PDM与CAD集成模式新探索

    1.1 CAD系统

    做为产品研发过程的重要软件，CAD系统是产品结构设计人员频繁使用的工具软件。设计人员使用CAD软件绘制各种工程图纸。一张典型的CAD图纸主要包括几何外形、技术和管理三方面的数据信息：

    (1)图纸对应零部件的管理数据，包括零部件名称、重量、设计人、版本号等数据。

    (2)图纸对应零部件的几何外形数据，包括机械制图表达的几何形状、装配结构形状，以及装配子零件的明细数据。

    (3)图纸对应零件的技术数据，包括材料定义数据以及加工或装配过程中的技术要求等数据。

    1.2 PDM系统

    PDM是一个以项目管理为核心的产品开发全过程管理，实现管理者所关注的职能；同时以BOM为核心的动态技术数据管理，实现设计师关注的职能，能很好地解决企业两个层面(管理人员和技术人员)所关注的不同及密切相关的问题。

    做为企业技术研发阶段的管理软件工具，PDM系统从设计任务书下达到产品(包括零部件)设计定型的整个过程和各阶段产生的与产品相关的所有数据，并将以物料为核心的几何外形数据、管理数据和技术数据的形式传递到企业的其他信息系统，例如ERP、MES等。

    2.1 PDM系统与CAD系统集成要求

    从PDM系统的定义可以看出，PDM系统需要管理以物料为核心的几何外形数据、管理数据和技术数据。这三部分数据的原始出处都来自CAD图纸。因此一个完整的PDM／CAD集成接口必须能够对描述零部件的CAD图纸上的几何外形数据、管理数据和技术数据三方面的数据信息进行传输和交换。

    2.2 PDM系统与CAD系统传统集成模型

    2.2.1 传统集成模型

    绝大多数PDM系统与CAD系统的集成接口的核心任务是将CAD用户的工作结果及有关的业务对象(CAD图纸)和数据对象(管理数据和技术数据)一起保存在PDM数据模型中。PDM系统与CAD系统传统集成模型如图1所示。

    图1 传统集成模型

    2.2.2 传统集成系统的特点

    (1)图纸数据为核心数据，系统中存在冗余数据。

    将CAD系统中定义的图纸导入PDM后，做为核心数据存储。导人过程中从CAD图纸上提取出来的管理数据、技术数据以及PDM系统生成的零部件数据均以图纸文件为核心数据进行存储。

    完成导人后，系统中包含CAD图纸、从CAD图纸上提取出来的管理数据和技术数据以及PDM系统生成的零部件数据。由于CAD图纸上包含几何外形数据、管理数据、技术数据三部分数据，因此在PDM系统中，管理数据和技术数据存在冗余。

    (2)CAD系统与PDM系统是两个各自独立的“弱耦合”系统。

    CAD系统做为绘制CAD图纸的工具系统存在。绘制完成后，使用PDM系统将CAD图纸导入系统进行处理。这两个系统工作时相互不影响，是两个独立的“弱耦合”系统。由于PDM系统在导人图纸时，必须要根据特定的CAD系统开发导入程序和数据提取程序。两个形式上独立的系统实质是非常紧密的。

    用户在CAD系统中绘制CAD图纸，完成几何外形数据、管理数据和技术数据，并“保存图纸”。

    在PDM系统中，用户使用“提取零(部)件管理数据”、“提取零(部)件技术数据”、“提取零(部)件包含的装配子零件数据”、“导入图纸”四个接口功能，将CAD图纸上的几何外形数据、管理数据和技术数据信息导人PDM系统，并保存。

    这种PDM系统与CAD系统的传统集成模型在很多企业实施过程中存在一些非常普遍的问题，这些问题的存在对PDM系统的实施和深化应用带来了一定的困扰。

    3.1 对数据的一源性带来挑战

    用户完成图纸从CAD系统导人到PDM系统后，在PDM系统中生成一个与零(部)件相关的管理数据和技术数据。

    显然，零部件管理数据和零部件的技术数据存在冗余。例如，在“业务模型”图纸上有零部件的名称数据，在数据模型(通常是BOM)里还同样会保存一份零部件的名称数据。

    在两个模型中数据的同步更改问题，就是数据的一源性问题。

    如果由于某种需要，用户更新了业务模型(CAD图纸)中的零件名称后，有两种办法处理数据模型(BOM)中的数据。一是用户自己手动去修改数据模型(BOM)中的零件名称，二是由PDM系统经过复杂的逻辑处理后，去修改数据模型(BOM)中的零件名称。对于**种方案，用户可能会忘记修改数据模型(BOM)中的零件名称，从而导致业务模型(CAD图纸)中的零件名称和数据模型(BOM)中的零件名称不一致。第二种方案稍好，但是系统会非常复杂，因为除了零件名称这种简单的字符修改外，还存在装配数量向上叠加等复杂的修改。

    相反也同样存在问题。如果用户修改了数据模型中BOM节点的零件名称，同样也有两种方式更新业务模型中图纸上的零件名称。而这两种方式也同样存在以上问题。

    信息系统中数据的一源性是评价信息系统是否合规的一个基本原则。如果用较低成本(管理成本或技术成本)把一源性问题处理好就是一个比较成功的系统，业务用户和管理层都会满意。

    3.2 背离用户的思维和操作习惯

    信息系统处理逻辑的设计和操作方式的设计直接影响用户的体验，而用户体验的好坏，则是系统是否能发挥较好作用的关键要素。

    传统PDM系统与CAD系统集成模型的设计方式，给用户的操作带来很大变动，打断了设计人员的正常工作流程，使其思维模式不能聚焦，在操作时序中为了PDM而做一些导入，同步修改了操作动作。

    用户的设计工作流程如图2所示。

    图2 设计工作流程

由图2可知，使用PDM系统后，用户需要在流程的最后一步，将大批量图纸导入PDM系统，PDM系统使用集成模块，对每张图纸进行数据提取，然后用户对提取的数据进行校验检查。

    对于提取规则比较简单或者BOM关系简单的零(部)件，系统可以保证提取数据的正确性，最后一步可以省略；但对于一些BOM关系复杂的零(部)件或者企业业务规则复杂，各种例外情况很难全部写入到PDM系统中，这样就严重制约了系统提取数据的正确率，设计员必须再去校验一次。

    因此，在很多企业实施PDM系统后，不仅需要设计人员保证CAD图纸的正确性，而且还要费很多精力去维护PDM系统中的数据。

    3.3 图纸批量导入系统时对系统的可靠性和可用性的要求

    用户在完成设计后，需要将图纸一次性导人PDM系统中，此时系统工作的流程如图3所示。

    图3 导入PDM系统后的工作流程

    以上工作流程也存在以下几个问题：

    一般用户以一个设备单元进行设计，包含的图纸可能比较多，每张图纸都需要进行数据提取，这涉及到客户计算机文件系统、网络传输、服务器数据库、服务器文件系统、服务器计算资源的开销。这些开销累计起来比较大。

    在导人图纸过程中，任何一个环节(图纸文件读取，网络传输，从图纸提取数据，构建BOM)均不能出现错误，因此系统必须要有可靠的事务一致性错误机制，保证导入图纸数据和构建的BOM数据一致。即需要处理本地文件系统、网络系统、服务器文件系统、服务器数据库系统四个系统的事务，将其统一纳入一个处理事务中。以上任何一个事务处理不好，都会给用户使用带来很多麻烦。而要把以上4个系统的事务纳入一个统一的大事务进行管理，又会对系统的开发带来非常大的挑战。

    由于PDM系统与CAD系统传统集成模型存在以上问题，在很多企业实施PDM中，成为阻碍系统实施的一个大问题。为此，我们设计了一种PDM系统与CAD系统集成的全新模式。

    4.1 PDM系统与CAD新集成模型

    新集成模型如图4所示。

    图4 新集成模型

    4.2 新集成模型操作时序

    在新的集成模式中，用户工作时有单独零件

    设计和装配件设计两种操作时序，如图5所示。   

    图5 新集成模型时序

    单独零件设计操作时序的特点为：

    (1)使用PDM系统填写零件的管理数据和技术数据，PDM系统创建一个零件的核心数据。在后续过程中，可以随时调出该模块，修改零件的管理数据和技术数据。

    (2)用户在CAD系统中绘制CAD图纸，完成几何外形数据并“保存图纸”。

    (3)PDM系统将只包含CAD几何外形数据的CAD图纸上关联到PDM 中的零件核心数据上。

    (4)完成一个零件的设计后，重新启动循环(1)、(2)、(3)。

    装配件设计操作时序的特点为：

    (1)使用PDM系统填写装配件的管理数据和技术数据，PDM系统创建一个装配件的核心数据。在后续过程中，可以随时调出该模块，修改装配件的管理数据和技术数据。

    (2)用户在CAD系统中绘制CAD图纸，完成几何外形数据并“保存图纸”。

    (3)PDM系统将只包含CAD几何外形数据的CAD图纸上关联到PDM 中的零件核心数据上。

(4)用户在图形上拉序号进行装配件下层零件的设计。该序号工具所对应的都是PDM系统已经保存的零件，拉序号的同时，在PDM系统中就已经将BOM关系搭建好。

    4.3 关键技术

    4.3.1 PDM系统中BOM管理的接口封装

    在新的集成模式下，PDM系统的BOM操作与CAD环境中的很多操作是紧密相关的。CAD环境中以往简单的建立标题栏，填写管理数据等动作，都要与PDM后台的BOM操作有关。因此PDM系统中有关BOM的操作，要封装成API，供CAD环境调用，使CAD里有关管理数据的操作与PDM环境中的BOM操作保持一致。

    4.3.2 CAD图形的动态拼接

    CAD图形的动态拼接主要是为了实现图纸上管理数据与图纸的几何外形数据及零部件技术数据的分离管理与集成展示，从而彻底解决CAD的深度集成问题。

    图形的动态拼接主要为结构化信息在图形的可视化输出、图形与图框和图块的动态组合。其核心在于各种图形要素的位置定位以及动态插入。

    结构化信息主要包括零部件的管理数据、装配图中的参装件信息以及技术数据等信息。根据绘制规则，这些信息在动态输出时自动将其映射为标题栏块、明细栏块以及技术要求块和变更块，并将其自动插入图形的约定位置或者保存记忆的位置。

    然后将图形插入图框的特定位置，进而形成一个完整的CAD图形。

    图形的分离存储和动态拼接的基本原理是将图纸各要素分离，记录他们之间的逻辑关系和位置关系，然后分离存储。在显示图形时，将这些分离的数据取出，按照逻辑关系和位置关系进行拼接，然后显示。

    需要分离的数据可以分解为：图框、图形、技术要求、变更区域。其中，图框容纳图形，技术要求和变更区域在图形中绘制。为了实现其能够分离存储，将技术要求、变更区域及明细栏和标题栏作为块输入。图形结构化分解示意图如图6所示。

    图6 图形结构化分解示意图

    在存储时，首先根据系统预定义的图框信息，从规定坐标范围内取图形数据，然后过滤掉技术要求、变更区域等块，剥离出来图形信息。

    然后再把技术要求块、变更区域块等信息提取出来。最后把图形、技术要求、变更区域等数据信息转变为流信息，这些信息内置了位置信息，存储为物理文件。图形结构化对应数据结构示意图见图7。

    图7 图形结构化对应数据结构示意图

    在拼接图形时，根据图纸对象，获取所关联的图框、图形、变更区域、技术要求等，将这些数据以流的方式合并在一起，并从结构化数据中提取数据，填充到相应的标题栏和明细栏，从而形成一个完整的图形文件。

    4.4 两种模型的对比

    新模型与传统模型的区别主要有：

    (1)新模型以PDM系统中定义的零部件为核心进行存储，系统中无任何冗余数据存在。

    PDM系统中使用用户输入的零部件信息构造一个零部件，其他所有数据都以该零部件做为核心进行存储。

    将传统的CAD图纸按照几何外形数据、管理数据、技术数据进行拆分，分成三部分进行存储。几何外形数据仍然按照文件的方式进行存储，管理数据和技术数据存储在数据库中。打印输出时，使用动态拼接技术，将这三部分拼成一张完整的、传统意义上的图纸进行输出，而系统中不会保存这张为了输出而临时生成的图纸。

    系统中几何外形数据、管理数据、技术数据都只单独保存一份，无任何冗余数据存在。

    (2)新模型的CAD系统不再做为一个单独的系统，而是做为PDM系统的数据录入子模块存在。

    从图4可以看出，在这种集成模式下，CAD系统将作为PDM系统的一个前台输入模块，用户在CAD中的任何操作，都会直接保存到PDM系统中，也就是说两个系统不再是两个各自独立的系统，而是以PDM系统为主控核心系统，CAD系统仅仅做为一个用户输入工具存在。

    本文建立了CAD与PDM的新集成模型，解决了结构化数据和图文档数据之间的事务一致性。该理论和架构模型已经在某大型重型装备制造业的PDM升级改造项目中得以实施，与传统PDM与CAD集成系统模型相比，新系统有着更大优势，为企业实施PDM系统探索了一条新的可行方案。