基于PDM的信息集成技术研究

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基于PDM的信息集成技术研究

    集成是指基于信息技术的资源及应用(计算机软硬件,接口及机器)聚集成一个协同工作的整体,它包括功能交互、信息共享以及数据通信3个方面。
1.1信息集成的必要性
    随着计算机技术的发展和CAX技术在企业的成功应用,企业越来越感到信息管理的重要性。信息化代替工业化己经成为现代企业发展的重要方向。随着企业信息化进程的发展,企业所使用的应用软件越来越多,如应用于工程设计的CAD、CAPP、CAM、CAE等;用于办公自动化的软件OFFICE、WPS;用于企业管理的管理信息系统MIS、制造资源计划MRP、企业资源计划ERP等。但由此也带来了一些问题:
 
    1)企业中的各种CAX软件, OFFICE软件产生了大量的产品相关数据,但由于文件格式各不相同,无法对这些数据进行统一管理。
 
    2)企业长期的生产实践中,储留着大量的宝贵的历史资料,如明细表,各种设计文档等。这些历史资料都是企业积累的知识宝藏,不可能将其抛弃,但如果手工将其输入到PDM系统中,费时费力。
 
    3)随着企业信息化的普遍推行,企业不仅仅只实施了PDM系统,可能还有其他系统,例如ERP, MRP II等。这些系统并不是完全独立的,有些功能是重叠的,为了便于信息的统一管理,企业希望能够实现它们之间的相互集成。
 
    因此如何将这些不同应用系统之间信息集成起来成为了企业信息化建设道路中必须面对的一个重要问题。
 
1.2基于PDM系统的集成模式分析
1.2.1封装模式
    封装是指把对象的属性和操作方法同时封装在定义对象中,用操作集来描述可见模块的外部接口,从而保证了对象的界面独立于对象的内部表达。由于封装性,当改变一个对象类型的数据结构内部表达时,可以不改变在该对象类型上的任何程序。封装使数据和操作有了统一的模型界面。封装是对产生数据的应用程序的集成。通过对PDM系统的封装,PDM系统不仅管理着所封装的程序还能够自动识别、存储和管理由所封装程序产生的文件。
 
    封装只能满足以文件形式生成的所有数据的应用系统的需求,不能管理文件内部的具体数据,如特征属性,参数,装配数据等。因此,当需处理不同应用系统间产品结构信息的集成时,封装不能满足集成的需要。
 
1.2.2接口模式
    对于包含产品结构信息的数据,封装不能解决此类数据的集成,这时需考虑更高层次的集成模式—接口模式和紧密集成模式。
    接口模式通过把应用系统与PDM系统之间需要共享的数据模型抽取出来,定义到PDM的整体模型中去,使得应用系统与PDM之间有统一的数据结构。通过接口集成,应用系统作为一个对象纳入到PDM系统环境中,同时它还可以拥有自己的私有数据模型。接口模式根据用户对系统数据的要求,还可以分为工具式接口、直通式接口和间接式接口。
 
1.2.3紧密集成模式。
    紧密集成模式是最高层次的集成。在这一层次中,各应用程序被视为PDM系统的组成部分。应用程序与PDM系统之间不仅可以共享数据,还可以相互调用有关服务,执行相关操作,真正实现一体化。FDM系统对集成的信息类型,包括面向应用的数据、特征数据等提供了全自动地双向交换功能。
 
1.3 PDM与CADICAM /CAE/LAPP的信息集成
1.3.1 CAD/CAM /CAE/CAPP概况
      CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM即计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)、计算机辅助工艺规划(Computer Aided Process Planning,CAPP)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM)。
 
    CAD包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动,是电子信息技术与产品工程技术的结晶,是现代产业技术的基础。CAD通过交互式图形显示,集合建模,数据交换,工程计算分析,可以对设计进行优化、确定产品主要参数,进行模拟检验,并输出图纸等设计结果。CAD的结果送入CAE系统进行分析,送入CAPP系统进行工艺编制,送入CAM系统进行数控编程和模拟加工,并且接受来自各个系统的反馈信息。
 
    CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析(线性、非线性、静态、动态);场分析(热场、电场、磁场等):频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算,机构的运动模拟及机构参数的优化。CAE主要接受来自CAD系统的输入,并且将分析结果反馈给CAD。
 
    CAPP是利用计算机辅助工艺人员编制机械加工工艺规程,包括毛坯选择、加工参数确定、机床和刀具的选择,装卡方法的确定、工时定额的计算、工艺文件的自动填写、制造资源的自动汇总,最后,将结果送入CAM系统等,CAP0主要接受来自CAD系统的输入,并且将分析结果反馈给CAD。
 
    CAM可完成自动生成零部件加工的数控代码,并可进行加工过程的动态模拟、干涉和碰状检查等,是为数控机床服务的。以M接受来自CAPP系统的工艺信息和来自CAD系统的几何信息,利用计算机辅助编制数控加工程序并自动生成数控代码,进行加工过程仿真。
 
1.3.2 PDM与CAD/CAM /CAE/CAPP的信息集成分析
    CAD是CAE、CAPP和CAM的基础。在CAE中,无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析,都需要CAD为其造型、装配:在CAM中,则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计;而PDM则更需要CAD进行产品装配后的关系及所有零件的BOM表。

    在CAPP中,则需要CAD的2D、3D模型、明细表和技术文件等。在CAD中对零件及部件所做的任何修改,都会直接影响到CAE、CAPP和C脚。因此,CAD是CAE、CAPP和CAM的源头,必须一起重视。而CAE/CAPP/CAM反作用于CADCAE/CAPP/CAM的结果可以验证CAD结果的正确性,弥补CAD结果的不足,修正CAD结果错误。
 
    CAD/CAE/CAPP/CAM都是“孤岛式”的单项技术软件和系统,所产生的数据涉及产品的不同方面,存在着信息如何在各部门之间传递、共享,如何保证数据的准确性、可靠性与安全性等问题,CAD/CAE/CAPP/CAM的应用不仅要面向设计创新和过程创新,还要强调信息的集成与管理。
 
    CAD/CAM /CAPP集成系统信息复杂,联系紧密。在不同企业中,有着不同的工艺规范,企业往往依据自身的条件及传统,采用比较成熟的工艺技术。CAPP系统不仅需要产品的设计信息,还需要产品的工艺信息。但在许多CAD/CAM /CAPP系统中,CAPP系统中读取相关信息的能力不足,许多工艺信息仍需用手工方式输入。
 
    PDM系统可以把与产品整个生命周期有关的这些信息统一管理起来,它支持分布、异构环境下不同软硬件平台、不同网络和不同数据库。CAD、CAPP、CAM系统都通过PDM交换信息,从而真正实现了CAD、LAPP、CAM的集成。如下为PDM与4C的信息流分析图:

5-3-2.jpg

    根据上图的PDM与4C系统的信息流分析,下面讨论4C与PDM之间的集成模式:
    1) PDM与CAM的集成。
    由于CAM系统与PDM系统之间只有刀位文件、NC代码、产品模型和工艺信息等文档信息的传递,所以,一般采用封装模式就可以满足两者之间的信息集成要求。
 
    2) PDM与CAPP的集成
    CAPP与PDM之间除了文档交流外,还需要PDM提供设备资源信息、原材料信息等。而CAPP与MRP II的信息集成需要将CAPP产生的工艺信息分解成基本信息单元如工艺、工步等,并存放于工艺信息库中,供PDM与MRP II集成使用。因此,CAPP与PDM之间的集成需要在实现应用封装的基础上,进一步开发信息交换接口,使CAPP系统可通过接口从PDM中直接获取设备资源库、材料信息库、并将其产生的工艺信息通过接口直接存放于PDM的工艺信息库中供PDM与MRP II使用。
 
    3) PDM与CAE的集成
    CAE系统与CAPP、CAM系统没有直接关联,与PDM系统通过CAD模型发生信息关联。因此PDM系统与CAE系统的集成主要采用封装模式。通过封装,在PDM系统中,能够随时激活CAE应用程序,并识别应用程序产生的文件类型,对文件进行管理。
 
    4) PDM与CAD的集成
    CAD系统的信息是产品信息的源头,其信息量大、类型多。因而,CAD系统与PDM系统的集成是用户最关心,也是4C与PDM集成中要求最高,难度最大的环节。其关键在于需保证CAD系统的数据变化与PDM中的数据变化的同步一致或异步一致。由于CAD系统中产生的数据即有二维图样,也有三维模型、零部件属性以及产品结构关系等多种类型,CAD与PDM的应用封装只解决了CAD产生的文档管理问题。
 
    零部件描述属性、产品明细表则需要通过接口交换导入PDM,同时实现数据的双向异步交换。但是这种交换不能完全保证产品结构数据在CAD与PDM中的一致性。只要通过CAD与PDM之间的紧密集成,即在CAD与PDM之间建立共享产品数据模型,实现互操作,保证CAD中的修改与PDM中的修改的互动性和一致性,真正做到双向同步一致性。
 
1.3.3 PDM与4C系统的集成方法
    由于CAE、CAM与PDM的集成大多采用封装模式,集成的方法也相对简单,因此本文只讨论CAPP、CAD系统与PDM的集成方法。
1)PDM与CAPP的集成
    PDM与CAPP的信息集成可以有多种方式,如封装、接口、数据库集成。每种集成方式都有优势,通过封装进行集成基本不需要二次开发,操作方便,但是信息集成度较低:接口集成只需少量开发即可实现系统信息集成,但系统间的集成内容与集成程度受限于接口数量与接口开放程度,很难实现信息的有效集成;数据库集成直接对底层数据进行操作,具有一定的危险性,但是可以实现系统间的高度集成与信息共享。以下为目前较为常用的几种PDM/CAPP信息集成方法:
 
1.基于CORBA和XML的PDM/CAPP集成
    XML(可扩展标记语言)具有强大的信息表达能力和信息标准校对能力,己渐渐成为数据交换和信息共享的一种标准。CORBA(公共对象请求代理体系结构)技术是一种通用的分布式编程技术。集成CORBA和XML技术,可以得出一个PDM/CAPP系统集成通用的功能强大的方案。
 
    利用CORBA的语言无关性,通过两系统间对象的互操作,实现两系统间的数据通信;系统之间的信息传输,则采用具有强大信息描述能力的XML文档,让XML文档成为信息的载体。
 
    具体方法如下,经由CAPP系统和PDM系统提供的API应用编程接口)组件,将系统需要传输的信息导入或者导出,通过XML生成器可将需要传递的信息转换成XML文档在CORBA建立的连接中传输。在传输的另一端,通过XML解析器对XML文档进行解析,就可以获得所需的信息,完成信息的传递。
 
2.基于UML的集成
    要实现PDM/CAPP的系统集成,建立从PDM的产品结构模型到CAPP的产品结构模型之间的映射是一项重要的工作。PDM/CAPP的集成信息中最重要的信息之一是产品结构,或者以明细表形式表现的物料单(BOM: Bill of Material)。因此,建立PDM/CAPP统一的产品结构描述模型是实现PDM/CAPP的关键。如何从PDM中获取设计的产品结构,并将它转换为CAPP系统中的产品结构是实现PDM/CAPP集成的关键。
 
    产品结构从PDM到CAPP的映射分成两个层次,即概念层和应用层。概念层完成模型映射,PDM的类通过UML映射类图和EXPRESS将产品结构模型转换为CAPP的类。而在应用层完成真正的数据转换,PDM中产品结构对象实例通过基于UML的数据转换器生成STEP文件。而在CAPP的前处理系统中,这些STEP文件也通过数据转换器读入CAPP系统中,生成CAPP的产品结构对象实例。
 
2) PDM与CAD的集成方法
    CAD系统包括二维CAD和三维CAD,两者的运行机制、数据存储和开发环境大不相同,因此,PDM和CAD系统的集成也分为两种情况。其中,、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,并将相关图文档自动挂接到PDM系统的产品结构上。PDM系统也可以通过基于单向数据接口从三维CAD系统中获取产品结构信息和物理属性信息,如重量、体积等,保持两个系统的数据一致。二维 CAD系统的双向集成功能主要在CAD系统内部开发,功能结构树如图5-3-3所示。
 
    通过结合CAD系统的开发接口和PDM系统提供的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系统内部存储的数据,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。而且相关的图文档也可以通过图文档注册功能从CAD系统自动挂接到PDM系统中的产品结构上。

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1.4 PDM与ERP的信息集成
1.4.1 PDM与ERP的关系
    起源于20世纪80年代的主要以管理工程图纸和CAD相关的文件为主的PDM,经过功能扩展,已经可以管理各种工程数据和过程,包括几何模型、项目规划、零件文件、装配图、设计分析结果、产品结构、说明书、工程变更、审批流程、零件分类和检索、配置管理、权限管理、程序管理和工作流程管理等。
 
    而起源于20世纪60年代的ERP系统主要是以生产经营、计划管理为主线,ERP系统中的主要功能模块均是针对企业级资源管理而设计。在EPR系统中,一般包括物料清单、生产计划大纲、主生产计划、粗能力需求计划、物料需求计划、车间作业管理、库存管理、财务管理、客户订单管理和人力资源计划等功能。PDM与ERP两者是功能逐渐扩展,形成了一些工程交叉,具体交叉的功能包括物料清单、零件分类、组件信息、配置管理、业务流程和产品结构等。
 
    其中,产品结构管理是重叠最多的功能,在ERP系统中,产品结构是其核心,定义了零件和零件在车间的装配过程,主要是反映产品信总的规划视图,是面向材料和生产过程。同样,产品结构也是PDM的核心,但是,它主要是面向产品组合能力和产品的零部件是如何配置的,这主要由设计者决定,反映的是CAD/CAM系统开发的设计视图。
 
    产品结构是PDM和ERP之间信息流动的信息骨架,由于产品结构过程的复杂性,企业要求综合的信息技术的应用来管理产品结构的整个产品生命周期的版本如“设计”、“计划”、“制造”和“维修”。在开发阶段利用产品结构实现PDM/ERP集成减少产品数据整个生命周期内的丢失和混乱,虽然PDM系统可以储存任何版本的产品结构,但是维持制造和维修版本的能力常常是在ERP系统中。
 
1.4.2 PDM与ERP的集成方法
  PDM和ERP管理整个产品定义和产品生命周期的核心,随着PDM与ERP功能的扩大和外延,两者的界限已经被打破,出现了重叠,如何更好地共享PDM和ERP之间的信息,对优化设计和制造过程来说是至关重要。具体的集成方法如下:

1.基于标准的集成
    利用CORBA规范可以增强PDM的可扩展性和与ERP系统的集成能力,实现两者的封装集成。同样,通过对象管理组织(OMG )的“PDM使能器(PDM Enabler)"也可以实现两者的集成。PDM使能器是正在制定的制造业的一个规范,使能器是实现或者支持一种特定的抽象处理过程的物理实体,通过提供共享产品数据的来增强产品开发的效率。PDM系统借助于PDM使能器能够管理ERP系统。
 
2.基于文件的集成
    通过产品结构文件传输来集成独立的PDM和ERP系统很有效,产品结构数据作为共享的基础,通过中间文件完成了PDM和ERP之间的数据交换和映射。
 
3.基于数据的集成
    PDM系统可以把产品数据和相关的文档同ERP系统进行无缝的双向传输,保护了产品数据在两个系统间的往来。当设计新产品或对老产品进行修改时,相关数据将自动传输并呈现在ERP系统中,同时ERP系统中相关的细节可以用一致的和最新的格式传送到PDM系统中。在所有ERP部件中可以完全集成PDM系统,在ERP系统和PDM系统中使用的数据模型和数据。
 
4.基于功能扩展的集成
    PDM与ERP系统功能可以分别扩展,但是具体是PDM向ERP功能扩展,还是ERP向PDM功能扩展,要由实际情况决定。如果企业己经有了PDM,就应该考虑以PDM核心集成ERP系统,如果企业己经有了ERP,就应该考虑以ERP核心集成PDM系统。
 
1.5基于BOM的SmarTeam/CAD/CAPP/ERP信息集成
1.5.1某模具企业SmarTeam/CAD/CAPP/ERP信息集成关键点分析
    首先,分析一下EBOM、PBOM、MBOM三者的概念和关系。
    工程BOM——EBOM(Engineering BOM):它精确地描述了产品的设计指标,零件与零件之间的设计关系。对应文件形式主要有产品明细表、图样目录、材料明细表、产品各种分类明细表等等。
 
    计划BOM——PBOM(Plan BOM):是工艺工程师根据工厂的加工水平和能力,对EBOM再设计得出的。它用于工艺设计和生产制造管理,使用它可以明确地了解零件与零件之间的制造关系,跟踪零件是如何制造出来的,在哪里制造、由谁制造、用什么制造等信息。同时,PROM也是MRP II /ERP生产管理的关键管理数据结构之一。
 
    制造BOM——MBOM(Manufacturing BOM):它是生产管理人员从生产的角度出发,对PBOM加以归类统计后形成的BOM。此时的BOM不是某个产品的,而是一段时间内应该生产的零部件清单。
 
    清楚了这三种BOM的关系后,再来分析一下产品相关信息在这些系统中是如何传递的:首先产品设计时,零部件的CAD文件在PDM中进行归档,同时生成相应的设计BOM;接着CAPP系统通过PDM获取设计BOM (EBOM)与零件的相应基本信息完成工艺设计任务,同时生成计划BOM (PBOM),最后计划BOM再经过生产管理部门的转化成为MBOM提供给后续的ERP系统。
 
    某模具企业现阶段CAPP和ERP系统尚未引进。因此在该模具企业实现SmarTeam/CAD/CAPP/ERP之间的信息集成,关键点就在于如何自动生成设计BOM并传递给将来的工艺部门,再结合工艺信息生成计划BOM,最后经过再次转换成为MBOM提供给将来的ERP系统。
 
1.5.2 SmarTeam/CAD/CAPP/ERP系统信息集成的实现方法
    由上所述,某模具企业SmarTeam/CAD/CAPP/ERP信息集成关键点是如何自动生成设计BOM,即产品的材料清单。
    目前企业主要采用手工填写的方式输出材料清单,格式为WORD文档。由模具开发流程图规定:当确定模具最终设计方案后,便由设计人员输出采购周期较长的模坯、内模料、主体铜公物料订购单,即大料BOM,并分发至项目工程师,物料PMC,品保部:当总装图细化后,分批输出零配件BOM(也称小料BOM),并分发至项目工程师,物料PMC,制作组,品保部。何时分批输出零配件BOM则根据企业对该零件材料的需要程度和该零件材料的采购周期而定。
 
    本文针对此问题利用SmarTeam提供的API函数开发了自动生成这两种材料清单的自定义功能。
1)大料BOM自动生成功能
    企业提供的大料清单的模板如图5-5-1,开发自动生成该清单需要提取的信息为固定零件的属性,即面板,热流道框板等13个零件的长度,宽度、厚度、材质、数量和备注和BOM号(这里将BOM号定义为零件的代码),其它的属性还包括名称,版本号,制表人,审核人等。

5-5-1.jpg

    具体实现方法为:通过脚本函数DALIAOBOM调用BOMCreaters.dll中BOMCreaters类中的tnBOMCreater函数。该函数由主函数tnBOMCreater和9个子函数组成。子函数分别为mainFunction(打开Word对象并调用具体报表函数进行报表),RetrieveChildrenAndLinks(具体报表函数),RetriveQuality(获取零件数量),RetriveUserName(获得当前用户名),SetName(将用户名赋值给制表人),RetriveMaterial(获取参考到类的物料编码),SetMouldNumberAndiVame(设置模号字段和名称字段),SetDate(设置报表日期),SetRevision(设置版本号),本文只给出主函数的流程图与两个主要功能函数的关键代码。
1.该函数的程序框图为:

5-5-2.jpg

2.主函数tnBOMCreater的关键代码如下:
      Set SmSession=Session
mainFunction SmObject‘调用mainFunction子函数
    UserName=RetriveUserName()’获得当前登录用户名
    SetName UserName,设置用扁名,获取模具总装配体的相应属性
MouldNumber=SmObject.Data.ValueAsString("CN-OBJECT-ODE")’装配体编码
MouldName=SmOb ject. Data. ValueAsString ("CN-BJECT-NAME")’装配体名称
  Revision=SmObject. Data. ValueAsString("REVISION")‘版本号

5-5-3.jpg

2)小料BOM的自动生成
    企业提供的料清单的模板如图5-5-4,开发此功能需要提取的信息为除大料和标准件外的所有零配件的属性,属性包括BOM号、名称尺寸、规格、数量、材质、热处理、供应商代码、交期和备注,其它的属性还包括名称,版本号,制表人,审核人等。
 
    实际上该小料BOM包括了自制件材料清单和外购件材料清单,只是由于企业的特殊习惯,才将这两种清单合为一个材料清单。因此该小料BOM涉及零件包括外购件,如动模镶针、导柱、导套等;还包括自制件,如滑块、定模镶针等。当为自制件时,尺寸规格输入的内容为属性长X宽x高,或直径x高。当为外购件时,尺寸规格输入的内容为订货代码属性。
 
    还需要考虑的一个问题为该BOM表的分批发布问题,为了解决这个问题,在零件的树链接属性中添加一个BOMFLAG属性,默认为TRUE。如零件已被细化,即长、宽、高属性已输入,或直径、高属性已输入,或订货代码属性已输入,则该属性则进行BOM的分批发布,报表后程序自动将该零件的BOMFLAG属性设为FALSE,那么下一次的BOM分批发布中,该零件将被忽略。

5-5-4.jpg

    具体实现方法为:通过脚本函数XIAOLIAOBOM调用TotalBOM.dll中TotalBOMs类中的tnBOMCreater函数。主函数tnBOMCreater调用X16个子函数,分别为mainFunction(打开Word对象并调用具体报表函数进行报表)、RetrieveChildrenAndLinks(具体报表函数)、RetriveQuality(获取数量)、RetriveQuality(获取零件数量),RetriveUserName(获得当前用户名)SetName(将用户名赋值给制表人)RetriveMaterial(获取参考到类的物料编码)SetMouldNumberAndName(设置模号字段和名称字段),SetDate(设置报表日期),SetRevision(设置版本号)、FindClass(查询是否有传入的类),SetBOMFlag(设置零件的报表属性)、FindBOMFlag(查询零件是否需要报表)、TransformLookUpStringToLong(转换下拉属性值)、SetDimension(设置零件的尺寸规格属性)、RetriveSupplier(取得参考到类的供应商代码)。该小料BOM程序的主函数和大料BOM程序的主函数大体一致,因此本文这里只给出程序框图及具体报表函数的关键代码:
1.程序框图:

5-5-5.jpg

    2.运行结果:如图5-5-5为对模具总装配体UGA-00001进行小料自动报表后得到的模具配件定购单之一。

5-5-5.1.jpg

 

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