三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成技術(shù)的研究與應(yīng)用

   現(xiàn)代制造業(yè)企業(yè)通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、CAX 等技術(shù)，大大提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。與此同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題：一方面，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和技術(shù)文檔呈現(xiàn)信息爆炸的增長(zhǎng)勢(shì)頭，使得數(shù)據(jù)管理更加困難；另一方面，由于企業(yè)各個(gè)部門使用不同的應(yīng)用系統(tǒng)，部門間缺乏有效的信息傳遞和轉(zhuǎn)換，因而形成"信息孤島"。這些問(wèn)題的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了CAX技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了有效管理這些設(shè)計(jì)文檔和數(shù)據(jù)，協(xié)同企業(yè)不同部門信息共事，出現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management ， PDM)。PDM 系統(tǒng)作為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)信息集成平臺(tái)，通過(guò)集戚來(lái)自不同應(yīng)用系統(tǒng)的信息，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中各種軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和文擋選行有管理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件之間的信息共事，建立企業(yè)全局信息集成平臺(tái)。

可見，CAX與PDM系統(tǒng)集成巳成為當(dāng)前企業(yè)信息化的首要任務(wù)，其中三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成是具體實(shí)施中要求最高、難度最大的一環(huán)。針對(duì)此問(wèn)題，本文介紹三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成的原理和關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 應(yīng)用集成模式

集成是基于信息技術(shù)的資掠及應(yīng)用聚集在一個(gè)協(xié)同工作的整體，它包括功能交互、信息共享和數(shù)據(jù)通信3個(gè)方面的管理與控制。對(duì)于CAD PDM 之間的集成層次，分為以下3個(gè)模式。

1. 1 應(yīng)用封裝模式

應(yīng)用封裝模式是將所有CAD應(yīng)用程序進(jìn)行集成，使不同的應(yīng)用程序之間能夠共享信息，而PDM系統(tǒng)則對(duì)不同應(yīng)用程序產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)文件進(jìn)行有效管理。當(dāng)PDM系統(tǒng)封裝了CAD應(yīng)用程序，即可在PDM 系統(tǒng)的圖形文件中直接激活相應(yīng)的CAD 系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中顯示相應(yīng)的圖形文件。反之，在CAD系統(tǒng)中也可直接近人PDM系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理操作，但不允許PDM系統(tǒng)管理文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)。一般，封裝模式用于PDM系統(tǒng)與二維CAD軟件的集成，自動(dòng)化程度較低，但實(shí)施工作量較少，容易實(shí)現(xiàn)。

1. 2 接口交換模式

接口交換模式是通過(guò)CAD提供的API函數(shù)編制接口程序，獲取CAD裝配模型中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹信息和零部件的裝配約束關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)交換將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息和關(guān)聯(lián)文檔提交PDM數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，通過(guò)PDM的API 函數(shù)提取PDM 數(shù)據(jù)庫(kù)中的最新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹信息，來(lái)更新CAD系統(tǒng)中的裝配模型，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)異步一致。接口模式是較封裝模式更高層次的集成模式，自動(dòng)化程度更高。一般適合于PDM系統(tǒng)與三維CAD軟件的集成。但接口模式的開發(fā)工作量大，對(duì)開發(fā)人員的要求較高。

1. 3 緊密集成模式

緊密集成模式是CAD和PDM系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)等所有類型的數(shù)據(jù)都提供了雙向交換和共享的一種集成模式。采用緊密集成始終可以保持CAD 的產(chǎn)品裝配關(guān)系和PDM 的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹同步一致。緊密集成模式是理想的集成模式，集成相當(dāng)復(fù)雜，一般只有軟件供應(yīng)商才能夠提供。

2 系統(tǒng)集成總體結(jié)構(gòu)和主要功能

本文采用接口交換模式實(shí)現(xiàn)三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成。一方面通過(guò)CAD系統(tǒng)向PDM系統(tǒng)批量提交產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和關(guān)聯(lián)文擋，在PDM系統(tǒng)構(gòu)建產(chǎn)品BOM 結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)模型文檔； 另一方面直接從PDM 系統(tǒng)讀取相關(guān)的產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)信息和關(guān)聯(lián)文檔來(lái)更新CAD 中的模型信息，實(shí)現(xiàn)三維CAD 與PDM 系統(tǒng)間數(shù)據(jù)雙向異步交換。其三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成總體結(jié)構(gòu)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，企業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和設(shè)葉文檔，一般保存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)和FTP上。從數(shù)據(jù)及文檔的流向和系統(tǒng)雙向集成的功能角度分析，三維CAD與PDM 系統(tǒng)雙向集成主要包括數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)下載兩大功能，如圖2所示。其中數(shù)據(jù)上傳部分主要包括臨時(shí)數(shù)據(jù)處理、BOM數(shù)據(jù)上傳和模型文檔數(shù)據(jù)上傳:數(shù)據(jù)下載部分主要包括BOM數(shù)據(jù)下載、模型文檔數(shù)據(jù)下載和CAD中構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。

圖2 三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成

3 系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維CAD 的API 函數(shù)

三維CAD產(chǎn)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是構(gòu)建PDM系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和基本信息的重要源頭之一。因而，如何將三維CAD中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和基本信息提取出來(lái)，將是系統(tǒng)集成的前提條件。當(dāng)前，企業(yè)中常用的三維CAD軟件，不論是CATIA、UG、Pro/E和IDEAS等高端CAD 軟件，還是SolidWorks 、SolidEdge 和Inventor 等中端CAD軟件，軟件供應(yīng)商都給客戶提供相關(guān)的API函數(shù)，方便客戶開發(fā)個(gè)性化的功能。

三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成中，API函數(shù)的正確使用將大大提高集成效率。在數(shù)據(jù)上傳前，通過(guò)相關(guān)的API函數(shù)遍歷整個(gè)裝配模型，獲取產(chǎn)品的裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)信息和基本屬性信息等。而在數(shù)據(jù)下載后，通過(guò)相關(guān)的API函數(shù)在CAD軟件中構(gòu)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，更新產(chǎn)品裝配模型等。

3.2 數(shù)據(jù)交換技術(shù)

雖然不同的CAD軟件獲取產(chǎn)品信息的API函數(shù)不同，但是獲取到的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和基本信息可以通過(guò)XML格式統(tǒng)一表達(dá)。只要針對(duì)不同的CAD軟件開發(fā)不同的CAD前端接口，就可以得到統(tǒng)一格式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息和基本屬性倍息。

三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成數(shù)據(jù)交換主要包括兩個(gè)方面的數(shù)據(jù)：1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和基本屬性數(shù)據(jù)；2)產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)。對(duì)于前者的數(shù)據(jù)也就是通過(guò)CAD 前端接口得到的數(shù)據(jù)，用戶借助PDM供應(yīng)商提供的API函數(shù)，以XML格式與PDM數(shù)據(jù)庫(kù)( SQL Server/Oracle等)交換數(shù)據(jù)。對(duì)于后者的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，既可以保持原模型文檔數(shù)據(jù)格式，又可以將原模型文檔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)格式(STEP/IGES 等) ，然后通過(guò)API 函數(shù)或FTP操作將模型數(shù)據(jù)提交PDM 數(shù)據(jù)庫(kù)或FTP。在模型數(shù)據(jù)交換中， 將模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，可為不同CAD系統(tǒng)共享相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.3 文檔管理技術(shù)

制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)文檔是企業(yè)核心技術(shù)的表現(xiàn)，為了對(duì)這些文檔進(jìn)行有效的管理，需要采用以下幾種管理技術(shù)：1)隨著信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，電子設(shè)計(jì)文檔數(shù)量也在不斷增加，為了減少存儲(chǔ)空間，采用文檔壓縮/解壓技術(shù)；2)考慮到企業(yè)文檔的重要性和安全性，采用文檔加密/解密技術(shù)；3)文檔數(shù)量龐大，所表達(dá)的信息復(fù)雜各異，為了方便查找使用，采用文檔編碼技術(shù)。通過(guò)以上文檔管理技術(shù)，可以減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間容量，確保企業(yè)文檔數(shù)據(jù)的安全性，規(guī)范企業(yè)文檔的命名規(guī)則。

3.4 權(quán)限管理技術(shù)

設(shè)計(jì)師使用三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成接口，得到企業(yè)以往的設(shè)計(jì)資料，協(xié)助他們進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高工作效率。然而，集成接口的靈活性同樣會(huì)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)師違規(guī)操作將泄露企業(yè)的核心技術(shù)資料。針對(duì)企業(yè)技術(shù)資料的安全性，可以采用權(quán)限管理技術(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)師的角色和設(shè)計(jì)任務(wù)，來(lái)分配設(shè)計(jì)師對(duì)技術(shù)資料使用的權(quán)限。權(quán)限管理技術(shù)主要包括用戶權(quán)限管理、BOM權(quán)限管理和文檔權(quán)限管理。用戶權(quán)限管理是驗(yàn)證設(shè)計(jì)師使用數(shù)據(jù)集成接口的合法性，是與PDM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的安全保障。BOM 權(quán)限管理是根據(jù)設(shè)計(jì)師的角色和設(shè)計(jì)任務(wù)給其分配一定的權(quán)限，設(shè)計(jì)師在使用數(shù)據(jù)集成接口過(guò)程中，只能獲取與自己分配的任務(wù)相關(guān)的技術(shù)文檔資料，保證整個(gè)項(xiàng)目的安全性。文檔權(quán)限管理是PDM系統(tǒng)對(duì)所有的文檔設(shè)置了不同的訪問(wèn)權(quán)限(瀏覽、下載和修改)。設(shè)計(jì)師通過(guò)數(shù)據(jù)集成接口訪問(wèn)PDM系統(tǒng)文檔時(shí)，集成接口會(huì)查找當(dāng)前用戶的角色和系統(tǒng)分配的權(quán)限來(lái)決定設(shè)計(jì)師使用文檔的權(quán)限，完全保證企業(yè)技術(shù)資料的安全性。

4 應(yīng)用實(shí)例

作者在深入企業(yè)調(diào)研、明確企業(yè)需求的基礎(chǔ)上，分階段設(shè)計(jì)開發(fā)出三維CAD(CATIA、SolidWorks和SolidEdge )與MITPDM系統(tǒng)雙向集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)三維CAD 與PDM 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)雙向異步交換。下面以SolidWorks軟件為例詳細(xì)介紹系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

利用CAD軟件提供的API函數(shù)，在CAD軟件中集成用戶定制的功能菜單或工具條。當(dāng)設(shè)計(jì)師完成部件設(shè)計(jì)，操作數(shù)據(jù)上傳功能菜單，后臺(tái)將通過(guò)API函數(shù)獲取當(dāng)前工作部件的BOM信息和基本屬性信息，如圖3所示。設(shè)計(jì)師根據(jù)需要完善部件的屬性信息， 將批量上傳部件的BOM信息、屬性信息和關(guān)聯(lián)文襠到PDM系統(tǒng)。用戶進(jìn)入PDM系統(tǒng)，將看到從CAD系統(tǒng)傳來(lái)的部件BOM信息和關(guān)聯(lián)文擋，并且兩者已經(jīng)關(guān)聯(lián)。在PDM 系統(tǒng)中，部件的BOM信息、基本信息和關(guān)聯(lián)文檔審簽歸檔之前，系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)師通過(guò)三維CAD數(shù)據(jù)集成接口反復(fù)更新該部件的相關(guān)信息，保持兩個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。

數(shù)據(jù)下載功能主要是提高企業(yè)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)效率，提高企業(yè)技術(shù)知識(shí)的重用，盡量減少不必要的重復(fù)性勞動(dòng)。設(shè)計(jì)師操作數(shù)據(jù)下載功能菜單，系統(tǒng)根據(jù)其自身在PDM中的角色和權(quán)限，將會(huì)對(duì)用戶開放允許的部件BOM信息，用戶通過(guò)精確或模糊查詢選擇自己需要的部件BOM，在原部件BOM基礎(chǔ)上自寇義添加或減少相關(guān)的BOM信息，建立用戶需要的部件BOM信息，圖4為用戶建立的BOM信息。當(dāng)部件或產(chǎn)品的BOM組建好后，通過(guò)PDM的API函數(shù)獲取PDM系統(tǒng)中部件或產(chǎn)品的BOM信息、基本屬性信息和關(guān)聯(lián)文檔。然后通過(guò)CAD系統(tǒng)的API函數(shù)在CAD系統(tǒng)中建立部件或產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)樹.并自動(dòng)更新產(chǎn)品模型。

5 結(jié)論

本文以系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成功能為中心，采用接口交換模式實(shí)現(xiàn)三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成，解決企業(yè)CAD 系統(tǒng)與PDM 系統(tǒng)信息孤立，避免企業(yè)不必要的重復(fù)性勞動(dòng)，大大提高企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的效率和數(shù)據(jù)重用，實(shí)現(xiàn)三維CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)異步交換，有效保證兩系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一致性。通過(guò)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，更能證明本文提出數(shù)據(jù)集成方法的可行性。另外，基于接口交換模式的數(shù)據(jù)集成易于開發(fā)數(shù)據(jù)集成功能組件，只要針對(duì)不同CAD系統(tǒng)開發(fā)獨(dú)立的前端接口，就可以用組件組合方式實(shí)現(xiàn)不同CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成接口，更為企業(yè)建立異掏系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成平臺(tái)作好前期準(zhǔn)備。