切削刀具可視化柔性編碼系統設計*

張小粉 劉 雯 白 瑀

(①咸陽職業技術學院機電(技師)學院，陜西 咸陽 712000；②西安工業大學機電工程學院，陜西 西安 710000)

編碼作為一種信息對象標識方法，采用分類和符號數據描述事物特性。實施編碼規范后會帶來兩個問題：(1)運行編碼規范一段時間后，編碼空間面臨不足，而編碼規范是預先設定的，難以修改；(2)碼位過于專業化，只有專業人員才明白代碼串的具體代表含義，信息標準化人員對編碼認知不足，阻礙了管理。

柔性編碼系統是代碼結構可調、碼段長度可變以及碼段內容可擴充的編碼系統。可視化柔性編碼采用可視化技術定制編碼規則，以避免上述問題。編碼規范以可視化的表格或操作界面定制，形成軟件可識別的編碼規則文件，同時編制碼位填寫軟件，專業人員在軟件輔助指導下編碼，效率高且不易出錯，最后進行分發和更新。柔性編碼系統則結合了計算機高效處理和手工處理靈活的優點，具有實際應用價值。

1 國內外技術現狀

姜迎春敘述了傳統人工編碼的弊端，提出用樹形目錄編碼方案解決物料編碼，排除MIS系統實施的障礙[1]。郭安東開發種面向制造業信息化的分類編碼系統，碼位有順序碼、分類碼、結構碼和組合碼4種，解決企業編碼碼位不等、碼值不能得到充分利用問題[2]。鄭建鑫在成組技術(GT)的基礎上,研究零件編碼的含義，提出零件編碼及分類，應用到工裝夾具制造中，保證工藝繼承與優化[3]。張旭輝分析了面向多視圖的柔性編碼系統，支持5種碼段的建立，驅動事物編碼的自動生成[4]。何云峰提出柔性編碼系統是產品數據管理系統的重要組成部分，實現通用可視化柔性編碼規則系統[5]。王素提出適用于汽車制造企業的編碼算法,并設計物料編碼系統的模型以及與PDM系統的集成方案[6]。白瑀提出刀具可視化輔助編碼系統以完成多品種小批量制造模式企業加工刀具管理[7]。以上研究成果推動編碼技術從人工走向計算機輔助設計，并逐步成為ERP、PDM系統中信息集成的重要技術。

從目前ERP、PDM等自帶的編碼模塊來看，其柔性編碼效果不佳，其主要問題集中在：(1)代碼結構設計比較復雜。代碼結構指組成代碼之間的碼段的相互依賴關系，由于企業希望利用盡量短的代碼長度表達大量編碼信息，故在代碼前幾位設計很復雜的層次碼，后面的代碼內容依賴前面層次碼的輸入，根據排列組合原理，最終形成復雜的編碼邏輯結構，目前依然是企業人員建立編碼結構最大阻礙。(2)代碼中碼位內容設計經常需要調整。代碼結構設計完成后需要對碼位內容進行設計，此時由于編碼規范還沒有在企業實施，碼位內容不能很精確地預設，需要在生產實踐運行中完善和調整，由于生產的緊迫性，此時要求有快速響應的設計工具滿足此需求。

2 需求分析與開發平臺選型

2.1 需求分析

在切削刀具企業產品應用中，可視化柔性編碼系統有以下需求：

(1)碼段的描述方式要簡單直觀，有交互圖形界面，適合于非計算機編程知識人員使用(實用性)。

(2)可以直觀、快速地建立編碼規則(可視化)，編碼規則文件采用獨立格式存儲，而不是用數據庫字段存儲，可以脫離本機解析和分發(實用性)。

(3)編碼結構與編碼長度可以隨時調整，碼段的合成可以靈活配置(柔性)。

(4)碼段之間的關系可以用邏輯規則加以描述(強大、靈活性)。

(5)各個碼段的取值彈出相應界面或者在頁面中切換，統一界面，方便用戶操作(易操作性)。

(6)編碼期間要有各個碼段的提示，有編輯和刪除輸入字符的功能，編碼完成能存入數據庫(易操作性)。

(7)編碼數據庫需要有按照碼段查詢的功能，支持復合或多次查詢(靈活性)。

(8)簡單的編碼庫管理功能，包括修改、刪除編碼(完整性)。

通過以上分析和實際工廠調查，代碼設計主要由信息化標準人員實現并發布代碼編制規范，工程技術人員在實際生產過程中不斷提出代碼內容調整需求，信息化標準人員根據需求不斷完善規范。代碼使用方法以及設計、應用流程如圖1～2。

2.2 開發平臺選型

數據庫開發工具雖然能夠方便地對碼段數據進行存儲，但是在編碼規則知識表達上有很多缺陷，比如可擴充性差、難以定制通用解析器、不能脫機發布以及碼段之間結構難以描述等，故柔性編碼系統不適合采用數據庫編程工具，只能采用高級語言如VC、Java等，采用強大的數據結構和靈活的定制界面來實現特定功能，其缺點是開發工作量較大。對比分析后，本文采用Visual C作為開發工具，涉及數據庫相關編程采用ODBC標準接口，數據庫選型Sqlite，操作則利用SQL語言實現。

2.3 數據結構設計

采用XML文件描述代碼結構與碼段詳細信息具有可擴充性。本文采用的XML格式如圖3，其規則如下：

(1)編碼規則的結構信息和碼段內容信息都采用XML文件描述。圖3a為編碼規則的結構信息，圖3b為碼段內容詳細信息。

(2)在編碼規則的結構信息描述中，采用XML格式中標識“編碼節點”的父節點、子節點分層結構對應編碼規則分層結構(圖3a)。

(3)碼段內容詳細信息存儲在標識“編碼節點”節點的屬性里，特定內容存儲在子節點標識“編碼數據”里(圖3b)，其特點包括：①編碼規則節點的特定內容存儲在標識為“編碼數據”的子節點里，不同類型的節點有不同的格式與數據。②采用枚舉法描述碼段信息，該碼段可以兼容數字0～9，字母a～z，希臘字符、中文字符等，也便于以后修改和擴充碼段信息。③采用層次結構來描述碼段相鄰位之間的關系，以“節點”為關鍵字的節點建立了層次關系，最頂層節點代表第1位，次層節點對應第2位，以此類推，這種描述方式的優點是實現了變長碼段。④將碼段每種信息都分成2個屬性加以存儲，分別是“字符”和“含義”，代表用戶可以輸入的字符和相關含義。

3 代碼結構可視化設計與基于有限狀態機的實現

3.1 代碼結構描述與可視化建模

如圖4所示，本文采用可視化建模實現編碼結構設計。對于編碼結構信息采用以下定義：

(1)開始節點。表示開始編碼，用戶從此起點進行編碼，有向圖中用空心圓圈標識。

(2)結束節點。表示結束編碼，代碼編制過程結束，有向圖中用實心圓圈標識。

(3)碼段節點。 包含有層次碼段、層次碼段、固定碼段、流水碼段等，有向圖中用矩形方框標識。

(4)邏輯節點。代表對用戶輸入字符進行邏輯判斷，有向圖中用藍色邏輯表達式標識。

(5)跳轉節點。當編碼過程比較復雜時，將子代碼結構以包形式整體處理，有向圖中用點劃線矩形方框標識。

(6)跳轉開始節點。子代碼結構的開始節點，有向圖中用綠色矩形方框標識。

(7)關聯。即有向連線。

對于代碼結構信息，采用圖形方式交互式建立邏輯結構有向圖，分為3步：

(1)用戶在繪圖區域繪制各種節點。

(2)填寫節點內容。對于碼段節點，輸入碼段名稱與變量標識，對于邏輯節點，輸入邏輯判斷表達式。對于碼段節點可以定義狀態，用戶輸入字符即使該碼段狀態，變量標識是狀態的標示符，參與邏輯判斷。邏輯表達式中不帶變量標識時允許采用簡化表達，即省略“=”符號。當邏輯表達式中有變量標識時，利用狀態變量參與邏輯判斷，否則利用前驅節點狀態進行邏輯判斷。

(3)在節點之間進行關聯。當對碼段節點(前)與邏輯節點(后)進行關聯時，表示對該碼段中用戶輸入字符進行邏輯判斷，根據使用習慣，邏輯判斷值在右邊，有向圖中用虛線標識。當對碼段節點或邏輯節點(前)與碼段節點(后)進行關聯時，表示對后面代碼段進行編碼，有向圖中用帶箭頭連線標識。

圖4建立起山高整體硬質合金刀具編碼規范，包含產品類型、系列、槽型、直徑、形狀、長度、刀尖形狀、刀桿類型、刃數、分屑槽和鍍層11個碼位信息，建立代碼結構邏輯模型。

3.2 有限狀態機與有向圖解析

有限狀態機被用作設計和實現事件驅動的程序內部復雜行為的組織原則。有限狀態機包含事件、事件、狀態、轉移、動作與變量等內容。有限狀態機的兩種常見表示為：二維表與方向圖。在方向圖中，圓圈代表狀態，箭頭線代表轉移，標以事件和動作。二維表的行和列代表事件和狀態，單元格內包含動作和轉移。這兩種表示是等價的，分別側重于設計的不同方面。

建立代碼結構有向圖后，需要對有向圖進行解析以達到實用目的，本文結合有限狀態機與有向圖遍歷將解析過程分成2步操作：

第1步，計算所有編碼路徑。其操作是利用對有向圖拓撲排序。有向圖的第1個節點為開始節點，最后節點為結束節點。按照以下步驟進行排序：

(1)從有向圖中選擇開始節點作為起始定點，作為沒有前驅(即入度為0)的頂點并且輸出。從有向圖中刪去該頂點,并且刪去該頂點出發的所有向邊。

(2)重復上述步驟，直到圖中不再存在沒有前趨的頂點為止。

(3)記錄每次輸出的頂點，形成路徑。當步驟(1)中有多個頂點可選擇時，形成一組新的路徑。

第2步，編碼路徑判斷。根據有向圖節點的定義以及編碼路徑產生的過程可知，將用戶輸入作為編碼節點的狀態，可與邏輯節點進行判斷，用戶輸入編碼的過程就是最長可達路徑。對每條路徑進行以下操作并選擇最長可達路徑：

(1)選擇路徑中第1個碼段節點作為當前節點進行用戶輸入，輸入結果保存為該碼段節點狀態。

(2)提取當前節點的后續節點，并分為4種情況判斷：①如果該碼段后續節點是結束節點，則本次編碼結束。順序的碼段節點狀態就構成用戶輸入代碼。②如果該碼段后續節點是碼段節點，則將后續碼段節點作為當前節點進行用戶輸入，重復步驟(2)。③如果該碼段節點后續節點為邏輯節點，將該碼段節點狀態與邏輯節點進行判斷。如果判斷結果為真，路徑長度增加1，以后續節點作為當前節點重復本步驟。④如果該碼段節點后續節點為跳轉節點，則進入子有向圖操作，直到退出子有向圖為止。

從上述過程可知，從有向圖產生編碼路徑與編碼路徑的選擇都是遞歸的操作過程，當有向圖中存在環時，上述操作可能失敗，由于代碼結構有線分類、面分類和混合分類組成，實踐中不存在反復循環的分類編碼過程，故有向圖可以有效、可靠地表達代碼結構邏輯。

根據以上敘述，實現軟件運行界面如圖5所示。

4 結語

本文通過對編碼需求的分析，將代碼規范設計分成結構設計、碼段內容設計兩部分，利用XML文件格式實現可擴充的編碼規范描述。通過將代碼結構信息設計成各種圖形節點和連線實現結構可視化建模，結合有限狀態機理論和有向圖的遍歷算法實現有效、可靠的代碼結構解析與用戶輸入代碼過程相對應，實現了代碼結構與代碼內容的分離，為將代碼設計分成2個階段提供可能，避免了用戶編寫程序工作量與建立、測試編碼規范過程，最大限度地實現了刀具編碼規范柔性化。