PDM與CAPP集成與的數據交換

根據CIMS信息集成的需要,提出了基于PDM環境的信息集成框架;探討了在PDM集成框架下CAPP從PDM數據庫中獲取產品屬性信息、產品結構信息和產品圖形信息的方法;研究了CAD/CAPP/PDM系統


    摘要:
    根據CIMS信息集成的需要,提出了基于PDM環境的信息集成框架;探討了在PDM集成框架下CAPP從PDM數據庫中獲取產品屬性信息、產品結構信息和產品圖形信息的方法;研究了CAD/CAPP/PDM系統中數據文檔的格式和類型,并將不同格式的文檔劃分為無格式文檔和有格式文檔。據此,闡述了CAPP生成的工藝文檔、工藝要素及屬性信息在PDM框架下進行CAPP數據存儲的一個模型和應用實例,從而實現CAPP和PDM數據交換與信息集成。
 
    引言
    計算機輔助工藝設計(Computet AidedProcess Planning,CAPP)系統的研究和開發是制造自動化領域的重要組成部分,CAPP作為連接CAD和CAM的橋梁,一直受到制造業的關注[Jq]。產品數據管理(Product Data Management,PDM)是企業重構和發展的一項必不可少的技術。作為工程領域的集成框架,PDM管理企業內所有與產品相關的技術和過程,為企業內應用系統的集成和數據傳遞提供了必不可少的支撐環境。在PDM與CAPP集成環境下,CAPP從PDM獲取需要的CAD數據和信息編制工藝,并把工藝數據存儲于PDM共享數據庫中,CAM等其他應用系統直接從PDM共享數據庫中獲取所需工藝信息。從而有效地實現了企業產品信息的集成。

    不同的CAD系統具有相似的軟件結構和界面,而檢索式、變異式、創成式CAPP由于其使用層次和涉及的數據不同,其軟件結構也有很大的不同。現有的CAPP系統多是用戶根據自身企業情況開發而成的,所以對CAPP和PDM集成而言,沒有相對固定的方式。

    不管是哪種方式的CAPP,在PDM平臺下,它與PDM之間的數據不外乎兩個方面:一是從PDM中獲取CAPP所需要的CAD數據;二是將CAPP最終生成的工藝數據和文檔在PDM中進行保存。本文以某公司開發的變異式CAPP系統為例,探討CAPP與PDM之間的數據交換方式。
 
1 CIMS環境下的信息集成策略
    CAPP系統作為CAD/CAPP/CAM集成系統中承前啟后的中間環節,是CIMs環境下信息集成的關鍵。傳統的信息集成是基于關系數據庫的模式,如圖1所示。CAPP從網絡數據庫中提取零件特征信息,完成工藝規劃,將規劃后的工藝信息以關系表的形式存放到網絡數據庫中。與CAD、CAM通過網絡數據庫進行產品數據的交換和共享,共享數據以統一的產品信息模型為基礎。由于關系數據庫如:Foxbase、Oracle、sylaase等存在面向記錄、不支持設計過程和缺乏協調機制等的不足,導致它們無力處理非結構化數據(如圖形、圖象、文檔等),系統開發人員的設計工作量巨大,在具體實施時,其擴展也較為困難。

基于關系數據庫的信息集成
圖l基于關系數據庫的信息集成

    PDM系統作為CIMS的集成框架和工具,使CAPP系統的集成環境發生了深刻變化。在PDM集成框架下,關系數據庫被PDM屏蔽。集成化CAPP系統的開發人員和使用人員面向的是PDM對象,如圖2所示。

基于PDM信息集成
圖2  基于PDM~4言息集成

 
    PDM框架下交換的產品信息,包括產品幾何模型、產品結構、設計人員、工藝信息、加工代碼、產品配置信息和采購信息等PDM系統管理了產品開發過程中的所有信息,這些產品信息按產品設計的不同時期,分為客戶要求、幾何造型、加工工藝、加工代碼、評價、采購和訂單信息等。這些信息由不同的單元應用系統(如CAD、CAPP、CAM、CAE等)產生,但不能被其他單元系統直接調用。

    PDM系統的作用是協調產品數據、設計過程的一致性。如客戶對產品要求被反映到產品設計中,對產品的修改反映到工藝和各種BoM表中。PDM系統以產品數據為管理單位,產品信息在產品設計的各個階段互相轉化。數據轉化包括CAD零件特征、材料、日期等信息轉化至工藝文件。工藝的加工信息轉化至加工代碼、采購BOM等。這些信息轉化涉及不同的應用系統,系統之間文件結構相互獨立,不能自由轉化。   

    納入PDM之下的CAPP不再是一孤立的工藝設計模塊/系統,而是產品開發環境下的有機組成部分。CAPP系統不僅與CAD系統和ERP有機地集成在一起,同時與其上層管理系統(PDM)從信息和功能上都緊密集成起來。基于PDM的CAPP系統允許應用CAPP進行工藝設計時,可以隨時便捷地查詢信息。工藝設計人員可隨時了解整個開發項目中的進展情況,調整自己的工作進度,促進項目開發的協同性。本文的研究是將自主開發的CAPP系統,嵌入SmarTearn的PDM系統,實現CAPP與PDM數據的雙向交換。
 
2 CAPP從PDM中獲取相關數據
    CAPP從PDM中主要獲取CAD三個方面的數據:
    (1)產品設計信息  它是指CAPP能夠從PDM中獲取產品設計屬性信息,如零件名稱、代號、材料等。
    (2)產品圖形信息  它是指CAPP能夠通過PDM獲取產品當前版本的圖形信息,并能根據加工工序的要求,在CAPP軟件界面下通過一定的方式,對產品圖形進行編輯、修改,生成相應的工序圖。
    (3)CAPP從PDM中獲取產品結構信息  它是指CAPP能從PDM中獲取產品結構樹信息,并對該信息進行處理,生成相應的產品工藝樹。

    獲取以上三個方面的數據通過下述方法:
    (1)CAPP從PDM獲取CAD設計屬性的方法
   即將CAPP工藝文件表框中文件屬性信息設置成與PDM中屬性信息相同的字段名稱。當用戶編制某一產品的工藝時,產品屬性信息自動進入CAPP相應表格中。當CAD中圖形屬性信息發生變化時,CAPP中產品屬性信息隨著PDM中的產品屬性信息發生變化。CAPP中零件屬性也可以手工填寫,但填寫的數據不會影響到CAPP中的數據。
    (2)CAPP文檔中工序簡圖的生成 
為保證數據來源的唯一性,規定工序圖形從PDM中獲取。實施辦法是通過接口程序,將CAPP系統與CAD系統集成起來。對二維圖形,可以使用比較成熟的OLE技術,在CAPP系統中插入對應版本的CAD
圖形,雙擊啟動CAD系統,在不改動PDM中原圖形文件的情況下,在CAD系統中編輯、修改圖形,增加必要的工藝符號,以符合工藝加工要求。由于三維圖形的形成過程類似于零件加工或產品的裝配過程,所以在三維CAD系統中,可以通過隱藏特征的方式生成不同配置的產品或零件工程圖樣,該圖
樣可以作為產品或零件加工工序圖。
    產品結構數據的獲取  工藝結構樹的組成與PDM中的產品結構樹相似,但二者并不等同。PDM中的產品結構樹包含了產品的所有組成零件,其中有一部分不需要編制工藝,如標準件等。產品工藝樹可以看作是剔除了其中不需要編制工藝的零件后,經過文檔屬性轉化的產品結構樹。由于CAPP軟件結構的不同,CAPP對PDM結構樹獲取有不同的實施辦法。

    ·一種辦法是將工藝任務樹看作是產品結構視圖映射之后的結果集。由于PDM中有一套零件編碼系統,編碼是唯一的,因此,可以將產品結構視圖中的零件編碼通過一個接口程序,導出到CAPP的任務表中,并根據編碼系統生成工藝任務樹。這樣,就實現CAPP系統自動獲取裝配圖紙的產品信息,生成工藝產品任務樹。工藝部門可以此為基礎,組織工藝人員進行對應產品工藝的編制。這種辦法自動化程度高,在由產品結構樹向工藝任務樹轉化過程中,不需要人工參與,因而可以保證數據的一致性和準確性。但這種辦法需要編制PDM與CAPP之間的接口程序,實施難度比較大。

    另一種辦法是工藝設計人員根據PDM中的產品結構樹,對需要編制工藝的零件進行工藝編制,并將編制好的工藝文檔掛在產品結構樹中對應的產品設計文檔下。掛在產品設計文檔下的工藝文檔之間具有確定的相互從屬關系。按照這一從屬關系,用戶在需要時可從PDM中輸出產品工藝BOM表。這種方法需要工藝設計人員了解產品結構,在存儲某一工藝文件時,通過查詢手段準確找到產品結構樹中對應的設計圖檔。這種方法自動化程度不高,也容易出錯,但它不需要進行接口程序編制,在企業中容易實施。

3工藝文檔在PDM中的存儲
    企業中不同類型的數據文檔,按其能否被計算機識別,分為無格式文檔和有格式文檔。典型的無格式文檔為CAD圖形文檔,這種文檔因為沒有計算機識別格式,所以在計算機存儲空間中為“字節堆”,也無法對這些字節加以區分。從理論上講,三維產品由一系列不同的特征圖形構成,在STEP描述語言的基礎上,計算機可以識別出構成產品整體的一個個要素特征。但由于技術的原因,產品的特征識別是目前計算機圖形學尚未成功解決的題,所以在大多數情況下,三維圖形文檔也將其作為整體文檔來看待。

    無格式文檔反映的產品數據信息不能被計算機自動識別和讀取,這種文檔在PDM電子倉庫中存儲時,用戶必須人工描述產品文檔中的信息,如產品版本、狀態、用戶信息和隸屬關系等。這些數據信息可以以關系數據的形式存儲于PDM數據庫中,并通過一定的方式與產品文檔關聯在一起。這樣,PDM既能對文檔本身進行版本控制和生命周期管理,同時企業中其他應用系統也可以通過訪問PDM獲取產品有關數據。從而既保證了企業數據的完整性,又保證了數據傳遞流暢性和有效性。

    與無格式文檔不同,格式文檔由一系列可被計算機識別的數據元素組成,典型的格式是工藝文檔。工藝文檔及其組成數據元素是指導企業生產經營活動的依據,企業信息化建設的其他系統(如MIS、財務系統、ERP等)必須從工藝文檔中讀取有關基礎數據。在一般的數據庫管理系統中,工藝文檔本身可以作為一個單元與其屬性描述數據單元一起,作為一個復合型關系數據庫加以管理,但PDM之所以不同于一般數據庫管理系統,是因為其具有獨特的電子倉庫,工藝文檔只有在電子倉庫中才能同產品設計文檔一起,經歷生命周期管理及版本管理。電子倉庫具有封閉性,只能接受外部訪問,而非授權用戶不能修改它的結構,這就排除了數據被刪除或破壞的可能,但這種安全的代價是集成框架下的應用系統不能讀取PDM電子倉庫中工藝文檔的組成要素信息。

    在基于文檔管理的PDM與CAPP集成情況下,工藝文檔作為一個整體對象在PDM中進行管理,工藝文檔及其屬性數據的存儲,類似于CAD系統與PDM系統集成時CAD文檔及屬性數據的存儲。但由于CAPP文檔是格式文檔,其文檔中要素可被計算機識別和讀取,以便為企業中其他應用系統提供必要的數據,必須考慮工藝文檔組成的數據元素如何同時在PDM數據庫中存儲。因而CAPP文檔數據在集成化PDM中的存儲與CAD文檔相比有很大的不同。本文提出一種PDM中工藝文檔的存儲模型,如圖3所示。

    在圖3中,CAPP系統從PDM數據庫中獲得CAD設計屬性信息、圖形信息和產品結構信息的同時,調用了設備庫、刀具庫及工藝數據庫等企業基礎數據,生成零部件工藝文檔、工藝BOM及設備、刀具、工時等其他應用集成系統所需要的數據表。
    對CAPP產生的這些數據和文檔,PDM分三部分存儲:
    (1)工藝文件存儲  工藝文件作為一個整體存
儲在PDM電子倉庫中,工藝文檔中同時包含了零件工序圖信息。該工藝文件與對應CAD文件相關聯,作為一個整體,與對應的產品CAD文檔一起經歷文檔版本管理和生命周期管理。

CAPP文檔在PDM中的存儲模型
    圖3 CAPP文檔在PDM中的存儲模型

    
    (2)企業中其他應用軟件系統需要的數據存儲CAPP生成一定產品工藝中的設備、刀具、工時等企業中其他應用軟件系統需要的數據。這些數據從企業信息集成的角度將是非常有用的,它們以關系數據的形式存儲在:PDM數據庫中,并以唯一的索引與對應工藝文檔相聯系,以方便系統查詢和被其他集成應用系統所讀取。對這些數據的存儲,用戶需要根據ODBC等數據庫語言開發相應的接口。
    (3)工藝文檔特有的屬性信息存儲  如工藝文檔的代號、設計日期、狀態等信息,用戶通過屬性模板輸入的數據保存在PDM數據庫中。當然在此之前,用戶必須在數據庫中定義工藝數據類以及類的屬性。

4集成方案的具體實現
    本文實現CAPP集成的PDM軟件SmarTeam,是一個Windows原創的、可用戶化的產品數據管理系統,提供完整的企業級PDM解決方案。SmarTeam系統提供的集成開發工具為應用編程接口(API)庫,通過運用這些API函數,可較方便地實現對原有PDM信息管理模型的增擴與裁減[7],擴展的內容包括類及其屬性的定義、類與類之間的關系定義等。同時對于CAPP系統的數據導入導出也可運用API實現,在集成實例中的具體操作方法是將C++語言與API接口聯編結合起來。
    實例中的CAPP系統是針對東風汽車傳動軸有限公司產品結構相似性而開發的一種變異式CAPP系統。該系統不過分追求工藝設計自動化,著重提高工藝設計和管理的效益及水平;重視CAPP與CAD、PDM的集成,消除數據的重復輸入,提高與設計部門、生產管理部門的信息共享;通過對工藝基礎數據的采集、整理和規范化,提高工藝設計標準化程度。CAPP與SmarTeam的集成,其部分功能如下:
    (1)復制信息功能  能把SmarTeam中的零件屬性信息復制到工藝設計系統中,零件屬性信息作為機械加工工藝卡片中的表頭信息,產品結構用來確定裝配工藝過程與裝配工序所需的零組件。
    (2)提取和管理數據功能  SmarTeam提取機械加工工藝過程卡片中的數據,并對其進行管理;同時SmarTeam保存CAPP所生成的設備清單、刀具清單等,以便給企業中的其他應用系統提供數據。
    具體實現辦法是:在CAPP的主菜單中掛一個Smat-Tearn的菜單項,通過“導入/導出”功能,調用SmarTearn API函數,來實現工藝文檔及數據的存儲。CAPP系統界面如圖4所示。

 
5  結束語
 
    目前,企業信息化建設工作在各類企業中蓬勃開展。以PDM為框架進行應用系統集成及實現產品數據的高效管理和共享,是信息化工作的核心。本文介紹了集成環境下PDM與CAPP進行數據交換的內容及實現交換的方法,實現了具體PDM軟件SmarTeam與自主開發的CAPP系統的集成及相互間的數據交換,這些方法在筆者的實踐中證明是可靠、易行的。
 

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