三维CAD与PDM系统双向集成技术的研究与应用
现代制造业企业通过应用计算机技术、信息技术、CAX 等技术，大大提高企业产品开发能力和市场竞争能力。与此同时，也带来了新的问题：一方面，产品设计过程中的设计数据和技术文档呈现信息爆炸的增长势头，使得数据管理更加困难；另一方面，由于企业各个部门使用不同的应用系统，部门间缺乏有效的信息传递和转换，因而形成"信息孤岛"。这些问题的出现严重影响了CAX技术在企业的应用，成为制约企业发展的瓶颈。为了有效管理这些设计文档和数据，协同企业不同部门信息共事，出现了产品数据管理(Product Data Management ， PDM)。PDM 系统作为企业产品开发信息集成平台，通过集戚来自不同应用系统的信息，对产品开发过程中各种软件所产生的数据和文挡选行有管理，实现应用软件之间的信息共事，建立企业全局信息集成平台。可见，CAX与PDM系统集成巳成为当前企业信息化的首要任务，其中三维CAD与PDM系统双向集成是具体实施中要求最高、难度最大的一环。针对此问题，本文介绍三维CAD与PDM系统双向集成的原理和关键实现技术。
1 应用集成模式
集成是基于信息技术的资掠及应用聚集在一个协同工作的整体，它包括功能交互、信息共享和数据通信3个方面的管理与控制。对于CAD PDM 之间的集成层次，分为以下3个模式。
1. 1 应用封装模式
应用封装模式是将所有CAD应用程序进行集成，使不同的应用程序之间能够共享信息，而PDM系统则对不同应用程序产生的特征数据及数据文件进行有效管理。当PDM系统封装了CAD应用程序，即可在PDM 系统的图形文件中直接激活相应的CAD 系统，并在该系统中显示相应的图形文件。反之，在CAD系统中也可直接近人PDM系统，进行相应的数据管理操作，但不允许PDM系统管理文件内部的数据。一般，封装模式用于PDM系统与二维CAD软件的集成，自动化程度较低，但实施工作量较少，容易实现。
1. 2 接口交换模式
接口交换模式是通过CAD提供的API函数编制接口程序，获取CAD装配模型中的产品结构树信息和零部件的装配约束关系。通过数据交换将产品结构等信息和关联文档提交PDM数据库。另外，通过PDM的API 函数提取PDM 数据库中的最新产品结构树信息，来更新CAD系统中的装配模型，实现两者数据异步一致。接口模式是较封装模式更高层次的集成模式，自动化程度更高。一般适合于PDM系统与三维CAD软件的集成。但接口模式的开发工作量大，对开发人员的要求较高。
1. 3 紧密集成模式
紧密集成模式是CAD和PDM系统对产品数据、特征数据和应用数据等所有类型的数据都提供了双向交换和共享的一种集成模式。采用紧密集成始终可以保持CAD 的产品装配关系和PDM 的产品结构树同步一致。紧密集成模式是理想的集成模式，集成相当复杂，一般只有软件供应商才能够提供。
2 系统集成总体结构和主要功能
本文采用接口交换模式实现三维CAD与PDM系统双向集成。一方面通过CAD系统向PDM系统批量提交产品结构信息和关联文挡，在PDM系统构建产品BOM 结构，关联模型文档； 另一方面直接从PDM 系统读取相关的产品BOM结构信息和关联文档来更新CAD 中的模型信息，实现三维CAD 与PDM 系统间数据双向异步交换。其三维CAD与PDM系统双向集成的总体结构如图1所示。
图1 三维CAD与PDM系统双向集成总体结构
在产品设计过程中，企业产生的数据和设叶文档，一般保存在服务器的数据库和FTP上。从数据及文档的流向和系统双向集成的功能角度分析，三维CAD与PDM 系统双向集成主要包括数据上传和数据下载两大功能，如图2所示。其中数据上传部分主要包括临时数据处理、BOM数据上传和模型文档数据上传:数据下载部分主要包括BOM数据下载、模型文档数据下载和CAD中构建产品结构树。
图2 三维CAD与PDM系统双向集成
3 系统集成的关键技术
3.1 三维CAD 的API 函数
三维CAD产生的设计数据是构建PDM系统产品结构信息和基本信息的重要源头之一。因而，如何将三维CAD中的产品结构信息和基本信息提取出来，将是系统集成的前提条件。当前，企业中常用的三维CAD软件，不论是CATIA、UG、Pro/E和IDEAS等高端CAD 软件，还是SolidWorks 、SolidEdge 和Inventor 等中端CAD软件，软件供应商都给客户提供相关的API函数，方便客户开发个性化的功能。
三维CAD与PDM系统双向集成中，API函数的正确使用将大大提高集成效率。在数据上传前，通过相关的API函数遍历整个装配模型，获取产品的装配关系、结构信息和基本属性信息等。而在数据下载后，通过相关的API函数在CAD软件中构建产品结构树，更新产品装配模型等。
3.2 数据交换技术
虽然不同的CAD软件获取产品信息的API函数不同，但是获取到的产品结构信息和基本信息可以通过XML格式统一表达。只要针对不同的CAD软件开发不同的CAD前端接口，就可以得到统一格式的产品结构信息和基本属性倍息。
三维CAD与PDM系统双向集成数据交换主要包括两个方面的数据：1)产品结构数据和基本属性数据；2)产品模型数据。对于前者的数据也就是通过CAD 前端接口得到的数据，用户借助PDM供应商提供的API函数，以XML格式与PDM数据库( SQL Server/Oracle等)交换数据。对于后者的产品模型数据，既可以保持原模型文档数据格式，又可以将原模型文档数据转换为统一的模型数据格式(STEP/IGES 等) ，然后通过API 函数或FTP操作将模型数据提交PDM 数据库或FTP。在模型数据交换中， 将模型数据格式转换为统一格式，可为不同CAD系统共享相关的数据。
3.3 文档管理技术
制造业企业的产品设计文档是企业核心技术的表现，为了对这些文档进行有效的管理，需要采用以下几种管理技术：1)随着信息技术的推广应用，电子设计文档数量也在不断增加，为了减少存储空间，采用文档压缩/解压技术；2)考虑到企业文档的重要性和安全性，采用文档加密/解密技术；3)文档数量庞大，所表达的信息复杂各异，为了方便查找使用，采用文档编码技术。通过以上文档管理技术，可以减少数据存储的空间容量，确保企业文档数据的安全性，规范企业文档的命名规则。
3.4 权限管理技术
设计师使用三维CAD与PDM系统双向集成接口，得到企业以往的设计资料，协助他们进行产品设计，提高工作效率。然而，集成接口的灵活性同样会带来一定的风险，设计师违规操作将泄露企业的核心技术资料。针对企业技术资料的安全性，可以采用权限管理技术，根据设计师的角色和设计任务，来分配设计师对技术资料使用的权限。权限管理技术主要包括用户权限管理、BOM权限管理和文档权限管理。用户权限管理是验证设计师使用数据集成接口的合法性，是与PDM 系统数据交换的安全保障。BOM 权限管理是根据设计师的角色和设计任务给其分配一定的权限，设计师在使用数据集成接口过程中，只能获取与自己分配的任务相关的技术文档资料，保证整个项目的安全性。文档权限管理是PDM系统对所有的文档设置了不同的访问权限(浏览、下载和修改)。设计师通过数据集成接口访问PDM系统文档时，集成接口会查找当前用户的角色和系统分配的权限来决定设计师使用文档的权限，完全保证企业技术资料的安全性。
4 应用实例
作者在深入企业调研、明确企业需求的基础上，分阶段设计开发出三维CAD(CATIA、SolidWorks和SolidEdge )与MITPDM系统双向集成平台，实现三维CAD 与PDM 系统的数据双向异步交换。下面以SolidWorks软件为例详细介绍系统集成的实现和应用。
利用CAD软件提供的API函数，在CAD软件中集成用户定制的功能菜单或工具条。当设计师完成部件设计，操作数据上传功能菜单，后台将通过API函数获取当前工作部件的BOM信息和基本属性信息，如图3所示。设计师根据需要完善部件的属性信息， 将批量上传部件的BOM信息、属性信息和关联文裆到PDM系统。用户进入PDM系统，将看到从CAD系统传来的部件BOM信息和关联文挡，并且两者已经关联。在PDM 系统中，部件的BOM信息、基本信息和关联文档审签归档之前，系统允许设计师通过三维CAD数据集成接口反复更新该部件的相关信息，保持两个系统数据的一致性。
数据下载功能主要是提高企业设计师的设计效率，提高企业技术知识的重用，尽量减少不必要的重复性劳动。设计师操作数据下载功能菜单，系统根据其自身在PDM中的角色和权限，将会对用户开放允许的部件BOM信息，用户通过精确或模糊查询选择自己需要的部件BOM，在原部件BOM基础上自寇义添加或减少相关的BOM信息，建立用户需要的部件BOM信息，图4为用户建立的BOM信息。当部件或产品的BOM组建好后，通过PDM的API函数获取PDM系统中部件或产品的BOM信息、基本属性信息和关联文档。然后通过CAD系统的API函数在CAD系统中建立部件或产品的结构树.并自动更新产品模型。
5 结论
本文以系统数据集成功能为中心，采用接口交换模式实现三维CAD与PDM系统双向集成，解决企业CAD 系统与PDM 系统信息孤立，避免企业不必要的重复性劳动，大大提高企业产品开发设计的效率和数据重用，实现三维CAD系统与PDM系统数据异步交换，有效保证两系统数据的一致性。通过企业的实际应用，更能证明本文提出数据集成方法的可行性。另外，基于接口交换模式的数据集成易于开发数据集成功能组件，只要针对不同CAD系统开发独立的前端接口，就可以用组件组合方式实现不同CAD系统与PDM系统数据集成接口，更为企业建立异掏系统数据集成平台作好前期准备。
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