0 引言

    大批量定制技術(shù)能夠以大批量生產(chǎn)的成本和時間，提供滿足客戶個性化需求的產(chǎn)品和服務(wù)，因此，大批量定制技術(shù)成為越來越多企業(yè)競相選用的一種技術(shù)。在大批量定制技術(shù)體系中，面向大批量定制的產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計技術(shù)(Design For Mass Customization，DFMC)占有十分重要的地位。產(chǎn)品開發(fā)的任務(wù)就是在分析市場需求和企業(yè)自身原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，建立產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、主模型和主文檔。而面向大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計的任務(wù)就是根據(jù)用戶的需求，在產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、主模型和主文檔的基礎(chǔ)上，進行產(chǎn)品的配置設(shè)計和變型設(shè)計，快速設(shè)計出產(chǎn)品。

    DFMC需要集成化軟件系統(tǒng)的支持。在傳統(tǒng)的制造企業(yè)中，計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)系統(tǒng)僅被作為繪圖板來使用，很難有效地支持面向大批量定制的開發(fā)和設(shè)計，而且CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不能得到有效的管理，這些都嚴(yán)重阻礙了大批量定制技術(shù)的應(yīng)用。為了有效地應(yīng)用大批量定制技術(shù)，支持面向大批量定制的設(shè)計，筆者對原有的CAD系統(tǒng)進行了二次開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上將CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)加以有效的集成。

1 CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成

    CAD系統(tǒng)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)的集成，能夠從根本上提高企業(yè)的整體設(shè)計能力和管理水平，對改善面向大批量定制的設(shè)計技術(shù)有非常重要的作用。通過這兩個系統(tǒng)的集成，可以充分利用現(xiàn)有零部件資源，縮短產(chǎn)品設(shè)計時間；可以迅速向客戶提出正確的報價和展示產(chǎn)品原型；可以追溯整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的產(chǎn)品情況等。

    在本文所述的集成中，通過引入事物特性表(Sach-merkmal-Leiste，SML)，創(chuàng)建了一個獨立于具體應(yīng)用系統(tǒng)的CAD/SML/PDM集成平臺。事物特性表主要通過零部件幾何特性和功能特性描述零部件，通過事物特性表與CAD系統(tǒng)的集成，能夠?qū)γ嫦虼笈�量定制的設(shè)計方式、配置設(shè)計和變型設(shè)計提供很好的支持。在一張建立好的事物特性表的基礎(chǔ)上，用戶可以結(jié)合主模型進行變型設(shè)計。同時，事物特性表也是進行零部件分類的重要工具，事物特性表與PDM系統(tǒng)的集成能夠?qū)�PDM系統(tǒng)的零部件分類提供幫助，更好地實現(xiàn)零件族管理和產(chǎn)品族管理，從而支持面向大批量定制的設(shè)計。

    1.1 基于事物特性表的CAD/PDM系統(tǒng)集成邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    大批量定制的原理就是通過整體的優(yōu)化，充分利用企業(yè)現(xiàn)有資源對現(xiàn)有的零部件進行分類，實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化，減少產(chǎn)品的內(nèi)部多樣化。通過CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成，可以對現(xiàn)有的模型、工程圖和文檔等進行有效的管理。系統(tǒng)的集成主要由PDM系統(tǒng)、CAD系統(tǒng)和事物特性表模塊3部分組成（如圖1）。

    圖1 CAD/SML/PDM系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    圖1中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零件族由PDM系統(tǒng)進行管理，CAD系統(tǒng)產(chǎn)生產(chǎn)品設(shè)計需要的模型文檔和工程圖文檔，事物特性表為大批量定制的配置設(shè)計和變型設(shè)計提供幫助。在PDM系統(tǒng)中，引入了零件基本記錄(Part Master Record，PMR)對象、模型基本記錄(Model  Master Record，MMR)對象和工程圖基本記錄(Draft Master Record，DMR)對象。PMR對象是一種描述產(chǎn)品開發(fā)過程中零部件基本管理特性的數(shù)據(jù)記錄，通過PMR對象可以對零部件方便地進行管理。MMR對象和DMR對象的定義以及屬性與PMR對象十分類似，并且相互之間有關(guān)聯(lián)。MMR對象和DMR對象中的一些重要屬性來自PMR對象，如模型編號、項目編號和名稱等，與PMR對象的對應(yīng)屬性保持一致。此外，MMR對象和DMR對象還通過聯(lián)系對象（Link對象）分別與CAD模型對象和工程圖對象保持關(guān)聯(lián)。若將CAD模型對象與工程圖對象以及聯(lián)系對象結(jié)合起來，可以找到對應(yīng)的CAD模型文檔和工程圖文檔。

    圖1中，事物特性表模塊與PDM系統(tǒng)之間也存在著緊密的聯(lián)系。一張零件事物特性表與PDM系統(tǒng)中的一組零件對象相對應(yīng)；事物特性表中的每一行又對應(yīng)著一個具體的零件，也對應(yīng)著CAD系統(tǒng)中的一張參數(shù)表，部件的事物特性表也包含了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系。事物特性表的編號與PDM系統(tǒng)中零件族的編號保持一致；PMR對象的ID號與事物特性表中每一行對應(yīng)零件的ID號保持一致，這種一致性保證了系統(tǒng)集成過程中數(shù)據(jù)間的一致性。在部件層的事物特性表中，包含子部件和零件的事物特性表，事物特性表中的這種包含關(guān)系也能從PDM系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理中體現(xiàn)出來。事物特性表與CAD系統(tǒng)之間也存在緊密的聯(lián)系，事物特性表中的每一行數(shù)據(jù)都與CAD系統(tǒng)參數(shù)表中的數(shù)據(jù)有關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)可以保證通過事物特性表驅(qū)動CAD參數(shù)表，進而驅(qū)動CAD模型產(chǎn)生變型，事物特性表的創(chuàng)建過程也離不開CAD參數(shù)表中的數(shù)據(jù)。在部件層的事物特性表中，通過指針可以逐層地找下去，一直找到最底層，然后再驅(qū)動參數(shù)表產(chǎn)生變型，也可以直接通過零部件的替換驅(qū)動CAD系統(tǒng)完成變型。

    1.2 基于事物特性表的CAD/PDM系統(tǒng)集成框架

    PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的集成方式從簡單到復(fù)雜通�？煞譃榉庋b、接口和集成3個層次。封裝雖然較為簡單，但是有很大的局限性；集成對開發(fā)人員的要求較高，開發(fā)和維護費用也比較高，本文探討的是通過接口方式的集成；接口方式提供了較為緊密的系統(tǒng)集成，但是在接口集成方式中，只能保持?jǐn)?shù)據(jù)的異步一致性，不能完全保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步一致性。為了彌補這方面的不足，可以在PDM系統(tǒng)中開發(fā)一個編碼系統(tǒng)，由它來產(chǎn)生惟一的零件編號，然后傳給CAD模型文件，由這個零件編號惟一標(biāo)志CAD模型文件。此外，也可以通過PDM系統(tǒng)的生命周期管理功能來保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，對要進行修改或變型的模型文件進行“檢出”，修改完成以后，重新“檢入”和“發(fā)放”。系統(tǒng)集成的框架為一個3層的體系結(jié)構(gòu)，包括用戶界面層、中間邏輯層和數(shù)據(jù)庫層（如圖2）。

圖2 系統(tǒng)集成框架

    用戶界面層提供系統(tǒng)集成所有功能的入口，使用戶可以方便地進行自己想要的操作。在中間邏輯層，通過調(diào)用CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface,API)函數(shù)，在兩系統(tǒng)之間進行信息的傳遞。中間邏輯層包括創(chuàng)建事物特性表模塊，事物特性表由表行和表列構(gòu)成，因此對事物特性表的操作可以分為表行操作和表列操作。ClsSMLRow類和ClsSMLRows類用于表行操作，ClsSMLColumn類和ClsSMLColumns類用于表列操作。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫則采用PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，對整個產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程中產(chǎn)生的文檔、模型和工程圖等進行統(tǒng)一的管理。

    1.3 CAD模型注冊到PDM系統(tǒng)的接口

    PDM/CAD接口的核心任務(wù)是，將CAD用戶的工作結(jié)果連同有關(guān)的業(yè)務(wù)對象和數(shù)據(jù)對象一起構(gòu)建在PDM數(shù)據(jù)模型中。只有將CAD系統(tǒng)中的模型和工程圖注冊到PDM系統(tǒng)中，由PDM系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，才能在需要的時候找到合適的零部件模型和工程圖，從而避免不必要的重復(fù)設(shè)計，更好地滿足大批量定制的要求，以較少的產(chǎn)品零部件實現(xiàn)產(chǎn)品多樣化。

    在將CAD模型注冊到PDM系統(tǒng)的過程中，CAD系統(tǒng)需要與PDM系統(tǒng)進行雙向的數(shù)據(jù)交換。一方面，需要將CAD模型的一些基本屬性信息提取出來，如圖幅、比例尺、材料、作者和主題等，賦給PMR對象和MMR對象的對應(yīng)屬性；另一方面，也需要將PMR對象和MMR對象中的一些屬性賦給CAD模型中的對應(yīng)屬性，如CAD模型的ID號等。將CAD模型檢入到PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的過程中，模型文件和工程圖文件的存儲位置會自動發(fā)生變化。

    1.4 由CAD模型創(chuàng)建事物特性表的接口

    三維CAD系統(tǒng)一般都有自己的參數(shù)表，用戶可以直接驅(qū)動參數(shù)表中的參數(shù)進行變型設(shè)計。但是參數(shù)表不能完全滿足設(shè)計者的要求，在用戶看來，參數(shù)表中的數(shù)據(jù)僅僅是一些數(shù)據(jù)而已，用戶在進行變型設(shè)計時，不知道該如何進行變型，也無法知道變型的結(jié)果是否合理。通過事物特性表，用戶可以對同類零件進行管理，同時，事物特性表中也包含了一些約束信息，設(shè)計者可以通過查詢、識別、比較和選擇各種零部件的特性信息，進行開發(fā)和設(shè)計，快速形成設(shè)計草案。

    創(chuàng)建零件事物特性表，需要對CAD模型參數(shù)表中的信息進行提取（如圖3）。在圖3中，直接將參數(shù)表中的參數(shù)提取出來，然后放人事物特性表中，用戶需要參照命名規(guī)則對提取出來的參數(shù)重新命名。用戶重新定義后，通過接口可以對參數(shù)表中的參數(shù)名稱進行修改，從而保持一致。事物特性表的編號和零件的ID號來自PDM系統(tǒng)。對于一些較復(fù)雜的零件，可能幾何參數(shù)信息有很多，用戶可以先在參數(shù)表中建立一些規(guī)則和約束加以限制，從而減少參數(shù)的個數(shù)，簡化事物特性表。此外，如果一組零件相互間結(jié)構(gòu)差異比較大，不能完全通過提取參數(shù)表中的信息來創(chuàng)建事物特性表，但整體上又具有相似性，可以將參數(shù)表中的信息提取出來放入到一個數(shù)據(jù)文件中，而在事物特性表中只存放數(shù)據(jù)文件的路徑，在需要進行變型設(shè)計時，通過數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)自動生成模型和工程圖。

    圖3 零件事物特性表的創(chuàng)建接口

    部件事物特性表中不僅包含一些幾何的參數(shù)信息，而且包含零件和子部件的事物特性表信息，所以零件與部件的事物特性表創(chuàng)建過程有所不同。在創(chuàng)建部件事物特性表的過程中，除了對參數(shù)表中的信息進行提取外，還需要對部件進行分解，找到每個零件和子部件的事物特性表，將對應(yīng)事物特性表的編號和零件標(biāo)志號提取出來放入到部件事物特性表中。

    1.5 CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)支持變型設(shè)計的接口

    產(chǎn)品設(shè)計一般有配置設(shè)計、變型設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計3種形式。完全的創(chuàng)新設(shè)計很難通過類似于大批量生產(chǎn)的時間和成本提供個性化的產(chǎn)品和服務(wù)，因此面向大批量定制的產(chǎn)品設(shè)計主要是配置設(shè)計和變型設(shè)計。變型設(shè)計是指根據(jù)零部件主模型，通過改變參數(shù)的值和尺寸，生成相似產(chǎn)品和零部件的設(shè)計方法。變型設(shè)計方法能夠快速設(shè)計出產(chǎn)品原型，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而能夠以類似于大批量生產(chǎn)的時間和成本生產(chǎn)出個性化的產(chǎn)品，這些正符合了大批量定制的思想。

    本文提到的變型設(shè)計主要是基于事物特性表的變型設(shè)計。設(shè)計人員在深入研究事物特性表的基礎(chǔ)上，確定變型的結(jié)構(gòu)和幾何關(guān)系，然后驅(qū)動產(chǎn)品的主模型和主文檔生成相應(yīng)的模型和文檔。具體實施過程如下：在CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)的環(huán)境下，首先由PDM系統(tǒng)產(chǎn)生惟一的零件編號，傳遞給CAD系統(tǒng)，在CAD系統(tǒng)中打開主模型，通過事物特性表驅(qū)動主模型參數(shù)表中的參數(shù)，從而生成變型零部件。對于第1.4節(jié)提到的結(jié)構(gòu)差異較大的零件，可以對CAD系統(tǒng)進行二次開發(fā)，調(diào)用CAD系統(tǒng)的API函數(shù)重新生成模型和工程圖。部件的變型可以通過零件和子部件的替換完成，也可以通過二次開發(fā)進行自動裝配，重新生成部件。系統(tǒng)集成對產(chǎn)品變型設(shè)計過程的支持如圖4所示。

    圖4 系統(tǒng)集成對變型設(shè)計過程的支持

2 實例

    基于以上原理，本文對具體的CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成進行了研究。采用的CAD系統(tǒng)是Solid Edge V11，Solid Edge系統(tǒng)具有友好的用戶界面和開放的接口；采用的PDM系統(tǒng)是SmarTeam，憑借“開放的文檔管理結(jié)構(gòu)”(Open Document Management Architecture，ODMA)技術(shù)，能與基于Windows的CAD、辦公自動化和資源管理軟件緊密集成；采用的開發(fā)環(huán)境是VB 6.0。通過對PDM系統(tǒng)的配置和開發(fā)，分別創(chuàng)建了PMR對象、MMR對象和DMR對象，還創(chuàng)建了Solid Edge模型對象和工程圖對象，并將它們關(guān)聯(lián)了起來。用VB開發(fā)了事物特性表模塊，并以插件形式嵌入Solid Edge系統(tǒng)中。這里的開發(fā)只是為了對第1章提到的原理進行驗證，在實際應(yīng)用過程中，也可以基于以上原理，使用其他的軟件和開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。

    以汽輪機的轉(zhuǎn)子為例，對接口功能進行了驗證。轉(zhuǎn)子是汽輪機的核心部件，轉(zhuǎn)子的設(shè)計對整個汽輪機的設(shè)計有重大影響，并且汽輪機轉(zhuǎn)子的模塊化工作做得相當(dāng)好，在這個基礎(chǔ)上進行變型設(shè)計，能夠體現(xiàn)面向大批量定制設(shè)計思想。汽輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)從整體上來說是一個多臺階軸，有幾十個臺階。在臺階上還開有許多叉型槽、工型槽和汽封槽，有2000多個幾何數(shù)據(jù)，而且精度要求高。圖5為某汽輪機廠轉(zhuǎn)子外形。為了滿足大批量定制的要求，根據(jù)模塊化的原理，可以將汽輪機轉(zhuǎn)子分成5段。其中，中間段結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，不僅臺階眾多，而且叉型槽和工型槽大都分布在這一段上；其余4段相對較為簡單。在面向大批量定制的設(shè)計過程中，中間段的變型設(shè)計也最為復(fù)雜，不僅在外形幾何數(shù)據(jù)上有變化，而且在結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了變型，臺階的個數(shù)和槽的個數(shù)都有變化。

    圖5 汽輪機轉(zhuǎn)子

    本文中的變型設(shè)計是基于事物特性表的設(shè)計，因此為了進行變型設(shè)計，應(yīng)該首先建立零部件的事物特性表。轉(zhuǎn)子事物特性表的建立可以分為形狀特征、零件和部件3層。轉(zhuǎn)子上有很多叉型槽、工型槽和汽封槽，在進行變型設(shè)計時，槽的結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變，只是幾何數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，因此可以將這些形狀特征提取出，單獨建立事物特性表。通過建立形狀特征事物特性表，也可以簡化復(fù)雜零件事物特性表的建立。根據(jù)模塊化原理分成的5段，單獨建立零部件事物特性表，中間段由于結(jié)構(gòu)不確定，采用了數(shù)據(jù)文件的格式，將中間段的外形幾何數(shù)據(jù)、槽的定位數(shù)據(jù)以及槽的型號存放在一個數(shù)據(jù)文件中，將數(shù)據(jù)文件的路徑存放在事物特性表中。將整個轉(zhuǎn)子看作一個部件來建立事物特性表，在部件事物特性表中包括各段零件的事物特性表，同時也包括轉(zhuǎn)子整體上的一些事物特性。圖6中，針對轉(zhuǎn)子的每一段分別創(chuàng)建了事物特性表，表SML1000003即為中間段的事物特性表，然后把轉(zhuǎn)子的5段作為一個部件創(chuàng)建了事物特性表。對于一些較為復(fù)雜的零部件除了使用這些逐層分解的方法外，也可以通過建立一些約束和規(guī)則進行簡化。不過，無論怎樣，復(fù)雜零部件事物特性表的建立過程都是一項艱巨的任務(wù)。

    圖6 汽輪機轉(zhuǎn)子變型設(shè)計和事物特性表創(chuàng)建

    在基于事物特性表進行變型設(shè)計的過程中，為了保證數(shù)據(jù)的一致性，先由PDM系統(tǒng)產(chǎn)生一個惟一的零件編號，傳遞到CAD系統(tǒng)中，然后在CAD系統(tǒng)中通過事物特性表進行變型設(shè)計。在CAD系統(tǒng)中變型設(shè)計完成以后，再將CAD模型注冊到PDM系統(tǒng)中。

3 結(jié)束語

    大批量定制技術(shù)的實施離不開信息技術(shù)的支持。CAD系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)已經(jīng)被越來越多的企業(yè)所采用，但是，當(dāng)前CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成仍然存在許多不足，對大批量定制技術(shù)的支持還遠遠不夠，在這方面還有許多工作要做。在系統(tǒng)集成中，邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立是關(guān)鍵，只有理清系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，合理地管理和保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的集成才能起到事半功倍的效果。此外，通過創(chuàng)建事物特性表，雖然可以較好地支持面向大批量定制的設(shè)計，但是對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且相互之間結(jié)構(gòu)差異較大的那些零件，用事物特性表處理仍然存在一些不足，還需要做進一步研究。

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本文標(biāo)題：面向大批量定制設(shè)計的CAD系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的集成研究

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