产品数据管理PDM技术应用

摘要：本文从目前CIMS应用工程的推广和并行工程思想的应用出发，提出了PDM技术思想的出现的背景，给出了PDM的定义和实际工程作用。本文进行了PDM功能的详细阐述，并对PDM进行了系统

摘要：本文从目前CIMS应用工程的推广和并行工程思想的应用出发，提出了PDM技术思想的出现的背景，给出了PDM的定义和实际工程作用。本文进行了PDM功能的详细阐述，并对PDM进行了系统结构分析，提出了PDM技术值得进一步研究开发的几个问题。

1 PDM技术的由来、需求和定义
自1986年以来的十几年期问，在有关政府部门和863／CIMS主题专家以及广大从事CIMS研究、开发、应用的科技人员、管理人员的艰苦努力下，CIMS在中国的研究、开发与应用取得了重大进展。实践表明，863／CIMS主题制定的目标、部署并实施的两类环境、三个台阶、四个层次及十一个专题都是正确而有效的。

从CIMS的进一步发展目标和要求来看，并行工程及CIMS集成平台的研究、开发和应用，是当今CIMS应用实施的关键。从产品本身来看，“并行工程”概念的提出，即从产品设计开发和制造的过程出发，以达到生产效率高、产品成本低、产品质量保证和符合用户实际使用的要求。

在并行工程中，提倡“小组协同工作”，即Team Work，强调小组成员在产品设计的同时进行产品相关过程的设计，如刀具、加工、装配工艺、产品运输、产品服务等，这样就要求与产品过程相关的人员在产品生命周期内的各个环节和产品过程相关的各个地方均能在用户权限范围内对有关产品数据进行一定的操作，这就是产品数据管理(PDM：Product Data Management)系统的功能和定义。因此，可以这样说，PDM是并行工程运行的基础，是CIMS工程实施的平台。PDM的功能视图如图1。

图1PDM的功能视图

未来的CAE／CAD／CAM软件都将支持数据管理系统，这个系统控制着文档及设计的建立、检查、修改和批准。PDM系统可以在信息建立、修改、检查、批准和存档的同时，组织、跟踪和控制信息的存取，以此来促进面向小组的产品开发研究。

最近的研究表明，大多数的设计工程师在真正的产品没计上仅花费25％的时间，然而却有30％～35％的时间花费在寻找设计所用的数据上，重复劳动现象严重。为了有效地组织和管理产品数据，就要采用产品数据管理系统，它提供了一种综合地管理和控制工程信息的方式。通过对工程信息的组织、跟踪和存取控制，产品数据管理系统可以促进设计小组的开发工作，使各种工程信息不断地建立、检验、修改、评价和存档。

除了能跟踪工程数据外，产品数据管理系统还能管理产品的开发过程。通过管理应用层的任务如检查和跟踪设计的修改、授权和绘图等，产品数据管理系统可以提供设计方法上的过程控制，其方式是促进产品的认同和报告小组成员有关项目的情况。这样，产品数据管理系统提供了一种内部协调机制，使得企业可以实施并行工程，并且缩短整个产品开发周期。

由于并行工程调动了企业内部人员的各种智力因素，通过基于知识的应用软件来集成各类知识，通过对产品开发数据的存取把他们的设计思想统一在一个完整的产品开发过程中，从而能显著提高产品质量，缩短产品开发周期和降低开发费用。

2 PDM的主要功能及系统结构
2．1 PDM主要功能分析
PDM系统作为一个产品数据的软件平台，首先必须提供给用户一个集成的电子环境。在这个电子环境中，用户可以完成与产品数据相关的所有操作，包括产品数据在集成环境中的生成、修改、删除、存储和引用；在这个集成的电子环境中，用户还可以进入产品结构的定义和编辑功能，以及可以进入工作流程和过程管理功能；在这个电子环境中，具有一定权限的用户还可以进行PDIM系统的管理和维护。因此，PDM主环境中的系统功能如图2。

图2PDM系统主环境

(1)产品数据管理
产品数据的管理是PDM系统的核心功能，提供了对所有产品数据进行安全存取和管理的机制。产品数据管理主要实现如下功能：

1·产品数据的生成、维护和使用
产品数据的生成是与各个软件工具紧密关联的，不同的软件工具，生成的是不同的产品数据类型。因此，产品数据的生成，实际上是某个类型的产品数据在其对应的软件工具的作用下，产生的对应的数据类型的具体数据。在PDM系统中，产品数据一旦生成，即处于系统对数据对象进行的存取控制之下。

产品数据在PDM系统中的使用，主要指数据的编辑和引用。产品数据的编辑修改，形成了产品数据的修改版本，这是产品数据的历史记录，用户在必要的时候可以恢复某个版本的数据，或是对历史数据予以清除；产品数据的引用，不仅可以完成传统的零件库、图库等数据的分类存储机制，而且可以提供多种角度视图来组织产品数据，其中最为人们接受的便是产品结构的产品数据组织方式，使得PDM系统面向产品的特征得以充分体现。

2·产品数据存取控制
PDM系统对数据的安全机制设计一般可以从以下几个方面进行。系统自锁：系统应该不允许两个用户同时对同一个数据进行修改操作，当然，当一个用户调入数据后尚未进行修改，这并不会影响另一个用户调入数据并对其进行修改操作。

检出检入：即Check out/Check in。当用户准备对产品数据进行一定不受其他用户干扰的操作时，必须对该数据进行检出操作，使得其他用户不得再对该数据进行任何修改或删除操作，被检出的数据～旦完成了一定的处理以后，即进行检入操作，恢复其他用户对该数据拥有的一切处理权限。检出检入是PDM系统具有的对产品数据的必备的功能。当执行一个对产品数据的工程修改指令操作前，必须对该产品数据进行检出。

存取控制列表操作：即提供用户一个对产品数据进行权限赋值的人机对话界面，允许数据的主人对其进行权限的制定，包括允许其他用户对该数据的权限范围指定。

3·产品数据对象输入输出
产品数据对象输入输出处理主要具有两种形式：文件和对象。
将PDM系统内的产品数据对象输出成文件形式，以便将PDM系统中的某些产品数据对象转换给另外一些可以接受文件输入的应用软件系统；同时，将一些数据文件输入至PDM系统，变为PDM系统中的一个有效的产品数据对象，这将为实施PDM之前的产品数据转换进入PDM系统，并采用PDM系统对其实施有效地管理，提供必要的途径和工具。这个功能将在PDM系统和一般的应用系统之间架起一座连接的桥梁。

PDM系统的产品数据对象，以对象的形式进行输入输出，这个功能将为PDM系统的不同用户，甚至是不同的PDM系统之间进行包含权限控制等信息的数据对象级别的产品数据交换提供途径和方法。

4·产品数据的检索
利用PDM系统的产品数据库，可以完成传统概念的标准件库、二维或三维图库、常用刀具库、制造资源数据库等，这些数据库，实际上是产品特征数据库的不同视图。提供用户有效的数据对象的检索方法和界面，以展现产品数据的不同视图，从而满足一些用户对传统图库或专用数据库的要求。

(2)系统管理与维护
PDIM系统管理与维护，是PDM系统应用过程中的重要环节，提供给PDM系统管理员对系统实施管理和维护的工具必须具有下述功能：

1·用户定义和管理
与用户有关的概念，根据实际使用和安全角度可以从以下几个方面进行定义。
“用户帐号”和“用户组”是常规的用户定义概念。用户只能从定义好的用户帐号进入PDM系统，进行有关操作。“用户帐号”是用户的有效身份证明。从一定的定义范畴出发，如权限限制或工作性质等，对用户进行定义的分类，形成“用户组”。

对“人”(‰)进行定义，并使得一个“人”在不同的地点或时间阶段可以拥有不同的“用户帐号”，从而具有不同的安全权限，这便于实际企业内“实际人员”对PDM系统进行有效的使用。

一个“人”实际上在企业内扮演的是一个角色，如经理、设计员、机床操作工程师等，这个“角色”决定了这样一个“人”所拥有的权力，或其在企业中的实际工作岗位，因此对“角色”进行定义，在对产品数据进行权限限制或流程控制中指定某个责任人时，采用“角色”进行定义，可以使得定义的过程更加方便和直观。

2·工具定义
工具是对产品数据进行处理的应用软件。在PDM系统中对“工具”进行定义，是集成软件工具的必要步骤。在工具的定义过程中，进行该软件运行环境的设定，软件运行参数的指定，软件输入输出数据格式的定义等与软件运行过程相关的数据设定，以便在PDM系统中可以直接启动被定义的软件工具。

3·数据对象类型定义
根据对象类型具有继承性的特点，对PDM系统不存在的新的数据类型作为产品数据类的子类进行定义，使其具有PDM系统数据对象的特征，并在数据类型定义的过程中指定对应的软件工具(已在工具定义中进行了定义)，使得数据类型与软件具有一定的关联性，可以在PDM系统中作为一种产品数据进行使用。

4·工作流程和过程定义
对工作流程和过程的定义，是进行流程控制的必备工作。按照企业中对产品数据信息的流动要求，进行工作流程和过程的定义，实际上是指定产品数据与各个产品数据的使用者之间的关系，并指明某个用户应该对所传递的产品数据进行何种操作和操作要求。在工作流程和过程的定义中，还必须明确制定流程或过程流动的必要条件，如果条件不满足，则其进程必将受到阻碍，在必要的时候，进行必要的提示和处理。

5·数据后备
对于产品数据库中存贮的产品数据以及PDM系统中有关系统数据，包括用户数据、工具定义数据、流程定义数据和产品数据类型的定义数据等，在必要的时刻，必须进行数据的后备处理，以将数据进行备份和保护，这是PDIM系统进行维护的重要环节之一。

(3)工作流程和过程管理
对于产品数据的有效管理，使得产品数据在存取和交叉引用更加方便，相对来说，这是一个被动使用数据的过程。工作流程和过程管理(WPM：Workflow and procedure management)是一个关于产品数据是如何建立和修改的主动的过程管理，WPM的处理重点是与产品数据相关的任务(Task)。通常，WPM具有以下三个主要功能：

1·工作管理(WPM：Work Management)
当一个工程师准备进行某个设计工作时，除了必要的设计要求和原始设计思想，以及工程修改指令(ECO：Engineering Change Order)外，与设计工作相关的一些文档、表格等数据，或者其他一些设计人员的数据，也必须同时提供给该设计人员，作为设计工作的必备的准备材料。WM提供给用户一个工作环境，在这个环境中，用户可以非常方便地获取到需要的产品数据，而这些数据也是WPM中产生并从其他设计人员或其它工作阶段中传递过来的。

PDM系统对于用户的工作管理的需求一般是通过“用户工具包”(user Packets)的方法，提供用户一个类似于文件夹的工作环境。在工具包中，同时提供给用户不同的支持文档数据引用及其操作处理按钮。“用户工具包”的方法亦支持并行工程原则。比如，当一个用户正在进行某个设计数据的工作时，而在为同一个项目的另一个同事就可以得到及时的通知，该设计数据的更新版本正在产生，而对其的引用会很快在另一个同事的“用户工具包”中产生和更新，当然，对产品数据的引用是受到某用户本身的权限限制的。

2·工作流程管理(WFM：Workflow Manage-ment)
从“用户工具包”中可以看出，其使用的方便之处是可以分享产品生命周期中的产品数据。从另一方面来看，产品数据或其引用可以在不同的逻辑部门之间，或者不同的逻辑用户个体之间相互传递和流动，对这个产品数据或其引用的传递和流动的过程的管理就是工作流程管理，即WFM。WFM使得成千上万的PDM系统的用户的个体对产品数据的处理结果和流动更加具有条理化，知道谁下一步应该做什么(who does what next)。

工作流程的结束或是其中某个阶段的结束，可以对所处理的产品数据对象赋予一个“状态”的属性，以标明该产品数据在工作流程中所处的阶段位置和处理状态。

在WFM中，数据是否流动是根据“规则”(Business Rule)而定的。只有符合规则的要求，某个产品数据才可以正常进行流动，否则其状态将停留在前一个阶段。

3·工作历史管理(WHM：Work History Man-agement)
在工作流程和过程的管理过程当中，用户或一般的设计人员不仅关心对产品数据的操作功能要求、产品数据的处理状态等项目开发信息，而且可能需要了解产品数据在流动至当前的阶段以前，曾经进行过的处理及其结果的历史状态。工作历史管理提供了这样一种审查记录数据(Audit Trial Data)，帮助用户了解产品项目开发过程中的历史情况。

对工作历史数据的处理也是国际质量管理标准ISO 9000的基本要求。而当开发出的产品在实际使用过程中一旦出现问题时，工作历史记录对于在产品生命周期中查询产品问题的原因，显而易见是非常有作用的。而且，在现有产品开发工作流程的基础上，制定新的产品项目的工作流程和过程，工作历史记录可以作为重要依据。

(4)产品结构管理
产品结构是PDM系统中零部件对象与对象之间的关联关系的一种常见的展现产品结构关系的视图(View)。产品结构管理(PSM：Product Structure Management)是PDM系统中不可缺少的系统功能。主要功能特点具有以下四个方面：

1·产品结构的建立
采用图形方式，在零部件对象的引用与引用之间，建立层次拓扑关系，反映产品的结构关系，这就是通常PSM提供给用户的建立产品结构的功能。从视图的角度出发，产品结构其实并不只是指产品的装配结构，而是从各个不同的应用角度出发，所看到的不同的产品结构视图，如零件工艺规划人员从加工工艺的角度出发，建立的视图更加注重零件加工工艺的类同性。

在PSM中，通常与产品结构中的每个零部件紧密相连的是BOM(Bill of Material)。在BOM中，制定产品零部件在产品生命周期中的各种属性。而BOM中的许多属性又与制造资源相关，从而使得BOM成为PDM系统与ERP系统的交叉点。

产品结构中，对零部件对象的使用实际上是一种引用，因此对于在PDM中每一个零部件对象中所包含的各种产品数据或者产品数据引用，将可以自动地被继承，以致于在产品结构中，用户应该仍然可以对这些产品数据进行权限范围内的操作和处理。

2·产品结构的编辑与配置
产品结构一旦建立以后并不是不可改变的，对产品结构的编辑操作是PSM的基本功能之一，包括对产品结构中的零部件对象的删除、增加、替换等常规操作。

而产品结构的配置功能是指在不改变产品结构的拓扑结构的前提下，根据某种结构配置规则，产生某种符合用户要求的产品结构。而产品结构的配置功能，是PDM系统满足用户“小批量、多品种”的产品特点和市场要求的重要对策之一。

在实现产品结构配置功能之前，首先明确一对基本概念：精确装配结构和非精确装配结构(PIecise Assembly& Impercise Assembly)。所谓精确装配结构是指装配结构相对固定，不随配置规则而变化；所谓非精确装配结构，将根据不同的配置规则，使得产品的装配结构相应变化。因此，一旦某个产品装配结构符合了客户的要求后，即可将其变换成为精确装配结构，提交生产。下面罗列出一些对非精确的装配结构产生作用的常用配置规则：

1)按当前工作版本配置
对当前产品装配结构按照当前零部件对象的工作版本(Working Revision)进行配置。一般，一个零部件有多个修改版本，而最后一个版本是当前的工作版本，因此按当前工作状态进行配置的产品装配结构一般是零部件对象的最后一个修改版本。

2)按工作流程状态配置
产品数据是在一个产品项目的工作流程和过程中产生的，在流程和过程的每一个阶段或所有阶段均结束后都必须有一个流程状态(Status)，用以标明该数据对象或整个零部件对象。按照工作流程状态进行产品装配结构的配置，可以得到符合某种流程状态的装配结构，如按照状态为“De-sign”进行配置，则我们可能得到的是一个正在处于设计结束阶段的零部件版本所组成的产品装配结构，而按照状态为“Product”进行配置，则我们可能得到的是一个目前正在作为产品投产的产品装配结构。

3)按有效日期配置
对某些零部件对象进行有效时间段的设置，对产品装配结构按有效日期进行配置，凡是符合装配结构的有效日期的范围要求的零部件，则被保留在装配结构中，否则零部件对象将不属于该装配结构。

4)按变量条件配置
采用一个变量或者几个变量的逻辑运算。控制产品的装配结构。在系统中，首先进行变量及其变量值域的定义，然后对接受变量控制的零部件进行变量条件的指定，最后进行当前装配结构的变量规则指定，这样所得到的装配结构即是在变量规则控制下的符合一定条件的产品装配结构。

5)按优先规则配置
当一个产品的某个零部件对象具有多个选择方案时，在产品装配结构中应该有所反映，并且应该提供给用户一个优先选择的装配结构，而这种优选方案是由用户决定的。

6)按覆盖列表配置
生成一个虚拟的零件对象组，其中指定了某个零部件对象的具体修改版本对象。对于某个产品装配结构运用覆盖列表进行配置，其结果是采用虚拟零件对象组中零部件修改版本对象替换装配结构中的所有对应的零部件对象。采用这种配置规则，我们可以很快得到一个对原有装配结构进行按照需要进行修改的新的产品装配结构。

·PSM与CAD的连接
PSM中产品装配结构的建立，只是一种零(部)件与零(部)件之间一种拓扑结构关系的确定。零部件对象中的产品数据实际上是一个数据集合，其中零件的几何模型是一个重要的产品数据类型，因此产品的装配几何模型是在计算机内部采用虚拟方法确定零(部)件与零(部)件之间的几何位置所建立的理想零件几何模型之间的关系。目前，“装配”功能是CAD系统的重要的基本功能之一。如何将PDM系统中PSM所产生的装配关系与CAD系统中装配几何位置关系进行有效的关联，这是使得PDM系统与CAD系统进行有效集成的关键点之一。

1)从PDM／PSM继承装配关系
从PSM中继承零(部)件的装配结构关系，从而在CAD系统中得到完整的装配关系。如果PDM系统中的零(部)件对象中已经生成了零件的几何模型数据，则采用om系统中装配模块的装配功能，对装配结构中的零(部)件几何模型进行有效的装配，确定其间的几何位置关系，进而形成完整的装配几何模型。如果PDM系统中的零件几何模型尚未生成，则可以采用并行工程的思想，分别对各个零部件进行详细设计，这就是“自顶而下”(Top Down)的设计思想。

因此，可以这样认为，CAD系统中装配功能模块，实际上是PDM系统中PSM功能的延伸和进一步完善。一般，CAD系统的装配模块可以从PSM中继承的信息有：
a)装配结构关系
b)BOM表属性值
c)零(部)件对象几何模型数据

2)从CAD／ASSEMBLY产生产品装配结构关系
CAD系统的装配模块的功能主要是确定零(部)件几何模型的几何位置关系，而在几何位置关系确定的同时，零件的装配关系必须确定，从CAD系统中读入装配关系，并产生对应的零(部)件对象以存储对应的几何模型数据，这是PDM系统从CAD系统获得有效产品信息的重要功能之一。

2．2PDM的系统结构
为了达到对产品生命周期内的所有与产品定义相关的数据进行有效的管理，PDM系统的结构包括四个层次：
·用户界面层
·应用软件层
·核心模块层
·系统模块层
包括四个层次的PDM结构如图3所示。

(1)用户界面层
用户界面层提供给PDM系统的用户一个进行人机对话的界面。通过用户界面，系统向用户展现用户所关心的产品数据信息，并且可以获取用户的输入数据。用户界面必须拥有操作性较强的具有图形化的Windows风格。目前，图形工作站上采用Motif Windows操作系统，微机上采用Microsoft Windows操作系统。

图3PDM结构图

(2)应用软件层
应用软件层是由一系列的PDM系统中对产品数据进行管理的应用软件模块、对产品数据进行处理的第三个应用软件系统和PDM系统中采用的底层操作系统中的部分实用程序组成。

图3中所标识的产品数据集成环境模块、产品结构编辑模块、工作流程控制模块，均是PDM系统中实施产品数据管理的应用子模块，系统管理主控模块和电子邮件是操作系统中或在其基础上进行功能增强修改后(并取代原有功能)的实用程序。除此之外，用于产生产品设计数据的CAD／CAM软件、用于文本文档编辑的文本编辑器软件，或是其它对产品数据进行生成、编辑、处理的商品化或自行开发的应用软件，均是该层的重要组成部分之一。

(3)核心模块层
应用软件层下面是核心模块层，该层的功能是将不同的应用软件程序对产品数据的处理要求进行中间转换，转换成系统模块可以接受的信息指令。比如，PDM系统中工程数据库管理系统模块可以是各个不同公司的产品，但在进行数据查询的数据库语言必须符合SQL标准，核心模块层的主要功能就是将应用软件层对产品数据处理的结果进行工程数据库存储或修改的数据库操作要求转化为标准的SQL指令。实际上，核心模块层是应用软件层和系统模块层之间的缓冲层，使得应用软件和工程数据库的关联性减小，为PDM系统接用不同的数据库系统提供可能。

(4)系统模块层
系统模块层主要提供数据库操作、操作系统的实用程序运行、网格的数据存取等功能。

3 PDM技术值得进一步研究开发的问题
PDM作为一项新兴的技术，目前正日新月异地迅速向前发展，目前在互联网技术日益成熟的基础上，基于Web的PDM技术已经日渐实用。然而，从PDM技术本身的角度出发，在目前及将来的研究中，以下几个方面必须予以重视和进一步研究开发：

1)·PDM与ERP的信息交换

2)·工作流程中的更改控制的具体实施

3)·不同产品结构视图(Multiple Views)的检查比较及其快速算法

4)·PDIM平台上应用软件集成通用机制的研究

5)·直接基于PDM平台的CAx软件开发

6)·PDM中PSM与CAD软件中装配的关联性和数据交换

4结论
(1)PDM思想与技术的提出和应用，为CIMS工程的实施，特别是我国在进行CIMS应用推广过程，提供了进行产品生命周期中的产品信息集成的平台和方法论，PDM技术是解决CIMS实施过程中的关键技术之一。

(2)PDM系统的特征是面向产品对象，产品数据管理系统的主要功能包括产品数据及其应用软件工具的集成管理、产品结构的建立和管理、产品工作流程管理与控制。

(3)无论是PDM技术思想的原理，还是实际工程需求，即PDM的应用开发研究，目前的力度与深度尚不能满足CIMS及CE对其应用需求的迫切性。

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