制造業(yè)信息化：基于PDM平臺CAD/CAPP/CAM的集成研究

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前  言
    
為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，為了提高競爭力，現(xiàn)代的制造企業(yè)必須實現(xiàn)TQCS，即以最快的上市速度(T — Time to Market)，最好的質(zhì)量(Q — Quality)，最低的成本(C — Cost)，最優(yōu)的服務(wù)(S — Service)來滿足不同顧客的需求。與此同時，信息技術(shù)取得了迅速發(fā)展，特別是計算機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等取得了人們意想不到進步。二十多年來的實踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)，進行傳統(tǒng)制造業(yè)的改造，是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必由之路。而成功運用CAD／CAPP／CAM等新技術(shù)成為企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品的有力工具，使新產(chǎn)品的開發(fā)周期由過去幾年開發(fā)一個到現(xiàn)在一年開發(fā)幾十種，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。目前，已有許多性能優(yōu)良的商品化的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)。這些獨立的系統(tǒng)分別在產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝過程設(shè)計自動化和數(shù)據(jù)編程自動化方面起到了重要的作用。但是，采用這些各自獨立的系統(tǒng)，不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間信息的自動化傳遞和交換。新技術(shù)運用隨機產(chǎn)生了新的矛盾，原有的管理體系所代表的生產(chǎn)關(guān)系已無法適應(yīng)新技術(shù)的要求，作為孤島智能技術(shù)，僅從企業(yè)生產(chǎn)的各個側(cè)面來提高效率，效果是有限的。企業(yè)要從整體上提高效率、改進技術(shù)、優(yōu)化管理、降低成本，必須利用計算機網(wǎng)絡(luò)將各種計算機輔助技術(shù)集成起來，構(gòu)筑起企業(yè)級的信息集成系統(tǒng)，這樣才能從根本上改變企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)管理的低效率，同時促進企業(yè)的技術(shù)進步和人員素質(zhì)的提高，實現(xiàn)經(jīng)濟和社會效益雙豐收。
    
1、PDM是CAD/CAPP/CAP的集成平臺
    
PDM是一門用來管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息(包括零件、配置、圖檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)的過程(包括工作流程、更改流程等)的技術(shù)。它能有效地將產(chǎn)品數(shù)據(jù)從概念設(shè)計、計算分析、詳細設(shè)計、過程設(shè)計、加工制造、試驗驗證、銷售維護直至產(chǎn)品消亡的整個生命周期內(nèi)及其各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的數(shù)學(xué)模式加以定義、組織和管理，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其整個生命周期內(nèi)一致、最新、共享和安全。它提供產(chǎn)品全生命周期的信息管理，在企業(yè)為產(chǎn)品的設(shè)計與制造建立了一個并行化的協(xié)作環(huán)境。PDM作為工程領(lǐng)域的信息集成框架，它為產(chǎn)品數(shù)據(jù)及過程管理、為并行化產(chǎn)品設(shè)計、為CAD／CAPP／CAM系統(tǒng)的集成提供了必要的支撐環(huán)境。目前，PDM系統(tǒng)是最好的3C集成平臺。它可以把與產(chǎn)品有關(guān)的信息統(tǒng)一管理起來，并將信息按不同的用途分門別類地進行有條不紊的管理。不同的CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)都可以從PDM中提取各自所需要的信息，再把結(jié)果放回PDM中，從而真正實現(xiàn)3C集成。 
    
2、CAD/CAPP/CAM與PDM的集成分析
    
由于在一個企業(yè)中，可能存在著不同的CAD，CAPP，CAM系統(tǒng)或這些系統(tǒng)的不同版本，也可能存在這些系統(tǒng)與供應(yīng)商、不同合作商之間的產(chǎn)品模型信息交換，同時還可能存在每天由CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)和文檔。在這樣復(fù)雜的環(huán)境中，PDM作為集成平臺，一方面要為CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理與協(xié)同工作的環(huán)境，同時還要為CAD/CAPP/CAM的運行提供支持。CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的二維圖紙、三維模型、零部件的基本屬性、產(chǎn)品明細表、產(chǎn)品零部件之間的裝配關(guān)系、產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本及其狀態(tài)等，需要交由PDM系統(tǒng)來管理，而CAD系統(tǒng)也需要從PDM系統(tǒng)獲取設(shè)計任務(wù)書、技術(shù)參數(shù)、原有零部件圖紙、資料以及更改要求等信息。CAPP系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝信息，如工藝路線、工序、工步、工裝夾具要求以及對設(shè)計的修改意見等，交由PDM進行管理，而CAPP也需要從PDM系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品模型信息、原材料信息、設(shè)備資源信息等。CAM則將其產(chǎn)生的刀位文件、NC代碼交由PDM管理，同時從PDM系統(tǒng)獲取產(chǎn)品模型信息、工藝信息等。
    
2.1 CAD與PDM的集成分析

CAD與PDM的集成是具體實施中要求最高、難度最大的一環(huán)。其關(guān)鍵在于需保證CAD的數(shù)據(jù)變化與PDM中的數(shù)據(jù)變化的一致性。從用戶考慮，CAD與PDM的集成應(yīng)達到真正的緊密集成。CAD與PDM的應(yīng)用封裝只解決了CAD產(chǎn)生的文擋管理問題。零部件描述屬性、產(chǎn)品明細表則需要通過接口交換倒入PDM。同時，通過接口交換，實現(xiàn)PDM與CAD系統(tǒng)間上述數(shù)據(jù)的雙向異步交換。但是，這種交換仍然不能完全保證接口數(shù)據(jù)在CAD與PDM中的一致性。所以要真正解決這一問題，必須實現(xiàn)CAD與PDM之間的緊密集成，及在CAD與PDM之間建立共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)互操作，保證CAD中的修改與PDM中的修改的互動性和一致性，真正做到雙向同步一致性。
    
2.2 CAPP與PDM的集成分析

CAPP與PDM之間除了文檔交流還要從PDM系統(tǒng)中獲取設(shè)備資源信息、原材料信息等。而CAPP產(chǎn)生的工藝信息也需要分成基本單元存放于工藝信息庫中。所以CAPP與PDM之間的集成需要接口交換，及在實現(xiàn)應(yīng)用封裝的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)信息交換接口，使CAPP系統(tǒng)可通過接口從PDM中直接獲取設(shè)備資源、原材料信息的支持，并將其產(chǎn)生的工藝信息通過接口直接存放于PDM的工藝信息庫中。
    
2.3 CAM與PDM的集成分析

由于CAM與PDM系統(tǒng)之間只有刀位文件、NC代碼、產(chǎn)品模型等文檔信息的交流，CAM與PDM之間采用應(yīng)用封裝就可以滿足二者的集成要求。

3、基于PDM平臺的CAD／CAPP／CAM集成模式

在PDM平臺下CAD／CAPP／CAM的集成模式主要有三種：

3.1 封裝模式

封裝的內(nèi)容包括應(yīng)用工具本身以及由這些應(yīng)用工具產(chǎn)生的文件兩方面，及PDM對這兩方面都要管起來。封裝可以使數(shù)據(jù)和操作具有統(tǒng)一的模型界面和邏輯的獨立性。作為一個集成平臺，PDM具有對CAD／CAPP／CAM的封裝能力，并對其封裝性提供從一種應(yīng)用轉(zhuǎn)換到另一種應(yīng)用的功能。當PDM系統(tǒng)封裝CAD／CAPP／CAM時，在PDM系統(tǒng)中可以直接激活相應(yīng)的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)，并使不同的3C系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，對他們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并在PDM系統(tǒng)中將圖形文件顯示為相應(yīng)的實際圖形；同樣，在3C系統(tǒng)中也可以直接進入PDM系統(tǒng)，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理操作，而無需退出原來的系統(tǒng)，重新進入另一個系統(tǒng)。例如：當一個二維CAD系統(tǒng)被分裝后，在PDM系統(tǒng)中就可以查到這個工具對象并直接啟動它，然后進行設(shè)計繪圖，當設(shè)計結(jié)束后，所獲得的圖形文件可自動在PDM系統(tǒng)中存儲和管理。如需要對圖形進行修改，則可在PDM 系統(tǒng)中找到該圖形文件，用鼠標就可啟動該二維CAD系統(tǒng)，進行圖形修改。 封裝模式可以滿足以文件形式生成的所有數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)需求。即PDM只能管理應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的文件整體，而不能直接訪問數(shù)據(jù)庫，如特征、參數(shù)以及裝配數(shù)據(jù)等。因此，封裝不能操作文件內(nèi)部的具體數(shù)據(jù)，而PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置模塊必須了解產(chǎn)品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)關(guān)系，所以，PDM系統(tǒng)對這類信息不能采用封裝的模式，必須應(yīng)用接口交換或系統(tǒng)緊密集成兩種不同的模式。

3.2 接口交換模式

程序接口交換模式是一種比封裝集成更加緊密、自動化程度更高、無需用戶直接參與的集成模式，它把應(yīng)用系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)之間需要共享的數(shù)據(jù)模型抽取出來，把它定義到PDM的整體模型中去，這樣，在PDM與應(yīng)用系統(tǒng)間就有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。PDM就能與3C系統(tǒng)之間實現(xiàn)文件內(nèi)部數(shù)據(jù)自動交換。這種集成的特點是：在應(yīng)用封裝的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)間共享數(shù)據(jù)模型的指導(dǎo)下，通過數(shù)據(jù)交換接口，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的某些數(shù)據(jù)對象自動創(chuàng)建到PDM系統(tǒng)中，或從PDM系統(tǒng)中提取應(yīng)用系統(tǒng)需要的某些數(shù)據(jù)對象，使二者保持異步一致。例如：產(chǎn)品設(shè)計中的二維圖形軟件不能生成裝配樹，而三維實體造型軟件雖然能夠生成產(chǎn)品的裝配樹，但與PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹無關(guān)，這樣PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹往往仍需要手工編制。為了實現(xiàn)PDM中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹由3C系統(tǒng)中的裝配樹自動生成，并從PDM提取最新的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)系，去修改3C的裝配文件，保持兩者之間的數(shù)據(jù)一致性，通過編制接口程序來完成。PDM作為一種能夠支持多種CAD軟件的通用管理平臺，采用標準的數(shù)據(jù)信息接口，建立PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與多種CAD軟件之間的聯(lián)系。這樣，在接口開發(fā)過程中，既要了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在CAD系統(tǒng)中的組織形式，也要了解在PDM系統(tǒng)中的組織形式，然后做好雙向轉(zhuǎn)換。

 3.3 緊密集成模式  

緊密集成是每個實施PDM的企業(yè)所期盼的目標，在這種集成方式下，不同應(yīng)用成了PDM系統(tǒng)的有機組成部分，它們之間不僅可以共享數(shù)據(jù)，還可以共享操作服務(wù)，PDM具有對各種類型的信息提供全自動的雙向相關(guān)信息的交換，包括產(chǎn)品信息、特征信息、參數(shù)和面向應(yīng)用對象的信息等。在3C各個孤島技術(shù)系統(tǒng)上能使用所有的PDM功能，使用戶在統(tǒng)一定義的系統(tǒng)環(huán)境里工作，真正實現(xiàn)一體化。 應(yīng)用緊密集成模式時，需要詳細分析3C的圖形信息和PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，制定統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，這樣，當其中一個結(jié)構(gòu)關(guān)系發(fā)生變化，則另一個自動隨之進行調(diào)整，從而始終保持3C的裝配關(guān)系與PDM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一致性。
   
4、面向網(wǎng)絡(luò)化制造的PDM

 網(wǎng)絡(luò)化制造又被稱為分散網(wǎng)絡(luò)化制造，敏捷制造或基于因特網(wǎng)的制造，是一種快速響應(yīng)市場的概念，它是圍繞著新的市場機遇通過建立動聯(lián)盟來實現(xiàn)的。隨著計算機、通信及信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)采用了現(xiàn)代企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)了以Web為中心，采用TCP/IP、HTTP為傳輸協(xié)議，客戶端通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器以及與Web服務(wù)器相連的數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化制造是跨機構(gòu)、跨地區(qū)的全球企業(yè)組織方式，這就要求企業(yè)繼承環(huán)境平臺的PDM，突破單個企業(yè)范圍的限制，從產(chǎn)品為核心的信息集成轉(zhuǎn)變成以產(chǎn)品的全生命周期為核心的過程集成，進而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟，及企業(yè)間的集成，而這種集成又是動態(tài)的、臨時的，它隨著市場機遇的產(chǎn)生而產(chǎn)生，又隨著市場機遇的消亡而消亡。這樣，面向網(wǎng)絡(luò)化制造的PDM與傳統(tǒng)的PDM有很大的區(qū)別。因此，PDM要能夠適應(yīng)企業(yè)的應(yīng)用需求，保持強大的生命力，就必須利用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web技術(shù)等，將企業(yè)的信息管理提高到一個新的水平。
   
5、結(jié)論

 PDM是構(gòu)筑在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的集成平臺，以一個共享數(shù)據(jù)庫為中心，可以跨越操作系統(tǒng)平臺與應(yīng)用軟件平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)多平臺的信息集成。建立在PDM上的CAD/CAPP／CAM集成體系，充分利用了其對數(shù)據(jù)和軟件集成的特點，早已成為了企業(yè)實現(xiàn)信息集成的不可缺少的環(huán)境平臺，隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化制造的復(fù)雜環(huán)境對PDM又提出了新的要求，建立網(wǎng)絡(luò)化制造的PDM系統(tǒng)將成為下一步研究的熱點。

來源：e-works