制造業(yè)是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎，是一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟的持續(xù)增長，市場的不斷繁榮與激烈競爭，科學技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)不斷面臨著新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇，促使著對新的先進制造戰(zhàn)略、制造模式的探索和應用。
由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷成熟，自20世紀90年代以來，CAx (CAD、CAPP、CAM)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但由于這些技術(shù)只是離散地分布在設計制造等各應用系統(tǒng)中，只能實現(xiàn)局部的自動化和最優(yōu)化，因而這些所謂“自動化孤島”的單元技術(shù)的實施并未給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，從而嚴重影響了技術(shù)在企業(yè)的應用，成為制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸。為了使這些單元技術(shù)之間進行有效的信息傳遞和轉(zhuǎn)換，CAx系統(tǒng)集成技術(shù)成為可能，同時為了使CAx中各應用軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和文檔進行有效地管理、各單元技術(shù)間的信息共享及用戶間的協(xié)同工作，面向產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的工程設計集成平臺也應運而生。
PDM (Product Data Management)就是在這一背景下產(chǎn)生的一種新的信息管理思想和技術(shù)，它最早出現(xiàn)在20世紀80年代初期，是對工程數(shù)據(jù)管理、文檔管理、產(chǎn)品信息管理、技術(shù)數(shù)據(jù)管理、技術(shù)信息管理、圖像管理及其它產(chǎn)品定義信息管理技術(shù)的一種概括與總稱，主要用于管理在產(chǎn)品設計階段內(nèi)所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息和過程，為企業(yè)內(nèi)應用系統(tǒng)的集成和數(shù)據(jù)傳遞提供了必不可少的支撐環(huán)境。
ERP(企業(yè)資源計劃，EntERPrise Resource Plan)是從最早的庫存控制的物料需求計劃(Manufacturing Resource Plan，MRP)和隨后以車間調(diào)度和協(xié)調(diào)為目的的制造資源規(guī)劃(MRP lI)演變而成的，控制和管理整個制造階段的信息和過程，不但包括生產(chǎn)領(lǐng)域，而且也涉及采購、財務等。
近年來，隨著PDM和ERP功能的擴大和外延，二者的界限已打破，出現(xiàn)了重疊。PDM的界限已超出產(chǎn)品設計部門，可以支持企業(yè)范圍的業(yè)務處理和與產(chǎn)品有關(guān)的信息及文件的管理，而ERP也開始支持設計部門。然而ERP關(guān)注的是如何把企業(yè)物流、資金流、信息流、工作流的整合和配套，屬于企業(yè)管理創(chuàng)新內(nèi)涵，CAx/PDM關(guān)注的是企業(yè)產(chǎn)品設計、加工如何更快、更好地響應快速變化的外部需求，屬于企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)涵。通過CAx、PDM和ERP的集成，將管理創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新有機地集成在一起，將會使制造企業(yè)產(chǎn)生巨大的互動性，從整體上提高企業(yè)的核心競爭力。
1 CAD/CAPP/CAM集成
CAD/CAPP/CAM是計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)中實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品設計和制造的核心技術(shù)。為了有效地實現(xiàn)產(chǎn)品信息的自動傳遞和交換，有必要將產(chǎn)品設計與制造緊密結(jié)合，在各模塊之間實現(xiàn)信息可靠、有機的提取、交換、共享和處理的集成。CAD/CAPP/CAM的集成是在CIMS網(wǎng)絡的溝通下進行的，此外可以將MAS、QCS、MIS以及專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集成在一起。通過高速網(wǎng)，CAD工作站、CAPP工作站、CAM (NC、CNC、機器人等)之間進行并行的適時數(shù)據(jù)交換和處理。
1.1集成原理
CAD/CAPP/CAM集成也可稱為CAD/CAPP/CAM -體化。從零件設計到制造自動化全過程來分析，CAPP是CAD和CAM之間的必不可少的中間環(huán)節(jié)，所以一般稱為CAPP是CAD和CAM之間的橋梁。只有實現(xiàn)了從零件設計、工藝設計到制造出產(chǎn)品全過程自動化的信息數(shù)據(jù)共享，才能真正實現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成。
1.2集成的關(guān)鍵技術(shù)
CAx的集成是覆蓋產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃設計、數(shù)控編程與加工等整個工程設計的自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)是各孤島系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)和多數(shù)據(jù)庫的集成技術(shù)。
(1)數(shù)據(jù)信息交換技術(shù)
目前實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換的集成技術(shù)主要有三種：
①采用專用的數(shù)據(jù)格式文件實現(xiàn)產(chǎn)品信息交換的集成技術(shù)；
②采用標準數(shù)據(jù)格式文件實現(xiàn)產(chǎn)品信息交換的集成技術(shù)；
③以工程數(shù)據(jù)庫為核心，采用統(tǒng)一的產(chǎn)品模型實現(xiàn)信息交換的集成技術(shù)。
(2)多數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)
在CIMS環(huán)境中系統(tǒng)數(shù)據(jù)的成分相當復雜，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息，又有大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；既有數(shù)據(jù)源異構(gòu)、又有異地分布；還有存在于各個孤島系統(tǒng)的獨立進行設計的數(shù)據(jù)源。為了實現(xiàn)系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)訪問服務，在PDM集成平臺下，設置一個多數(shù)據(jù)庫集成器(MDBI)來完成。多數(shù)據(jù)庫集成器是多數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)的核心部分，主要支持異地、異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的集成。實現(xiàn)多數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)中模式轉(zhuǎn)換、語法轉(zhuǎn)換、語義控制、數(shù)據(jù)信息的分布收發(fā)控制等功能。
1.3集成方法
在CAx系統(tǒng)集成過程中，如何從CAD中獲取CAPP所需信息是問題關(guān)鍵�；谀Ｊ阶R辨理論的特征技術(shù)是實現(xiàn)CAx系統(tǒng)集成的有效方法，它是從產(chǎn)品的實體模型出發(fā)自動識辨出具有一定工程意義的加工特征、進而生成產(chǎn)品的特征模型和制造信息。
(1)特征識辨
特征識辨是將幾何模型的某一部分與預定義的特征型相比較，識別出相匹配的特征例，從而實現(xiàn)直接從幾何模型數(shù)據(jù)庫中獲得所需要的輸入信息。系統(tǒng)將整個特征識辨劃分為兩大類別：包括形位公差和粗糙度的符號特征識辨。
形狀特征識辨的具體內(nèi)容包括：基本型面模式和形狀基元的識辨；制造形狀特征識辨；關(guān)聯(lián)形狀特征與符號特征；尺寸的提取等。
特征識辨的實現(xiàn)包括：
①搜尋特征庫，以匹配拓撲/幾何模式；
②自數(shù)據(jù)庫中提取已識別的特征；
③確定特征參數(shù)（如孔直徑、槽深度等）；
④完成特征的幾何模型；
⑤將簡單的特征組合，以獲得高級特征。
實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：匹配、構(gòu)形元素（點、線、面等）生長、體積分解、自CSG樹中識別特征等。
(2)基于特征技術(shù)的CAx集成體系結(jié)構(gòu)
圖1為基于特征技術(shù)的CAx集成體系結(jié)構(gòu)圖。它由CAD子系統(tǒng)、DFM評價系統(tǒng)、CAPP子系統(tǒng)和CAM子系統(tǒng)組成。CAD子系統(tǒng)采用特征識辨技術(shù)通過STEP口集成于系統(tǒng)。
圖1 基于特征技術(shù)的CAD/CAPP/CAM集成體系結(jié)構(gòu)
2 PDM與CAx的集成
通過PDM系統(tǒng)將各種CAx信息化孤島集成起來，利用計算機系統(tǒng)控制產(chǎn)品的整個開發(fā)設計過程，通過逐步虛擬的產(chǎn)品模型，最終形成完整的產(chǎn)品描述、生產(chǎn)過程描述以及生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)。
2.1集成的必要性
由于在一個企業(yè)中，可能存在不同的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)或這些系統(tǒng)的不同版本，也可能存在這些系統(tǒng)與不同供應商、不同合作商之間的產(chǎn)品模型信息交換，同時還可能存在每天由CAx系統(tǒng)產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)和文檔。在這樣一個復雜的環(huán)境中，就需要由PDM系統(tǒng)作為一個集成平臺，一方面要為CAx系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理與協(xié)同工作的環(huán)境，同時還要為CAx系統(tǒng)的集成運行提供支持。圖2給出了CAD、CAPP、CAM與PDM之間的信息流說明。由于PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)具有一致性，能確保CAD、CAPP和CAM數(shù)據(jù)得到有效的管理，從而實現(xiàn)CAx系統(tǒng)的集成。因此，PDM系統(tǒng)是CAx集成的平臺。
2.2的集成形式
CAx系統(tǒng)是PDM系統(tǒng)中BOM(產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，CAx系統(tǒng)內(nèi)部包含了BOM所需的基本信息，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、重量、體積等。因此，PDM系統(tǒng)在管理CAx系統(tǒng)產(chǎn)生的圖檔的同時，如何實現(xiàn)CAx系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致，是一個關(guān)鍵的問題。
PDM與CAx系統(tǒng)的集成關(guān)系從低到高可分為三個層次：封裝、接口和集成。封裝主要解決在PDM內(nèi)部激活CAx系統(tǒng)，主要屬于功能上的集成；接口主要通過中間接口實現(xiàn)兩個系統(tǒng)之間的信息共享，但仍然存在信息一致性的問題；而集成則是解決兩個系統(tǒng)間信息的共享和一致性，甚至達到信息互動。
CAD與CAPP等軟件通常各自獨立，CAD為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計提供平臺，CAPP可以生成與管理各種工藝文件；PDM管理各種數(shù)據(jù)。PDM作為CAx系統(tǒng)的工程信息管理框架，可以通過各種BOM實現(xiàn)CAx間的信息傳遞與系統(tǒng)集成。
圖2 CAD/CAPP/CAM與PDM間的信息
3 PDM與ERP的集成
針對部分國內(nèi)外PDM與ERP系統(tǒng)沒有提供完備的API函數(shù)或集成接口的情況下，采用基于中間文件交換的集成技術(shù)可以有效地實現(xiàn)PDM與ERP系統(tǒng)的集成。
由PDM系統(tǒng)維護PBOM、工藝路線數(shù)據(jù)，并采用中間文件交換技術(shù)將數(shù)據(jù)傳遞給ERP系統(tǒng)。在ERP BOM工藝路線數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，由PDM系統(tǒng)完成PBOM、工藝路線數(shù)據(jù)的比較。ERP系統(tǒng)根據(jù)PBOM流程數(shù)據(jù)和流程控制信息對相關(guān)信息進行更新和維護維護CBOM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)由PDM向ERP系統(tǒng)傳遞時，由PDM 通知ERP，ERP 利用導入接口函數(shù)讀取這些數(shù)據(jù)寫入本系統(tǒng)；數(shù)據(jù)ERP 由向PDM系統(tǒng)傳遞時，由ERP 通知PDM，PDM 利用導入接口函數(shù)讀取這些數(shù)據(jù)寫入本系統(tǒng)。
4 基于CORBA 平臺以PDM 為核心的信息集成模式
ERP 與CAx 的集成可采用基于CORBA 平臺，以PDM 為核心的信息集成模式。PDM 作為企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)的集成框架，要能夠集成不同環(huán)境下的應用系統(tǒng)，CORBA 技術(shù)的成熟為實現(xiàn)這一要求提供了一個較好的平臺。
CORBA 由OMG（對象管理組織）制定，通過CORBA 規(guī)范可實現(xiàn)不同系統(tǒng)集成。PDM 系統(tǒng)將實現(xiàn)基于CORBA 規(guī)范的PDM 服務封裝機制，一方面向用戶提供符合標準的訪問機制，以利于二次開發(fā)和系統(tǒng)集成，另一方面為實現(xiàn)最終的“PDM 使能部件”標準奠定基礎。
CAD/CAM、ERP、PDM 三者之間信息的傳遞是圍繞BOM 及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來進行的，三者之間的關(guān)系如圖3 所示。從圖中可以看出，PDM 系統(tǒng)的集成分為兩個層次，即CAx 應用軟件與PDM 系統(tǒng)的集成和PDM 系統(tǒng)與MRPII 的集成（不同的CAx 平臺的產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換采用STEP 標準）。它們?nèi)叩募蓸?gòu)成了企業(yè)內(nèi)部信息集成的主線，從而實現(xiàn)了產(chǎn)品整個生命周期數(shù)據(jù)的數(shù)字化。其中BOM 是信息集成的核心，PDM 在集成中起了“橋梁”的作用。
圖3 CAX 與ERP 的集成方案
5 結(jié)束語
實現(xiàn)我國企業(yè)信息化發(fā)展必須以制造業(yè)信息化為切入點和突破口，而CAx、PDM、ERP 是解決制造業(yè)信息化的單元技術(shù)和集成技術(shù)。先進的制造企業(yè)應建立一個基于CAx/PDM/ERP 的信息集成管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)間的無縫集成，來實現(xiàn)以計算機為工作平臺的新型現(xiàn)代化管理模式，從而達到企業(yè)內(nèi)外信息的暢通和協(xié)調(diào)運行的目的。
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本文標題：現(xiàn)代制造業(yè) CAx/PDM/ERP 系統(tǒng)集成研究
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