面向CAD/CAPP/PDM系统的数据集成

2019-12-05崔嘉超王廷军

制造业自动化 2019年11期

崔嘉超，王廷军，张克

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015）

0 引言

随着智能制造的深入推进，CAD系统、CAPP系统和PDM系统等单元技术在我国制造企业的产品开发和生产制造中被广泛使用。其中CAD系统用于辅助机械设计师进行产品结构设计、PDM系统用于产品设计人员进行管理与产品相关的设计数据和设计过程、CAPP系统用于辅助制造工程师产品结构工艺性检查和产品工艺过程设计。

对我国制造业的产品设计和制造过程进行分析，产品数据在单元系统间的流转分为三种情况，产品数据在CAD/CAPP/PDM等单元系统间的流转如图1所示。

图1 数据在CAD/CAPP/PDM系统间的流转

1）产品设计工程师利用CAD系统完成设计后，将产品设计数据提交PDM系统进行审核。审核通过，由制造工程师利用CAPP系统对零部件进行工艺性分析和工艺过程设计。

2）产品设计工程师根据客户需求并以PDM系统的实例数据为基础进行产品BOM配置，并将配置结构导入CAD系统进行二次改型设计。二次改型设计完毕将产品数据提交PDM系统进行审核，审核通过，由制造工程师利用CAPP系统对零部件进行工艺性分析和工艺过程设计。

3）制造工程师针对结构工艺性差的零部件提起变更并将变更申请提请PDM系统进行审核。如果审核通过产品结构设计工程师利用CAD系统对该零部件进行变型设计。变型设计完毕，设计结果需重新提交PDM系统进行审核，由制造工程师利用CAPP系统对零部件进行工艺过程设计。

通过分析产品开发过程中的三种典型过程可知，产品开发过程分为不同的阶段，技术人员在不同的单元系统中完成不同阶段的产品设计，形成不同阶段的产品数据。产品开发的过程就是产品数据流转的过程。

在过程1）中，产品数据由CAD系统流转到PDM系统，再由PDM系统流转至CAPP系统；在过程2）中产品数据由PDM系统传递至CAD系统然后传递至PDM系统，经过审批的图文档传递至CAPP系统进行工艺设计，最后数据流转至PDM系统；在过程3）中产品数据按顺序在CAPP系统—PDM系—CAD系统—PDM系统—CAPP系统间流转。

产品开发的过程也是产品数据在单元系统间流转的过程。现行的人工传递不但效率低而且易出错，为提高产品设计效率，就要在CAD/CAPP/PDM等单元系统间实现数据集成，为企业构建起统一的产品数字化设计平台，实现产品数据在不同的单元系统间自动、准确、高效的传递。

1 数据集成模式

构建企业统一的产品数字化设计平台，将企业中的各单元系统集成起来，实现数据在系统间的自动流转和共享。常用的系统集成模式有人工模式、点对点集成模式、中间集成平台模式等三种。

1.1 人工传输模式

人工传输模式是在企业信息化建设水平比较低的情况下，实现数据在系统间传递的一种方法。主要依靠优盘、光盘等媒介进行传递。该方法的信息化水平比较低、效率低，已经严重影响了产品设计效率。

1.2 点对点集成模式

点对点集成模式，主要用于实现对集成要求不高且具有相同安全等级的两两单元系统间集成，其主要优点是数据实时性好和效率高，缺点在于点对点集成的耦合度高且柔性和可扩展性不强。实现集成的方法要求被集成的双方应用系统要么开发数据库，要么提供操作数据库的API。点对点集成的集成模式和实现方式如图2所示，通过集成接口实现对参与集成的双方系统读取和写入数据。

1.3 中间集成平台模式

中间集成平台模式是在点对点集成的基础上发展而来的，可以不降低系统间集成的耦合度，降低系统集成的复杂度，统一系统集成架构并减少后期的维护工作。中间集成平台涉及的关键技术包括基于可扩展的XML中间数据交换协议、数据映射、消息机制、内外部信息安全隔离、嵌入式适配器等。中间集成平台可以在异构分布式环境下为不同的应用系统提供“即插即用”的集成服务，使得与中间件连接的各单元系统的用户在权限许可的范围内实现跨地域的、一致的信息。

2 中间集成平台模式的数据集成

2.1 CAD/CAPP/PDM系统间的数据集成

根据第1节中的分析CAD/CAPP/PDM三单元系统间的数据集成，可以分为两组单元系统集成，一组是CAD单元系统和PDM单元系统间的数据集成，另一组是CAPP单元系统和PDM单元系统间的数据集成。

2.1.1 CAD系统/PDM系统间的数据集成

1）由CAD单元系统传递给PDM单元系统的数据包括两部分：一部分是结构设计工程师利用CAD系统设计完成的产品对应的PBOM以及PBOM各节点相关联的图文档数据，另一部分是PBOM各节点对应零部件的工艺约束信息。根据关联节点零部件的工艺特点，工艺约束信息分为面向自制件的工艺约束信息和面向装配的约束信息。

2）PDM系统传递给CAD系统的数据为结构设计工程师在PDM系统中，利用统一物料库、产品设计实例库和客户需求与产品功能映射规则库等配置而成的PBOM以及PBOM各节点相关联的图文档数据。

2.1.2 CAPP单元系统/PDM单元系统间的数据集成

1）PDM单元系统传递给CAPP单元系统的数据包括两部分：一部分是面向自制件工艺的扩展设计BOM和面向装配工艺的扩展设计BOM以及与BOM相关的图文档数据。另一部分是工艺设计实例和特征及分段工艺实例。将这些数据传递给CAPP系统作为工艺设计人员进行工艺设计的依据和参考。

2）CAPP系统传递给PDM系统的数据为：制造工程师在CAPP系统中以创生或派生的方式对产品所属零部件进行工艺过程设计。零部件工艺过程文件存储在CAPP系统的工艺实例库中作为后续实例化设计的基础，同时将工艺文件以关联文件的形式与产品设计BOM的对应自制件节点关联。

2.1.3 系统间集成数据的存在形式分析

CAD/CAPP/PDM单元系统间需要集成的数据有些是隐式存在的，有些是显式存在的。隐式存在的数据需要提取并按预定义的形式组织，显式存在的数据可以直接获取。

1）隐式存在的数据

图2 点对点集成模式

隐式存在的数据主要包括两类。一类是PBOM，PBOM能够反映产品所属零部件的属性信息和零部件间父子关系。二维CAD系统装配图的标题栏和明细表中包含零件的属性信息，三维装配图的设计树反映构成产品的零部件间的层级和零部件间的父子关系。单独的二维或三维CAD系统都不包含构建产品设计BOM需要的全部信息，因此基于CAD系统构建产品设计BOM，需要我们补充信息。另一类是扩展设计BOM，扩展设计BOM包含的工艺约束信息，是结构设计工程师为保证零部件在加工制造后能实现其设计功能而在二维工程图中标注的信息。上述的两类隐式存在的数据的获取需要通过利用CAD的API函数、数据库技术、XML技术等对CAD软件进行二次开发获取。

2）显式存在的数据

单元系统间集成的显式数据包括：CAD系统传递至PDM系统的图文档数据和CAPP系统传递至PDM系统的工艺附图、数控程序代码等。这些显式存在的数据是以独立文件的形式存在，该类文件的获取是以FTP等文件传输的形式进行。

图3 CAD系统中集成的数据类型描述

图4 PDM系统中集成的数据类型描述

2.2 中间集成平台模式下的CAX/PDM数据集成模型

通过中间集成平台模式实现企业应用系统的集成，为企业构建起一个统一的产品数字化设计平台。基于平台的产品设计过程中，数据可以在应用系统间正确、快速的流转和共享。

根据系统间集成数据的特点对CAD系统、CAPP系统和PDM系统进行二次开发，分别建立起CAX/CAPP/PDM等单元系统和中间集成平台的适配连接。中间集成平台和单元系统间的消息通信机制。中间集成平台和单元系统间数据传递的载体采用XML文件，利用XML数据协议在系统间建立起统一格式的数据类型。

CAD单元系统、CAPP单元系统和PDM单元系统通过中间集成平台，数据服务器和FTP文件传输服务实现双向数据集成。

图5 CAX/PDM系统数据集成模型

中间集成平台：通过中间集成平台实现CAD单元系统、CAPP单元系统和PDM单元系统间的双向集成，需要中间集成平台具备消息管理机制、XML文件管理、用户角色和权限管理、日志管理和映射管理、适配器管理等功能。

嵌入式适配器：数据接口是以DLL文件形式分别嵌入CAD系统、CAPP系统和PDM系统。数据接口主要用于解析XML文件提取信息、提取CAD系统数据生成XML文件、图文档数据的上传和下载。嵌入式适配器是实现系统集成的重要组件

PDM数据服务器：是PDM系统中用于存储产品层次结构以及组成产品的各个零部件的属性信息的数据服务器。

FTP服务器：用于存储PBOM各节点零部件对应的二维或三维图文档数据；CAPP系统传递给PDM系统的工艺附图、数控程序代码、等工艺过程控制文件。

XML文件服务器：CAD单元系统和PDM单元系统数据以XML文件的格式生产中间文件，通过中间集成平台上传至XML文件服器的数据用于存储CAD系统和PDM系统生成并上传到中间集成平台的XML格式文件。

3 实现系统数据集成的关键技术

3.1 PBOM数据在PDM系统中的存储

产品设计BOM和面向自制件工艺的扩展EBOM以及面向装配工艺的扩展EBOM在形式上市以可视化的树形视图在PDM系统中进行显示。在形式的背后，产品设计BOM和扩展设计BOM所包含的信息被存储在关系型数据库中。本文以产品设计BOM为例研究BOM数据以及关联的图文档在关系型数据库中的存储技术。

利用关系型数据库记录PBOM以及PBOM各节点关联的图文档数需要记录节点零部件属性R（A）、节点间的层级关系即节点间的父子关系R（B）、节点与节点零件关联图文档的关系R（C）。要清楚表达PBOM以及PBOM各节点关联的图文档间的关系，需要建立多张数据库表，下面我们以PBOM树形结构关系表BOM—01为例说明表中字段和数据类型，如表1所示。

表1 BOM树形结构关系表BOM—01

其中：PCode与CCode为一对多映射关系，CCode与PName为一对一映射关系。

3.2 消息字符串的定义

通过Socket消息套接字实现CAD/CAPP/PDM单元系统与中间集成平台之间的消息传递。根据系统的需求，Socket套接字有：VCode（验证代码）、ID (数据接口标识)、CtrlWord（控制字码）、OperType（操作类型号）、CurrBadge（当前数据包标识）、ReBadge（回复数据包标识）、TxtType（文本类型）、LText（文本长度）、Txt（正文）10个字符类型组成，中间以“|”为分隔符[37]。消息字符串的组成与结构如式(1)所示：

查询文件的XML地址。

3.3 数据传输文件格式定义

为实现数据在CAD/CAPP/PDM系统间的准确快速传递，本文选择XML文件作为数据在系统间传递的载体。并定义一套适合于CAD/PDM/CAPP单元系统数据接口和中间集成平台能够解析的XML格式数据交换协议。采用XML格式文件作为中间文件交换数据，使中间集成平台与各单元系统间具有较好的适配性和可扩展性。利用XML数据交换协议，能清晰的表达节点间的层次关系，和节点的属性。XML数据交换协议定义如图6所示。