协同产品设计系统与产品数据管理系统的信息集

协同产品设计系统与产品数据管理系统的信息集成

    从产品全生命周期角度提出以物流清单(BOM)作为解决协同产品设计(CPD)中计算机辅助设计(CAD)系统与产品数据管理(PDM)系统之间信息集成的方法。首先讨论了CPD中二维三/维CAD与PDM信息集成的特点，进而研究了CAD系统中的设计BOM与PDM系统中的工程BOM信息集成技术，并用实例验证了基于BOM解决CPD中CAD与PDM信息集成的可行性。
 
引言
    计算机辅助设计(CAD)是产品开发和协同设计(CPD)中应用最广泛的计算机工具。但在CPD中，CAD技术的不足已经显现。首先，就软件系统的固有本质特征而言，CAD是以单一设计者为中心开发的，仅支持人机交互，远未实现设计者之间的交互;其次，在异域异构环境尤其是软件异构中难以实现信息交流;另外，不能在设计的前期就周全地考虑产品全生命周期(PLM)的各种因素。导致产品开发周期长，设计成本高。
 
    产品数据管理(PDM)技术正是在CAD的发展与需求的直接推动下产生的。PDM提供了贯穿全生命周期的产品数据和企业信息集成平台。而实现CAD与PDM的信息集成就成为对协同设计的支持和对工作流程的控制的关键技术之一。
 
    对此，国外一些学者提出使用UML作为CAD与PDM之间产品数据模型的转换方法，基于STEP(standard for the exchange of productmodel)技术解决协同产品设计中的PDM与CAD的信息传输方式等。国内也出现了不少涉及在商品化PDM软件上进行CAD/CAX集成的研究成果。
 
    以上研究主要致力于建立PDM系统与CAD系统之间的良好的集成接口。作者直接从PDM系统与CAD系统的交集即产品结构和产品数据入手，为两者提供统一的产品结构和产品数据，从而实现真正意义上的CAD/PDM无缝集成。
 
1CAD与PDM信息流集成的特点
    PDM与CAD系统的集成关系从低到高可以分为3个层次:封装、接口和集成。封装是在PDM内部激活CAD系统，属于功能上的集成;接口主要通过中间接口实现2个系统之间的信息共享，但仍然存在信息一致性的问题;而集成则解决2个系统间信息的共享和一致性，达到信息互动。采取“集成”和“接口”的方法，可以分别解决在协同产品设计中支持PLM的二维CAD和三维CAD与PDM系统的信息集成问题。
 
1.1CAD与PDM集成的体系结构及信息流
    由于CAD系统有二维和三维之分，两者在运行机制、数据存储和开发环境上各不相同，因此PDM系统和CAD系统的集成也分为两种情况。从图1看出，CAD设计可以从企业信息门户(Enterprise Information Portal，EIP)中获得所需的设计需求(包括客户与合作伙伴需求信息)，在完成CAD后将结构信息、零部件信息存储到PDM系统中，同时设计过程中产生的设计方案、设计说明书、设计图纸以电子文档形式存储在PDM系统中，并从CAD中的设计BOM(不按照产品结构树展开，仅是零件明细表)信息转换修改成工程BOM(按产品结构树形式展开)。
 
    二维CAD系统可以实现双向的信息集成，直接从PDM系统中读取和写入产品结构信息和零部件信息，并将相关图档自动挂接到PDM系统的工程BOM上。而三维CAD系统则通过基于单向数据接口从三维CAD系统中获取产品的结构信息和物理属性信息，如重量、体积等，保持2个系统的数据一致。

 
1.2二维CAD与PDM之间信息流分析
    PDM系统和二维CAD系统的双向集成功能主要在CAD系统内部开发，功能结构如图2所示。结合CAD系统的开发接口和PDM提供的API函数，在二维CAD系统内部开发基于PDM系统的客户端程序。通过这个客户端程序可以实现CAD系统直接访问PDM内部存储的数据，直接从PDM内部提取装配结构信息和零部件信息，并自动生成在CAD图纸的零件明细表和标题栏上。
 
    同时，还可以在生成标题栏时，根据图纸上的信息，将新的装配结构信息和零部件信息自动反映在PDM系统内，实现信息互动。而且相关的图档也可以通过图档注册功能从CAD系统自动挂接到PDM系统中的工程产品结构上。
 
    这些信息的自动传递，不仅保证了2个系统的数据一致，而且简化了设计人员的录入工作，使之能够将主要的工作精力集中在CAD中。通过自动绘制标题栏和明细表，减轻了设计人员的劳动强度，提高了工作效率。

1.3三维CAD与PDM之间信息流分析
    三维CAD与PDM系统之间的接口开发比较困难，因此三维CAD系统和PDM系统的信息集成主要采取单向接口的方式实现，即从CAD系统将产品结构和零部件信息的变化反映到PDM系统中，而不能从PDM系统进行反向映射。
 
    与二维CAD系统不同，这个单向接口在PDM系统内开发，主要实现读取三维CAD系统导出的产品结构和零部件信息，如图3所示。

    这个单向接口主要负责将三维CAD系统内的装配结构信息和零部件信息导入PDM系统。大多数三维CAD系统均有将图形化的产品结构和零部件信息文本格式文件导出的功能。
 
    其中BOM文件包含了产品结构信息及物理属性信息(制造件还是采购件信息)，而物理特性信息包含了零部件的基本属性信息，如零件号、零件名称、材料、重量、体积等。
 
    通过在PDM系统内部开发单向接口，读取2个文件中的信息，然后将所反映的产品结构信息和零部件信息导入到PDM系统中。由于这个接口是基于PDM开发的，所以CAD系统中产品结构或零部件信息的变化将直接反映到PDM系统的内部，保证CAD系统和PDM系统数据的一致性。
 
2基于BOM的CAD与PDM之间的信息集成
    由以上分析可以看出，在CAD与PDM之间的信息传输主要有产品结构、零部件信息以及图档和相关文件。而产品结构可以将整个产品生命周期过程中产生的“静态信息”(零部件信息、图档和相关文件等)与“动态信息”(客户的设计变更、制造过程汇报等)联系在一起，是将前端设计数据与后续制造数据关联的纽带。因此认为BOM是贯穿产品全生命周期管理实现CAD与PDM之间信息集成的关键。
 
    产品物料清单(BOM)又称产品结构或材料明细表。在某些工业领域，可能还称其为“配方”、“要素表”或其他名称。它用图形的方式表示了从最低层次一直到产品层的各个层次的零部件结构，是所有产品、半成品、在制品、原材料、配套件、外协件等的总称。
 
    在产品的整个生命周期中，可以分为设计BOM、工程BOM、制造BOM、销售BOM和维修BOM。设计BOM体现在CAD系统，工程BOM体现在PDM系统，制造BOM体现在ERP系统，销售BOM体现在CRM(Customer Relation System)系统，维修BOM体现在EAM(Enterprise Asset Management)系统。
 
2.1CAD中的设计BOM
(1)CAD中的BOM信息内容
    在协同设计中，设计部门既是BOM的设计者，又是BOM的使用者。CAD系统中的设计BOM实际是零件明细表，属于技术文件，偏重于产品信息汇总。
 
(2)CAD中的BOM信息组织
    协同产品设计的发起者在接到客户订单后，将设计任务进行分解后转给各协同设计合作伙伴，再由协同小组按照客户订单的要求进行详细设计。一般情况下有3种设计思路:自顶向下设计、自底向上设计、由中间向两头设计。
 
    无论采取哪一种设计形式，都是按照图号来合并产品信息，形成该产品的总明细表、标准件汇总表、采购件汇总表、外协件汇总表等。有时一个相同的零件由于属于不同的产品，也就有了不同图号，因此不一定考虑企业物料编码的唯一性。需要说明的是，在形成物料清单后，每一种物料都有唯一的编码，即物料号。
 
(3)CAD中的BOM信息变更
   就设计而言，当设计BOM发生变化，或者客户更改技术文件、涉及质量问题及某个零件重新改进设计时，为保证物料清单的准确性，都必须以设计变更通知为依据。并由PDM系统提供产品变更信息管理。在设计变更文件的指导下，设计部门通过BOM信息表中获取所有零件的信息及其相互间的结构信息。
 
    只有得到这些信息，才能对其进行定义、描述或修改，从而使生产正常地运行下去(特别是客户的紧急变更通知)。在PDM的支持下，根据设计变更通知单的单号，可以方便地检索变更的BOM信息，指导生产、装运和售后服务等生产活动。
 
2.2PDM中的工程BOM
    在产品全生命周期(PLM)中，PDM以数据仓库为底层支持，以材料清单(BOM)为其组织核心，把定义最终产品的所有工程BOM中的数据和文档联系起来，实现产品数据的组织和管理。
 
(1)PDM中BOM信息内容
    PDM与CAD信息集成BOM时有两项重要的内容:①将在PDM系统中利用从CAD中生成的零件明细表或部件模型中得到的信息，自动重新构建一个完整的产品结构，或者在已有的基本结构基础上进行扩充，形成一个完整的产品结构;②利用PDM系统中的产品结构数据在CAD系统中装配成一个相应的部件。
 
(2)PDM中BOM信息组织
    在PDM系统中，工程BOM是以产品结构中派生出的3种类型进行信息组织的，即组合产品物料清单、结构物料清单和数量一览物料清单。图4所示为3种BOM信息组织示例。

    组合物料清单是一种单级的物料清单，其中只包括构件的一层关系。为了用组合产品物料清单构成一个完整的产品，通常需要一组组合产品物料清单。结构物料清单则可以了解到一个产品结构的所有层次。在这种物料清单中，在产品结构中被重复使用的相同零部件具有不同的位号，而不对其进行归并。数量一览表清单完整地描述了所观察的部件或产品。其组成元素是非结构的，每一种零部件的数量被归并以后存放在同一行中，这样做非常有利于对零部件的处置。
 
2.3BOM信息集成的实现
(1)PDM与CAD中BOM信息转换
    零件明细表是在CAD设计阶段形成的，主要构建一个面向功能的产品结构。通常情况下，该结构具有较浅的划分深度和较大的划分宽度。对于产品的后续制造ERP系统而言，特别是对于产品的装配，这种结构通常是不适用的。
 
    因此需要将CAD设计系统中的“设计BOM”转换到PDM系统中的“工程BOM”(此过程中是工艺规划人员对“设计BOM”添加工艺信息，作为转换到ERP系统的准备)，再由PDM转换到ERP系统(由工程设计的负责人对PDM中的“工程BOM”进行修改确认后确定为“制造BOM”)。在一般情况下，工程BOM(或称面向装配的产品结构)有较深的划分深度，其中包括一些可以预先装配的、小型的子部件。这样，就可以很经济地使用企业中的专用设备，并大幅度缩短订单通过时间和降低生产成本。两者区别见图5。
 
    图5中还表现了工艺过程规划人员根据CAD设计中面向功能的物料清单编制面向制造或装配的物料清单。PDM系统提供的工具可以在一个图形浏览器中进行产品结构的建模，将面向功能的物料清单转换成面向制造或装配的物料清单，而不是从零开始进行构造。

(2)PDM与CAD中的BOM信息传输
    PDM与CAD进行信息传输时可以利用PDM系统查询和选择所需要的零件和子部件，并将有关的信息通过接口传送到CAD系统中。部件中的每一个元素信息至少包括物品编号、更改标记和名称等属性。
 
    此外，还包括一些参数点的坐标值以及夹角。在一个三维的部件模型中，还包括其他一些信息，如某个元素在数据结构中使用次数、某个法兰组合是用多少个螺钉和螺母装配而成的等等。对于半成品来说，另外还需要给出下料的长度和下料宽度的数据。对于二维CAD系统还包括了下属零件和子部件的数量信息。
 
    PDM/CAD接口对CAD数据模型进行鉴别并将其存放到传输文件中，这样PDM系统就可以找到有关的BOM对象，并通过联系对象将该BOM对象与层次式的产品结构关联起来，对结构化的子部件进行识别并将其存放在正确的地方。
 
    按此方式，PDM产品结构可以通过接口将指向CAD模型文档的指针传送到CAD端。这样，设计人员就得到了一个使用起来十分方便的模型库。
 
(3)PDM与CAD中的BOM应用实例

图6提供了一个PDM与CAD中BOM信息传输与转换的实例。

 
3结论
    (1)从产品全生命周期角度出发，通过对协同产品设计中二维三/维CAD与PDM信息流集成特点的分析，提出以BOM为切入口，进行协同产品设计CAD与基于Web环境下PDM信息集成的思路。

    (2)研究了CAD系统中的设计BOM与PDM系统中的工程BOM信息集成内容和信息组织方法，提出了基于BOM的CAD与PDM之间的信息集成技术。
    (3)研究成果已在江苏模具制造行业推广应用，取得了良好的效果。证明可以保证协同设计中的关键数据与制造数据的一致性，最终实现产品的协同设计与协同制造一体化。