PDM与CAPP集成与的数据交换

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    摘要:
    根据CIMS信息集成的需要,提出了基于PDM环境的信息集成框架;探讨了在PDM集成框架下CAPP从PDM数据库中获取产品属性信息、产品结构信息和产品图形信息的方法;研究了CAD/CAPP/PDM系统中数据文档的格式和类型,并将不同格式的文档划分为无格式文档和有格式文档。据此,阐述了CAPP生成的工艺文档、工艺要素及属性信息在PDM框架下进行CAPP数据存储的一个模型和应用实例,从而实现CAPP和PDM数据交换与信息集成。
 
    引言
    计算机辅助工艺设计(Computet AidedProcess Planning,CAPP)系统的研究和开发是制造自动化领域的重要组成部分,CAPP作为连接CAD和CAM的桥梁,一直受到制造业的关注[Jq]。产品数据管理(Product Data Management,PDM)是企业重构和发展的一项必不可少的技术。作为工程领域的集成框架,PDM管理企业内所有与产品相关的技术和过程,为企业内应用系统的集成和数据传递提供了必不可少的支撑环境。在PDM与CAPP集成环境下,CAPP从PDM获取需要的CAD数据和信息编制工艺,并把工艺数据存储于PDM共享数据库中,CAM等其他应用系统直接从PDM共享数据库中获取所需工艺信息。从而有效地实现了企业产品信息的集成。

    不同的CAD系统具有相似的软件结构和界面,而检索式、变异式、创成式CAPP由于其使用层次和涉及的数据不同,其软件结构也有很大的不同。现有的CAPP系统多是用户根据自身企业情况开发而成的,所以对CAPP和PDM集成而言,没有相对固定的方式。

    不管是哪种方式的CAPP,在PDM平台下,它与PDM之间的数据不外乎两个方面:一是从PDM中获取CAPP所需要的CAD数据;二是将CAPP最终生成的工艺数据和文档在PDM中进行保存。本文以某公司开发的变异式CAPP系统为例,探讨CAPP与PDM之间的数据交换方式。
 
1 CIMS环境下的信息集成策略
    CAPP系统作为CAD/CAPP/CAM集成系统中承前启后的中间环节,是CIMs环境下信息集成的关键。传统的信息集成是基于关系数据库的模式,如图1所示。CAPP从网络数据库中提取零件特征信息,完成工艺规划,将规划后的工艺信息以关系表的形式存放到网络数据库中。与CAD、CAM通过网络数据库进行产品数据的交换和共享,共享数据以统一的产品信息模型为基础。由于关系数据库如:Foxbase、Oracle、sylaase等存在面向记录、不支持设计过程和缺乏协调机制等的不足,导致它们无力处理非结构化数据(如图形、图象、文档等),系统开发人员的设计工作量巨大,在具体实施时,其扩展也较为困难。

基于关系数据库的信息集成
图l基于关系数据库的信息集成

    PDM系统作为CIMS的集成框架和工具,使CAPP系统的集成环境发生了深刻变化。在PDM集成框架下,关系数据库被PDM屏蔽。集成化CAPP系统的开发人员和使用人员面向的是PDM对象,如图2所示。

基于PDM信息集成
图2  基于PDM~4言息集成

 
    PDM框架下交换的产品信息,包括产品几何模型、产品结构、设计人员、工艺信息、加工代码、产品配置信息和采购信息等PDM系统管理了产品开发过程中的所有信息,这些产品信息按产品设计的不同时期,分为客户要求、几何造型、加工工艺、加工代码、评价、采购和订单信息等。这些信息由不同的单元应用系统(如CAD、CAPP、CAM、CAE等)产生,但不能被其他单元系统直接调用。

    PDM系统的作用是协调产品数据、设计过程的一致性。如客户对产品要求被反映到产品设计中,对产品的修改反映到工艺和各种BoM表中。PDM系统以产品数据为管理单位,产品信息在产品设计的各个阶段互相转化。数据转化包括CAD零件特征、材料、日期等信息转化至工艺文件。工艺的加工信息转化至加工代码、采购BOM等。这些信息转化涉及不同的应用系统,系统之间文件结构相互独立,不能自由转化。   

    纳入PDM之下的CAPP不再是一孤立的工艺设计模块/系统,而是产品开发环境下的有机组成部分。CAPP系统不仅与CAD系统和ERP有机地集成在一起,同时与其上层管理系统(PDM)从信息和功能上都紧密集成起来。基于PDM的CAPP系统允许应用CAPP进行工艺设计时,可以随时便捷地查询信息。工艺设计人员可随时了解整个开发项目中的进展情况,调整自己的工作进度,促进项目开发的协同性。本文的研究是将自主开发的CAPP系统,嵌入SmarTearn的PDM系统,实现CAPP与PDM数据的双向交换。
 
2 CAPP从PDM中获取相关数据
    CAPP从PDM中主要获取CAD三个方面的数据:
    (1)产品设计信息  它是指CAPP能够从PDM中获取产品设计属性信息,如零件名称、代号、材料等。
    (2)产品图形信息  它是指CAPP能够通过PDM获取产品当前版本的图形信息,并能根据加工工序的要求,在CAPP软件界面下通过一定的方式,对产品图形进行编辑、修改,生成相应的工序图。
    (3)CAPP从PDM中获取产品结构信息  它是指CAPP能从PDM中获取产品结构树信息,并对该信息进行处理,生成相应的产品工艺树。

    获取以上三个方面的数据通过下述方法:
    (1)CAPP从PDM获取CAD设计属性的方法
   即将CAPP工艺文件表框中文件属性信息设置成与PDM中属性信息相同的字段名称。当用户编制某一产品的工艺时,产品属性信息自动进入CAPP相应表格中。当CAD中图形属性信息发生变化时,CAPP中产品属性信息随着PDM中的产品属性信息发生变化。CAPP中零件属性也可以手工填写,但填写的数据不会影响到CAPP中的数据。
    (2)CAPP文档中工序简图的生成 
为保证数据来源的唯一性,规定工序图形从PDM中获取。实施办法是通过接口程序,将CAPP系统与CAD系统集成起来。对二维图形,可以使用比较成熟的OLE技术,在CAPP系统中插入对应版本的CAD
图形,双击启动CAD系统,在不改动PDM中原图形文件的情况下,在CAD系统中编辑、修改图形,增加必要的工艺符号,以符合工艺加工要求。由于三维图形的形成过程类似于零件加工或产品的装配过程,所以在三维CAD系统中,可以通过隐藏特征的方式生成不同配置的产品或零件工程图样,该图
样可以作为产品或零件加工工序图。
    产品结构数据的获取  工艺结构树的组成与PDM中的产品结构树相似,但二者并不等同。PDM中的产品结构树包含了产品的所有组成零件,其中有一部分不需要编制工艺,如标准件等。产品工艺树可以看作是剔除了其中不需要编制工艺的零件后,经过文档属性转化的产品结构树。由于CAPP软件结构的不同,CAPP对PDM结构树获取有不同的实施办法。

    ·一种办法是将工艺任务树看作是产品结构视图映射之后的结果集。由于PDM中有一套零件编码系统,编码是唯一的,因此,可以将产品结构视图中的零件编码通过一个接口程序,导出到CAPP的任务表中,并根据编码系统生成工艺任务树。这样,就实现CAPP系统自动获取装配图纸的产品信息,生成工艺产品任务树。工艺部门可以此为基础,组织工艺人员进行对应产品工艺的编制。这种办法自动化程度高,在由产品结构树向工艺任务树转化过程中,不需要人工参与,因而可以保证数据的一致性和准确性。但这种办法需要编制PDM与CAPP之间的接口程序,实施难度比较大。

    另一种办法是工艺设计人员根据PDM中的产品结构树,对需要编制工艺的零件进行工艺编制,并将编制好的工艺文档挂在产品结构树中对应的产品设计文档下。挂在产品设计文档下的工艺文档之间具有确定的相互从属关系。按照这一从属关系,用户在需要时可从PDM中输出产品工艺BOM表。这种方法需要工艺设计人员了解产品结构,在存储某一工艺文件时,通过查询手段准确找到产品结构树中对应的设计图档。这种方法自动化程度不高,也容易出错,但它不需要进行接口程序编制,在企业中容易实施。

3工艺文档在PDM中的存储
    企业中不同类型的数据文档,按其能否被计算机识别,分为无格式文档和有格式文档。典型的无格式文档为CAD图形文档,这种文档因为没有计算机识别格式,所以在计算机存储空间中为“字节堆”,也无法对这些字节加以区分。从理论上讲,三维产品由一系列不同的特征图形构成,在STEP描述语言的基础上,计算机可以识别出构成产品整体的一个个要素特征。但由于技术的原因,产品的特征识别是目前计算机图形学尚未成功解决的题,所以在大多数情况下,三维图形文档也将其作为整体文档来看待。

    无格式文档反映的产品数据信息不能被计算机自动识别和读取,这种文档在PDM电子仓库中存储时,用户必须人工描述产品文档中的信息,如产品版本、状态、用户信息和隶属关系等。这些数据信息可以以关系数据的形式存储于PDM数据库中,并通过一定的方式与产品文档关联在一起。这样,PDM既能对文档本身进行版本控制和生命周期管理,同时企业中其他应用系统也可以通过访问PDM获取产品有关数据。从而既保证了企业数据的完整性,又保证了数据传递流畅性和有效性。

    与无格式文档不同,格式文档由一系列可被计算机识别的数据元素组成,典型的格式是工艺文档。工艺文档及其组成数据元素是指导企业生产经营活动的依据,企业信息化建设的其他系统(如MIS、财务系统、ERP等)必须从工艺文档中读取有关基础数据。在一般的数据库管理系统中,工艺文档本身可以作为一个单元与其属性描述数据单元一起,作为一个复合型关系数据库加以管理,但PDM之所以不同于一般数据库管理系统,是因为其具有独特的电子仓库,工艺文档只有在电子仓库中才能同产品设计文档一起,经历生命周期管理及版本管理。电子仓库具有封闭性,只能接受外部访问,而非授权用户不能修改它的结构,这就排除了数据被删除或破坏的可能,但这种安全的代价是集成框架下的应用系统不能读取PDM电子仓库中工艺文档的组成要素信息。

    在基于文档管理的PDM与CAPP集成情况下,工艺文档作为一个整体对象在PDM中进行管理,工艺文档及其属性数据的存储,类似于CAD系统与PDM系统集成时CAD文档及属性数据的存储。但由于CAPP文档是格式文档,其文档中要素可被计算机识别和读取,以便为企业中其他应用系统提供必要的数据,必须考虑工艺文档组成的数据元素如何同时在PDM数据库中存储。因而CAPP文档数据在集成化PDM中的存储与CAD文档相比有很大的不同。本文提出一种PDM中工艺文档的存储模型,如图3所示。

    在图3中,CAPP系统从PDM数据库中获得CAD设计属性信息、图形信息和产品结构信息的同时,调用了设备库、刀具库及工艺数据库等企业基础数据,生成零部件工艺文档、工艺BOM及设备、刀具、工时等其他应用集成系统所需要的数据表。
    对CAPP产生的这些数据和文档,PDM分三部分存储:
    (1)工艺文件存储  工艺文件作为一个整体存
储在PDM电子仓库中,工艺文档中同时包含了零件工序图信息。该工艺文件与对应CAD文件相关联,作为一个整体,与对应的产品CAD文档一起经历文档版本管理和生命周期管理。

CAPP文档在PDM中的存储模型
    图3 CAPP文档在PDM中的存储模型

    
    (2)企业中其他应用软件系统需要的数据存储CAPP生成一定产品工艺中的设备、刀具、工时等企业中其他应用软件系统需要的数据。这些数据从企业信息集成的角度将是非常有用的,它们以关系数据的形式存储在:PDM数据库中,并以唯一的索引与对应工艺文档相联系,以方便系统查询和被其他集成应用系统所读取。对这些数据的存储,用户需要根据ODBC等数据库语言开发相应的接口。
    (3)工艺文档特有的属性信息存储  如工艺文档的代号、设计日期、状态等信息,用户通过属性模板输入的数据保存在PDM数据库中。当然在此之前,用户必须在数据库中定义工艺数据类以及类的属性。

4集成方案的具体实现
    本文实现CAPP集成的PDM软件SmarTeam,是一个Windows原创的、可用户化的产品数据管理系统,提供完整的企业级PDM解决方案。SmarTeam系统提供的集成开发工具为应用编程接口(API)库,通过运用这些API函数,可较方便地实现对原有PDM信息管理模型的增扩与裁减[7],扩展的内容包括类及其属性的定义、类与类之间的关系定义等。同时对于CAPP系统的数据导入导出也可运用API实现,在集成实例中的具体操作方法是将C++语言与API接口联编结合起来。
    实例中的CAPP系统是针对东风汽车传动轴有限公司产品结构相似性而开发的一种变异式CAPP系统。该系统不过分追求工艺设计自动化,着重提高工艺设计和管理的效益及水平;重视CAPP与CAD、PDM的集成,消除数据的重复输入,提高与设计部门、生产管理部门的信息共享;通过对工艺基础数据的采集、整理和规范化,提高工艺设计标准化程度。CAPP与SmarTeam的集成,其部分功能如下:
    (1)复制信息功能  能把SmarTeam中的零件属性信息复制到工艺设计系统中,零件属性信息作为机械加工工艺卡片中的表头信息,产品结构用来确定装配工艺过程与装配工序所需的零组件。
    (2)提取和管理数据功能  SmarTeam提取机械加工工艺过程卡片中的数据,并对其进行管理;同时SmarTeam保存CAPP所生成的设备清单、刀具清单等,以便给企业中的其他应用系统提供数据。
    具体实现办法是:在CAPP的主菜单中挂一个Smat-Tearn的菜单项,通过“导入/导出”功能,调用SmarTearn API函数,来实现工艺文档及数据的存储。CAPP系统界面如图4所示。

 
5  结束语
 
    目前,企业信息化建设工作在各类企业中蓬勃开展。以PDM为框架进行应用系统集成及实现产品数据的高效管理和共享,是信息化工作的核心。本文介绍了集成环境下PDM与CAPP进行数据交换的内容及实现交换的方法,实现了具体PDM软件SmarTeam与自主开发的CAPP系统的集成及相互间的数据交换,这些方法在笔者的实践中证明是可靠、易行的。
 

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