并行设计的PDM解决方案

近几年来863/CIMS及并行工程计划在解决和实现制造业信息集成,提高企业效益方面已取得长足进展。进一步发展制造业技术关键在哪里?关键是出好产品,快出好产品。要充分利用当今

近几年来863/CIMS及并行工程计划在解决和实现制造业信息集成,提高企业效益方面已取得长足进展。进一步发展制造业技术关键在哪里?关键是出好产品,快出好产品。要充分利用当今IT技术,实现“过程集成”,即实现产品数据和文件的电子化;实现产品全生命周期内数据和文件的集成;实现产品相关过程的管理。使PDM技术与应用集成平台技术相结合。全面提高设计、制造的质量,特别是管理的质量,缩短产品投放时间,降低成本,提高竞争力。




2.1 PDM思想
    PDM是以软件为基础的技术,它将所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程集成到一起。产品相关信息包括任何属于产品的数据,如CAD、CAE、CAM文件,材料清单(BOM),产品配置,事务文件,产品定单、电子表格、生产成本、供应商状态等。产品相关过程包括任何有关的加工工序、加工指令和有关批准、使用权、安全、工作标准和方法、工作流程、机构关系等所有过程处理的程序。
 
    PDM的实质是一个逻辑数据库,它是在传统的关系数据库基础上加上一个面向对象的层设计实现的。PDM作为CIMS和并行工程的集成框架和工具,使集成环境发生了深刻的变化。传统的CIMS中各分系统对数据库的集策划能够是直接面向数据库的,使用PDM后,关系数据库被PDM所屏蔽,用户面向的是PDM的对象。(如图2.1所示)
 
图2.1 PDM关系数据库的转化


2.2 以PDM为基础的产品数据定义和主模型
2.2.1 产品数据及其相关性
    “产品生产过程”是一个信息密集的过程。该过程的输入数据包括产品的功能要求、市场需求、产品生产条件和状况、产品的可靠性、生产成本等信息,在此基础之上,进入“产品生产过程”,从而在生产过程中产生各种产品数据,包括产品图纸、产品规范、CAD几何模型、CAM模型及加工指令、制造大纲、产品结构(BOM表)等信息,所有这些与产品相关的信息,称为产品定义数据。

    采用工程数据库进行定义数据的管理,形成产品定义数据库,这就是产品数据主模型(Master Model)。
    所谓相关性(Associativity)就是不同应用程序之间能够自由交换数据。例如,两个产品彼此具有“相关的链”,运用一个应用程序使一个设计发生变化,可以自动反映到设计的另一个应用版本中去。对于用户的好处是这种变化只需发生一次,不需对每一个相应应用软件进行重新输入。

 
图2
2主模型的概念和应用

 
2.2.2 主模型的概念与应用
    主模型的概念是以软件为中心,该软件象一个中央数据库那样进行服务,包括有关产品概念要求的所有几何和非几何信息。当多用途工程过程的各部分同时使用时,这个主模型就象“交通枢纽(HUB)”那样工作,是产品开发过程的核心,所有应用软件均作为过程的一部分使用。所有用户均可以通过这一单一模型完成它们的拘束任务,避免了数据重复。

    一个模型一旦经过生成和修改,主模型即保持和自动更新全部现有数据。主模型的坚固性允许它如同唯一的数据资源一样工作,对于所有应用程序作为产品开发的一个组成部分。因为工程任务所需的全部数据均保存在主模型中,用户就可以方便地直接与主模型连接起来运行其他软件模块,例如分析模块、测试模块、加工模块。这样,才真正提供并行工程式的产品开发环境。

    根据应用程序存取数据的需求,主模型可以提供以下服务:
    几何生成系统,利用一个公共的数学表达式,即可以生成简单的零件又可以生成包含复杂曲面的零件几何模型。
    提供充分的精度和拓扑数据。
    作为机械工程师生成具有约束的形状特征的基础,以匹配他们的刀具和设计实际。
    用以评价最优设计和制造参数。

    并行访问主模型提供了另一个关键优点:象设计的延伸一样,对模型的改变能自动地更新部件、图样、模拟结果和刀具轨迹。同时,“不成熟的(Half Backed)"思想在设计过程中可以较早地被辨认和回避,使小组保持只集中于“高收益(High Payoff)’’的活动中。


2.2.3 主模型数据的维护
    由于相关性的存在,主模型具有用以保密和组织的强大功能。不象相关工具对每个用户都提供单向的功能去修改产品定义,主模型使项目领导能分别指派用户特权,以适应协同工程环境。这使设计小组组长能控制所有面向设计的数据,以便小组成员均在设计的最新版本下工作,对设计只作可允许的修改,并且不去访问那些已经陈旧的、未经批准的或冻结的设计数据。

    随着模型的生成与改进,主模型追踪它们的评价以及相互之间的联系。文件均登记在一个中央文件库中,在这里储存它们并保持其他用户可以访问。这些模型数据均可由指定的用户进行调整,以便向全体设计成员提供最新的设计数据。


2.2.4 主模型和PDM系统
    主模型指的是一个几乎包括产品任何方面信息的核心数据库。在多应用的工程环境中主模型专门为授权用户的所有过程提供数据资源,不再需要用户在每次应用中都重新转换、编译或输入数据。

    主模型应该建立在三维几何模型基础上。三维几何模型由于它的几何信息完整并且无二义性,所以优于其它模型。用三维几何模型表示的产品具有逼真的特点,因此三维几何模型已成为工程研究中的一个很好的工具。PDM系统以数据主模型概念为基础,实现了主模型概念中对产品数据集合的集成管理,是“主模型”思想的具体体现。


2.3 PDM的面向产品对象的特征
    所谓对象,就是一种将数据与过程合为一体的数据结构。虽然大多数的可编程系统都提供了数据与过程之间的关系,但只有面向对象的系统才将数据的过程熔进对象中。PDM系统的主要特征是其面向产品对象的特性。在PDM系统中,必须以产品为对象,将产品定义数据及其处理过程进行封装,并且可以从一个产品对象进行增加或修改来产生新的对象,并使得新对象及老对象之间具有连续性和继承性。而PDM系统面向对象的特性,是由其采用面向对象的编程(OOP)方法进行系统开发决定的。
 
2.3.1 封装(Encapsulation)
    封装就是把代码和数据衔接在一起构成一个具有“类”类型的对象。通过类内各个成员说明来控制程序其他部分对类结构和类成员的访问。同时,封装将对象封闭保护起来,管理着对象的内部状态。封装的对象首先必须是完备的。它必须能够表示整个概念,描述整个问题的各个方面。另外,封装的对象必须具有私有性,大多数对象都需要对其内部的数据和过程限制处理权限以便保证其内部的牢固性。

    因此,对象的接口必须给出最起码的访问渠道。一方面它必须尽可能多地保留对象的内部数据,以便保持封装性,另一方面它们又必须把供外部使用的部分公开。对产品对象的封装,实质上就是对产品相关的各种定义数据及其操作过程进行类的定义,并且进行私有化定义,以保证产品数据类的安全性。
 
图2.3 封装后应用软件系统中的数据流动示意图

 
2.3.2 继承(Inheritance)
    继承就是从现存对象类型出发建立一种新的对象类型使它具有原对象的特点和功能。这种思想是面向对象设计方法的主要贡献。继承性是对许多问题分层特征的一种自然描述,因而也是具体化和被重新利用的一种手段。

    类设计的真正技巧就在于预见性。PDM系统在设计的过程中,必须创建一般产品定义数据及其操作均能适用的常用类,以便PDM系统在各个用户企业中使用时对系统所提供的产品类进行继承,这样便能加快PDM系统的推广过程和本地化过程。


2.3.3 多态性(Polymorphism)
    多态性就是同种操作具有多种形态。这样就可以在同一个级别中使用相同操作的不同版本,运行时再决定使用的特定版本。比如,在PDM系统中,对两个数据进行相同的操作时,编辑2D图纸数据的工具应该是CAD系统,而编辑文本文档的工具应该是文本编辑器。


2.4 PDM和并行工程
    从并行工程发展目标和要求来看,其集成平台的研究、开发和应用,是项目实施的关键。并行工程要求的“高效率、低成本”,提倡的“小组协调工作”,即强调了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、服务等,这样就要求与产品过程相关的人员在产品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)系统的功能和定义。因此,PDM是并行工程实施和运行的基础和平台。

    下面以产品设计与模具设计为例,说明并行设计的过程。首先产品设计员完成相关的外形设计(主要特征)后即提交数据库,并发送E-mail消息。随后,模具设计员接到消息后可从数据库中取出零件进行模具设计,只要两者的造型在数学上不发生冲突,他们的工作就可同时进行。

    也就是说,此时设计员正在对设计的零件进行内部设计,如一些孔、槽的设计,而模具设计员可对已完成外形设计的零件进行模具设计。两者都完成后,设计员重新提交数据库,而模具设计员只要将库中完成零件调出对已完成的模具零件进行一次同名更新即可。实际上是把那种先进行零件设计再进行模具设计的串行设计方式改变为零件设计和模具设计同时进行的并行设计方式了。

    其它工作的并行设计过程类似,在此不一一详述。整个设计过程期间所产生的数据只有提交产品数据库才能得以共享,否则只能作为私有数据为个人所拥有。并行设计过程的控制与管理(如消息传送、审批控制、更改控制、发放控制等)则由PDM系统提供的过程定义与控制、电子协作等功能在用户化的基础上完成。
 
图2.4 基于PDM的并行设计
 
2.5 IMAN环境下的集成数据管理
    信息管理系统(IMAN)通过为设计、工程以及生产提供一综合的环境来管理产品数据。这种集成环境下的数据管理极大地提高了工程工作的效率。在工程上可以得到产品的设计和开发的所有信息。


2.5.1 IIWAN的主要对象
    在IMAN中主要有Item/Item Revision、Relation、Dataset、Form、Folder等五类对象,下面对这些对象进行简单的介绍。
    Item/Item Revision:在IMAN中,Item是用于信息管理最基本的对象,Item代表一个物理或概念实体,这一实体把所有与之相关的信息统一组织起来,并可以对这些信息进行维护、审核、修改。在实际应用中,一个产品、一个部件或一个零件都可以表示成一个Item,不同的Item之间用唯一的ID号区别。


    Relations:Relations用于把相关的数据与Item或Item Revision联系起来。IMAN提供了一些基本的Relation,包括:Master Form,Requirement,Manifestation,Specification,Reference,Revision,BOM View,BOM View Revision等。例如,可以把一些标准、技术要求等放在Requirement下,把零件的NC程序放在Manifestation下,把零件的CAD图纸或一些文件Item的Specification联系起来。


    Dataset:通过Dataset,可以把其它应用程序产生的数据联系起来,如可以通过打开Text Dataset来启动文本编辑器,并调用相应文件。

    Form:通过Form,IMAN可以把信息按用户定义的形式存储起来,Form可以单独生成、发放、也可以与一个Item或Item Revision联系起来。

    Folder:Folder即文件夹,提供了在IMAN中组织管理数据的一种方法。IMAN中的Item或Item Revision、Form等对象都可以放在Folder下,Folder可以引用IMAN中的其他对象。


2.5.2 集成数据管理的特点
    IMAN是一个工程数据库管理系统,它管理的工程数据从广度上来看覆盖了全企业的工程信息,从纵向来看,包括了整个产品生命周期的数据,从市场调研到产品设计、工艺、计划、制造、质量检测乃至售后服务等各项数据,都在D/LAN的集成环境下统一管理。概括起来,IMAN环境下的集成数据管理有以下特点:

    统一的界面和统一的工作环境,IMAN象许多其他先进的数据库应用软件一样,工作在C1ient/Server模式,用户在任意工作站,任意微机登录,打开的是相同的界面,面对的是相同的工作环境,便于快速进行资源访问、并行设计。

    产品主数据只存储一次,当需要对某些数据进行重复使用时,如在某产品的结构编辑时需要借用某零部件的结构,只要引用该零部件的存储指针即可,而不需要进行物理的拷贝,从而有效地控制了数据的冗余度,便于数据的一致性维护。强大的结构管理功能。能建立和快速编辑产品结构,并能形成不同的结构视图,以满足并行工程的需要,能实现产品结构的各级汇总。

    能实现版本管理功能和流程控制。IMAN提供的版本管理功能,用来管理工程处理的版本,这个新版本作为继续开发工作的起点,成为工作版本,工作版本可以修改,当开发工作完成后,不再变化了,就把工作版本冻结,以防止修改。另外,IMAN还提供了发放管理的功能,以用于检查和发放产品的许多授权处理。

    可以建立强大的数据库查找引擎。例如在底层数据库中的产品数据可能被组织在一个关系模型表中,而产品又可按不同的方法分类,如按型号分有大、中、小型之分。此外,还可按生产厂家分等。


2.5.3 IRWIN环境下的用户模式
    IMAN通过多种方式,对产品信息进行全面管理。这些信息包括设计信息文档、零件3D模型、工艺信息、BOM表、质量检测及控制信息、制造信息等。IMAN的统一的工作环境保证了这些对象信息的高度透明性。在权限许可的前提下,用户可对对象信息进行查看、修改,IMAN环境下用户的工作模式可以表示如下图:
 
图2.5 IMAN环境下用户工作模式

    由上图可以看出,在IMAN环境下,产品或零件的设计、工艺、制造信息都可以与产品或零件的一定版本相对应。这些信息不论是对设计者、工艺人员,还是对各其他项目人员都是充分共享的。

    采用并行集成框架时,企业都会面临一个如何利用现存应用软件的问题,尤其是数据库应用程序,因其涉及到许多数据和技术问题,处理起来更为棘手,用FOXPRO开发的CAPP应用软件就是一个典型的例子。对于这些现存的应用程序,全部推倒重来,还是把它们尽量溶入到新的集成框架中去,这是一个应该慎重考虑的问题,具体对于IMAN来讲,可以从IMAN对底层数据库的操作方式以及IMAN提供的开发工具这些方面来考虑。

    在IMAN中,用户对数据库的操作是通过IMAN提供的POM(Persistent Object Manager)模块实现的。POM是IMAN的核心模块,主要用于对象管理,发放管理,以及系统管理等。同时,IMAN提供了开发工具ITK(Integrated Tool Kits)。ITK用标准C编程,具有基于数据库,模块化体系结构,对象模型等特点。用户可以通过ITK访问POM中的对象,也可以用SOL语言直接访问底层数据库。基于IMAN的这些特点,解决这类应用程序的集成问题有以下三种方案(主要是指数据库应用系统):

    简单的应用封装。采用这种方案,现存的系统可不作改动,而把系统作为IMAN的一个Dataset封装起来。采用这种方案,必须保证网络的兼容性。

    现有系统与IMAN共用ORACLE数据库。采用这一方案,应用程序应作相应改动,并须作相应的数据转换工作,有一定的开发工作量。

    原来的程序全用ITK来改写。采用这种方案,一切开发工作需从头开始,但对于保证系统信息的充分共享与集成来说,还是很有价值的。
 

小结
    本章提出了用PDM系统作为平台,进行产品并行设计的思想和技术方法。并提出了产品数据的一种集成模式一产品数据主模型。分析了产品数据主模型在并行设计中所起的地位和作用。PDM系统以数据主模型概念为基础,依赖其面向对象的特征,实现了主模型概念中对产品数据集合的集成管理,使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,是“主模型”思想的具体体现,并确保了并行设计的正常进行。同时,本章介绍了IMAN系统的集成数据管理的特点和用户模式,以点带面地说明了PDM是实现并行工程的有效手段。



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