三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成技術的研究與應用

   現代制造業(yè)企業(yè)通過應用計算機技術、信息技術、CAX 等技術，大大提高企業(yè)產品開發(fā)能力和市場競爭能力。與此同時，也帶來了新的問題：一方面，產品設計過程中的設計數據和技術文檔呈現信息爆炸的增長勢頭，使得數據管理更加困難；另一方面，由于企業(yè)各個部門使用不同的應用系統(tǒng)，部門間缺乏有效的信息傳遞和轉換，因而形成"信息孤島"。這些問題的出現嚴重影響了CAX技術在企業(yè)的應用，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了有效管理這些設計文檔和數據，協(xié)同企業(yè)不同部門信息共事，出現了產品數據管理(Product Data Management ， PDM)。PDM 系統(tǒng)作為企業(yè)產品開發(fā)信息集成平臺，通過集戚來自不同應用系統(tǒng)的信息，對產品開發(fā)過程中各種軟件所產生的數據和文擋選行有管理，實現應用軟件之間的信息共事，建立企業(yè)全局信息集成平臺。

可見，CAX與PDM系統(tǒng)集成巳成為當前企業(yè)信息化的首要任務，其中三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成是具體實施中要求最高、難度最大的一環(huán)。針對此問題，本文介紹三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成的原理和關鍵實現技術。

1 應用集成模式

集成是基于信息技術的資掠及應用聚集在一個協(xié)同工作的整體，它包括功能交互、信息共享和數據通信3個方面的管理與控制。對于CAD PDM 之間的集成層次，分為以下3個模式。

1. 1 應用封裝模式

應用封裝模式是將所有CAD應用程序進行集成，使不同的應用程序之間能夠共享信息，而PDM系統(tǒng)則對不同應用程序產生的特征數據及數據文件進行有效管理。當PDM系統(tǒng)封裝了CAD應用程序，即可在PDM 系統(tǒng)的圖形文件中直接激活相應的CAD 系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中顯示相應的圖形文件。反之，在CAD系統(tǒng)中也可直接近人PDM系統(tǒng)，進行相應的數據管理操作，但不允許PDM系統(tǒng)管理文件內部的數據。一般，封裝模式用于PDM系統(tǒng)與二維CAD軟件的集成，自動化程度較低，但實施工作量較少，容易實現。

1. 2 接口交換模式

接口交換模式是通過CAD提供的API函數編制接口程序，獲取CAD裝配模型中的產品結構樹信息和零部件的裝配約束關系。通過數據交換將產品結構等信息和關聯文檔提交PDM數據庫。另外，通過PDM的API 函數提取PDM 數據庫中的最新產品結構樹信息，來更新CAD系統(tǒng)中的裝配模型，實現兩者數據異步一致。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)對產品數據、特征數據和應用數據等所有類型的數據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 的產品裝配關系和PDM 的產品結構樹同步一致。緊密集成模式是理想的集成模式，集成相當復雜，一般只有軟件供應商才能夠提供。

2 系統(tǒng)集成總體結構和主要功能

本文采用接口交換模式實現三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成。一方面通過CAD系統(tǒng)向PDM系統(tǒng)批量提交產品結構信息和關聯文擋，在PDM系統(tǒng)構建產品BOM 結構，關聯模型文檔； 另一方面直接從PDM 系統(tǒng)讀取相關的產品BOM結構信息和關聯文檔來更新CAD 中的模型信息，實現三維CAD 與PDM 系統(tǒng)間數據雙向異步交換。其三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成的總體結構如圖1所示。

圖1 三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成總體結構

在產品設計過程中，企業(yè)產生的數據和設葉文檔，一般保存在服務器的數據庫和FTP上。從數據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據上傳和數據下載兩大功能，如圖2所示。其中數據上傳部分主要包括臨時數據處理、BOM數據上傳和模型文檔數據上傳:數據下載部分主要包括BOM數據下載、模型文檔數據下載和CAD中構建產品結構樹。

圖2 三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成

3 系統(tǒng)集成的關鍵技術

3.1 三維CAD 的API 函數

三維CAD產生的設計數據是構建PDM系統(tǒng)產品結構信息和基本信息的重要源頭之一。因而，如何將三維CAD中的產品結構信息和基本信息提取出來，將是系統(tǒng)集成的前提條件。當前，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，軟件供應商都給客戶提供相關的API函數，方便客戶開發(fā)個性化的功能。

三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成中，API函數的正確使用將大大提高集成效率。在數據上傳前，通過相關的API函數遍歷整個裝配模型，獲取產品的裝配關系、結構信息和基本屬性信息等。而在數據下載后，通過相關的API函數在CAD軟件中構建產品結構樹，更新產品裝配模型等。

3.2 數據交換技術

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

三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成數據交換主要包括兩個方面的數據：1)產品結構數據和基本屬性數據；2)產品模型數據。對于前者的數據也就是通過CAD 前端接口得到的數據，用戶借助PDM供應商提供的API函數，以XML格式與PDM數據庫( SQL Server/Oracle等)交換數據。對于后者的產品模型數據，既可以保持原模型文檔數據格式，又可以將原模型文檔數據轉換為統(tǒng)一的模型數據格式(STEP/IGES 等) ，然后通過API 函數或FTP操作將模型數據提交PDM 數據庫或FTP。在模型數據交換中， 將模型數據格式轉換為統(tǒng)一格式，可為不同CAD系統(tǒng)共享相關的數據。

3.3 文檔管理技術

制造業(yè)企業(yè)的產品設計文檔是企業(yè)核心技術的表現，為了對這些文檔進行有效的管理，需要采用以下幾種管理技術：1)隨著信息技術的推廣應用，電子設計文檔數量也在不斷增加，為了減少存儲空間，采用文檔壓縮/解壓技術；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；3)文檔數量龐大，所表達的信息復雜各異，為了方便查找使用，采用文檔編碼技術。通過以上文檔管理技術，可以減少數據存儲的空間容量，確保企業(yè)文檔數據的安全性，規(guī)范企業(yè)文檔的命名規(guī)則。

3.4 權限管理技術

設計師使用三維CAD與PDM系統(tǒng)雙向集成接口，得到企業(yè)以往的設計資料，協(xié)助他們進行產品設計，提高工作效率。然而，集成接口的靈活性同樣會帶來一定的風險，設計師違規(guī)操作將泄露企業(yè)的核心技術資料。針對企業(yè)技術資料的安全性，可以采用權限管理技術，根據設計師的角色和設計任務，來分配設計師對技術資料使用的權限。權限管理技術主要包括用戶權限管理、BOM權限管理和文檔權限管理。用戶權限管理是驗證設計師使用數據集成接口的合法性，是與PDM 系統(tǒng)數據交換的安全保障。BOM 權限管理是根據設計師的角色和設計任務給其分配一定的權限，設計師在使用數據集成接口過程中，只能獲取與自己分配的任務相關的技術文檔資料，保證整個項目的安全性。文檔權限管理是PDM系統(tǒng)對所有的文檔設置了不同的訪問權限(瀏覽、下載和修改)。設計師通過數據集成接口訪問PDM系統(tǒng)文檔時，集成接口會查找當前用戶的角色和系統(tǒng)分配的權限來決定設計師使用文檔的權限，完全保證企業(yè)技術資料的安全性。

4 應用實例

作者在深入企業(yè)調研、明確企業(yè)需求的基礎上，分階段設計開發(fā)出三維CAD(CATIA、SolidWorks和SolidEdge )與MITPDM系統(tǒng)雙向集成平臺，實現三維CAD 與PDM 系統(tǒng)的數據雙向異步交換。下面以SolidWorks軟件為例詳細介紹系統(tǒng)集成的實現和應用。

利用CAD軟件提供的API函數，在CAD軟件中集成用戶定制的功能菜單或工具條。當設計師完成部件設計，操作數據上傳功能菜單，后臺將通過API函數獲取當前工作部件的BOM信息和基本屬性信息，如圖3所示。設計師根據需要完善部件的屬性信息， 將批量上傳部件的BOM信息、屬性信息和關聯文襠到PDM系統(tǒng)。用戶進入PDM系統(tǒng)，將看到從CAD系統(tǒng)傳來的部件BOM信息和關聯文擋，并且兩者已經關聯。在PDM 系統(tǒng)中，部件的BOM信息、基本信息和關聯文檔審簽歸檔之前，系統(tǒng)允許設計師通過三維CAD數據集成接口反復更新該部件的相關信息，保持兩個系統(tǒng)數據的一致性。

數據下載功能主要是提高企業(yè)設計師的設計效率，提高企業(yè)技術知識的重用，盡量減少不必要的重復性勞動。設計師操作數據下載功能菜單，系統(tǒng)根據其自身在PDM中的角色和權限，將會對用戶開放允許的部件BOM信息，用戶通過精確或模糊查詢選擇自己需要的部件BOM，在原部件BOM基礎上自寇義添加或減少相關的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。當部件或產品的BOM組建好后，通過PDM的API函數獲取PDM系統(tǒng)中部件或產品的BOM信息、基本屬性信息和關聯文檔。然后通過CAD系統(tǒng)的API函數在CAD系統(tǒng)中建立部件或產品的結構樹.并自動更新產品模型。

5 結論

本文以系統(tǒng)數據集成功能為中心，采用接口交換模式實現三維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)不必要的重復性勞動，大大提高企業(yè)產品開發(fā)設計的效率和數據重用，實現三維CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)數據異步交換，有效保證兩系統(tǒng)數據的一致性。通過企業(yè)的實際應用，更能證明本文提出數據集成方法的可行性。另外，基于接口交換模式的數據集成易于開發(fā)數據集成功能組件，只要針對不同CAD系統(tǒng)開發(fā)獨立的前端接口，就可以用組件組合方式實現不同CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)數據集成接口，更為企業(yè)建立異掏系統(tǒng)數據集成平臺作好前期準備。