增加了各種加工方法能夠達(dá)到的形位公差等級(jí)，如圖5所示。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)能夠清楚公差的選擇范圍，并根據(jù)零件的實(shí)際使用條件具體選擇最合適的公差等級(jí)。從而保證標(biāo)注的公差數(shù)值不至于過嚴(yán)或者過松，造成不必要的精加工或者淪為次品。

圖5 加工方法獲得的公差等級(jí)Fig.5 Tolerance levels for processing method

1.3.3 工程化指導(dǎo)模塊

工程化指導(dǎo)模塊主要的功能是通過對(duì)各種典型特征的建模和標(biāo)注方法的分類描述，讓設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)和參考標(biāo)準(zhǔn)的、合理的方法，以使其設(shè)計(jì)出來的圖紙質(zhì)量更高，工藝性也更好。該模塊還包含目前常用的加工設(shè)備的加工技術(shù)指標(biāo)，供設(shè)計(jì)人員參考。工程化圖例指導(dǎo)模塊通過對(duì)比某特征建模形式和標(biāo)注工藝性差和工藝性好兩張圖例，附帶簡(jiǎn)要說明，讓設(shè)計(jì)人員清楚該圖例工藝性好在哪里，從而對(duì)自己的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行改進(jìn)。圖6以孔類型為例，以高精度通氣孔圖例具體說明了在標(biāo)注尺寸和公差時(shí)應(yīng)該注意的問題。

圖6 工程化圖例指導(dǎo)實(shí)例Fig.6 Example of engineering legend guidance

2 系統(tǒng)開發(fā)難點(diǎn)

2.1 用戶密碼安全

用戶密碼安全是信息化系統(tǒng)必須考慮的關(guān)鍵問題之一。用戶密碼原則上只應(yīng)該本人知曉，其他人員不得也不能從系統(tǒng)中獲得某個(gè)用戶的密碼信息。因此，用戶密碼在數(shù)據(jù)庫中必須加密存儲(chǔ)。加密算法可以自己編寫也可以調(diào)用其他通用的成熟算法，為了避開嫌疑采用通用加密算法是最合適的。

經(jīng)過查閱資料，綜合比較，選用MD5哈希算法最合適[4]。該算法能很好地嵌入到Visual Studio.NET平臺(tái)，應(yīng)用起來也比較方便。在程序設(shè)計(jì)中密碼驗(yàn)證、存儲(chǔ)等過程嚴(yán)格保護(hù)用戶初始輸入的密碼。在第一時(shí)間將用戶輸入的密碼進(jìn)行哈希算法加密，用加密后的密碼再進(jìn)行各種驗(yàn)證操作。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

對(duì)信息化系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)處理是非常頻繁的。如果大量的數(shù)據(jù)處理過程在前臺(tái)程序進(jìn)行，那么系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交換和傳輸將會(huì)變慢，不僅不利于系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，也會(huì)大大影響系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

為了解決這個(gè)潛在的問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。首先，盡量使前臺(tái)程序與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互盡可能少，能一次傳遞的，不要分多次；其次，要充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫的作用。數(shù)據(jù)庫不是簡(jiǎn)單的用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的倉庫，它最突出的優(yōu)勢(shì)是處理數(shù)據(jù)與操作數(shù)據(jù)并行。也就是說前臺(tái)獲得若干數(shù)據(jù)，不需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分批處理，只需要把這些數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中執(zhí)行編寫好的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，完成一系列數(shù)據(jù)的操作和存儲(chǔ)，最后返回一個(gè)信息告訴前臺(tái)執(zhí)行結(jié)果即可。這樣，不僅能減少前臺(tái)的代碼量，而且減少了對(duì)數(shù)據(jù)庫的多次頻繁操作，保證了數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的若干問題，建立基于C/S模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輔助指導(dǎo)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊和應(yīng)用模塊及其實(shí)用價(jià)值和意義。通過實(shí)際應(yīng)用，選材過程變得更快捷方便；各種標(biāo)注方法的指導(dǎo)也使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品圖紙質(zhì)量更高，工藝性更好；各種與制造過程相關(guān)的數(shù)據(jù)能夠方便查找，便于設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的綜合選擇。工程實(shí)踐表明，本系統(tǒng)最終提高了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝性，同時(shí)提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率，對(duì)電路設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)等行業(yè)具有很好的借鑒作用。

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