1 PDM系統與CAD傳統集成模式

1.1 CAD系統

做為產品研發過程的重要軟件，CAD系統是產品結構設計人員頻繁使用的工具軟件。設計人員使用CAD軟件繪制各種工程圖紙。一張典型的CAD圖紙主要包括幾何外形、技術和管理三方面的數據信息：

(1)圖紙對應零部件的管理數據，包括零部件名稱、重量、設計人、版本號等數據。

(2)圖紙對應零部件的幾何外形數據，包括機械制圖表達的幾何形狀、裝配結構形狀，以及裝配子零件的明細數據。

(3)圖紙對應零件的技術數據，包括材料定義數據以及加工或裝配過程中的技術要求等數據。

1.2 PDM系統

PDM是一個以項目管理為核心的產品開發全過程管理，實現管理者所關注的職能；同時以BOM為核心的動態技術數據管理，實現設計師關注的職能，能很好地解決企業兩個層面(管理人員和技術人員)所關注的不同及密切相關的問題。

做為企業技術研發階段的管理軟件工具，PDM系統從設計任務書下達到產品(包括零部件)設計定型的整個過程和各階段產生的與產品相關的所有數據，并將以物料為核心的幾何外形數據、管理數據和技術數據的形式傳遞到企業的其他信息系統，例如ERP、MES等。

2 集成要求與傳統集成模型

2.1 PDM系統與CAD系統集成要求

從PDM系統的定義可以看出，PDM系統需要管理以物料為核心的幾何外形數據、管理數據和技術數據。這三部分數據的原始出處都來自CAD圖紙。因此一個完整的PDM／CAD集成接口必須能夠對描述零部件的CAD圖紙上的幾何外形數據、管理數據和技術數據三方面的數據信息進行傳輸和交換。

2.2 PDM系統與CAD系統傳統集成模型

2.2.1 傳統集成模型

絕大多數PDM系統與CAD系統的集成接口的核心任務是將CAD用戶的工作結果及有關的業務對象(CAD圖紙)和數據對象(管理數據和技術數據)一起保存在PDM數據模型中。PDM系統與CAD系統傳統集成模型如圖1所示。

圖1 傳統集成模型

2.2.2 傳統集成系統的特點

(1)圖紙數據為核心數據，系統中存在冗余數據。

將CAD系統中定義的圖紙導入PDM后，做為核心數據存儲。導人過程中從CAD圖紙上提取出來的管理數據、技術數據以及PDM系統生成的零部件數據均以圖紙文件為核心數據進行存儲。

完成導人后，系統中包含CAD圖紙、從CAD圖紙上提取出來的管理數據和技術數據以及PDM系統生成的零部件數據。由于CAD圖紙上包含幾何外形數據、管理數據、技術數據三部分數據，因此在PDM系統中，管理數據和技術數據存在冗余。

(2)CAD系統與PDM系統是兩個各自獨立的“弱耦合”系統。

CAD系統做為繪制CAD圖紙的工具系統存在。繪制完成后，使用PDM系統將CAD圖紙導入系統進行處理。這兩個系統工作時相互不影響，是兩個獨立的“弱耦合”系統。由于PDM系統在導人圖紙時，必須要根據特定的CAD系統開發導入程序和數據提取程序。兩個形式上獨立的系統實質是非常緊密的。

用戶在CAD系統中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數據、管理數據和技術數據，并“保存圖紙”。

在PDM系統中，用戶使用“提取零(部)件管理數據”、“提取零(部)件技術數據”、“提取零(部)件包含的裝配子零件數據”、“導入圖紙”四個接口功能，將CAD圖紙上的幾何外形數據、管理數據和技術數據信息導人PDM系統，并保存。

3 存在的問題

這種PDM系統與CAD系統的傳統集成模型在很多企業實施過程中存在一些非常普遍的問題，這些問題的存在對PDM系統的實施和深化應用帶來了一定的困擾。

3.1 對數據的一源性帶來挑戰

用戶完成圖紙從CAD系統導人到PDM系統后，在PDM系統中生成一個與零(部)件相關的管理數據和技術數據。

顯然，零部件管理數據和零部件的技術數據存在冗余。例如，在“業務模型”圖紙上有零部件的名稱數據，在數據模型(通常是BOM)里還同樣會保存一份零部件的名稱數據。

在兩個模型中數據的同步更改問題，就是數據的一源性問題。

如果由于某種需要，用戶更新了業務模型(CAD圖紙)中的零件名稱后，有兩種辦法處理數據模型(BOM)中的數據。一是用戶自己手動去修改數據模型(BOM)中的零件名稱，二是由PDM系統經過復雜的邏輯處理后，去修改數據模型(BOM)中的零件名稱。對于第一種方案，用戶可能會忘記修改數據模型(BOM)中的零件名稱，從而導致業務模型(CAD圖紙)中的零件名稱和數據模型(BOM)中的零件名稱不一致。第二種方案稍好，但是系統會非常復雜，因為除了零件名稱這種簡單的字符修改外，還存在裝配數量向上疊加等復雜的修改。

相反也同樣存在問題。如果用戶修改了數據模型中BOM節點的零件名稱，同樣也有兩種方式更新業務模型中圖紙上的零件名稱。而這兩種方式也同樣存在以上問題。

信息系統中數據的一源性是評價信息系統是否合規的一個基本原則。如果用較低成本(管理成本或技術成本)把一源性問題處理好就是一個比較成功的系統，業務用戶和管理層都會滿意。

3.2 背離用戶的思維和操作習慣

信息系統處理邏輯的設計和操作方式的設計直接影響用戶的體驗，而用戶體驗的好壞，則是系統是否能發揮較好作用的關鍵要素。

傳統PDM系統與CAD系統集成模型的設計方式，給用戶的操作帶來很大變動，打斷了設計人員的正常工作流程，使其思維模式不能聚焦，在操作時序中為了PDM而做一些導入，同步修改了操作動作。

用戶的設計工作流程如圖2所示。

圖2 設計工作流程

 由圖2可知，使用PDM系統后，用戶需要在流程的最后一步，將大批量圖紙導入PDM系統，PDM系統使用集成模塊，對每張圖紙進行數據提取，然后用戶對提取的數據進行校驗檢查。

對于提取規則比較簡單或者BOM關系簡單的零(部)件，系統可以保證提取數據的正確性，最后一步可以省略；但對于一些BOM關系復雜的零(部)件或者企業業務規則復雜，各種例外情況很難全部寫入到PDM系統中，這樣就嚴重制約了系統提取數據的正確率，設計員必須再去校驗一次。

因此，在很多企業實施PDM系統后，不僅需要設計人員保證CAD圖紙的正確性，而且還要費很多精力去維護PDM系統中的數據。

3.3 圖紙批量導入系統時對系統的可靠性和可用性的要求

用戶在完成設計后，需要將圖紙一次性導人PDM系統中，此時系統工作的流程如圖3所示。

圖3 導入PDM系統后的工作流程

以上工作流程也存在以下幾個問題：

一般用戶以一個設備單元進行設計，包含的圖紙可能比較多，每張圖紙都需要進行數據提取，這涉及到客戶計算機文件系統、網絡傳輸、服務器數據庫、服務器文件系統、服務器計算資源的開銷。這些開銷累計起來比較大。

在導人圖紙過程中，任何一個環節(圖紙文件讀取，網絡傳輸，從圖紙提取數據，構建BOM)均不能出現錯誤，因此系統必須要有可靠的事務一致性錯誤機制，保證導入圖紙數據和構建的BOM數據一致。即需要處理本地文件系統、網絡系統、服務器文件系統、服務器數據庫系統四個系統的事務，將其統一納入一個處理事務中。以上任何一個事務處理不好，都會給用戶使用帶來很多麻煩。而要把以上4個系統的事務納入一個統一的大事務進行管理，又會對系統的開發帶來非常大的挑戰。

4 PDM系統與CAD新集成模型及對比

由于PDM系統與CAD系統傳統集成模型存在以上問題，在很多企業實施PDM中，成為阻礙系統實施的一個大問題。為此，我們設計了一種PDM系統與CAD系統集成的全新模式。

4.1 PDM系統與CAD新集成模型

新集成模型如圖4所示。

圖4 新集成模型

4.2 新集成模型操作時序

在新的集成模式中，用戶工作時有單獨零件

設計和裝配件設計兩種操作時序，如圖5所示。

圖5 新集成模型時序

單獨零件設計操作時序的特點為：

(1)使用PDM系統填寫零件的管理數據和技術數據，PDM系統創建一個零件的核心數據。在后續過程中，可以隨時調出該模塊，修改零件的管理數據和技術數據。

(2)用戶在CAD系統中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數據并“保存圖紙”。

(3)PDM系統將只包含CAD幾何外形數據的CAD圖紙上關聯到PDM 中的零件核心數據上。

(4)完成一個零件的設計后，重新啟動循環(1)、(2)、(3)。

裝配件設計操作時序的特點為：

(1)使用PDM系統填寫裝配件的管理數據和技術數據，PDM系統創建一個裝配件的核心數據。在后續過程中，可以隨時調出該模塊，修改裝配件的管理數據和技術數據。

(2)用戶在CAD系統中繪制CAD圖紙，完成幾何外形數據并“保存圖紙”。

(3)PDM系統將只包含CAD幾何外形數據的CAD圖紙上關聯到PDM 中的零件核心數據上。

 (4)用戶在圖形上拉序號進行裝配件下層零件的設計。該序號工具所對應的都是PDM系統已經保存的零件，拉序號的同時，在PDM系統中就已經將BOM關系搭建好。

4.3 關鍵技術

4.3.1 PDM系統中BOM管理的接口封裝

在新的集成模式下，PDM系統的BOM操作與CAD環境中的很多操作是緊密相關的。CAD環境中以往簡單的建立標題欄，填寫管理數據等動作，都要與PDM后臺的BOM操作有關。因此PDM系統中有關BOM的操作，要封裝成API，供CAD環境調用，使CAD里有關管理數據的操作與PDM環境中的BOM操作保持一致。

4.3.2 CAD圖形的動態拼接

CAD圖形的動態拼接主要是為了實現圖紙上管理數據與圖紙的幾何外形數據及零部件技術數據的分離管理與集成展示，從而徹底解決CAD的深度集成問題。

圖形的動態拼接主要為結構化信息在圖形的可視化輸出、圖形與圖框和圖塊的動態組合。其核心在于各種圖形要素的位置定位以及動態插入。

結構化信息主要包括零部件的管理數據、裝配圖中的參裝件信息以及技術數據等信息。根據繪制規則，這些信息在動態輸出時自動將其映射為標題欄塊、明細欄塊以及技術要求塊和變更塊，并將其自動插入圖形的約定位置或者保存記憶的位置。

然后將圖形插入圖框的特定位置，進而形成一個完整的CAD圖形。

圖形的分離存儲和動態拼接的基本原理是將圖紙各要素分離，記錄他們之間的邏輯關系和位置關系，然后分離存儲。在顯示圖形時，將這些分離的數據取出，按照邏輯關系和位置關系進行拼接，然后顯示。

需要分離的數據可以分解為：圖框、圖形、技術要求、變更區域。其中，圖框容納圖形，技術要求和變更區域在圖形中繪制。為了實現其能夠分離存儲，將技術要求、變更區域及明細欄和標題欄作為塊輸入。圖形結構化分解示意圖如圖6所示。

圖6 圖形結構化分解示意圖

在存儲時，首先根據系統預定義的圖框信息，從規定坐標范圍內取圖形數據，然后過濾掉技術要求、變更區域等塊，剝離出來圖形信息。

然后再把技術要求塊、變更區域塊等信息提取出來。最后把圖形、技術要求、變更區域等數據信息轉變為流信息，這些信息內置了位置信息，存儲為物理文件。圖形結構化對應數據結構示意圖見圖7。

圖7 圖形結構化對應數據結構示意圖

在拼接圖形時，根據圖紙對象，獲取所關聯的圖框、圖形、變更區域、技術要求等，將這些數據以流的方式合并在一起，并從結構化數據中提取數據，填充到相應的標題欄和明細欄，從而形成一個完整的圖形文件。

4.4 兩種模型的對比

新模型與傳統模型的區別主要有：

(1)新模型以PDM系統中定義的零部件為核心進行存儲，系統中無任何冗余數據存在。

PDM系統中使用用戶輸入的零部件信息構造一個零部件，其他所有數據都以該零部件做為核心進行存儲。

將傳統的CAD圖紙按照幾何外形數據、管理數據、技術數據進行拆分，分成三部分進行存儲。幾何外形數據仍然按照文件的方式進行存儲，管理數據和技術數據存儲在數據庫中。打印輸出時，使用動態拼接技術，將這三部分拼成一張完整的、傳統意義上的圖紙進行輸出，而系統中不會保存這張為了輸出而臨時生成的圖紙。

系統中幾何外形數據、管理數據、技術數據都只單獨保存一份，無任何冗余數據存在。

(2)新模型的CAD系統不再做為一個單獨的系統，而是做為PDM系統的數據錄入子模塊存在。

從圖4可以看出，在這種集成模式下，CAD系統將作為PDM系統的一個前臺輸入模塊，用戶在CAD中的任何操作，都會直接保存到PDM系統中，也就是說兩個系統不再是兩個各自獨立的系統，而是以PDM系統為主控核心系統，CAD系統僅僅做為一個用戶輸入工具存在。

5 結論

本文建立了CAD與PDM的新集成模型，解決了結構化數據和圖文檔數據之間的事務一致性。該理論和架構模型已經在某大型重型裝備制造業的PDM升級改造項目中得以實施，與傳統PDM與CAD集成系統模型相比，新系統有著更大優勢，為企業實施PDM系統探索了一條新的可行方案。