面向CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成

崔嘉超，王廷軍，張 克

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

0 引言

隨著智能制造的深入推進，CAD系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)等單元技術在我國制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)制造中被廣泛使用。其中CAD系統(tǒng)用于輔助機械設計師進行產(chǎn)品結構設計、PDM系統(tǒng)用于產(chǎn)品設計人員進行管理與產(chǎn)品相關的設計數(shù)據(jù)和設計過程、CAPP系統(tǒng)用于輔助制造工程師產(chǎn)品結構工藝性檢查和產(chǎn)品工藝過程設計。

對我國制造業(yè)的產(chǎn)品設計和制造過程進行分析，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在單元系統(tǒng)間的流轉分為三種情況，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在CAD/CAPP/PDM等單元系統(tǒng)間的流轉如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)在CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間的流轉

1）產(chǎn)品設計工程師利用CAD系統(tǒng)完成設計后，將產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)提交PDM系統(tǒng)進行審核。審核通過，由制造工程師利用CAPP系統(tǒng)對零部件進行工藝性分析和工藝過程設計。

2）產(chǎn)品設計工程師根據(jù)客戶需求并以PDM系統(tǒng)的實例數(shù)據(jù)為基礎進行產(chǎn)品BOM配置，并將配置結構導入CAD系統(tǒng)進行二次改型設計。二次改型設計完畢將產(chǎn)品數(shù)據(jù)提交PDM系統(tǒng)進行審核，審核通過，由制造工程師利用CAPP系統(tǒng)對零部件進行工藝性分析和工藝過程設計。

3）制造工程師針對結構工藝性差的零部件提起變更并將變更申請?zhí)嵴圥DM系統(tǒng)進行審核。如果審核通過產(chǎn)品結構設計工程師利用CAD系統(tǒng)對該零部件進行變型設計。變型設計完畢，設計結果需重新提交PDM系統(tǒng)進行審核，由制造工程師利用CAPP系統(tǒng)對零部件進行工藝過程設計。

通過分析產(chǎn)品開發(fā)過程中的三種典型過程可知，產(chǎn)品開發(fā)過程分為不同的階段，技術人員在不同的單元系統(tǒng)中完成不同階段的產(chǎn)品設計，形成不同階段的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。產(chǎn)品開發(fā)的過程就是產(chǎn)品數(shù)據(jù)流轉的過程。

在過程1）中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)由CAD系統(tǒng)流轉到PDM系統(tǒng)，再由PDM系統(tǒng)流轉至CAPP系統(tǒng)；在過程2）中產(chǎn)品數(shù)據(jù)由PDM系統(tǒng)傳遞至CAD系統(tǒng)然后傳遞至PDM系統(tǒng)，經(jīng)過審批的圖文檔傳遞至CAPP系統(tǒng)進行工藝設計，最后數(shù)據(jù)流轉至PDM系統(tǒng)；在過程3）中產(chǎn)品數(shù)據(jù)按順序在CAPP系統(tǒng)—PDM系—CAD系統(tǒng)—PDM系統(tǒng)—CAPP系統(tǒng)間流轉。

產(chǎn)品開發(fā)的過程也是產(chǎn)品數(shù)據(jù)在單元系統(tǒng)間流轉的過程。現(xiàn)行的人工傳遞不但效率低而且易出錯，為提高產(chǎn)品設計效率，就要在CAD/CAPP/PDM等單元系統(tǒng)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成，為企業(yè)構建起統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化設計平臺，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在不同的單元系統(tǒng)間自動、準確、高效的傳遞。

1 數(shù)據(jù)集成模式

構建企業(yè)統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化設計平臺，將企業(yè)中的各單元系統(tǒng)集成起來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間的自動流轉和共享。常用的系統(tǒng)集成模式有人工模式、點對點集成模式、中間集成平臺模式等三種。

1.1 人工傳輸模式

人工傳輸模式是在企業(yè)信息化建設水平比較低的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間傳遞的一種方法。主要依靠優(yōu)盤、光盤等媒介進行傳遞。該方法的信息化水平比較低、效率低，已經(jīng)嚴重影響了產(chǎn)品設計效率。

1.2 點對點集成模式

點對點集成模式，主要用于實現(xiàn)對集成要求不高且具有相同安全等級的兩兩單元系統(tǒng)間集成，其主要優(yōu)點是數(shù)據(jù)實時性好和效率高，缺點在于點對點集成的耦合度高且柔性和可擴展性不強。實現(xiàn)集成的方法要求被集成的雙方應用系統(tǒng)要么開發(fā)數(shù)據(jù)庫，要么提供操作數(shù)據(jù)庫的API。點對點集成的集成模式和實現(xiàn)方式如圖2所示，通過集成接口實現(xiàn)對參與集成的雙方系統(tǒng)讀取和寫入數(shù)據(jù)。

1.3 中間集成平臺模式

中間集成平臺模式是在點對點集成的基礎上發(fā)展而來的，可以不降低系統(tǒng)間集成的耦合度，降低系統(tǒng)集成的復雜度，統(tǒng)一系統(tǒng)集成架構并減少后期的維護工作。中間集成平臺涉及的關鍵技術包括基于可擴展的XML中間數(shù)據(jù)交換協(xié)議、數(shù)據(jù)映射、消息機制、內(nèi)外部信息安全隔離、嵌入式適配器等。中間集成平臺可以在異構分布式環(huán)境下為不同的應用系統(tǒng)提供“即插即用”的集成服務，使得與中間件連接的各單元系統(tǒng)的用戶在權限許可的范圍內(nèi)實現(xiàn)跨地域的、一致的信息。

2 中間集成平臺模式的數(shù)據(jù)集成

2.1 CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成

根據(jù)第1節(jié)中的分析CAD/CAPP/PDM三單元系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成，可以分為兩組單元系統(tǒng)集成，一組是CAD單元系統(tǒng)和PDM單元系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成，另一組是CAPP單元系統(tǒng)和PDM單元系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成。

2.1.1 CAD系統(tǒng)/PDM系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成

1）由CAD單元系統(tǒng)傳遞給PDM單元系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括兩部分：一部分是結構設計工程師利用CAD系統(tǒng)設計完成的產(chǎn)品對應的PBOM以及PBOM各節(jié)點相關聯(lián)的圖文檔數(shù)據(jù)，另一部分是PBOM各節(jié)點對應零部件的工藝約束信息。根據(jù)關聯(lián)節(jié)點零部件的工藝特點，工藝約束信息分為面向自制件的工藝約束信息和面向裝配的約束信息。

2）PDM系統(tǒng)傳遞給CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為結構設計工程師在PDM系統(tǒng)中，利用統(tǒng)一物料庫、產(chǎn)品設計實例庫和客戶需求與產(chǎn)品功能映射規(guī)則庫等配置而成的PBOM以及PBOM各節(jié)點相關聯(lián)的圖文檔數(shù)據(jù)。

2.1.2 CAPP單元系統(tǒng)/PDM單元系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成

1）PDM單元系統(tǒng)傳遞給CAPP單元系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括兩部分：一部分是面向自制件工藝的擴展設計BOM和面向裝配工藝的擴展設計BOM以及與BOM相關的圖文檔數(shù)據(jù)。另一部分是工藝設計實例和特征及分段工藝實例。將這些數(shù)據(jù)傳遞給CAPP系統(tǒng)作為工藝設計人員進行工藝設計的依據(jù)和參考。

2）CAPP系統(tǒng)傳遞給PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為：制造工程師在CAPP系統(tǒng)中以創(chuàng)生或派生的方式對產(chǎn)品所屬零部件進行工藝過程設計。零部件工藝過程文件存儲在CAPP系統(tǒng)的工藝實例庫中作為后續(xù)實例化設計的基礎，同時將工藝文件以關聯(lián)文件的形式與產(chǎn)品設計BOM的對應自制件節(jié)點關聯(lián)。

2.1.3 系統(tǒng)間集成數(shù)據(jù)的存在形式分析

CAD/CAPP/PDM單元系統(tǒng)間需要集成的數(shù)據(jù)有些是隱式存在的，有些是顯式存在的。隱式存在的數(shù)據(jù)需要提取并按預定義的形式組織，顯式存在的數(shù)據(jù)可以直接獲取。

1）隱式存在的數(shù)據(jù)

圖2 點對點集成模式

隱式存在的數(shù)據(jù)主要包括兩類。一類是PBOM，PBOM能夠反映產(chǎn)品所屬零部件的屬性信息和零部件間父子關系。二維CAD系統(tǒng)裝配圖的標題欄和明細表中包含零件的屬性信息，三維裝配圖的設計樹反映構成產(chǎn)品的零部件間的層級和零部件間的父子關系。單獨的二維或三維CAD系統(tǒng)都不包含構建產(chǎn)品設計BOM需要的全部信息，因此基于CAD系統(tǒng)構建產(chǎn)品設計BOM，需要我們補充信息。另一類是擴展設計BOM，擴展設計BOM包含的工藝約束信息，是結構設計工程師為保證零部件在加工制造后能實現(xiàn)其設計功能而在二維工程圖中標注的信息。上述的兩類隱式存在的數(shù)據(jù)的獲取需要通過利用CAD的API函數(shù)、數(shù)據(jù)庫技術、XML技術等對CAD軟件進行二次開發(fā)獲取。

2）顯式存在的數(shù)據(jù)

單元系統(tǒng)間集成的顯式數(shù)據(jù)包括：CAD系統(tǒng)傳遞至PDM系統(tǒng)的圖文檔數(shù)據(jù)和CAPP系統(tǒng)傳遞至PDM系統(tǒng)的工藝附圖、數(shù)控程序代碼等。這些顯式存在的數(shù)據(jù)是以獨立文件的形式存在，該類文件的獲取是以FTP等文件傳輸?shù)男问竭M行。

圖3 CAD系統(tǒng)中集成的數(shù)據(jù)類型描述

圖4 PDM系統(tǒng)中集成的數(shù)據(jù)類型描述

2.2 中間集成平臺模式下的CAX/PDM數(shù)據(jù)集成模型

通過中間集成平臺模式實現(xiàn)企業(yè)應用系統(tǒng)的集成，為企業(yè)構建起一個統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化設計平臺。基于平臺的產(chǎn)品設計過程中，數(shù)據(jù)可以在應用系統(tǒng)間正確、快速的流轉和共享。

根據(jù)系統(tǒng)間集成數(shù)據(jù)的特點對CAD系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)進行二次開發(fā)，分別建立起CAX/CAPP/PDM等單元系統(tǒng)和中間集成平臺的適配連接。中間集成平臺和單元系統(tǒng)間的消息通信機制。中間集成平臺和單元系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞的載體采用XML文件，利用XML數(shù)據(jù)協(xié)議在系統(tǒng)間建立起統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)類型。

CAD單元系統(tǒng)、CAPP單元系統(tǒng)和PDM單元系統(tǒng)通過中間集成平臺，數(shù)據(jù)服務器和FTP文件傳輸服務實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)集成。

圖5 CAX/PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成模型

中間集成平臺：通過中間集成平臺實現(xiàn)CAD單元系統(tǒng)、CAPP單元系統(tǒng)和PDM單元系統(tǒng)間的雙向集成，需要中間集成平臺具備消息管理機制、XML文件管理、用戶角色和權限管理、日志管理和映射管理、適配器管理等功能。

嵌入式適配器：數(shù)據(jù)接口是以DLL文件形式分別嵌入CAD系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)。數(shù)據(jù)接口主要用于解析XML文件提取信息、提取CAD系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成XML文件、圖文檔數(shù)據(jù)的上傳和下載。嵌入式適配器是實現(xiàn)系統(tǒng)集成的重要組件

PDM數(shù)據(jù)服務器：是PDM系統(tǒng)中用于存儲產(chǎn)品層次結構以及組成產(chǎn)品的各個零部件的屬性信息的數(shù)據(jù)服務器。

FTP服務器：用于存儲PBOM各節(jié)點零部件對應的二維或三維圖文檔數(shù)據(jù)；CAPP系統(tǒng)傳遞給PDM系統(tǒng)的工藝附圖、數(shù)控程序代碼、等工藝過程控制文件。

XML文件服務器：CAD單元系統(tǒng)和PDM單元系統(tǒng)數(shù)據(jù)以XML文件的格式生產(chǎn)中間文件，通過中間集成平臺上傳至XML文件服器的數(shù)據(jù)用于存儲CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)生成并上傳到中間集成平臺的XML格式文件。

3 實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的關鍵技術

3.1 PBOM數(shù)據(jù)在PDM系統(tǒng)中的存儲

產(chǎn)品設計BOM和面向自制件工藝的擴展EBOM以及面向裝配工藝的擴展EBOM在形式上市以可視化的樹形視圖在PDM系統(tǒng)中進行顯示。在形式的背后，產(chǎn)品設計BOM和擴展設計BOM所包含的信息被存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中。本文以產(chǎn)品設計BOM為例研究BOM數(shù)據(jù)以及關聯(lián)的圖文檔在關系型數(shù)據(jù)庫中的存儲技術。

利用關系型數(shù)據(jù)庫記錄PBOM以及PBOM各節(jié)點關聯(lián)的圖文檔數(shù)需要記錄節(jié)點零部件屬性R（A）、節(jié)點間的層級關系即節(jié)點間的父子關系R（B）、節(jié)點與節(jié)點零件關聯(lián)圖文檔的關系R（C）。要清楚表達PBOM以及PBOM各節(jié)點關聯(lián)的圖文檔間的關系，需要建立多張數(shù)據(jù)庫表，下面我們以PBOM樹形結構關系表BOM—01為例說明表中字段和數(shù)據(jù)類型，如表1所示。

表1 BOM樹形結構關系表BOM—01

其中：PCode與CCode為一對多映射關系，CCode與PName為一對一映射關系。

3.2 消息字符串的定義

通過Socket消息套接字實現(xiàn)CAD/CAPP/PDM單元系統(tǒng)與中間集成平臺之間的消息傳遞。根據(jù)系統(tǒng)的需求，Socket套接字有：VCode（驗證代碼）、ID (數(shù)據(jù)接口標識)、CtrlWord（控制字碼）、OperType（操作類型號）、CurrBadge（當前數(shù)據(jù)包標識）、ReBadge（回復數(shù)據(jù)包標識）、TxtType（文本類型）、LText（文本長度）、Txt（正文）10個字符類型組成，中間以“|”為分隔符[37]。消息字符串的組成與結構如式(1)所示：

VCode |ID| CWord | OrType |0| CBadge | RBadge |TType | LText | Txt | Vcode

查詢文件的XML地址。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸文件格式定義

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間的準確快速傳遞，本文選擇XML文件作為數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間傳遞的載體。并定義一套適合于CAD/PDM/CAPP單元系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口和中間集成平臺能夠解析的XML格式數(shù)據(jù)交換協(xié)議。采用XML格式文件作為中間文件交換數(shù)據(jù)，使中間集成平臺與各單元系統(tǒng)間具有較好的適配性和可擴展性。利用XML數(shù)據(jù)交換協(xié)議，能清晰的表達節(jié)點間的層次關系，和節(jié)點的屬性。XML數(shù)據(jù)交換協(xié)議定義如圖6所示。

圖6 XML數(shù)據(jù)交換協(xié)議定義

4 結語

文章首先由數(shù)據(jù)在CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間的流轉進行分析，得出產(chǎn)品開發(fā)過程中對系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成的客觀需求。通過對系統(tǒng)集成模式及CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間集成數(shù)據(jù)進行分析，提出了基于中間集成平臺模式實現(xiàn)CAD/CAPP/PDM系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成的方案。