面向CAD/CAPP/PDM系統的數據集成

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、CAPP系統和PDM系統等單元技術在我國制造企業的產品開發和生產制造中被廣泛使用。其中CAD系統用于輔助機械設計師進行產品結構設計、PDM系統用于產品設計人員進行管理與產品相關的設計數據和設計過程、CAPP系統用于輔助制造工程師產品結構工藝性檢查和產品工藝過程設計。

對我國制造業的產品設計和制造過程進行分析，產品數據在單元系統間的流轉分為三種情況，產品數據在CAD/CAPP/PDM等單元系統間的流轉如圖1所示。

圖1 數據在CAD/CAPP/PDM系統間的流轉

1）產品設計工程師利用CAD系統完成設計后，將產品設計數據提交PDM系統進行審核。審核通過，由制造工程師利用CAPP系統對零部件進行工藝性分析和工藝過程設計。

2）產品設計工程師根據客戶需求并以PDM系統的實例數據為基礎進行產品BOM配置，并將配置結構導入CAD系統進行二次改型設計。二次改型設計完畢將產品數據提交PDM系統進行審核，審核通過，由制造工程師利用CAPP系統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提請PDM系統進行審核。如果審核通過產品結構設計工程師利用CAD系統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系統進行審核，由制造工程師利用CAPP系統對零部件進行工藝過程設計。

通過分析產品開發過程中的三種典型過程可知，產品開發過程分為不同的階段，技術人員在不同的單元系統中完成不同階段的產品設計，形成不同階段的產品數據。產品開發的過程就是產品數據流轉的過程。

在過程1）中，產品數據由CAD系統流轉到PDM系統，再由PDM系統流轉至CAPP系統；在過程2）中產品數據由PDM系統傳遞至CAD系統然后傳遞至PDM系統，經過審批的圖文檔傳遞至CAPP系統進行工藝設計，最后數據流轉至PDM系統；在過程3）中產品數據按順序在CAPP系統—PDM系—CAD系統—PDM系統—CAPP系統間流轉。

產品開發的過程也是產品數據在單元系統間流轉的過程?，F行的人工傳遞不但效率低而且易出錯，為提高產品設計效率，就要在CAD/CAPP/PDM等單元系統間實現數據集成，為企業構建起統一的產品數字化設計平臺，實現產品數據在不同的單元系統間自動、準確、高效的傳遞。

1 數據集成模式

構建企業統一的產品數字化設計平臺，將企業中的各單元系統集成起來，實現數據在系統間的自動流轉和共享。常用的系統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信息化建設水平比較低的情況下，實現數據在系統間傳遞的一種方法。主要依靠優盤、光盤等媒介進行傳遞。該方法的信息化水平比較低、效率低，已經嚴重影響了產品設計效率。

1.2 點對點集成模式

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

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展而來的，可以不降低系統間集成的耦合度，降低系統集成的復雜度，統一系統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中間數據交換協議、數據映射、消息機制、內外部信息安全隔離、嵌入式適配器等。中間集成平臺可以在異構分布式環境下為不同的應用系統提供“即插即用”的集成服務，使得與中間件連接的各單元系統的用戶在權限許可的范圍內實現跨地域的、一致的信息。

2 中間集成平臺模式的數據集成

2.1 CAD/CAPP/PDM系統間的數據集成

根據第1節中的分析CAD/CAPP/PDM三單元系統間的數據集成，可以分為兩組單元系統集成，一組是CAD單元系統和PDM單元系統間的數據集成，另一組是CAPP單元系統和PDM單元系統間的數據集成。

2.1.1 CAD系統/PDM系統間的數據集成

1）由CAD單元系統傳遞給PDM單元系統的數據包括兩部分：一部分是結構設計工程師利用CAD系統設計完成的產品對應的PBOM以及PBOM各節點相關聯的圖文檔數據，另一部分是PBOM各節點對應零部件的工藝約束信息。根據關聯節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系統傳遞給CAD系統的數據為結構設計工程師在PDM系統中，利用統一物料庫、產品設計實例庫和客戶需求與產品功能映射規則庫等配置而成的PBOM以及PBOM各節點相關聯的圖文檔數據。

2.1.2 CAPP單元系統/PDM單元系統間的數據集成

1）PDM單元系統傳遞給CAPP單元系統的數據包括兩部分：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相關的圖文檔數據。另一部分是工藝設計實例和特征及分段工藝實例。將這些數據傳遞給CAPP系統作為工藝設計人員進行工藝設計的依據和參考。

2）CAPP系統傳遞給PDM系統的數據為：制造工程師在CAPP系統中以創生或派生的方式對產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系統的工藝實例庫中作為后續實例化設計的基礎，同時將工藝文件以關聯文件的形式與產品設計BOM的對應自制件節點關聯。

2.1.3 系統間集成數據的存在形式分析

CAD/CAPP/PDM單元系統間需要集成的數據有些是隱式存在的，有些是顯式存在的。隱式存在的數據需要提取并按預定義的形式組織，顯式存在的數據可以直接獲取。

1）隱式存在的數據

圖2 點對點集成模式

隱式存在的數據主要包括兩類。一類是PBOM，PBOM能夠反映產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系統都不包含構建產品設計BOM需要的全部信息，因此基于CAD系統構建產品設計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據的獲取需要通過利用CAD的API函數、數據庫技術、XML技術等對CAD軟件進行二次開發獲取。

2）顯式存在的數據

單元系統間集成的顯式數據包括：CAD系統傳遞至PDM系統的圖文檔數據和CAPP系統傳遞至PDM系統的工藝附圖、數控程序代碼等。這些顯式存在的數據是以獨立文件的形式存在，該類文件的獲取是以FTP等文件傳輸的形式進行。

圖3 CAD系統中集成的數據類型描述

圖4 PDM系統中集成的數據類型描述

2.2 中間集成平臺模式下的CAX/PDM數據集成模型

通過中間集成平臺模式實現企業應用系統的集成，為企業構建起一個統一的產品數字化設計平臺。基于平臺的產品設計過程中，數據可以在應用系統間正確、快速的流轉和共享。

根據系統間集成數據的特點對CAD系統、CAPP系統和PDM系統進行二次開發，分別建立起CAX/CAPP/PDM等單元系統和中間集成平臺的適配連接。中間集成平臺和單元系統間的消息通信機制。中間集成平臺和單元系統間數據傳遞的載體采用XML文件，利用XML數據協議在系統間建立起統一格式的數據類型。

CAD單元系統、CAPP單元系統和PDM單元系統通過中間集成平臺，數據服務器和FTP文件傳輸服務實現雙向數據集成。

圖5 CAX/PDM系統數據集成模型

中間集成平臺：通過中間集成平臺實現CAD單元系統、CAPP單元系統和PDM單元系統間的雙向集成，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：數據接口是以DLL文件形式分別嵌入CAD系統、CAPP系統和PDM系統。數據接口主要用于解析XML文件提取信息、提取CAD系統數據生成XML文件、圖文檔數據的上傳和下載。嵌入式適配器是實現系統集成的重要組件

PDM數據服務器：是PDM系統中用于存儲產品層次結構以及組成產品的各個零部件的屬性信息的數據服務器。

FTP服務器：用于存儲PBOM各節點零部件對應的二維或三維圖文檔數據；CAPP系統傳遞給PDM系統的工藝附圖、數控程序代碼、等工藝過程控制文件。

XML文件服務器：CAD單元系統和PDM單元系統數據以XML文件的格式生產中間文件，通過中間集成平臺上傳至XML文件服器的數據用于存儲CAD系統和PDM系統生成并上傳到中間集成平臺的XML格式文件。

3 實現系統數據集成的關鍵技術

3.1 PBOM數據在PDM系統中的存儲

產品設計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系統中進行顯示。在形式的背后，產品設計BOM和擴展設計BOM所包含的信息被存儲在關系型數據庫中。本文以產品設計BOM為例研究BOM數據以及關聯的圖文檔在關系型數據庫中的存儲技術。

利用關系型數據庫記錄PBOM以及PBOM各節點關聯的圖文檔數需要記錄節點零部件屬性R（A）、節點間的層級關系即節點間的父子關系R（B）、節點與節點零件關聯圖文檔的關系R（C）。要清楚表達PBOM以及PBOM各節點關聯的圖文檔間的關系，需要建立多張數據庫表，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據類型，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CAD/CAPP/PDM單元系統與中間集成平臺之間的消息傳遞。根據系統的需求，Socket套接字有：VCode（驗證代碼）、ID (數據接口標識)、CtrlWord（控制字碼）、OperType（操作類型號）、CurrBadge（當前數據包標識）、ReBadge（回復數據包標識）、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 數據傳輸文件格式定義

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

圖6 XML數據交換協議定義

4 結語

文章首先由數據在CAD/CAPP/PDM系統間的流轉進行分析，得出產品開發過程中對系統數據集成的客觀需求。通過對系統集成模式及CAD/CAPP/PDM系統間集成數據進行分析，提出了基于中間集成平臺模式實現CAD/CAPP/PDM系統間數據集成的方案。