中小型企业的CADCAPPPDMERP集成技术的研究

中小型企业的CADCAPPPDMERP集成技术的研究

    经过十几年来不懈努力，我国制造业信息化取得了很大进步，机械制造CAD得到广泛普及，基本实现了甩图板工程;许多企业建立了各种企业管理信息系统;计算机网络设施已具一定规模。
 
    考察中小型机械制造业企业信息化建设的现状，分析企业的发展要求，中小型机械制造业企业当前普遍在如下几个方面存在明显不足:产品研发部门使用CAD、CAPP以后产生的大量电子图文档缺乏有效的管理技术手段;产品研发部门有CAD系统、CAPP系统，生产管理有ERP系统，但各系统之间缺乏有机的联系，往往需要数据的重复输入，因而整体效率低、信息传递不及时、不准确，影响设计开发和企业管理;虽然建设了计算机网络等物理条件，但缺乏开展并行性设计工作的软件环境，产品的研发过程亦难以监控。
 
    上述情况是企业在应用CAD甩图板之后，出现的新问题。可以说，我国制造业信息化进入了一个新阶段，应当努力发展、应用产品数据管理系统(PDM)，实现数据共享、人员协同、过程优化，缩短设计周期，提高设计质量和企业竞争力。
 
    PDM系统在国外发达国家已有了较广泛的研究和应用，国内大中型企业也积极开展PDM的应用。但它规模较大，面向大型制造企业，造价昂贵，实施周期长、难度大。中小型企业面临着技术发展需求与经济成本之间的矛盾，PDM应用推广存在一定困难。当前，根据中小企业的具体实际情况，研究面向中小型机械制造业的PDM系统的建设方法、技术和软件产品具有相当大的重要性和特殊的意义。
 
    在我国，CAD、CAPP、ERP是近年来独立地发展起来的。中小型企业往往使用着不同厂家、不同时期编制的软件系统，阻碍了不同系统中的数字信息传递，难以建立先进的产品设计模式。在开发实施PDM的过程中，实现CAD/CAPP/PDM/ERP集成，不仅是当前技术理论研究的热点课题，而且是企业实施实践中的迫切任务。
 
1基于PDM构筑CAD/CAPP/PDM/ERP的集成平台
1.1CAD/CAPP与PDM系统集成方法的原理和主要模式
    PDM及CAX各应用系统的集成技术问题，伴随各CAX技术的发展一直是热门的研究课题。归纳起来PDM及各相关CAX应用系统的应用集成，按照其关系的紧密程度，一般应当分成3种模式，即应用封装、接口交换与紧密集成。
 
    (1)应用封装模式作为一个集成平台，PDM封装CAD、CAPP甚至OA等其他应用软件，在PDM系统中可以直接激活它们，操作具有统一的界面，并对他们产生的数据进行统一管理，使不同的应用系统能够实现信息共享。封装包括应用工具本身和应用工具产生的数据文件两方面，在PDM环境中仍能保持到数据文件与应用工具的关联。实现使数据和操作具有统一的模型界面和逻辑的独立性。
 
    应用封装模式的特点是，应用工具及应用工具产生的数据文件都保持相对的独立性，各应用工具产生的数据文件能被PDM系统识别，并自动注册;激活注册后的文件会在PDM系统中直接调用相应的应用工具进行编辑;应用封装模式适用以文件形式生成的所有数据的各种应用系统，它只能管理应用系统产生的文件整体，不能管理文件内部的数据。
 
    (2)接口交换模式采用封装模式PDM不能管理CAX文件内部的数据，如特征属性、参数、装配关系等。必须编写接口程序把应用系统与PDM系统之间需要共享的数据或数据模型提取出来，定义到PDM系统的整体模型中。每个应用系统除了共享部分的数据模型之外，还拥有自己私有的数据模型。
 
    接口交换模式的特点是，在达到应用封装的基础上，在应用系统与PDM系统间共享数据模型的指导下，通过数据交换接口，实现应用系统的某些数据对象自动创建到PDM系统中去，或从PDM系统中提取应用系统需要的某些数据对象，使二者保持异步一致。实现这种模式，必须了解产品结构在应用系统的组织形式，也要了解或设计好在PDM系统中的组织形式，才能做好转换。
 
    (3)紧密集成模式在这种模式中，不同应用系统成为PDM系统的有机组成部分，它们之间不仅可以共享数据，还可以共享操作服务，应用系统或PDM系统之间可以互相调用有关服务，执行相关操作，形成更紧密的关系，真正实现一体化。
 
    采用紧密集成模式时，需要详细分析各应用系统的信息和PDM系统的产品结构信息，制定统一的产品数据结构关系。保证在一个系统中创建或修改共享数据时，会同时更新另一个系统的相关数据，从而保证双方数据的一致性。
 
    应用封装可满足文件整体共享的集成;接口交换在应用封装的基础上提取和生成两个系统的共享信息模型，实现对文件内部数据的操作;紧密集成是最高层次的、理想化的集成方式，它允许两个系统相互调用有关服务，执行相关操作，真正实现系统一体化，它的实现对两个系统的开放性及系统内部的详细了解提出很高的要求，目前能做到这种集成的是应用软件和PDM软件源于同一厂商的情况。
 
1.2面向中小企业的CAD/CAPP/PDM集成
    如上所述，中小企业一般是在逐步推行了CAD、CAPP、ERP之后，为了进一步提高效率和效益而要求上PDM的，使用的CAD、CAPP、ERP与PDM软件往往并不是出于同一软件厂商。而且，他们一般特别关注投资的经济性和实施的难度。要求尽可能使用原有的CAD、CAPP软件工具，保护其软硬件投资、数字化的历史技术数据和文档资料，维护其原有的工程设计习惯和软件工具，减少系统升级的人为阻力和难度，节约投资，提高成效。在这样条件下，实现紧密集成一般难以实现。
 
    从集成技术上看，这不是理想的，但却是较常见的。必须针对这种情况采取合理的策略，开发PDM系统，实现CAD/CAPP/PDM集成。
 
1.2.1主要技术问题与解决方案
    本文把中小企业CAD/CAPP/PDM集成的主要技术问题归结为:建立CAD/CAPP在PDM上的统一运行环境;实现CAD/CAPP生成的各种文件的有效管理;零部件装配关系的表达、主要参数的提取及它们在各系统间的传递。
 
    本文对CAD/CAPP软件采用应用封装并实现项目的工作流管理;开发CAD软件的公共数据接口提取结构装配关系信息和零件的描述信息(如部件标识符、名称、数量);采用OLE技术链接CAD组件在PDM内部实现图档的浏览和圈阅。
 
    (1)在PDM中封装CAD/CAPP软件，用菜单和消息驱动实现工作流管理，以电子仓库实现文档管理。
 
    在定义了项目流程以后，可以用菜单形式实现流程。在PDM中以菜单或消息驱动调用CAD、CAPP软件顺序地进行设计、制订工艺及校对、审核、批准等工作流程，该项目的进度情况记录在PDM的项目流程库中(如图1)。由于网络资源共享，并行化的过程管理可以大大提高工作效率。使各业务项目流程更为有序、合理、结构化而易于控制。

    将CAD/CAPP所生成的图文档保存在服务器的某指定路径上，将其描述信息(如文件名、文件类型、文件长度、创建日期、创建人、版本及存取路径)保存在PDM的数据库中，建立零部件与图文档及应用软件的对应关系，屏蔽其存储的实际物理位置。用户获取该图文档的备份时可以通过PDM将其拷贝到他自己的空间。
 
    用户的合法性及权限由PDM判断和控制，所有用户都不了解源文件的物理位置，也不能修改，但PDM提供通过零部件检索得到相应技术文档的功能。在文档的导入、导出过程中还可以使用加密、解密算法，只有通过PDM系统才可能得到解密的图文档备份，进一步阻止泄密的可能。
 
    (2)通过绘图软件的二次开发生成图档信息的接口文件，为PDM提取和传递产品结构及基本信息。中小型企业机械设计一般采用二维软件，图形中没有完整的并可由计算机直接理解的装配关系的图形表达。各级装配图中的零部件明细表一方面反映了产品或部件的装配层次关系，成为PDM零部件管理、图档管理的基本组织根据;另一方面明细表还是面向管理的重要信息，它是指导供销部门、生产部门的重要数据，是供ERP使用的主要对象。因此，系统间信息集成的关键是装配图的明细表处理。
 
    普通装配图上的明细表还不能满足企业复杂的多方面的管理需求。例如:生产部门需要只描述自制件的制造BOM，采购部门需要原材料和标准件的采购BOM。
 
    设计部门作为BOM的产生部门，应当提供涵盖各部门需求信息的最全面的设计BOM，然后通过PDM系统或ERP系统得到各应用部门所需的各种BOM视图。技术实现:改写CAD软件的件号标注及明细表编辑模块，使其在标注或制表时能补充进诸如自制件、外购件等管理信息，然后通过中间文件在PDM数据库中建立该产品的设计BOM。
 
    (3)PDM中的文档检索、图形浏览与圈阅的实现。一个产品是由众多的零件构成的，在PDM系统中，以电子仓库为基础，以设计BOM表为框架通过产品的装配和组成关系将产品的各个零件管理起来，并以图形化方式展现给用户，使得用户对于整个产品及各部分相互关系有一个直观的总体了解。
 
    另外，通过各零件与相关文档的关系，在对产品结构进行管理的同时，也对文档进行了有效的组织，当用户希望得到某一零件的相关文档，只需利用产品结构图检索出该零件，就可以得到相关文档资料。
 
    为了方便用户检索文档，PDM应当提供图文档的预览功能，必须开发相应的预览工具及界面。用户可以打开CAD/CAPP图文档浏览，甚至进行缩放、平移、旋转等操作。此外，在实现工作流管理的过程中，对处于校对、审核过程中的各种技术图文档，应当能够进行圈点和注释。以上操作均要求保证原有文档和图形不被改变;而圈阅内容作为批注文件另行保存和传阅。
 
    这些操作的实现与CAD/CAPP的软件种类或图文档的类型有密切关系。采用应用封装或OLE技术可以将相应的浏览、圈阅工具无缝地集成到PDM系统中。例如:对于基于AUTOCAD绘制的图档，已有许多浏览工具软件，AUTOCAD本身也提供了OLE控件。
 
1.2.2CAD/CAPP/PDM的集成实例
    (1)数据结构。数据结构如图2。项目表以关键字段项目ID表示产品;零件表的各条记录表示产品及组成该产品的各零部件;文件表记录产品及零部件的全部文档的文件名、类型、所在文件夹、文档版本及其表达对象的标题栏中的主要信息。
 
    每一个产品或零部件对应一个文件夹，它的各种类型(如CAD、CAPP、WORD)和版本的文档文件都存放在这个文件夹内，零件表中的零部件文档文件夹指针记录了该文件夹的标识(路径和文件夹名);零件表中的零部件ID和零部件父节点指针表达了构成该产品的全部零部件的装配关系，形成产品结构树。
 
    (2)产品结构树的生成在软件的操作界面上，产品结构树直观地表达了产品的组成，对应于零部件表。它可由两种方法创建。其一是首先在磁盘上创建项目工作区，在项目工作区建立各零部件文档文件夹，再使用CAD软件绘制产品装配图、零件图，然后根据其明细表在PDM软件界面上生成产品结构树，并在零部件表添加相应记录。
 
    其二是脱离CAD工具，直接在PDM用户界面上手工创建产品结构树的根节点和各级子节点，同时，在零部件表添加相应记录，在磁盘上创建项目工作区及各零部件文件夹，然后完成和保存设计。(见图3)。
 
    (3)调用CAD、CAPP，在相应的文档文件夹编辑和保存相关文档右击产品结构树的某节点(图3)，在弹出的快捷菜单上选择操作种类(如创建新图、修改设计图、编制工艺，编写技术说明书)，则会激活相应的软件工具，最后将编辑好的文档保存在该零部件的文件夹内，并在文档表中添加或修改相应该零部件的文档记录。
 
    (4)项目的流程管理项目表中用项目状态字段表示某项目的文档处在设计或工艺编制流程的某个阶段(如审核、批准等)。当该项目文档进入设计或工艺流程的下一阶段，表示该产品的产品结构树就转移到相应阶段的操作界面上(图3)。

1.3PDM与ERP的集成
1.3.1PDM与ERP集成的目标
    ERP系统对CAD/CAPP系统所产生的工程数据的集成和再利用一直是困难的问题。实施PDM系统，将设计信息与制造信息有机地结合在一起，就等于在CAD/CAPP与ERP系统之间架起了一座桥梁。因此，PDM与ERP的集成是PDM的基本功能要求，体现了PDM作为技术部门信息平台的地位。
 
    PDM与ERP集成的主要目标就是保证设计的正确结果可以作为ERP的信息输入，避免数据的二次手工输入。产品结构正式发布结束后，可以通过工作流程将设计结果发布到ERP中;建立和保证所采用的零部件与ERP中物料的对应关系;避免图物不符或物料不符的错误;在此基础上实现工程设计有效性与制造有效性的有机统一。另一方面将与设计意图不符的设备信息、材料信息、生产信息、库存信息由ERP传给PDM，以指导和改进设计。
 
1.3.2PDM与ERP集成的具体内容
    PDM与ERP系统通常需要实现如下信息的集成
    1)物料属性基本信息:物料号、物料类型、计量单位、净重、规格、工艺路线、物料名称、图号、下料尺寸。
    2)产品结构信息:物料号、父物料号、是否有效批号、需求数量。
    3)工艺过程信息:物料号、工作地、工作地序号、工序序号、准备工时、加工工时、机床组、时间单位、工序内容。
    4)设备及工装。
 
1.3.3PDM与ERP集成的模式和分析
    目前，PDM与ERP之间的信息集成主要有接口式、紧密集成式与直接数据库访问式、间接式等3类模式。
 
    1)接口式要求PDM与ERP系统都开发访问各自底层数据库的API函数接口，通过调用API函数访问双方的数据库。这种模式需要原系统开发人员的支持，开发工作量大、集成成本高，但可以获得较高的效率。
 
    2)紧密集成式与直接数据库访问式这类模式能始终保持双方数据的一致性。
    紧密集成式是PDM和ERP之间建立共享信息模型，作为信息集成的支持和保证，达到数据的互操作，由于PDM与ERP一般由不同软件厂商提供，能实现这种要求的只有少数PDM、ERP系统。
 
    直接数据库访问式是通过对PDM与ERP系统数据库的分析，直接对数据库及其属性进行访问来实现两系统之间信息交换。运用此集成技术是以对PDM与ERP系统的数据库结构分析清楚为前提，但大多数PDM与ERP系统所使用的数据库系统是经过加密处理，并且数据库中表与表之间存在者复杂的关联关系，需要花费大量的时间才能分析清楚系统的数据库结构。此外，由于PDM与ERP系统的版本升级可能会对各自的数据库结构进行调整，因此，以此集成技术实现PDM与ERP系统的集成存在着失效的风险。
 
    3)间接式PDM与ERP之间的信息沟通是通过中间文件的方式进行，将PDM与ERP系统需要交换的信息按照统一的文件格式和接口要求进行存储，PDM与ERP系统通过各自编制的数据导入/导出接口来实现两系统的信息交换。与上述两类集成技术相比，此集成技术有开发周期短、集成成本低、容易实施、见效快等特点。
 
1.3.4中小型企业PDM与ERP集成的实现实例
    由上述分析可见，中小型企业PDM/ERP集成应当以争取较高的效益/投入比来指导PDM/ERP集成工作。本项目所开发的PDM与某国产ERP软件的数据接口采用间接式实现信息的传递。
 
    实现方法是:ERP系统提供了设计BOM和工艺BOM的导入/导出功能;由PDM系统按其格式生成文本形式的设计BOM和工艺BOM文件，ERP系统导入这些BOM文件。当设计或工艺发生变动时，根据生产的实际情况可以生成新版本的设计BOM或工艺BOM，并由ERP系统导入成为新版本数据;也可以调用ERP的修改模块修改原有数据。
 
2总结实现
    CAD/CAPP/PDM/ERP系统集成，对各系统的开放性提出了很高的要求。鉴于AUTOCAD在中小企业广泛使用的情况，我们以AUTOCAD作为图形工具实现了以上功能描述。目前，国内自主版权的CAD/CAPP软件甚多，各厂商应当更积极地开发和提供接口，增强开放性，以推进PDM的发展，也更有利于自身的广泛使用。同时，还应当在业内倡导软件规范及标准的讨论与制定。