裝配設(shè)計(jì)中CAD/PDM集成研究與實(shí)現(xiàn)

阮小寧，劉 偉，張海明

（濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

1 前言

自上世紀(jì)九十年代以來，成熟的二維CAD軟件逐漸成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流工具。進(jìn)入二十一世紀(jì)，三維CAD與PDM軟件也逐步成熟，在一定范圍內(nèi)得到了應(yīng)用[1]。但在CAD/PDM集成方面卻不盡人意，出現(xiàn)了所謂“信息孤島”，且長(zhǎng)期未得到解決，成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的難點(diǎn)。

PDM概念形成之初，就有人開始研究CAD/PDM集成問題，但大多集中在概念、原理、框架與方案層面，真正有效實(shí)用的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)很少，成熟的軟件與應(yīng)用同樣很少[2]。設(shè)計(jì)人員期盼CAD/PDM集成能像CAD與PDM軟件那樣成熟與普及。

CAD/PDM集成問題范圍很廣，涉及到CAD與PDM相關(guān)的方方面面。本文從機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)人員工作量最多的裝配設(shè)計(jì)入手，研究裝配設(shè)計(jì)中CAD/PDM集成問題，從設(shè)計(jì)人員應(yīng)用的角度出發(fā)，分析PDM與CAD軟件自身的特點(diǎn)，提出一種基于裝配設(shè)計(jì)的PDM/CAD優(yōu)化集成方案，并給出了一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用效果較好的實(shí)例。后文提到的“集成”，特指“裝配設(shè)計(jì)中的CAD/PDM集成”。

2 集成方案的分析及總體架構(gòu)

2.1 CAD/PDM集成的復(fù)雜性

CAD/PDM集成難在哪里？各家企業(yè)的產(chǎn)品都有各自的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方式、流程與習(xí)慣不盡相同，采用的CAD、PDM軟件的應(yīng)用水平與環(huán)境也千差萬(wàn)別。所以，各企業(yè)的CAD/PDM集成各不相同。隨著CAD、PDM技術(shù)的進(jìn)展，綜合各種二維三維CAD、PDM的集成會(huì)變得更加復(fù)雜。

CAD/PDM集成誰(shuí)來做？有人傾向由PDM廠商來做，甚至期望PDM與CAD軟件融合后就可以不集成了。其實(shí)PDM本質(zhì)上是面向數(shù)據(jù)庫(kù)的管理軟件，CAD是面向圖形或三維模型的科學(xué)計(jì)算軟件，其框架與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全不同。曾有廠商把二維、三維CAD統(tǒng)一到一個(gè)軟件內(nèi)，但沒有分開做的好，使得現(xiàn)在二維CAD軟件仍有很大發(fā)展空間。二維、三維CAD的融合難度尚且如此，更不要說PDM與CAD差別這樣大的軟件了。所以CAD/PDM集成主要應(yīng)由增值服務(wù)商或應(yīng)用單位二次開發(fā)人員來做。而CAD與PDM廠商主要任務(wù)是提供更好的開發(fā)工具。

此外，從集成的開發(fā)到成熟應(yīng)用，是一個(gè)逐步成長(zhǎng)發(fā)展的過程。用戶在軟件使用過程中提出的有價(jià)值的建議以及PDM中的數(shù)據(jù)積累與數(shù)據(jù)規(guī)劃整理工作，使得CAD/PDM集成越來越成熟與完善。因此，CAD/PDM集成完善不單單是開發(fā)者的職責(zé)，同時(shí)也是用戶不可推卸的責(zé)任。

2.2 集成環(huán)境下的裝配設(shè)計(jì)分析

2.2.1 裝配設(shè)計(jì)流程

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以把產(chǎn)品分成一個(gè)個(gè)小的裝配單元，每一個(gè)裝配單元的設(shè)計(jì)規(guī)則都是相同的，一個(gè)基本的裝配單元的設(shè)計(jì)過程見圖1。

從圖1可看出裝配設(shè)計(jì)的主要流程，這些設(shè)計(jì)工作依賴于CAD軟件來完成。在這個(gè)過程中，一方面要設(shè)計(jì)新的零件，一方面直接選擇PDM中成熟的零件。此外，一個(gè)完整的裝配設(shè)計(jì)單元還應(yīng)包括檢查驗(yàn)證模塊，這里的檢查驗(yàn)證主要指的是裝配圖中的零部件與PDM數(shù)據(jù)庫(kù)中已有數(shù)據(jù)的比對(duì)過程，通過程序防止設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)入下游。

圖1 裝配單元設(shè)計(jì)流程

2.2.2 產(chǎn)品零件分類

如何有效合理地對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行分類不僅是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率的重要手段之一，而且能夠大大縮短產(chǎn)品的交貨期。從設(shè)計(jì)的角度講，直接選用成熟的零件進(jìn)行產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)對(duì)于縮短設(shè)計(jì)周期是毋庸置疑的。此外，從企業(yè)全局角度出發(fā)，PDM中成熟的零部件除了具有成熟的設(shè)計(jì)屬性以外，其下游所有的加工及裝配屬性都是完整的，可以直接投入到加工裝配階段，從而大大縮短交貨周期。

鑒于此，本文從標(biāo)準(zhǔn)化的角度出發(fā)，將零部件分為五大類：基本件、借用件、通用件、外購(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)件，其屬性定義分別為 J、JY、T、W、B。

在PDM數(shù)據(jù)庫(kù)中，要根據(jù)這些零件的特點(diǎn)建立分層的樹狀結(jié)構(gòu)，便于建立分類數(shù)據(jù)查詢。文中對(duì)某企業(yè)的某一種壓力機(jī)產(chǎn)品做了統(tǒng)計(jì)，共有零件5570種，真正進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的基本件僅有1791種，其中各種件比重如圖2所示。

因此，裝配設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選擇成熟的零件，減少基本件的數(shù)量。此外，基本件在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的比重也側(cè)面反映了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度的高低。

2.2.3 裝配設(shè)計(jì)對(duì)集成的功能需求

（1）應(yīng)在CAD軟件的裝配環(huán)境下嵌入PDM選擇零件數(shù)據(jù)的界面。

（2）在嵌入的PDM數(shù)據(jù)選擇界面，應(yīng)提供多種選擇零件的方法。對(duì)于PDM中已存在的成熟零件，可以直接選擇進(jìn)入CAD軟件裝配環(huán)境中，防止輸入字符時(shí)出錯(cuò)，找錯(cuò)零件。

（3）能夠讀取本地文件夾中的基本件，提取基本件的信息，并適時(shí)更新到裝配圖的明細(xì)表及零件的塊屬性中。

圖2 某壓力機(jī)產(chǎn)品零件分類比重

（4）對(duì)于裝配環(huán)境下明細(xì)表中的零件，應(yīng)該提供一個(gè)數(shù)據(jù)檢查模塊，主要功能包括檢查非基本件是否符合PDM數(shù)據(jù)的要求，檢查基本件是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范等。

2.3 基于CAD/PDM集成的軟件開發(fā)原則

2.3.1 優(yōu)先選用單向集成

單向集成是指CAD修改后，再運(yùn)行PDM中的程序更改PDM數(shù)據(jù)；雙向集成是指在PDM修改BOM后，再在CAD軟件中更新。

2.3.2 采用松耦合的集成

模塊間盡量采用松耦合[3]，是軟件開發(fā)的基本原則，在CAD/PDM集成的開發(fā)中尤其重要。但不少開發(fā)者偏喜歡緊耦合的方式，使軟件臃腫、修改調(diào)試?yán)щy。

2.4 基于裝配設(shè)計(jì)的集成總體架構(gòu)

基于以上分析，集成方案的總體架構(gòu)應(yīng)采用從CAD到PDM的單向集成，軟件架構(gòu)為松耦合、輕量化。從而在裝配設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)多種零件的選擇方法，提高裝配設(shè)計(jì)的效率。基本件與非基本件讀取到裝配圖的明細(xì)表中的同時(shí)進(jìn)行PDM的數(shù)據(jù)檢查。圖3為基于CAD/PDM集成的裝配設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 基于CAD/PDM集成的裝配設(shè)計(jì)流程圖

3 集成的原理與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝配設(shè)計(jì)中的CAD/PDM集成原理

裝配設(shè)計(jì)主要在CAD中完成，CAD圖形或模型文件作為裝配零件（單層BOM）的載體，PDM是集成的數(shù)據(jù)源。基本原理如圖4所示。

圖4 裝配設(shè)計(jì)中的CAD/PDM集成原理

可以看出，集成模塊獨(dú)立于CAD、PDM軟件，本質(zhì)上是運(yùn)行在本地的包含多種方法PDM查詢組件。集成模塊由CAD軟件啟動(dòng)，在線讀入正在設(shè)計(jì)的裝配的零件數(shù)據(jù)（二維圖明細(xì)表或三維裝配結(jié)構(gòu)樹），在模塊中以數(shù)據(jù)表格方式顯示[4]。通過PDM查詢選擇非基本件到數(shù)據(jù)表格中，或者讀取基本件（二維圖標(biāo)題欄）到表格。所有零件數(shù)據(jù)只需選擇不用輸入，可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)編輯完成后更新到CAD裝配設(shè)計(jì)中。完成裝配設(shè)計(jì)前或裝配設(shè)計(jì)中，可隨時(shí)啟動(dòng)集成模塊對(duì)零件數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。檢查時(shí)集成模塊將所有非基本件與PDM數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，檢查可用性。

3.2 集成的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 CAD文件內(nèi)零件數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

CAD文件主要是存儲(chǔ)圖形或模型數(shù)據(jù)的，只有較新的三維軟件的裝配提供了零件結(jié)構(gòu)的對(duì)象模型，一般二維CAD沒有存儲(chǔ)零件數(shù)據(jù)的位置。為了CAD/PDM集成，二維CAD應(yīng)選擇有效的在圖文件內(nèi)存儲(chǔ)零件數(shù)據(jù)的替代方法。對(duì)有塊屬性的二維CAD，流行的方法是用塊屬性來存放零件數(shù)據(jù)；對(duì)無(wú)塊屬性的二維軟件，大多采用字符串在圖中特定位置來標(biāo)示零件數(shù)據(jù)。在CAD/PDM集成開發(fā)前，要首先制定企業(yè)統(tǒng)一的CAD文件存儲(chǔ)零件數(shù)據(jù)格式。

3.2.2 CAD與PDM軟件的二次開發(fā)技術(shù)

CAD軟件一般都有自己的二次開發(fā)工具，用于開發(fā)輸入輸出接口或擴(kuò)展功能。早期軟件的工具開放性差，與外部接口較困難，后期軟件大多采用了OLE（對(duì)象的鏈接與嵌入）技術(shù)，與常用的開發(fā)語(yǔ)言提供了方便的接口。PDM軟件的二次開發(fā)工具因軟件的不同差別很大。

3.2.3 在線讀取與更新零件數(shù)據(jù)

裝配設(shè)計(jì)中的CAD/PDM集成，應(yīng)隨時(shí)能夠讀取與更新正在設(shè)計(jì)中的裝配圖（或裝配體）的零件數(shù)據(jù)[5]。需要采用上述的二次開發(fā)工具與零件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，使設(shè)計(jì)員能夠集成模塊中方便的更改或檢查零件數(shù)據(jù)。

3.2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)技術(shù)

集成模塊應(yīng)能提供對(duì)PDM數(shù)據(jù)庫(kù)的多種零件數(shù)據(jù)的查詢方法。若PDM軟件提供二次開發(fā)工具，可用二次開發(fā)工具開發(fā)數(shù)據(jù)查詢安全性好，但效率低。若有可能也可以用常用語(yǔ)言直接開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，效率較高。對(duì)只有查詢的任務(wù)，安全性可適當(dāng)降低要求。這樣就需要熟練掌握數(shù)據(jù)庫(kù)的開發(fā)技術(shù)，充分利用數(shù)據(jù)庫(kù)的各種數(shù)據(jù)查詢功能，包括存儲(chǔ)過程的開發(fā)技術(shù)。

3.2.5 分布式應(yīng)用程序的開發(fā)

在局域網(wǎng)內(nèi)的CAD/PDM集成，一般采用客戶/服務(wù)器的架構(gòu)，需要掌握分布式應(yīng)用程序的開發(fā)技術(shù)。對(duì)微軟平臺(tái)，需要利用COM+或WCF等技術(shù)。

3.2.6 CAD文件的零件數(shù)據(jù)提取

當(dāng)需要讀取基本件標(biāo)題欄信息時(shí)，需要直接讀取外部的CAD文件。這與在線讀寫零件數(shù)據(jù)不同，在線讀寫使用CAD二次開發(fā)工具，直接讀取CAD文件一般用通用的開發(fā)語(yǔ)言，需要了解圖文件的數(shù)據(jù)格式，難度較大。

4 實(shí)例

基于上述研究，筆者在開發(fā)某大型機(jī)械企業(yè)的CAD/PDM集成項(xiàng)目中得到了實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過數(shù)年的應(yīng)用與不斷改進(jìn)，PDM及CAD/PDM集成已成為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的重要平臺(tái)，取得了良好效果。

實(shí)例選擇的企業(yè)是按訂單設(shè)計(jì)制造的類型，設(shè)計(jì)工作量大、周期短，采用多種二維、三維CAD軟件，也有自己的PDM、ERP軟件。因此，裝配設(shè)計(jì)中CAD/PDM集成是CAD/PDM集成的首選方向。

方案的重點(diǎn)是，裝配設(shè)計(jì)時(shí)，在各CAD軟件嵌入PDM窗口，采用多種選擇零件方法，將PDM已有零件存入CAD，能夠檢查裝配中零件在PDM的可用性。企業(yè)采用多種二維軟件和Solid Edge三維軟件。對(duì)兩種二維軟件完全實(shí)現(xiàn)了上述的集成，并具有相同的界面。對(duì)三維軟件實(shí)現(xiàn)了裝配體的PDM零件數(shù)據(jù)檢查。下面以IDEAS Drafting為例做一介紹。集成界面如圖（圖5）。

圖5 讀零件數(shù)據(jù)到表格

5 結(jié)論

面對(duì)復(fù)雜的CAD/PDM集成的難題，可能有多種解決方案。應(yīng)從設(shè)計(jì)工程實(shí)踐出發(fā)，研究企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，研究企業(yè)現(xiàn)有CAD、PDM軟件的功能特色與開發(fā)工具，探索適合企業(yè)環(huán)境的優(yōu)化集成方案。要找出影響CAD/PDM集成的關(guān)鍵技術(shù)問題逐一攻關(guān)，開發(fā)適合企業(yè)應(yīng)用的軟件程序，要盡量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。本文所實(shí)現(xiàn)的在裝配設(shè)計(jì)環(huán)境中CAD/PDM集成，在某大型機(jī)械企業(yè)中已經(jīng)獲得了較好的驗(yàn)證效果，不失為一種解決策略。

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