目前，我國已有數(shù)以千計的企業(yè)實施了CAD/CAM、MRPⅡ等單元技術(shù)，近百家制造企業(yè)實施了CIMS 工程，并已取得了初步的經(jīng)濟效益。但在上述實踐中，企業(yè)也逐漸發(fā)現(xiàn)了下列三個問題：CAD/CAE/CAPP/CAM不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的集成化運行問題；工程信息管理問題；工程信息系統(tǒng)與生產(chǎn)、組織管理系統(tǒng)的信息集成問題。在這三個問題中，工程信息管理起著承上啟下的作用，它是聯(lián)系前后兩個問題的中間環(huán)節(jié)，主要涉及如何組織與管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的工程信息，以及計算機輔助應(yīng)用系統(tǒng)（CAX）、制造資源規(guī)劃（MRPⅡ）系統(tǒng)與工程信息管理系統(tǒng)的集成問題。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決工程信息管理問題提供了一個新的解決方案。目前，針對CAX系統(tǒng)、MRPⅡ系統(tǒng)的CAX/PDM/MRPⅡ的集成問題，已成為新的研究熱點。由于PDM系統(tǒng)和CAX、MRPⅡ等應(yīng)用系統(tǒng)在功能及其特性上存在著較大的差別，因此如何將這些系統(tǒng)結(jié)合起來，構(gòu)造統(tǒng)一的企業(yè)工程數(shù)據(jù)管理和信息集成模式是一個值得深入研究的問題。
1 PDM應(yīng)用集成框架
PDM是一種管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息（包括產(chǎn)品規(guī)范、電子文檔、CAD文件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、存取權(quán)限等）和所有與產(chǎn)品相關(guān)的過程（包括圖紙審批/發(fā)放、工程更改等）的技術(shù)。PDM覆蓋產(chǎn)品的整個生命周期，能有效地將產(chǎn)品數(shù)據(jù)從概念設(shè)計、計算分析、詳細設(shè)計、工藝流程設(shè)計、加工制造、銷售維護，直至產(chǎn)品消亡的整個生命周期內(nèi)及其各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)，按照一定的管理模式加以定義、組織和管理，使產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其整個生命周期內(nèi)保持一致、共享及安全。它能很好地促進企業(yè)提高其產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研制周期，提高工作效率，加快產(chǎn)品投放市場速度，從而提高產(chǎn)品的競爭能力。其基本功能包括電子倉庫（vault）、工作流或過程管理（Workflow or Process Management）、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理（Product Structure and Configuration Management）、查看和圈閱（View&Markup）、掃描與成像（Scanning&Image）、設(shè)計檢索和零件庫（Design Retrieval/Component Libraries）、項目管理（Project Management）、電子協(xié)作（Electronic Collaboration）、工具與“集成件”（Tools&Integration-Ware）。
由此可見，PDM已成為CIMS和并行工程的使能技術(shù)。第一，它能支持異構(gòu)計算機環(huán)境，包括不同的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫；第二，能實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享，提供單一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源；第三，PDM能方便地實現(xiàn)對應(yīng)用工具的封裝，便于有效地管理應(yīng)用工具產(chǎn)生的信息，提供應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息傳遞與交換。
在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，往往需要同時使用多種CAX工具。為了實現(xiàn)對產(chǎn)品的集成化開發(fā)，提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，CAX系統(tǒng)自身需要實現(xiàn)信息集成。其主流方向是采用STEP的應(yīng)用協(xié)議以及相關(guān)開發(fā)工具進行二次開發(fā)。同時CAX系統(tǒng)作為CIMS中的一個子系統(tǒng)，需要與其它子系統(tǒng)（如MRPⅡ、車間控制系統(tǒng)等）協(xié)同工作，實現(xiàn)信息資源的共享。所有這些都要求有一個應(yīng)用集成框架來方便地實現(xiàn)對各種應(yīng)用的集成。所謂集成框架就是能夠方便地對企業(yè)內(nèi)的各類應(yīng)用實現(xiàn)信息集成、功能集成和過程集成的軟件系統(tǒng)。因此，集成框架應(yīng)該具有良好的開放性和可擴充性，并能提供合適的應(yīng)用集成接口。PDM系統(tǒng)恰好滿足了這種要求�？梢哉f，PDM在突出產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，正逐步完善其作為制造業(yè)領(lǐng)域集成框架的功能，為CIMS應(yīng)用的實施提供更強有力的自動化環(huán)境。基于PDM系統(tǒng)的應(yīng)用集成框架的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1 PDM應(yīng)用集成框架體系
應(yīng)用系統(tǒng)集成到PDM框架中可以通常分為三個層次：①最低的集成。要求應(yīng)用系統(tǒng)及其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠在框架中得到管理，根據(jù)要求在框架內(nèi)部可以激活應(yīng)用系統(tǒng)，并且實現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行跟蹤，可稱之為對應(yīng)用系統(tǒng)的封裝；②基于數(shù)據(jù)集成。即應(yīng)用系統(tǒng)之間共享由框架中定義好的單一數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用訪問數(shù)據(jù)可通過一個統(tǒng)一的接口與框架相互作用；③功能集成。它是在實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上更前進一步，即一個可以調(diào)用另一個應(yīng)用的操作的高層次的應(yīng)用集成。
2 PDM與CAX系統(tǒng)及MRPⅡ系統(tǒng)的應(yīng)用集成模式
要實現(xiàn)PDM與CAX應(yīng)用系統(tǒng)的集成，關(guān)鍵問題是要確定PDM系統(tǒng)所管理的工程信息，它取決于所要集成的應(yīng)用工具的類型。不同的CAX系統(tǒng)往往有著不同的數(shù)據(jù)和行為，如CAD系統(tǒng)和CAPP系統(tǒng)一般都有多種數(shù)據(jù)輸入輸出的方式和格式。因此，在進行集成時所要處理的信息內(nèi)容是不同的，通常需要在PDM系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)模型與工具模型進行不同的擴展。
需要說明的是，這里所指的工程信息與通常說的CAX 信息集成中所表示的產(chǎn)品信息的含義不同。后者通常是指產(chǎn)品的定義信息，如用特征、曲面描述的幾何拓撲信息等，這些正是本文“PDM應(yīng)用集成框架體系”圖中CAX信息集成平臺所要做的工作；而前者更關(guān)心產(chǎn)品的管理信息，即對于一個產(chǎn)品如何將其相關(guān)的信息以合理的方式組織起來，以最大限度地滿足不同領(lǐng)域用戶的需求，如設(shè)計BOM、工藝信息類樹等。
在各種CAX系統(tǒng)中，CAPP是把產(chǎn)品設(shè)計信息轉(zhuǎn)換為制造信息的連接性環(huán)節(jié)，它不僅需要從CAD設(shè)計部門獲取成品設(shè)計信息，而且還向后續(xù)過程提供加工、管理、檢測、調(diào)度等信息，是制造信息的源頭。PDM作為CAX系統(tǒng)的工程信息管理框架，一方面需要為CAX系統(tǒng)內(nèi)部各應(yīng)用之間或應(yīng)用本身提供交換信息和管理信息的工具，另一方面還需要為其它管理信息系統(tǒng)，如MRPⅡ系統(tǒng)和車間管理與控制系統(tǒng)提供它們所需的設(shè)計和制造信息。因此，建立PDM系統(tǒng)的工藝信息管理系統(tǒng)是必要的。此處簡單介紹兩種已實現(xiàn)的方法。
2.1 基于工藝元素的工藝信息管理模型
在這種方法中，工藝信息管理模塊作為一個獨立模塊被抽象為一個抽象類，由它及其子類實現(xiàn)工藝信息管理功能。在類的層次上，工藝信息類根據(jù)工藝中的特征元素派生出以下七個子類：工藝信息頭、工藝規(guī)程、工序、裝夾、夾緊、定位和工步類。工藝信息頭類，主要作為工藝信息管理類與零件發(fā)生聯(lián)系，零件與該類的關(guān)系為一對多關(guān)系，它與工藝規(guī)程有聚集關(guān)聯(lián)。工藝規(guī)程類包含工藝規(guī)程管理信息及多道工序，每道工序又可包含多個裝夾，每個裝夾又可包含多個定位、夾緊及工步。通常，由于工藝中的工序、裝夾和工步都要用到有關(guān)制造資源方面的信息，因此實際上還應(yīng)該建立制造資源信息類，并與這些工藝信息類建立關(guān)聯(lián)。這樣，就能構(gòu)成更加完整意義上的工藝信息管理模型。
2.2 基于文件的工藝信息管理模型
在這種方法中，工藝信息被保存在工藝文件里，而該工藝文件置于PDM系統(tǒng)的管理之下。為了實現(xiàn)零件自身的屬性和制造工藝的有機統(tǒng)一，通常需要在PDM系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理信息模型中增加一個零件工藝文檔類，以建立零件和工藝文件之間的聯(lián)系。這樣，可通過查詢BOM中的零件及其相應(yīng)的工藝文檔類，找到該零件的工藝文件。同上述工藝信息管理方式相比，此種方式不是直接將工藝元素信息定義到PDM系統(tǒng)的類體系結(jié)構(gòu)中去，所有的工藝信息都保存在工藝文件中并與零件建立了聯(lián)系，因此要求工藝數(shù)據(jù)文件類具有相應(yīng)的方法，能夠輸出所需工藝信息以滿足其他應(yīng)用的需求。
實踐表明，采用上述兩種管理模型都可以滿足與CIMS中其它應(yīng)用（如車間控制器和MRPⅡ）信息集成的需求。所不同的是，采用工藝元素的管理方法，既要實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)輸出的工藝信息到PDM系統(tǒng)的單個工藝元素的實例化處理，又要實現(xiàn)PDM中單個工藝元素的輸出，不僅增加PDM系統(tǒng)中對象管理的負擔(dān)，同時，也給CAPP與PDM的應(yīng)用集成增加了較多的開發(fā)工作；而基于文件的工藝信息管理，由于把工藝文件作為一般文件對待，PDM系統(tǒng)管理十分方便，在工藝信息輸出時，一次可取出整個工藝文件，進行一次性處理，即能解決問題。由此可見，后者優(yōu)于前者。
產(chǎn)品信息模型的內(nèi)容不僅包括單個零件的信息，還應(yīng)包括產(chǎn)品的構(gòu)成關(guān)系、當(dāng)前狀態(tài)、版本等配置管理信息，這正是在實施PDM與CAX集成所要考慮的重要問題之一。因而在集成模式中，需要利用PDM系統(tǒng)提供的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)/配置管理功能及其應(yīng)用開發(fā)接口，構(gòu)造產(chǎn)品配置信息模型，實現(xiàn)產(chǎn)品的配置管理及產(chǎn)品配置模型信息的輸出與交換。
此外，在經(jīng)營過程中，企業(yè)需要根據(jù)市場需求和自身生產(chǎn)條件確定產(chǎn)品生產(chǎn)計劃（MPS）。MRPⅡ系統(tǒng)利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)文件（BOM表）、加工工藝文件、零部件提前期和庫存等信息，將MPS分解為零部件投入產(chǎn)出計劃和外購件、原材料的需求計劃。零部件投入產(chǎn)出計劃被下達到車間后，即可編制車間生產(chǎn)作業(yè)計劃。因此，為了滿足與MRPⅡ集成的需要，PDM系統(tǒng)既要提供零部件單項信息（與產(chǎn)品主物料對應(yīng)），又要提供產(chǎn)品零部件之間的關(guān)系信息（BOM），包括可選項、替換件、版本等。此外，還需要規(guī)格說明、重量、重量單位、提前期等信息。因而需要對PDM系統(tǒng)中零部件進行屬性擴展，包容主物料所需要的相關(guān)信息。為了支持從PDM系統(tǒng)中提取上述MRPⅡ所需信息，必須增加相應(yīng)的新消息，并定義操作這些消息的方法。
根據(jù)以上考慮，給出PDM與CAX及MRPⅡ等系統(tǒng)應(yīng)用集成的模式，如圖2所示。
圖2 PDM應(yīng)用集成模式
3 應(yīng)用實例
“CAX 信息管理與集成系統(tǒng)”作為863/CIMS重大攻關(guān)項目“制造業(yè)CIMS應(yīng)用集成平臺”中三個主要分系統(tǒng)之一，選用美國SDRC公司的商用PDM軟件Metaphase2.3.1作為CAX應(yīng)用集成框架，現(xiàn)以其為例說明應(yīng)用系統(tǒng)集成的具體思路：在分析應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型的特征和行為的基礎(chǔ)上，建立應(yīng)用數(shù)據(jù)與Metaphase中應(yīng)用數(shù)據(jù)類之間的聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)類的不同行為；實現(xiàn)在Metaphase系統(tǒng)中激活應(yīng)用系統(tǒng)工具，自動跟蹤、注冊并管理應(yīng)用數(shù)據(jù)。具體開發(fā)時可利用Metaphase提供的MODeL語言、IML語言及標準C語言，實現(xiàn)對“CAX信息管理與集成系統(tǒng)”中所要集成的CAD、CAPP等CAX應(yīng)用系統(tǒng)進行封裝，如圖3所示。同時，通過信息提取接口，輸出滿足PDM與MRPⅡ、車間控制器集成需要的產(chǎn)品及其工藝信息。
圖3 應(yīng)用系統(tǒng)的集成過程
“CAX信息管理與集成系統(tǒng)”中采用的是基于文件的工藝信息管理模型，它繼承并擴展了Metaphase系統(tǒng)的類體系。工藝文檔類的類名被定義為PCappDoc。它是Metaphase中ProdBI類的派生類，同時被Metaphase類體系結(jié)構(gòu)中的Component類所引用。為了表達零件類和文檔類的這種引用關(guān)系，還定義了一個關(guān)系類：PCappDocAttached-ToCmpt。PCappDoc是工藝信息管理模型中的可實例化類，它包括相應(yīng)的工藝文件類，而從工藝文件類中又可以查詢到該零件的所有工藝信息。這些類之間的關(guān)系可以用OMT方法表示，如圖4所示。
圖4 基于文件的工藝信息管理模型
目前，在Metaphase中集成了高華CAD、北航“金銀花（Lonicera）”和清華JWCAPP三個基于Windows95的CAX系統(tǒng)，已實現(xiàn)如下功能：
在Metaphase中，通過查詢工具命令，可以顯示出所有已經(jīng)被集成到Metaphase中的工具圖標。雙擊GHCAD、Lonicera或JWCAPP的圖標，即可啟動上述這三個CAX系統(tǒng)。此時，用戶可以使用它們進行產(chǎn)品設(shè)計，操作過程與平常完全一樣。當(dāng)用戶結(jié)束設(shè)計退出CAD或CAPP系統(tǒng)時，Metaphase將自動登記新產(chǎn)生的圖形數(shù)據(jù)文件或輸出工藝信息文件，從而使其歸于Metaphase的控制之下，并將注銷已經(jīng)被集成的應(yīng)用工具刪除的文件。
在Metaphase中，通過查詢所有高華CAD系統(tǒng)或“金銀花”的圖形數(shù)據(jù)文件，可以顯示出所有已在Metaphase中注冊的圖形文件的圖標。雙擊GHCAD、Lonicera圖形文件的圖標，或在選中圖標后選擇編輯菜單項，即可啟動高華CAD或北航“金銀花”兩個CAD系統(tǒng)，并對該圖形文件進行編輯。
選中任何一個零件對象、工藝文件對象或裝配體對象后，再選擇菜單上的“Output to GIS”菜單項，即可通過信息提取接口，將零件主物料信息、工藝信息（工藝路線信息、工序信息、工步信息）和設(shè)計BOM信息輸出到全局共享信息系統(tǒng)，供MRPⅡ及其它系統(tǒng)信息集成使用。
4 結(jié)論
作為應(yīng)用集成框架，PDM系統(tǒng)顯示出獨到的優(yōu)越性，為企業(yè)實現(xiàn)信息集成和應(yīng)用集成提供了理想的平臺。通過分析PDM的主要功能及與應(yīng)用系統(tǒng)集成的基本架構(gòu)，提出了一個PDM與CAX和MRPⅡ系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)用集成的基本模式。針對這一模式，結(jié)合在“CIMS應(yīng)用集成平臺”中的具體應(yīng)用需求，給出了CAX應(yīng)用系統(tǒng)與PDM框架集成的實現(xiàn)實例，以及PDM與MRPⅡ、車間控制器集成的信息輸出實例。
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