PDM的CAFD系统集成解决方案
发布时间：19-06-28
2.1引言
自上世纪70年代以来，计算机在企业的产品设计、制造和经营管理领域中的应用不断深化。同时为了适应动态的、多品种小批量自动化生产方式的需求，在相关的制造过程中，出现了许多单一目的计算机辅助自动化程序，如计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助生产管理（CAPM）、计算机辅助质量管理（CAQ）、计算机辅助夹具设计（CAFD）等。它们一般都是在企业生产过程中按各部门的需要逐个建立起来的，从改进单项功能目标上体现了局部效益。
然而，由于缺少整体规划，这些单项应用相对而言都是独立的，各单项应用之间的信息不能共享，往往还会产生诸如数据不一致之类的矛盾和冲突。特别是因功能耦合关系不紧密而导致其整体效益不能体现，因此，人们把这些单项应用形象化地称为“自动化孤岛”。
十分明显，这种孤岛现象必须改变，只有把孤立的应用通过计算机网络和系统集成技术连接成一个整体，才能消除企业内部信息和数据的矛盾和冗余。这种集成不是单项应用叠加式的组合，而是应当使企业内部信息和数据处理具有充分的及时性、准确性、一致性和共享性，这就是计算机集成制造技术产生的客观原因。
另一方面，集成技术的发展得力于信息技术的迅猛发展。随着科学技术的进一步发展，新型多处理机，高性能服务器和微机，分布式网络化的计算机网络以及分布式数据库等技术都日渐成熟，同时随着计算机环境的标准化程度有了重要的提高，使得分布式计算机环境具有了开放的体系机构。所有这些因素都对推动计算机集成制造技术起了积极的作用。
近年来，人们在夹具设计的自动化方面已经做了很多卓有成效的研究，然而却很少考虑夹具辅助设计系统与其他系统的集成，因此夹具的辅助设计与其它辅助设计系统间产生了信息的“断面”，造成信息交流的不畅。实际上夹具设计与许多系统都存在着联系，比如，在利用CAD进行产品设计的早期，要对产品设计做出可装夹性分析，以使产品设计结果在后续制造阶段即进行夹具准备时不会出现什么问题。
在产品设计完成后，应利用设计结果进行产品工艺设计，从而决定零件需要的安装次数，每次安装中工件的方位和要求的表面。CAFD与CAE的联系主要是通过CAE软件(如有限元分析软件)对CAFD的设计结果进行各种刚度和强度的分析，通过有限元计算的结果来分析工件在夹具的夹持下产生的变形，以保证设计出的夹具能满足零件的加工精度要求。
为了保证夹具设计过程中切削刀具与设计的夹具元、组件之间没有干涉或避开干涉，除了可在CAFD系统中考虑夹具的干涉仿真外，还可把夹具设计的数据输出给CAM系统，以生成没有干涉的数控加工程序，并通过CAM系统对带有夹具的工件进行数控加工仿真，进一步完善夹具设计和NC程序设计。
至于PDM则是产品开发中的信息和过程集成平台，在PDM过程控制下CAFD通过PDM可以及时、准确地从CAD/CAE/CAPP/CAM系统中获取所需得的信息，并及时反馈其它系统所需的信息，使产品设计、工艺设计、工装设计可以协同进行。同时利用PDM可以对夹具图、夹具资源进行有效的管理，可以为夹具的基于实例的检索、基于夹具设计资源的配置设计、基于CAD模型的夹具快速装配提供坚实的信息基础。
2.2CAFD集成系统总体框架
所谓集成并非是各子系统模块叠加式的组合，而是通过不同数据结构的映射与数据传递实现功能的集成，利用各种各样的接口将CAD/CAPP/CAFD/CAM的应用程序、数据库、规范与标准库连接成一个集成化系统。它包括了信息集成、网络集成、功能集成和过程集成等诸多方面。
集成系统按其功能可划分为三个部分：用户应用层、系统集成层和支撑系统层。用户应用层是各单项的CAX，用户操作各单项的CAX来实现夹具设计、工艺设计等单项任务。系统集成层是基于PDM实现各项CAX的信息、过程的集成。支撑系统层主要是网络、数据库等支撑环境，为集成系统的实施提供了物质和技术上的保障，其总体框架见图2.1。
图2.1集成系统总体框架
由图2.1可以看出夹具设计系统的信息来源于左边的产品和零件CAD设计，在产品与零件CAD设计完成并将设计结果保存到PDM数据库之后，CAPP对产品与零件进行相应的工艺设计，CAFD可以通过标准的元件库、组件库对零件的不同工序设计相应的夹具，而CAE可以对设计完成的夹具体进行有限元分析，对夹具的刚度以及在夹紧力下发生的变形进行计算，从而可以保证加工精度，CAM通过综合产品与零件加工信息和夹具体的定位、夹紧点等信息后，从而产生零件的NC代码，同时，夹具设计的结果也被输入到CAM的模拟加工单元中，通过加工仿真就可以预先知道加工工程中可能发生的刀具与夹具的干涉情况，这可以对夹具设计提出指导性修改意见。各CAX系统通过接口与PDM进行信息交流，而网络和分布式数据库的硬件平台使得这些辅助设计软件实现了跨网络，跨地域的远端协作。
2.3CAFD集成系统功能模型
基于PDM的CAFD集成系统的功能主要包括：基于PDM的元件、组件以及夹具实例库的维护，夹具元、组件的配置，夹具体的BOM表的提取，CAFD系统与CAPP的接口（实现工序图装夹信息、工艺信息的提取），以及CAFD系统与PDM的接口（实现CAFD与PDM数据库的一致性）等一些功能，系统功能结构如图2.2所示。
图2.2基于PDM的CAFD集成系统功能模块
由图2.2可知系统需要实现的功能主要分以下几部分：
1.夹具元件库维护主要是对夹具元件的图文档进行管理，维护元件的驱动尺寸信息，同时记录元件的可装配信息，用于夹具装配时的元件选择。
2.夹具组件库的维护除了完成对其图文档的维护外，还要对构成组件的元件型号进行维护，通过约束方程的提取自动生成可装配元件列表。
3.夹具实例库的维护主要是完成对夹具检索码的维护及实例相关属性管理，从而可以对实例库中的夹具进行相似检索以及变异设计。
4.夹具的配置这一部分主要是依据夹具元组件之间的装配约束、定位约束、夹紧约束、加工约束等关系，从夹具元、组件库中选取适合的部件，最终完成夹具的设计。
5.BOM表提取主要是从三维或二维的夹具图中获取构成夹具的元件的型号、数量等信息，从而构成夹具BOM表。
6.CAFD与CAPP接口实现从CAPP的工序卡中提取与装夹相关的工艺信息，如机床类型、加工内容等，以及从工序图中提取定位面，夹紧面等装夹信息的目的。
7.CAFD与CAE的接口主要是将夹具的设计结果（定位、夹紧位置信息等）传输到CAE（如有限元分析软件）中对夹具的刚度、变形进行分析，并将分析的结果反馈给CAFD作为修改夹具设计的依据。
8.CAFD与CAM的接口此接口主要是将夹具设计结果输入到加工仿真单元，进行加工仿真，从而可以事先发现刀具与夹具之间是否产生干涉，仿真结果将传送到CAFD中，这将指导CAFD对其夹具的夹紧件、夹紧点进行修改。
9.CAFD与PDM的接口由于PDM与CAFD所采用的数据库在存储和结构上存在不同，因此，CAFD与PDM的接口主要实现两个数据库的异步一致。同时，CAFD与PDM的接口还完成夹具设计信息在CAFD/PDM间的传递，夹具设计的结果将被接口程序传送到PDM中，实现统一管理。
基于PDM的CAFD与CAX的集成系统的功能模型如图2.3所示。
在产品与零件CAD设计初步完成后，CAPP与CAFD可以同时得到零件的几何信息，在CAPP选定工序的装夹、定位面后，夹具设计可与工艺设计同步进行，并且工艺设计和夹具设计的结果又可以反馈给零件CAD，为零件修改提出建议。同样，CAFD在初步完成夹具设计后，就可以首先发布一个预发布版，此版本可以供CAE和CAM进行测试和仿真，在发现问题后可以及时反馈给CAFD，从而可以及时修改夹具设计，这样可以实现夹具的并行设计。
图2.3系统功能模型
2.4CAFD集成系统信息集成的方式
就集成的发展和集成的水平来说，CAFD与CAX及PDM之间的集成方式有如下四种方式：
1.采用专用接口交换设计信息的集成方式
这是CAD/CAPP/CAFD/CAE/CAM等系统发展初期所采用的、也是低水平的集成方式。在相同的开发和应用环境中，可在各子系统间相互协调，确定数据传输的格式，从而实现系统间的互联。而在不同的开发应用环境下，则需要在各子系统之间开发不同的专用接口，使得信息能在各子系统间传递，其集成方式如图2.4所示。
这种专用接口的信息集成方式原理比较简单，转换接口程序比较容易实现，运行效率较高。但是由于各应用系统所建立的模型各不相同，而且相互间的数据交换存在于两个系统之间，当子系统较多时，所需的接口程序将增多，编写接口时所需了解的数据结构也变得多而繁琐。同时，如果系统中一个子系统发生变化时，引起的程序修改量也是很大的。因此这种集成模式无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性也是较差的，仅适用于小范围内、简单的、各子系统相对固定的情况。
图2.4专用接口的集成模式
2.通过标准数据格式文件交换设计信息的集成方式
系统中存在一个与各应用系统无关的标准格式，如STEP标准，XML文件格式。以这一标准格式建立中性文件，并用一个通用的数据管理系统来对这些中性文件进行管理。各应用子系统都需要通过开发前置和后置数据转换接口来解决系统间数据的输入/输出问题。其实现方式如图2.5所示。
在这种集成方式中，每个子系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统中的数据结构等细节问题，减少了集成系统内的转换接口。若采用专用接口，其子系统有n个，则需要开发的接口数为Cn，而如果采用中性文件则只需要开发n个前后置接口，因此，其接口数据随子系统的增多而大大减少。同时，采用中性文件的集成系统也降低了接口的维护难度，便于应用系统的开发和使用。因此这种集成方式可以在较广泛的范围内实现数据的共享和数据的维护。
图2.5中性文件集成模式
3.以工程数据库为核心实现系统集成
这种集成模式是使系统中各个子系统通过用户接口按工程数据库要求的格式直接存取数据或操作数据库。与使用其他集成方式相比，由于各子系统可以直接和数据库交换信息，省去了转换为中性文件的过程，因此其运行效率比较高，从而进一步提高了集成化程度。在实际应用中各子系统通常都是先与PDM交换信息，然后统一由PDM去维护工程数据库。这样既可以达到数据的一致性和安全性，同时也便于各子系统分享信息消除了数据的冗余。其集成方式如图2.6所示。
图2.6基于PDM的集成模式
4.软件/硬件的集成
该集成模式主要是将硬件和软件绑定在一起向用户提供软/硬件一体化的集成系统。系统将CAD相关算法和软件做成芯片，从而提高了系统的效率和可保护性。但这种系统的移植性很差，必须是为某个企业某一部门量身定制，而且很难将这一设计好的系统转移到其他企业去。
综合比较以上四种方法可以看出，软件/硬件集成的方法可移植性太差，而采用专用接口的方法，接口设计程序量大，而且维护比较困难，因此，在进行CAFD系统集成时作者选择了基于PDM的系统集成的方法，同时考虑到信息的跨平台传输，因此本文也研究了采用XML作为中性文件实现基于网络的信息集成方式。
对于基于PDM的信息的集成，通常有以下三种集成模式：
1.封装模式
PDM作为一个集成平台，通常可以连接其他各种计算机辅助设计系统，使各子系统的数据和操作具有统一的模型界面和逻辑的独立性，这也就是所谓的封装性。封装性具有从一种应用转换到另一种应用的功能，即在PDM系统中可以直接激活相应的CAX系统，并使不同的CAX系统之间实现信息共享。同样,在CAX子系统系统中也可以直接进入PDM系统，进行相应的数据管理操作，而无需退出原来的系统重新进入。封装模式满足以文件形式生成的所有数据应用系统需求。目前很多大厂商的商业软件都实现了自动封装，如SmarTeam和SolidWorks的封装集成。
2.程序接口模式
程序接口的主要功能是为了保证各CAX系统与PDM系统间的数据一致性。通常各CAX系统与PDM在数据库中的数据存储方式各不相同，同时由于各系统的主要功能各不相同，因此在存储字段上也各有差异，因此需要设计一个接口程序，来实现数据在CAX与PDM间的传递。在接口模式的传输模式下，各子系统是相互独立且处于平等地位的，在任一子系统内修改数据，接口程序都会及时通知并修改另一子系统的数据。
3.系统完全集成模式
在此集成模式下，PDM具有对各种类型的信息提供全自动的双向交换的能力，交换的信息可以包括各种产品信息、特征信息、参数和面向应用对象的信息等。用户在统一定义的集成环境里工作，不必在各系统间进行切换。基于PDM的系统完全集成模式能消除各CAX中的信息孤岛，并能始终保持CAX的信息与PDM的信息的高度一致性。
综上所述，采用系统完全集成的模式需要在开发阶段进行整体设计，从而保证信息传递的准确性与有效性，这种集成模式适合新兴采用CIMS的企业，但不适合那种已经广泛使用CAX的企业。而对于封装集成模式，需要了解各子系统的数据结构以及程序流程，同时需要改动各子程序的代码，其实现难度相对较大。因此，本文所采用的是基于PDM的程序接口集成模式，这种模式具有程序设计和改动量小的优点。
2.5CAFD过程集成
基于PDM的夹具辅助设计集成系统除了实现信息集成外，还可以在PDM的支持下实现过程集成。夹具过程集成包含两个方面：一是CAFD系统内部夹具CAD、夹具CAE、夹具CAPP、夹具CAM之间的集成；二是CAFD与产品开发链上的产品CAD、产品CAPP、产品CAM等系统之间的集成，即将原来有先后顺序的产品设计、工艺设计、工装设计、工装制造等实施过程，变为同时考虑各环节需求、设计内容、同时处理相关问题的并行作业过程。
鉴于目前CAD和CAPP多是独立系统，即便是CAD/CAPP集成系统也还没有将工装设计系统纳入到并行作业的环节，因此，本文在夹具设计系统建模时，以PDM作为产品信息和过程集成的平台，从而实现CAFD系统作为并行产品开发过程的一部分与CIMS其它子系统集成，同时实现各子系统之间的信息共享与传递，最终实现产品开发各环节的并行作业。夹具串行设计过程与并行设计过程的比较如图2.7所示。
图2.7串并行过程比较
由图2.7可以看出，以往的产品设计总是按照设计流程，先进行CAD设计，通常是在CAD设计结束后才能进行CAPP等其他的设计，这样不仅使设计周期变长，而且有些设计错误在最后阶段才能被发现，从而进一步拖延了产品上市的周期，而并行设计要求在CAD设计阶段就考虑后面的装配，在CAD设计有一个初稿时就可以同时进行后面的设计，并将设计中发现的问题反馈给前面一个设计系统，避免错误在最后才被发现。
2.6CAFD集成系统实现的关键技术
2.6.1CAFD与CAPP的集成
CAFD与CAPP的集成是夹具集成设计的一项关键技术，也是实现计算机集成制造的一项关键技术，而解决这一关键技术的难点在于如何将CAPP的信息进行分类，以及如何准确、有效地从CAPP的工序卡片和工序图中获取CAFD所需要的各种工艺信息，如定位信息、夹紧信息以及各定位面、夹紧面间的空间位置关系等一些信息。
随着特征技术的发展，特征识别与特征映射等特征相关技术也日渐成熟，且已被广泛的使用于CAFD、CAPP等系统的集成中，这些技术已成为解决CAPP/CAFD信息集成的一种重要的方法。特征识别是以产品几何模型为基础，采用一定的推理方法，从几何模型的点、线、面信息中识别出满足CAFD需要的信息的一种方法。
目前绝大部分的三维设计软件，如UG、Pro/E，SolidWorks等，都已采用特征造型的方法作为其三维建模的主要方法。这也为特征识别奠定了良好的基础。本课题拟定采用是特征识别和特征映射的方法，从CAPP的工序图中获取定位、夹紧信息，并将识别的信息与CAFD中的元件建立映射关系，辅助用户从众多的夹具元件中选择合适的元件构成夹具，最终实现夹具设计的自动化。
同时考虑到现代制造的跨地域性，因此在CAFD集成系统中还应考虑基于Internet的信息传输机制。本文拟采用XML的文件格式，从而可以实现CAPP的远程协作。
2.6.2CAFD与PDM的集成
CAFD与PDM的集成主要是需要实现脱离CAD界面并基于PDM的夹具维护和管理、夹具配置、BOM表管理以及CAFD/PDM接口等一些功能，同时充分利用PDM强大的数据管理功能和过程管理功能，实现CAFD与其它系统的集成。
考虑到不可能将每一个夹具元件、组件以及夹具的所有型号的尺寸信息都存入数据库中，因此本文在各类库的维护上采用了“主模型”的形式。对于夹具元件，可以存储一些具有形状属性的，参数化的，大小可变的三维实体，其各主要尺寸可以通过改变尺寸参数来驱动，参数驱动完成后又可以通过自动重新建模来刷新几何体，形成所需要的同一系列的各种型号的不同的零件。
而对于组件和夹具体则是存储构成它的元件的型号，至于元件的具体尺寸可以通过查询元件的尺寸表来获得，而不必在夹具或组件中重复记录这些参数。这样就将以往的单个夹具的维护就转化为只需要维护“主模型”即可，这样不仅大大减轻了维护的工作量，而且也减少了数据的冗余，提高了系统的效率。
在CAFD与PDM的接口程序方面，由于PDM与CAFD在程序设计上侧重点不同，其数据库的结构也有所不同，因此，接口所需完成的主要工作就是维护两个数据库的一致性，包括在其中任何一个系统的数据的更改，接口程序要能够立刻通知另一个数据库，并能更改该数据库的相应表的相应记录，从而实现两者信息的一致，保证在任何一个系统中，任何时间都能得到所需的正确的数据。
2.6.3CAFD与CAE、CAM等其它系统的集成
CAFD与CAE、CAM等其它系统的集成主要是考虑CAFD的夹具设计信息与其它相关系统间的信息交互。CAFD与CAE的信息的交流主要是CAFD会将设计好的夹具传递给CAE，在CAE中读取夹具的定位和夹紧点的位置，并输入预设的夹紧力，从而计算出夹具体的变形，以及应力分布情况，对夹具的设计提出评价和修改建议。CAFD与CAM系统的信息交互包括在CAM中对包含夹具的工件进行加工仿真，以确定没有加工干涉，以及对仿真过程中的切削力进行记录，从而计算出夹持工件所需的最小夹紧力和产生的变形。
2.7本章小结
本章主要对基于PDM的CAFD集成系统的体系框架、功能结构进行了研究，从信息集成和过程集成的角度探讨了CAFD与CAPP、PDM等系统的集成，对这些系统的集成将在下面章节中进行具体的叙述。
自上世纪70年代以来，计算机在企业的产品设计、制造和经营管理领域中的应用不断深化。同时为了适应动态的、多品种小批量自动化生产方式的需求，在相关的制造过程中，出现了许多单一目的计算机辅助自动化程序，如计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）、计算机辅助工艺过程设计（CAPP）、计算机辅助生产管理（CAPM）、计算机辅助质量管理（CAQ）、计算机辅助夹具设计（CAFD）等。它们一般都是在企业生产过程中按各部门的需要逐个建立起来的，从改进单项功能目标上体现了局部效益。
然而，由于缺少整体规划，这些单项应用相对而言都是独立的，各单项应用之间的信息不能共享，往往还会产生诸如数据不一致之类的矛盾和冲突。特别是因功能耦合关系不紧密而导致其整体效益不能体现，因此，人们把这些单项应用形象化地称为“自动化孤岛”。
十分明显，这种孤岛现象必须改变，只有把孤立的应用通过计算机网络和系统集成技术连接成一个整体，才能消除企业内部信息和数据的矛盾和冗余。这种集成不是单项应用叠加式的组合，而是应当使企业内部信息和数据处理具有充分的及时性、准确性、一致性和共享性，这就是计算机集成制造技术产生的客观原因。
另一方面，集成技术的发展得力于信息技术的迅猛发展。随着科学技术的进一步发展，新型多处理机，高性能服务器和微机，分布式网络化的计算机网络以及分布式数据库等技术都日渐成熟，同时随着计算机环境的标准化程度有了重要的提高，使得分布式计算机环境具有了开放的体系机构。所有这些因素都对推动计算机集成制造技术起了积极的作用。
近年来，人们在夹具设计的自动化方面已经做了很多卓有成效的研究，然而却很少考虑夹具辅助设计系统与其他系统的集成，因此夹具的辅助设计与其它辅助设计系统间产生了信息的“断面”，造成信息交流的不畅。实际上夹具设计与许多系统都存在着联系，比如，在利用CAD进行产品设计的早期，要对产品设计做出可装夹性分析，以使产品设计结果在后续制造阶段即进行夹具准备时不会出现什么问题。
在产品设计完成后，应利用设计结果进行产品工艺设计，从而决定零件需要的安装次数，每次安装中工件的方位和要求的表面。CAFD与CAE的联系主要是通过CAE软件(如有限元分析软件)对CAFD的设计结果进行各种刚度和强度的分析，通过有限元计算的结果来分析工件在夹具的夹持下产生的变形，以保证设计出的夹具能满足零件的加工精度要求。
为了保证夹具设计过程中切削刀具与设计的夹具元、组件之间没有干涉或避开干涉，除了可在CAFD系统中考虑夹具的干涉仿真外，还可把夹具设计的数据输出给CAM系统，以生成没有干涉的数控加工程序，并通过CAM系统对带有夹具的工件进行数控加工仿真，进一步完善夹具设计和NC程序设计。
至于PDM则是产品开发中的信息和过程集成平台，在PDM过程控制下CAFD通过PDM可以及时、准确地从CAD/CAE/CAPP/CAM系统中获取所需得的信息，并及时反馈其它系统所需的信息，使产品设计、工艺设计、工装设计可以协同进行。同时利用PDM可以对夹具图、夹具资源进行有效的管理，可以为夹具的基于实例的检索、基于夹具设计资源的配置设计、基于CAD模型的夹具快速装配提供坚实的信息基础。
2.2CAFD集成系统总体框架
所谓集成并非是各子系统模块叠加式的组合，而是通过不同数据结构的映射与数据传递实现功能的集成，利用各种各样的接口将CAD/CAPP/CAFD/CAM的应用程序、数据库、规范与标准库连接成一个集成化系统。它包括了信息集成、网络集成、功能集成和过程集成等诸多方面。
集成系统按其功能可划分为三个部分：用户应用层、系统集成层和支撑系统层。用户应用层是各单项的CAX，用户操作各单项的CAX来实现夹具设计、工艺设计等单项任务。系统集成层是基于PDM实现各项CAX的信息、过程的集成。支撑系统层主要是网络、数据库等支撑环境，为集成系统的实施提供了物质和技术上的保障，其总体框架见图2.1。
图2.1集成系统总体框架
由图2.1可以看出夹具设计系统的信息来源于左边的产品和零件CAD设计，在产品与零件CAD设计完成并将设计结果保存到PDM数据库之后，CAPP对产品与零件进行相应的工艺设计，CAFD可以通过标准的元件库、组件库对零件的不同工序设计相应的夹具，而CAE可以对设计完成的夹具体进行有限元分析，对夹具的刚度以及在夹紧力下发生的变形进行计算，从而可以保证加工精度，CAM通过综合产品与零件加工信息和夹具体的定位、夹紧点等信息后，从而产生零件的NC代码，同时，夹具设计的结果也被输入到CAM的模拟加工单元中，通过加工仿真就可以预先知道加工工程中可能发生的刀具与夹具的干涉情况，这可以对夹具设计提出指导性修改意见。各CAX系统通过接口与PDM进行信息交流，而网络和分布式数据库的硬件平台使得这些辅助设计软件实现了跨网络，跨地域的远端协作。
2.3CAFD集成系统功能模型
基于PDM的CAFD集成系统的功能主要包括：基于PDM的元件、组件以及夹具实例库的维护，夹具元、组件的配置，夹具体的BOM表的提取，CAFD系统与CAPP的接口（实现工序图装夹信息、工艺信息的提取），以及CAFD系统与PDM的接口（实现CAFD与PDM数据库的一致性）等一些功能，系统功能结构如图2.2所示。
图2.2基于PDM的CAFD集成系统功能模块
由图2.2可知系统需要实现的功能主要分以下几部分：
1.夹具元件库维护主要是对夹具元件的图文档进行管理，维护元件的驱动尺寸信息，同时记录元件的可装配信息，用于夹具装配时的元件选择。
2.夹具组件库的维护除了完成对其图文档的维护外，还要对构成组件的元件型号进行维护，通过约束方程的提取自动生成可装配元件列表。
3.夹具实例库的维护主要是完成对夹具检索码的维护及实例相关属性管理，从而可以对实例库中的夹具进行相似检索以及变异设计。
4.夹具的配置这一部分主要是依据夹具元组件之间的装配约束、定位约束、夹紧约束、加工约束等关系，从夹具元、组件库中选取适合的部件，最终完成夹具的设计。
5.BOM表提取主要是从三维或二维的夹具图中获取构成夹具的元件的型号、数量等信息，从而构成夹具BOM表。
6.CAFD与CAPP接口实现从CAPP的工序卡中提取与装夹相关的工艺信息，如机床类型、加工内容等，以及从工序图中提取定位面，夹紧面等装夹信息的目的。
7.CAFD与CAE的接口主要是将夹具的设计结果（定位、夹紧位置信息等）传输到CAE（如有限元分析软件）中对夹具的刚度、变形进行分析，并将分析的结果反馈给CAFD作为修改夹具设计的依据。
8.CAFD与CAM的接口此接口主要是将夹具设计结果输入到加工仿真单元，进行加工仿真，从而可以事先发现刀具与夹具之间是否产生干涉，仿真结果将传送到CAFD中，这将指导CAFD对其夹具的夹紧件、夹紧点进行修改。
9.CAFD与PDM的接口由于PDM与CAFD所采用的数据库在存储和结构上存在不同，因此，CAFD与PDM的接口主要实现两个数据库的异步一致。同时，CAFD与PDM的接口还完成夹具设计信息在CAFD/PDM间的传递，夹具设计的结果将被接口程序传送到PDM中，实现统一管理。
基于PDM的CAFD与CAX的集成系统的功能模型如图2.3所示。
在产品与零件CAD设计初步完成后，CAPP与CAFD可以同时得到零件的几何信息，在CAPP选定工序的装夹、定位面后，夹具设计可与工艺设计同步进行，并且工艺设计和夹具设计的结果又可以反馈给零件CAD，为零件修改提出建议。同样，CAFD在初步完成夹具设计后，就可以首先发布一个预发布版，此版本可以供CAE和CAM进行测试和仿真，在发现问题后可以及时反馈给CAFD，从而可以及时修改夹具设计，这样可以实现夹具的并行设计。
图2.3系统功能模型
2.4CAFD集成系统信息集成的方式
就集成的发展和集成的水平来说，CAFD与CAX及PDM之间的集成方式有如下四种方式：
1.采用专用接口交换设计信息的集成方式
这是CAD/CAPP/CAFD/CAE/CAM等系统发展初期所采用的、也是低水平的集成方式。在相同的开发和应用环境中，可在各子系统间相互协调，确定数据传输的格式，从而实现系统间的互联。而在不同的开发应用环境下，则需要在各子系统之间开发不同的专用接口，使得信息能在各子系统间传递，其集成方式如图2.4所示。
这种专用接口的信息集成方式原理比较简单，转换接口程序比较容易实现，运行效率较高。但是由于各应用系统所建立的模型各不相同，而且相互间的数据交换存在于两个系统之间，当子系统较多时，所需的接口程序将增多，编写接口时所需了解的数据结构也变得多而繁琐。同时，如果系统中一个子系统发生变化时，引起的程序修改量也是很大的。因此这种集成模式无法实现广泛的数据共享，数据的安全性和可维护性也是较差的，仅适用于小范围内、简单的、各子系统相对固定的情况。
图2.4专用接口的集成模式
2.通过标准数据格式文件交换设计信息的集成方式
系统中存在一个与各应用系统无关的标准格式，如STEP标准，XML文件格式。以这一标准格式建立中性文件，并用一个通用的数据管理系统来对这些中性文件进行管理。各应用子系统都需要通过开发前置和后置数据转换接口来解决系统间数据的输入/输出问题。其实现方式如图2.5所示。
在这种集成方式中，每个子系统只与标准格式文件打交道，无需知道别的系统中的数据结构等细节问题，减少了集成系统内的转换接口。若采用专用接口，其子系统有n个，则需要开发的接口数为Cn，而如果采用中性文件则只需要开发n个前后置接口，因此，其接口数据随子系统的增多而大大减少。同时，采用中性文件的集成系统也降低了接口的维护难度，便于应用系统的开发和使用。因此这种集成方式可以在较广泛的范围内实现数据的共享和数据的维护。
图2.5中性文件集成模式
3.以工程数据库为核心实现系统集成
这种集成模式是使系统中各个子系统通过用户接口按工程数据库要求的格式直接存取数据或操作数据库。与使用其他集成方式相比，由于各子系统可以直接和数据库交换信息，省去了转换为中性文件的过程，因此其运行效率比较高，从而进一步提高了集成化程度。在实际应用中各子系统通常都是先与PDM交换信息，然后统一由PDM去维护工程数据库。这样既可以达到数据的一致性和安全性，同时也便于各子系统分享信息消除了数据的冗余。其集成方式如图2.6所示。
图2.6基于PDM的集成模式
4.软件/硬件的集成
该集成模式主要是将硬件和软件绑定在一起向用户提供软/硬件一体化的集成系统。系统将CAD相关算法和软件做成芯片，从而提高了系统的效率和可保护性。但这种系统的移植性很差，必须是为某个企业某一部门量身定制，而且很难将这一设计好的系统转移到其他企业去。
综合比较以上四种方法可以看出，软件/硬件集成的方法可移植性太差，而采用专用接口的方法，接口设计程序量大，而且维护比较困难，因此，在进行CAFD系统集成时作者选择了基于PDM的系统集成的方法，同时考虑到信息的跨平台传输，因此本文也研究了采用XML作为中性文件实现基于网络的信息集成方式。
对于基于PDM的信息的集成，通常有以下三种集成模式：
1.封装模式
PDM作为一个集成平台，通常可以连接其他各种计算机辅助设计系统，使各子系统的数据和操作具有统一的模型界面和逻辑的独立性，这也就是所谓的封装性。封装性具有从一种应用转换到另一种应用的功能，即在PDM系统中可以直接激活相应的CAX系统，并使不同的CAX系统之间实现信息共享。同样,在CAX子系统系统中也可以直接进入PDM系统，进行相应的数据管理操作，而无需退出原来的系统重新进入。封装模式满足以文件形式生成的所有数据应用系统需求。目前很多大厂商的商业软件都实现了自动封装，如SmarTeam和SolidWorks的封装集成。
2.程序接口模式
程序接口的主要功能是为了保证各CAX系统与PDM系统间的数据一致性。通常各CAX系统与PDM在数据库中的数据存储方式各不相同，同时由于各系统的主要功能各不相同，因此在存储字段上也各有差异，因此需要设计一个接口程序，来实现数据在CAX与PDM间的传递。在接口模式的传输模式下，各子系统是相互独立且处于平等地位的，在任一子系统内修改数据，接口程序都会及时通知并修改另一子系统的数据。
3.系统完全集成模式
在此集成模式下，PDM具有对各种类型的信息提供全自动的双向交换的能力，交换的信息可以包括各种产品信息、特征信息、参数和面向应用对象的信息等。用户在统一定义的集成环境里工作，不必在各系统间进行切换。基于PDM的系统完全集成模式能消除各CAX中的信息孤岛，并能始终保持CAX的信息与PDM的信息的高度一致性。
综上所述，采用系统完全集成的模式需要在开发阶段进行整体设计，从而保证信息传递的准确性与有效性，这种集成模式适合新兴采用CIMS的企业，但不适合那种已经广泛使用CAX的企业。而对于封装集成模式，需要了解各子系统的数据结构以及程序流程，同时需要改动各子程序的代码，其实现难度相对较大。因此，本文所采用的是基于PDM的程序接口集成模式，这种模式具有程序设计和改动量小的优点。
2.5CAFD过程集成
基于PDM的夹具辅助设计集成系统除了实现信息集成外，还可以在PDM的支持下实现过程集成。夹具过程集成包含两个方面：一是CAFD系统内部夹具CAD、夹具CAE、夹具CAPP、夹具CAM之间的集成；二是CAFD与产品开发链上的产品CAD、产品CAPP、产品CAM等系统之间的集成，即将原来有先后顺序的产品设计、工艺设计、工装设计、工装制造等实施过程，变为同时考虑各环节需求、设计内容、同时处理相关问题的并行作业过程。
鉴于目前CAD和CAPP多是独立系统，即便是CAD/CAPP集成系统也还没有将工装设计系统纳入到并行作业的环节，因此，本文在夹具设计系统建模时，以PDM作为产品信息和过程集成的平台，从而实现CAFD系统作为并行产品开发过程的一部分与CIMS其它子系统集成，同时实现各子系统之间的信息共享与传递，最终实现产品开发各环节的并行作业。夹具串行设计过程与并行设计过程的比较如图2.7所示。
图2.7串并行过程比较
由图2.7可以看出，以往的产品设计总是按照设计流程，先进行CAD设计，通常是在CAD设计结束后才能进行CAPP等其他的设计，这样不仅使设计周期变长，而且有些设计错误在最后阶段才能被发现，从而进一步拖延了产品上市的周期，而并行设计要求在CAD设计阶段就考虑后面的装配，在CAD设计有一个初稿时就可以同时进行后面的设计，并将设计中发现的问题反馈给前面一个设计系统，避免错误在最后才被发现。
2.6CAFD集成系统实现的关键技术
2.6.1CAFD与CAPP的集成
CAFD与CAPP的集成是夹具集成设计的一项关键技术，也是实现计算机集成制造的一项关键技术，而解决这一关键技术的难点在于如何将CAPP的信息进行分类，以及如何准确、有效地从CAPP的工序卡片和工序图中获取CAFD所需要的各种工艺信息，如定位信息、夹紧信息以及各定位面、夹紧面间的空间位置关系等一些信息。
随着特征技术的发展，特征识别与特征映射等特征相关技术也日渐成熟，且已被广泛的使用于CAFD、CAPP等系统的集成中，这些技术已成为解决CAPP/CAFD信息集成的一种重要的方法。特征识别是以产品几何模型为基础，采用一定的推理方法，从几何模型的点、线、面信息中识别出满足CAFD需要的信息的一种方法。
目前绝大部分的三维设计软件，如UG、Pro/E，SolidWorks等，都已采用特征造型的方法作为其三维建模的主要方法。这也为特征识别奠定了良好的基础。本课题拟定采用是特征识别和特征映射的方法，从CAPP的工序图中获取定位、夹紧信息，并将识别的信息与CAFD中的元件建立映射关系，辅助用户从众多的夹具元件中选择合适的元件构成夹具，最终实现夹具设计的自动化。
同时考虑到现代制造的跨地域性，因此在CAFD集成系统中还应考虑基于Internet的信息传输机制。本文拟采用XML的文件格式，从而可以实现CAPP的远程协作。
2.6.2CAFD与PDM的集成
CAFD与PDM的集成主要是需要实现脱离CAD界面并基于PDM的夹具维护和管理、夹具配置、BOM表管理以及CAFD/PDM接口等一些功能，同时充分利用PDM强大的数据管理功能和过程管理功能，实现CAFD与其它系统的集成。
考虑到不可能将每一个夹具元件、组件以及夹具的所有型号的尺寸信息都存入数据库中，因此本文在各类库的维护上采用了“主模型”的形式。对于夹具元件，可以存储一些具有形状属性的，参数化的，大小可变的三维实体，其各主要尺寸可以通过改变尺寸参数来驱动，参数驱动完成后又可以通过自动重新建模来刷新几何体，形成所需要的同一系列的各种型号的不同的零件。
而对于组件和夹具体则是存储构成它的元件的型号，至于元件的具体尺寸可以通过查询元件的尺寸表来获得，而不必在夹具或组件中重复记录这些参数。这样就将以往的单个夹具的维护就转化为只需要维护“主模型”即可，这样不仅大大减轻了维护的工作量，而且也减少了数据的冗余，提高了系统的效率。
在CAFD与PDM的接口程序方面，由于PDM与CAFD在程序设计上侧重点不同，其数据库的结构也有所不同，因此，接口所需完成的主要工作就是维护两个数据库的一致性，包括在其中任何一个系统的数据的更改，接口程序要能够立刻通知另一个数据库，并能更改该数据库的相应表的相应记录，从而实现两者信息的一致，保证在任何一个系统中，任何时间都能得到所需的正确的数据。
2.6.3CAFD与CAE、CAM等其它系统的集成
CAFD与CAE、CAM等其它系统的集成主要是考虑CAFD的夹具设计信息与其它相关系统间的信息交互。CAFD与CAE的信息的交流主要是CAFD会将设计好的夹具传递给CAE，在CAE中读取夹具的定位和夹紧点的位置，并输入预设的夹紧力，从而计算出夹具体的变形，以及应力分布情况，对夹具的设计提出评价和修改建议。CAFD与CAM系统的信息交互包括在CAM中对包含夹具的工件进行加工仿真，以确定没有加工干涉，以及对仿真过程中的切削力进行记录，从而计算出夹持工件所需的最小夹紧力和产生的变形。
2.7本章小结
本章主要对基于PDM的CAFD集成系统的体系框架、功能结构进行了研究，从信息集成和过程集成的角度探讨了CAFD与CAPP、PDM等系统的集成，对这些系统的集成将在下面章节中进行具体的叙述。
