基于XML中间平台4CP集成系统的研究

胡 浩 钱明伟

（重庆大学机械工程学院，重庆 400044）

基于XML中间平台4CP集成系统的研究

胡 浩 钱明伟

（重庆大学机械工程学院，重庆 400044）

在深入研究了4CP（CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM）集成关键技术的基础上，提出了一种基于XML中间平台实现4CP系统集成的方案，并在此基础上构建了集成系统。最后以一个企业的典型新产品的开发过程为例进行了应用验证。

XML 4CP 中间平台 系统集成 产品信息模型

CAD/CAE/CAPP/CAM是计算机集成制造系统（CIMS）中实现计算机辅助产品设计和制造的核心技术。目前已有许多性能优良的商品化的CAD、CAE、CAPP、CAM系统。但这些各自独立的系统彼此间的模型定义、实现手段和存取方法均有差异，各自的信息处理过程都存在特殊性，作为孤岛智能技术，仅从企业生产的各个侧面来提高效率，不能实现系统之间的信息自动化传递和交换，效果是有限的［1］。因此，要想从整体上提高效率、改进技术、优化管理、降低成本，就有必要将产品设计与制造紧密结合，在各模块之间实现信息可靠、有机的提取、交换、共享和处理的集成。

目前，国内外研究的主要的信息集成方案有：利用产品数据管理（PDM）系统对CAD/CAE/CAPP/CAM系统集成并管理与产品有关的信息与过程;利用产品数据交换标准（STEP）对机械领域的工程信息进行定义的基础上，实现产品的数据定义、管理和交换;基于先进的XML技术的信息集成［2］。这几种流行的集成方案比较如下［3］：①PDM只能提供较粗粒度的数据管理，是面向工程领域的企业级应用系统，无法与面向管理领域的企业级应用系统（如ERP）实现全面有效的集成［2］;②STEP标准主要的数据描述语言EXPRESS语言不易于扩充，不便于理解，不适合基于Web的信息发布与集成;③XML是一种通用数据接口标准，具有简单、易于理解、自描述、可扩展、可交互的特性，允许用户为各类数据创建自己的标记，创建不依赖于平台、语言的开放数据。结合上述集成方法的特点，本文利用PDM系统和XML技术自主开发出一个中间平台利用XML中性文件传递信息形成4CP集成系统。

1 关键技术研究

1.1 CAx集成技术的研究

CAx系统集成的关键在于子系统之间的数据交换与信息共享，建立一个贯穿整个设计制造过程的产品信息模型是实现数据交换与共享的有效方法。特征技术就可以用来建立统一的产品信息模型，很多专家已经做过大量的研究，比如Zhou X H等［4］，就提出了利用设计特征和制造特征的关键技术，提取特征及其相关技术信息和知识，把它们封装在面向几何的以CAD为基础的模型中，形成集成的产品信息模型。基于模式识辨理论的特征技术是实现CAx系统集成的有效方法，它是从产品的实体模型出发，自动识辨出具有一定工程意义的加工特征，进而生成产品的特征模型和制造信息［5，6］。比如形状特征识别的实现包括：搜寻特征库匹配拓扑/几何模式、从数据库中提取已识别的特征、确定特征参数（如孔径、槽深等）、完成特征的几何模型、将简单的特征进行组合，以获得高级特征。实现的关键技术主要有：匹配、构形元素（点、线、面等）生长、体积分解和从构造实体几何表示法（CSG树）中识别特征等。本文依据以上理论形成了具体的产品信息模型，存储在PDM系统中进行管理。

1.2 XML中间平台的研究

XML中间平台是一个支持复杂信息环境下信息系统集成和协同运行的软件支撑环境。它在异构分布环境（操作系统、网络、数据库）下为应用者提供透明一致的信息访问和交互手段，对其进行管理和提供服务，并支持企业信息环境下各特定领域应用系统集成，其主要特点为多种形式数据利用提供基础，还可对共享资源进行集中管理。XML中间平台还产生XML中性文件，以实现信息数据交换。因此平台的研究与开发是实现本集成系统的重点。图1是利用XML中性文件实现信息交换的基本思想。

其中应用系统适配器是二次开发的相应应用系统内嵌适配器，中间平台的底层共用PDM数据库，可以直接提取产品信息集成模型，它还包括Schema库，XML数据库。应用系统1和应用系统2为待交换数据双方。应用系统1生成XML中性文件的过程就是将系统内部的产品数据按Schema规则映射为一系列实体实例。应用系统1适配器从系统内部读取产品数据，以XML中性文件为载体传到中间平台，中间平台根据某一产品模式定义完成实体的具体映射并创建实体实例，最后输出XML中性文件。应用系统2从XML中性文件中读取实体实例，根据与产品模式定义将实体实例映射为本系统的数据类型。应用系统2将数据交换给系统1的过程则是上述过程的逆过程。对于平台的实现目前可以采用CORBA、COM+、Web Service和J2EE等技术。在本系统中XML平台采用J2EE规范采用SOA技术架构开发。J2EE提供了一个框架，一套用于开发分布式结构应用的标准API，这个框架的实际实现留给了第三方厂商。J2EE提供了一个简化的开发模型，具有很好的可扩展性，支持合理的集成和灵活的部署，与开发商和应用服务器无关。

2 基于XML中间平台4CP集成系统的建模

利用特征识别技术提炼集成产品信息模型，再利用XML技术提供易于交换数据的逻辑数据结构，这些为4CP的集成提供了基础。有了一致的逻辑数据结构，便可以实现基于4CP的集成，从而形成一个设计、工程分析、工艺与制造一体化的产品集成研制平台，为面向大批量定制的产品研制过程提供支撑。为提供对XML技术的支持，很好的将XML技术引入，我们开发一个专门XML中间平台。作为集成系统信息交换的中转站，沟通4CP的桥梁，XML中间平台管理系统提供以下功能：①对XML文件的管理，主要包括XML的新建、删除、修改和查询四种基本操作。依据数据库中的产品信息，XML中间平台可以根据CAx系统产生的、经标准化和规范化后的产品零部件主文档变量表中的变量及其数据建立起标准化和规范化的产品零部件;生成设计BOM、工艺BOM、制造BOM及其他设计，工艺，制造文件等等;②对中间平台中与应用系统中适配器相对应的XML后置处理器进行管理及监控。

基于XML中间平台4CP集成系统信息集成框架如图2所示，该框架主要分为CAD、CAE、CAPP、CAM、PDM应用系统和中间集成平台。CAD系统所产生的信息是其它系统运行的重要基础，其产生的数据有二维图形、三维模型以及零部件的属性、拓扑关系等多种类型，结合工厂的设计、工艺、制造信息在PDM数据库中形成包含所有设计工艺制造信息的统一的产品信息模型。通过中间平台，实现CAD和PDM的动态集成，可以有效地解决CAD系统产生的各种类型文档的管理问题，方便系统间的数据同步更新，CAPP系统通过平台从PDM数据库中获取工艺规则及资源、设备信息，并将产生的工艺信息直接放于PDM中的工艺参数库中。CAM与PDM之间通过平台进行NC代码、刀位文件、产品模型和工艺信息等信息的提取和存储。图3是4CP集成后的数据流程图。

3 应用案例

以上面阐述的理论为基础，笔者所处的研发团队根据一个企业具体情况，已经初步开发出具有实用价值的集成系统。现将具体应用情况介绍如下。

该企业采用AutoCAD2008二维、UG NX4.0（包含CAE模块）三维设计软件，商业化的PDM/CAPP一体软件（迈特PDM/CAPP），它的模具制造外包给一个制造研究院。为此，我们开发出XML中间平台以及与它相配套的AutoCAD、UG、PDM/CAPP以及Mastercam内嵌适配器。以已经完成设计的一个典型汽车后尾灯（EQ1020TFwd）为例，对本集成系统进行说明。它的业务流和数据流如图5所示。图外层的箭头代表业务流，产品开发在PDM系统中创建新产品设计任务、定义产品设计内容，然后进入CAD系统，交由设计人员进行二维/三维产品设计。当完成产品设计，进行CAE分析。优化后，就将产品或部件明细表、对应的二维/三维图文档上传至PDM系统中，提交审批，产品设计图纸通过校对、审核、审定、标准化审查、工艺审查、批准等流程。工艺设计人员从PDM系统中读出自制件明细和图纸，进入CAPP系统进行工艺过程卡、工序卡的设计。当零件产品图和工艺文件设计完成后，进入工艺设计人员CAM系统进行NC代码的编制，最后到车间生产出产品。该企业模具制造是交由外协完成的，通过互联网以XML中性文件传递产品信息。由于XML格式本身的特性，通过网络的数据交换非常流畅，这也体现了XML中间平台集成技术在网络上的潜力。图4中各模块与中间集成的双向箭头代表它们与中间平台的数据交流。

4 结语

由于应用了本集成系统，上文提到的企业在产品设计中，消除了信息孤岛，保证了图纸使用的正确性、使企业技术数据管理实现有序和规范化，拉通了产品研发设计、工艺、制造各部门的整个过程。在效率上，以它一个典型后尾灯为例，产品开发周期缩短了50%，产品设计、工艺设计、生产准备各阶段数据差错减少了19%，降低成本约20%。新增产值为400万元。以上事实论证了以XML中间平台集成4CP系统的可行性。

1 童秉枢，李建明.产品数据管理（PDM）技术［M］.北京：清华大学出版社，2000.

2 苟凌怡，熊光楞.基于XML的产品信息集成关键技术研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2002（2）：105～110

3 周娜，廖文和.基于XML的CAD/CAPP/CAM信息集成技术［J］.小型微型计算机系统，2004（7）：1359～1363

4 Zhou X H，Qiu Y E.A feasible approach to the integration of CAD and CAPP［J］.ComputerAided Design，2007（39）：324－338

5 KumarM，Rajotia S.Integration of scheduling with computer aided process planning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003（138）：297－300

6 Xu XW，He Q.Striving for a total integrati on of CAD\CAPP\CAM and CNC［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing［J］.2004（20）：101－109

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Research of Integration System 4CP Based on the XML’s Intermediate Platform

HU Hao，QIAN Mingwei
（College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，CHN）

In this paper，the integration technology of 4CP（CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM）was studied.Then an integrated system based on XML’s intermediate platform was brought forward.Finally，an application example of was provided to validate the feasibility of the system.

XML;4CP;Intermediate Platform;System Intergration;Product Information Model

胡浩，男，1985年生，硕士研究生，研究方向：企业制造业信息化，产品数字化管理。

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2009－08－07）

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