ＰＤＭ平臺上的三維ＣＡＤ通用集成框架

摘要：構建了PDM和三維CAD軟件集成的基本模型和集成框架。該框架通過一致的數據模型，能夠靈活地集成不同的三維CAD系統和PDM系統。在數據模型的袁達上，采用了XML這種流行的易于擴展的技術方法；在集成框架設計上，采用了抽象x-7等成熟的設計模式，并提供了標準化的接口定義來擴展集成框架的功能。文章對集成框架的功能和具體實現方法進行了論述。

關鍵詞：產品數據管理；三維CAD；集成框架；設計模式

0 引言

PDM(產品數據管理)可理解為產品及其相關數據的管理和過程控制的平臺。近年來，在產品設計的過程中，三維CAD的使用逐漸增多，其數據類型成為了PDM管理的主要內容。PDM數據模型和三維CAD的數據模型存在很多相似的地方，但由于系統目標的不同，也存在很多差異。市場上各種三維CAD軟件很多，如何在一個統一的平臺框架下集成這些三維CAD系統，屏蔽各類CAD系統的差異，并且在各類三維CAD和PDM之間進行數據模型的匹配，是當前PDM需要重點研究和解決的問題。

1 PDM中三維CAD的集成功能

1.1 PDM中關注的主要三維CAD特性

三維CAD軟件通過對零部件的三維造型，直觀地表達了零部件的形狀、物理特征以及零部件問的裝配關系；通過三維仿真還可以模擬裝配和加工的過程。這些都使三維CAD軟件在企業的產品設計中起著越來越大的作用。

在PDM中，主要關注的是CAD圖紙中表達的零部件結構及其屬性信息。對于三維CAD而言，它們基本都提供了基于特征參數的零部件族的設計方法。在這些方法中，特征參數被提取到模型上，通過模型上特征參數的變化驅動三維圖形，產生不同的零部件族成員。零部件成員及其特征參數的取值形成了一張二維表，通常被稱為參數表。參數表直觀反映了多個成員的不同特性。

通過三維CAD的投影可產生二維工程圖。二維工程圖用來下發到生產部門指導實際的生產作業。二維工程圖和三維模型的關系需要在PDM的管理中得到體現。

三維CAD的仿真、干涉檢查以及有關圖形的特性，PDM無需進行管理。PDM只需能夠存儲三維CAD的文件，并最終通過調用三維CAD軟件本身來給用戶使用即可。

1.2 PDM和三維CAD的主要集成功能

由上文可知，PDM做為三維CAD的管理平臺，其功能只要有：

(1)三維CAD文件的管理：

(2)從三維CAD提取零部件信息產生PDM中的零部件對象，產生產品結構樹，并保持產品結構樹和三維CAD中相關信息的一致性；

(3)零部件族和參數表的管理；

(4)三維CAD的編輯、瀏覽、圈閱等。

這些功能在系統集成中主要體現在：

(1)數據在兩個系統中保存并保持同樣的關聯關系；

(2)由于信息在PDM和三維CAD中是冗余的，需要保持兩者的數據同步和邏輯完整性。

下面對這兩個方面進行闡述。

2 集成框架結構及構建

目前國內外流行的三維CAD的種類較多，如UG、PROE、SolidWorks、SolidEdge、Catia、Inventor等。這些三維CAD軟件的功能特色相差較大，概念、數據模型和存儲方式也不盡相同。從PDM的角度出發，首先必須抽象出它們的共同特征，形成統一一致的數據模型。在此數據模型基礎上，建立通用的集成框架。

2.1 PDM使用對象模型來表達三維CAD結構

在PDM和三維CAD的集成中，首先要能夠根據PDM的需要獲取三維CAD的相關信息。因此，必須在PDM中建立與三維CAD的數據模型相應的數據模型。

三維CAD的數據模型包括零部件的裝配關系、零部件模型和零部件族成員之間的關系以及參數表等，在PDM中，通過面向對象的建模方法可以清晰地表達它們：

(1)三維零部件模型、零部件族成員在PDM中都使用零部件對象來表達，通過建立一個特殊的多元關聯關系，可以表達零部件族模型和成員的包含關系；

(2)零部件的裝配結構，可以通過零部件對象的聚合關系來表達。這種聚合關系可以做為零部件對象的屬性保存在零部件對象中。產品結構最終通過零部件的層級聚合關系體現出來。

(3)三維CAD文檔在PDM中可通過二元關聯的方式和零部件對象建立關系。文件之間的關系可通過零部件的裝配結構來表達。

(4)二維工程圖和三維圖紙對象可通過“組合”關系關聯，這樣，可保證三維圖紙的更新反映到二維工程圖上。

在數據模型的對應關系確立以后，就可以通過一個通用的集成框架來處理兩者的集成關系了。

2.2 層次模型

如前所述，集成框架主要支持的功能就是PDM和三維CAD兩種數據的相互轉換的問題。但是，不同的三維CAD軟件的數據模型存在一定差異，提供的接口API也形態各異，如果對每種CAD都在PDM中進行特別的處理，必然導致PDM程序體系的復雜和工作量的增大，我們建立集成框架的目的之一就是要通過一致的處理模型來實現PDM和三維CAD軟件的良好集成。

要實現這樣的集成框架，首先必須抽象出不同三維CAD的公共特征，然后根據PDM的需要構建統一的業務模型。技術實現上，以組件化的方式來開發相關集成功能，從而形成一個“即插即用”的集成框架。

一種常用的方法是使用中間層邏輯來屏蔽不同三維CAD軟件的差異。為此，需要一種結構化的表達方法來映射三維CAD和PDM的邏輯結構。并且，這種結構化的表示對于程序員和用戶應該是可理解的，以利于在兩種不同的數據模型中提供靈活的功能。從這些特性來看，基于XML的表示方法是表達三維CAD零部件關系的合適的技術。

XML本身是一種結構化的語言，能夠清晰地表達零部件的裝配、參數表等各種復雜的關系；通過W3C定義的通用接口標準DOM(XML文檔對象模型)，又可以輕易地把XML文本分解為對象模型，從而在三維CAD和PDM間充當轉換的橋梁。

從cAD到PDM的數據模型轉換過程中，會存在數據模型的“不匹配”的情況。因此，需要在兩種數據模型之間嵌入轉換邏輯。顯然，對于不同的三維CAD軟件，甚至對于使用同一種三維軟件的不同用戶，其邏輯都是不同的。所以，在兩種數據模型的轉換過程中，必須提供靈活的二次開發的方法和手段來滿足不同的用戶要求。利用XML的開放性特征可以很容易實現這一點，通過對基于DOM或者SAX的API接口，可以使用戶方便地實現自己的控制邏輯，滿足用戶的個性化需求。

圖1表達了從三維CAD數據到PDM數據的變化過程。從PDM到三維CAD其過程正好是相反的。

2.3 集成框架結構

集成框架使用組件調度程序來統一控制框架的各種接口的類型、實例化、調用和銷毀。組件調度程序是集成框架的神經中樞，接口依附于組件調度程序來實現其功能。接口根據上述數據流圖中可劃分為三個層次，從三維CAD到PDM依次為：

(1)基于不同三維軟件的通用信息轉換接口

該層接口提取了不同三維CAD軟件的共同特征，成為一個通用的抽象接口(Abstract Interface)。該抽象接口被不同的組件實現以滿足不同的三維CAD的要求。該層接口處理的結果為一種符合基本要求的原始XML文件。

該層接口的即插即用通過抽象工廠(Abstract Factory)的設計模式來實現。組件調度程序要求組件首先注冊，注冊時必須提供三維CAD軟件的類型信息，這樣，組件調度程序就可以正確地創建和調用該類型三維CAD的信息轉換組件。

(2)基于用戶個性需求的處理邏輯接口

原始的XML文件經過該層處理轉變為標準的XML文件。該層接口具有最大的個性，用戶可以任意實現該層的接口以完成自己的個性化需求。零部件族及其成員的關系、結構關系和屬性的調整都在該層實現。

由于上述的特性，該層的設計方法可以有多種。典型的如設計的橋接模式(Bridge)，可以在基于，net和Java的組件方法中實現，它們都可以通過反射(Reflect)機制來尋找組件的接口，從而實現一個具有更大開放性的接口層次。最簡單的接口也可以是直接傳送XML內存對象句柄給該層接口使用，這是一種共享內存的設計方法。

(3)基于PDM數據模型的標準操作接口

在標準XML的基礎上，該層從PDM角度封裝了三維數據模型的通用處理邏輯。由于PDM的數據模型是固定的，因此該層的接口最為豐富，但是其約束也更多。PDM通過該層接口實現自己的存儲邏輯。

組件框架必須考慮到組件的易用性，這就要求組件以簡單的方式提供簡單和常用的接口，使程序員和用戶方便使用；同時，也提供復雜的更為精細的控制接口供高級的開發人員使用，以實現更強大的功能。顯然，外觀(Facade)設計模式在這里是適用的，它為PDM的不同功能提供了適合的接口。

如圖2所示為集成框架的一般結構。在這樣的一個體系結構中，三維軟件的編輯、瀏覽方法都可以統一到集成框架中。編輯、瀏覽的接口在各三維集成組件中實現，注冊后由組件調度程序負責調用。對于PDM而言，只需要根據三維CAD的類型，準備好CAD文件后，向組件調度程序發送編輯或瀏覽請求即可。組件調度程序根據注冊組件簡單的重發該請求即可達到目的。

3 集成框架的實現

KMPDM是企業級的產品數據管理系統，使用了上述的通用集成框架來實現和三維CAD的集成。其功能主要包括：

(1)三維模型的批量導入；

(2)三維模型檢入檢出時的同步更新；

(3)零件族模型的自動生成與更新；

(4)三維模型和PDM數據一致性檢查。

在KMPDM中，集成框架需要的配置文件統一存放在服務端上。系統通過對不同三維CAD定義不同的處理配置，來完成PDM數據到三維數據模型的映射，從而進行三維模型數據的提取、一致性檢查、批量入庫等處理。

圖3顯示了KMPDM中產品結構樹和PROE三維模型結構的一致性。當KMPDM執行三維模型的檢入操作時，通過集成框架判斷三維模型類型，并根據配置調用相關組件和處理程序產生標準XML數據，然后更新PDM中相關產品結構和屬性。基于通用集成框架KMPDM完全實現了三維軟件的“即插即用”的集成，充分顯示了集成框架的靈活性和可擴展性。

4 結束語

通過抽象CAD的公共特征可以建立統一的、可擴展的PDM和三維CAD軟件通用集成框架。該框架易于擴展，三維CAD的軟件類型的增加只需要增加相應的組件并注冊即可，其他組件無需重新編譯。該集成框架對于PDM來說是一種標準的形式，PDM可以根據自己的業務處理邏輯來進行擴展。由于中間層的存在，這種擴展不會影響到三維CAD的處理組件。實踐證明，這種體系結構達到了一致性和多樣性的統一。