范 勇 胡 哲

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.中石油東北煉化錦州設(shè)計院，遼寧121012)

設(shè) 計

PDM系統(tǒng)與CAD集成模式的新探索

范 勇1胡 哲2

(1.中國第二重型機械集團公司，四川618013；2.中石油東北煉化錦州設(shè)計院，遼寧121012)

探討了一種打破傳統(tǒng)PDM與CAD集成模式，重構(gòu)CAD軟件與PDM系統(tǒng)集成方式。將CAD工具深入融合到PDM系統(tǒng)中，杜絕BOM源頭數(shù)據(jù)的冗余與錯亂，確保設(shè)計數(shù)據(jù)源頭單源、準(zhǔn)確。為企業(yè)信息化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)源頭的PDM系統(tǒng)的實施探索了一種新的架構(gòu)模式。

PDM；CAD；集成模式；企業(yè)信息化；BOM

1 PDM系統(tǒng)與CAD傳統(tǒng)集成模式

1.1 CAD系統(tǒng)

做為產(chǎn)品研發(fā)過程的重要軟件，CAD系統(tǒng)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計人員頻繁使用的工具軟件。設(shè)計人員使用CAD軟件繪制各種工程圖紙。一張典型的CAD圖紙主要包括幾何外形、技術(shù)和管理三方面的數(shù)據(jù)信息：

(1)圖紙對應(yīng)零部件的管理數(shù)據(jù)，包括零部件名稱、重量、設(shè)計人、版本號等數(shù)據(jù)。

(2)圖紙對應(yīng)零部件的幾何外形數(shù)據(jù)，包括機械制圖表達(dá)的幾何形狀、裝配結(jié)構(gòu)形狀，以及裝配子零件的明細(xì)數(shù)據(jù)。

(3)圖紙對應(yīng)零件的技術(shù)數(shù)據(jù)，包括材料定義數(shù)據(jù)以及加工或裝配過程中的技術(shù)要求等數(shù)據(jù)。

1.2 PDM系統(tǒng)

PDM是一個以項目管理為核心的產(chǎn)品開發(fā)全過程管理，實現(xiàn)管理者所關(guān)注的職能；同時以BOM為核心的動態(tài)技術(shù)數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)設(shè)計師關(guān)注的職能，能很好地解決企業(yè)兩個層面(管理人員和技術(shù)人員)所關(guān)注的不同及密切相關(guān)的問題。

做為企業(yè)技術(shù)研發(fā)階段的管理軟件工具，PDM系統(tǒng)從設(shè)計任務(wù)書下達(dá)到產(chǎn)品(包括零部件)設(shè)計定型的整個過程和各階段產(chǎn)生的與產(chǎn)品相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，并將以物料為核心的幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)的形式傳遞到企業(yè)的其他信息系統(tǒng)，例如ERP、MES等。

2 集成要求與傳統(tǒng)集成模型

2.1 PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)集成要求

從PDM系統(tǒng)的定義可以看出，PDM系統(tǒng)需要管理以物料為核心的幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。這三部分?jǐn)?shù)據(jù)的原始出處都來自CAD圖紙。因此一個完整的PDM/CAD集成接口必須能夠?qū)γ枋隽悴考腃AD圖紙上的幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)三方面的數(shù)據(jù)信息進行傳輸和交換。

2.2 PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)傳統(tǒng)集成模型

2.2.1 傳統(tǒng)集成模型

絕大多數(shù)PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的集成接口的核心任務(wù)是將CAD用戶的工作結(jié)果及有關(guān)的業(yè)務(wù)對象(CAD圖紙)和數(shù)據(jù)對象(管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù))一起保存在PDM數(shù)據(jù)模型中。PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)傳統(tǒng)集成模型如圖1所示。

2.2.2 傳統(tǒng)集成系統(tǒng)的特點

(1)圖紙數(shù)據(jù)為核心數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中存在冗余數(shù)據(jù)。

圖1 傳統(tǒng)集成模型

Figure 1 Conventional integration model

將CAD系統(tǒng)中定義的圖紙導(dǎo)入PDM后，做為核心數(shù)據(jù)存儲。導(dǎo)入過程中從CAD圖紙上提取出來的管理數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)以及PDM系統(tǒng)生成的零部件數(shù)據(jù)均以圖紙文件為核心數(shù)據(jù)進行存儲。

完成導(dǎo)入后，系統(tǒng)中包含CAD圖紙、從CAD圖紙上提取出來的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)以及PDM系統(tǒng)生成的零部件數(shù)據(jù)。由于CAD圖紙上包含幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)三部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此在PDM系統(tǒng)中，管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)存在冗余。

(2)CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)是兩個各自獨立的“弱耦合”系統(tǒng)。

CAD系統(tǒng)做為繪制CAD圖紙的工具系統(tǒng)存在。繪制完成后，使用PDM系統(tǒng)將CAD圖紙導(dǎo)入系統(tǒng)進行處理。這兩個系統(tǒng)工作時相互不影響，是兩個獨立的“弱耦合”系統(tǒng)。由于PDM系統(tǒng)在導(dǎo)入圖紙時，必須要根據(jù)特定的CAD系統(tǒng)開發(fā)導(dǎo)入程序和數(shù)據(jù)提取程序。兩個形式上獨立的系統(tǒng)實質(zhì)是非常緊密的。

用戶在CAD系統(tǒng)中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)，并“保存圖紙”。

在PDM系統(tǒng)中，用戶使用“提取零(部)件管理數(shù)據(jù)”、“提取零(部)件技術(shù)數(shù)據(jù)”、“提取零(部)件包含的裝配子零件數(shù)據(jù)”、“導(dǎo)入圖紙”四個接口功能，將CAD圖紙上的幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入PDM系統(tǒng)，并保存。

3 存在的問題

這種PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的傳統(tǒng)集成模型在很多企業(yè)實施過程中存在一些非常普遍的問題，這些問題的存在對PDM系統(tǒng)的實施和深化應(yīng)用帶來了一定的困擾。

3.1 對數(shù)據(jù)的一源性帶來挑戰(zhàn)

用戶完成圖紙從CAD系統(tǒng)導(dǎo)入到PDM系統(tǒng)后，在PDM系統(tǒng)中生成一個與零(部)件相關(guān)的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。

顯然，零部件管理數(shù)據(jù)和零部件的技術(shù)數(shù)據(jù)存在冗余。例如，在“業(yè)務(wù)模型”圖紙上有零部件的名稱數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)模型(通常是BOM)里還同樣會保存一份零部件的名稱數(shù)據(jù)。

在兩個模型中數(shù)據(jù)的同步更改問題，就是數(shù)據(jù)的一源性問題。

如果由于某種需要，用戶更新了業(yè)務(wù)模型(CAD圖紙)中的零件名稱后，有兩種辦法處理數(shù)據(jù)模型(BOM)中的數(shù)據(jù)。一是用戶自己手動去修改數(shù)據(jù)模型(BOM)中的零件名稱，二是由PDM系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)雜的邏輯處理后，去修改數(shù)據(jù)模型(BOM)中的零件名稱。對于第一種方案，用戶可能會忘記修改數(shù)據(jù)模型(BOM)中的零件名稱，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)模型(CAD圖紙)中的零件名稱和數(shù)據(jù)模型(BOM)中的零件名稱不一致。第二種方案稍好，但是系統(tǒng)會非常復(fù)雜，因為除了零件名稱這種簡單的字符修改外，還存在裝配數(shù)量向上疊加等復(fù)雜的修改。

相反也同樣存在問題。如果用戶修改了數(shù)據(jù)模型中BOM節(jié)點的零件名稱，同樣也有兩種方式更新業(yè)務(wù)模型中圖紙上的零件名稱。而這兩種方式也同樣存在以上問題。

信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一源性是評價信息系統(tǒng)是否合規(guī)的一個基本原則。如果用較低成本(管理成本或技術(shù)成本)把一源性問題處理好就是一個比較成功的系統(tǒng)，業(yè)務(wù)用戶和管理層都會滿意。

3.2 背離用戶的思維和操作習(xí)慣

信息系統(tǒng)處理邏輯的設(shè)計和操作方式的設(shè)計直接影響用戶的體驗，而用戶體驗的好壞，則是系統(tǒng)是否能發(fā)揮較好作用的關(guān)鍵要素。

傳統(tǒng)PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)集成模型的設(shè)計方式，給用戶的操作帶來很大變動，打斷了設(shè)計人員的正常工作流程，使其思維模式不能聚焦，在操作時序中為了PDM而做一些導(dǎo)入，同步修改了操作動作。

(a)使用PDM前

(b)使用PDM后

圖2 設(shè)計工作流程

Figure 2 Design work flow

用戶的設(shè)計工作流程如圖2所示。

由圖2可知，使用PDM系統(tǒng)后，用戶需要在流程的最后一步，將大批量圖紙導(dǎo)入PDM系統(tǒng)，PDM系統(tǒng)使用集成模塊，對每張圖紙進行數(shù)據(jù)提取，然后用戶對提取的數(shù)據(jù)進行校驗檢查。

對于提取規(guī)則比較簡單或者BOM關(guān)系簡單的零(部)件，系統(tǒng)可以保證提取數(shù)據(jù)的正確性，最后一步可以省略；但對于一些BOM關(guān)系復(fù)雜的零(部)件或者企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)則復(fù)雜，各種例外情況很難全部寫入到PDM系統(tǒng)中，這樣就嚴(yán)重制約了系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)的正確率，設(shè)計員必須再去校驗一次。

因此，在很多企業(yè)實施PDM系統(tǒng)后，不僅需要設(shè)計人員保證CAD圖紙的正確性，而且還要費很多精力去維護PDM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。

3.3 圖紙批量導(dǎo)入系統(tǒng)時對系統(tǒng)的可靠性和可用性的要求

用戶在完成設(shè)計后，需要將圖紙一次性導(dǎo)入PDM系統(tǒng)中，此時系統(tǒng)工作的流程如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入PDM系統(tǒng)后的工作流程

Figure 3 Work flow after inputing PDM system

以上工作流程也存在以下幾個問題：

一般用戶以一個設(shè)備單元進行設(shè)計，包含的圖紙可能比較多，每張圖紙都需要進行數(shù)據(jù)提取，這涉及到客戶計算機文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器文件系統(tǒng)、服務(wù)器計算資源的開銷。這些開銷累計起來比較大。

在導(dǎo)入圖紙過程中，任何一個環(huán)節(jié)(圖紙文件讀取，網(wǎng)絡(luò)傳輸，從圖紙?zhí)崛?shù)據(jù)，構(gòu)建BOM)均不能出現(xiàn)錯誤，因此系統(tǒng)必須要有可靠的事務(wù)一致性錯誤機制，保證導(dǎo)入圖紙數(shù)據(jù)和構(gòu)建的BOM數(shù)據(jù)一致。即需要處理本地文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、服務(wù)器文件系統(tǒng)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)四個系統(tǒng)的事務(wù)，將其統(tǒng)一納入一個處理事務(wù)中。以上任何一個事務(wù)處理不好，都會給用戶使用帶來很多麻煩。而要把以上4個系統(tǒng)的事務(wù)納入一個統(tǒng)一的大事務(wù)進行管理，又會對系統(tǒng)的開發(fā)帶來非常大的挑戰(zhàn)。

4 PDM系統(tǒng)與CAD新集成模型及對比

由于PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)傳統(tǒng)集成模型存在以上問題，在很多企業(yè)實施PDM中，成為阻礙系統(tǒng)實施的一個大問題。為此，我們設(shè)計了一種PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)集成的全新模式。

4.1 PDM系統(tǒng)與CAD新集成模型

新集成模型如圖4所示。

圖4 新集成模型

Figure 4 The new integration model

4.2 新集成模型操作時序

在新的集成模式中，用戶工作時有單獨零件設(shè)計和裝配件設(shè)計兩種操作時序，如圖5所示。

單獨零件設(shè)計操作時序的特點為：

(1)使用PDM系統(tǒng)填寫零件的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)，PDM系統(tǒng)創(chuàng)建一個零件的核心數(shù)據(jù)。在后續(xù)過程中，可以隨時調(diào)出該模塊，修改零件的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。

(2)用戶在CAD系統(tǒng)中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數(shù)據(jù)并“保存圖紙”。

(3)PDM系統(tǒng)將只包含CAD幾何外形數(shù)據(jù)的CAD圖紙上關(guān)聯(lián)到PDM中的零件核心數(shù)據(jù)上。

(a)單獨零件設(shè)計的時序

(b)裝配件設(shè)計的時序

圖5 新集成模型時序

Figure 5 Operation schedule of the new integration model

(4)完成一個零件的設(shè)計后，重新啟動循環(huán)(1)、(2)、(3)。

裝配件設(shè)計操作時序的特點為：

(1)使用PDM系統(tǒng)填寫裝配件的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)，PDM系統(tǒng)創(chuàng)建一個裝配件的核心數(shù)據(jù)。在后續(xù)過程中，可以隨時調(diào)出該模塊，修改裝配件的管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。

(2)用戶在CAD系統(tǒng)中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數(shù)據(jù)并“保存圖紙”。

(3)PDM系統(tǒng)將只包含CAD幾何外形數(shù)據(jù)的CAD圖紙上關(guān)聯(lián)到PDM中的零件核心數(shù)據(jù)上。

(4)用戶在圖形上拉序號進行裝配件下層零件的設(shè)計。該序號工具所對應(yīng)的都是PDM系統(tǒng)已經(jīng)保存的零件，拉序號的同時，在PDM系統(tǒng)中就已經(jīng)將BOM關(guān)系搭建好。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)

4.3.1 PDM系統(tǒng)中BOM管理的接口封裝

在新的集成模式下，PDM系統(tǒng)的BOM操作與CAD環(huán)境中的很多操作是緊密相關(guān)的。CAD環(huán)境中以往簡單的建立標(biāo)題欄，填寫管理數(shù)據(jù)等動作，都要與PDM后臺的BOM操作有關(guān)。因此PDM系統(tǒng)中有關(guān)BOM的操作，要封裝成API，供CAD環(huán)境調(diào)用，使CAD里有關(guān)管理數(shù)據(jù)的操作與PDM環(huán)境中的BOM操作保持一致。

4.3.2 CAD圖形的動態(tài)拼接

CAD圖形的動態(tài)拼接主要是為了實現(xiàn)圖紙上管理數(shù)據(jù)與圖紙的幾何外形數(shù)據(jù)及零部件技術(shù)數(shù)據(jù)的分離管理與集成展示，從而徹底解決CAD的深度集成問題。

圖形的動態(tài)拼接主要為結(jié)構(gòu)化信息在圖形的可視化輸出、圖形與圖框和圖塊的動態(tài)組合。其核心在于各種圖形要素的位置定位以及動態(tài)插入。

結(jié)構(gòu)化信息主要包括零部件的管理數(shù)據(jù)、裝配圖中的參裝件信息以及技術(shù)數(shù)據(jù)等信息。根據(jù)繪制規(guī)則，這些信息在動態(tài)輸出時自動將其映射為標(biāo)題欄塊、明細(xì)欄塊以及技術(shù)要求塊和變更塊，并將其自動插入圖形的約定位置或者保存記憶的位置。

然后將圖形插入圖框的特定位置，進而形成一個完整的CAD圖形。

圖形的分離存儲和動態(tài)拼接的基本原理是將圖紙各要素分離，記錄他們之間的邏輯關(guān)系和位置關(guān)系，然后分離存儲。在顯示圖形時，將這些分離的數(shù)據(jù)取出，按照邏輯關(guān)系和位置關(guān)系進行拼接，然后顯示。

需要分離的數(shù)據(jù)可以分解為：圖框、圖形、技術(shù)要求、變更區(qū)域。其中，圖框容納圖形，技術(shù)要求和變更區(qū)域在圖形中繪制。為了實現(xiàn)其能夠分離存儲，將技術(shù)要求、變更區(qū)域及明細(xì)欄和標(biāo)題欄作為塊輸入。圖形結(jié)構(gòu)化分解示意圖如圖6所示。

在存儲時，首先根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定義的圖框信息，從規(guī)定坐標(biāo)范圍內(nèi)取圖形數(shù)據(jù)，然后過濾掉技術(shù)要求、變更區(qū)域等塊，剝離出來圖形信息。

圖6 圖形結(jié)構(gòu)化分解示意圖

圖7 圖形結(jié)構(gòu)化對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖

然后再把技術(shù)要求塊、變更區(qū)域塊等信息提取出來。最后把圖形、技術(shù)要求、變更區(qū)域等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榱餍畔?，這些信息內(nèi)置了位置信息，存儲為物理文件。圖形結(jié)構(gòu)化對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

在拼接圖形時，根據(jù)圖紙對象，獲取所關(guān)聯(lián)的圖框、圖形、變更區(qū)域、技術(shù)要求等，將這些數(shù)據(jù)以流的方式合并在一起，并從結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取數(shù)據(jù)，填充到相應(yīng)的標(biāo)題欄和明細(xì)欄，從而形成一個完整的圖形文件。

4.4 兩種模型的對比

新模型與傳統(tǒng)模型的區(qū)別主要有：

(1)新模型以PDM系統(tǒng)中定義的零部件為核心進行存儲，系統(tǒng)中無任何冗余數(shù)據(jù)存在。

PDM系統(tǒng)中使用用戶輸入的零部件信息構(gòu)造一個零部件，其他所有數(shù)據(jù)都以該零部件做為核心進行存儲。

將傳統(tǒng)的CAD圖紙按照幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)進行拆分，分成三部分進行存儲。幾何外形數(shù)據(jù)仍然按照文件的方式進行存儲，管理數(shù)據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。打印輸出時，使用動態(tài)拼接技術(shù)，將這三部分拼成一張完整的、傳統(tǒng)意義上的圖紙進行輸出，而系統(tǒng)中不會保存這張為了輸出而臨時生成的圖紙。

系統(tǒng)中幾何外形數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、技術(shù)數(shù)據(jù)都只單獨保存一份，無任何冗余數(shù)據(jù)存在。

(2)新模型的CAD系統(tǒng)不再做為一個單獨的系統(tǒng)，而是做為PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)錄入子模塊存在。

從圖4可以看出，在這種集成模式下，CAD系統(tǒng)將作為PDM系統(tǒng)的一個前臺輸入模塊，用戶在CAD中的任何操作，都會直接保存到PDM系統(tǒng)中，也就是說兩個系統(tǒng)不再是兩個各自獨立的系統(tǒng)，而是以PDM系統(tǒng)為主控核心系統(tǒng)，CAD系統(tǒng)僅僅做為一個用戶輸入工具存在。

5 結(jié)論

本文建立了CAD與PDM的新集成模型，解決了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖文檔數(shù)據(jù)之間的事務(wù)一致性。該理論和架構(gòu)模型已經(jīng)在某大型重型裝備制造業(yè)的PDM升級改造項目中得以實施，與傳統(tǒng)PDM與CAD集成系統(tǒng)模型相比，新系統(tǒng)有著更大優(yōu)勢，為企業(yè)實施PDM系統(tǒng)探索了一條新的可行方案。

編輯 陳秀娟

《重型機械通用技術(shù)條件 第6部分：鑄鋼件》等5項國家標(biāo)準(zhǔn)公開征求意見

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)委“2017年第一批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計劃”(國標(biāo)委綜合〔2017〕55號)等文件的要求，由全國大型鑄鍛件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會歸口的《大型齒輪、齒圈鍛件 技術(shù)條件》、《大型開式齒輪鑄鋼件 技術(shù)條件》和《重型機械通用技術(shù)條件 第6部分：鑄鋼件》、《第7部分：鑄鋼件補焊》、《第8部分：鍛件》等5項國家標(biāo)準(zhǔn)已正式公開征求意見。本次征求意見的對象包括相關(guān)設(shè)備、材料涉及的生產(chǎn)、銷售、科研、檢測和用戶單位，征求意見截止日期為2017年9月30日，歡迎各有關(guān)單位提出寶貴意見。請聯(lián)系標(biāo)委會秘書處獲取標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及附件。標(biāo)委會秘書處的聯(lián)系方式如下：

地址：四川省德陽市珠江西路460號 中國第二重型機械集團公司大型鑄鍛件研究所

郵編：618000

聯(lián)系人：徐文金、蔡靜

電話：0838-2342462

郵箱：qgdxzdjbwh@126.com

New Exploration of PDM System and CAD System Integration Mode

Fan Yong, Hu Zhe

One new kind of CAD software and PDM system integration manner has been discussed, which broke up conventional PDM and CAD integration mode, CAD tool was applied to PDM system to avoid redundant and disorder BOM original data so that origin of design data could be simple and correct, which provided a new frame mode of realizing and exploring data origin PDM system for enterprise informatization system.

PDM; CAD; integration mode; enterprise informatization; BOM

2017—05—12

TP391.72

B