目前，我國已有數以千計的企業實施了CAD/CAM、MRPⅡ等單元技術，近百家制造企業實施了CIMS 工程，并已取得了初步的經濟效益。但在上述實踐中，企業也逐漸發現了下列三個問題：CAD/CAE/CAPP/CAM不同應用系統之間的集成化運行問題；工程信息管理問題；工程信息系統與生產、組織管理系統的信息集成問題。在這三個問題中，工程信息管理起著承上啟下的作用，它是聯系前后兩個問題的中間環節，主要涉及如何組織與管理所有與產品相關的工程信息，以及計算機輔助應用系統（CAX）、制造資源規劃（MRPⅡ）系統與工程信息管理系統的集成問題。產品數據管理（PDM）系統的出現為解決工程信息管理問題提供了一個新的解決方案。目前，針對CAX系統、MRPⅡ系統的CAX/PDM/MRPⅡ的集成問題，已成為新的研究熱點。由于PDM系統和CAX、MRPⅡ等應用系統在功能及其特性上存在著較大的差別，因此如何將這些系統結合起來，構造統一的企業工程數據管理和信息集成模式是一個值得深入研究的問題。
1 PDM應用集成框架
PDM是一種管理所有與產品相關的信息（包括產品規范、電子文檔、CAD文件、產品結構、存取權限等）和所有與產品相關的過程（包括圖紙審批/發放、工程更改等）的技術。PDM覆蓋產品的整個生命周期，能有效地將產品數據從概念設計、計算分析、詳細設計、工藝流程設計、加工制造、銷售維護，直至產品消亡的整個生命周期內及其各階段的相關數據，按照一定的管理模式加以定義、組織和管理，使產品數據在其整個生命周期內保持一致、共享及安全。它能很好地促進企業提高其產品質量，縮短研制周期，提高工作效率，加快產品投放市場速度，從而提高產品的競爭能力。其基本功能包括電子倉庫（vault）、工作流或過程管理（Workflow or Process Management）、產品結構與配置管理（Product Structure and Configuration Management）、查看和圈閱（View&Markup）、掃描與成像（Scanning&Image）、設計檢索和零件庫（Design Retrieval/Component Libraries）、項目管理（Project Management）、電子協作（Electronic Collaboration）、工具與“集成件”（Tools&Integration-Ware）。
由此可見，PDM已成為CIMS和并行工程的使能技術。第一，它能支持異構計算機環境，包括不同的網絡與數據庫；第二，能實現產品數據的統一管理與共享，提供單一的產品數據源；第三，PDM能方便地實現對應用工具的封裝，便于有效地管理應用工具產生的信息，提供應用系統之間的信息傳遞與交換。
在產品的開發過程中，往往需要同時使用多種CAX工具。為了實現對產品的集成化開發，提高產品開發的效率，CAX系統自身需要實現信息集成。其主流方向是采用STEP的應用協議以及相關開發工具進行二次開發。同時CAX系統作為CIMS中的一個子系統，需要與其它子系統（如MRPⅡ、車間控制系統等）協同工作，實現信息資源的共享。所有這些都要求有一個應用集成框架來方便地實現對各種應用的集成。所謂集成框架就是能夠方便地對企業內的各類應用實現信息集成、功能集成和過程集成的軟件系統。因此，集成框架應該具有良好的開放性和可擴充性，并能提供合適的應用集成接口。PDM系統恰好滿足了這種要求。可以說，PDM在突出產品數據管理的基礎上，正逐步完善其作為制造業領域集成框架的功能，為CIMS應用的實施提供更強有力的自動化環境。基于PDM系統的應用集成框架的體系結構，如圖1所示。
圖1 PDM應用集成框架體系
應用系統集成到PDM框架中可以通常分為三個層次：①最低的集成。要求應用系統及其產生的數據能夠在框架中得到管理，根據要求在框架內部可以激活應用系統，并且實現對應用系統產生的數據進行跟蹤，可稱之為對應用系統的封裝；②基于數據集成。即應用系統之間共享由框架中定義好的單一數據模型，應用訪問數據可通過一個統一的接口與框架相互作用；③功能集成。它是在實現數據集成的基礎上更前進一步，即一個可以調用另一個應用的操作的高層次的應用集成。
2 PDM與CAX系統及MRPⅡ系統的應用集成模式
要實現PDM與CAX應用系統的集成，關鍵問題是要確定PDM系統所管理的工程信息，它取決于所要集成的應用工具的類型。不同的CAX系統往往有著不同的數據和行為，如CAD系統和CAPP系統一般都有多種數據輸入輸出的方式和格式。因此，在進行集成時所要處理的信息內容是不同的，通常需要在PDM系統中對數據模型與工具模型進行不同的擴展。
需要說明的是，這里所指的工程信息與通常說的CAX 信息集成中所表示的產品信息的含義不同。后者通常是指產品的定義信息，如用特征、曲面描述的幾何拓撲信息等，這些正是本文“PDM應用集成框架體系”圖中CAX信息集成平臺所要做的工作；而前者更關心產品的管理信息，即對于一個產品如何將其相關的信息以合理的方式組織起來，以最大限度地滿足不同領域用戶的需求，如設計BOM、工藝信息類樹等。
在各種CAX系統中，CAPP是把產品設計信息轉換為制造信息的連接性環節，它不僅需要從CAD設計部門獲取成品設計信息，而且還向后續過程提供加工、管理、檢測、調度等信息，是制造信息的源頭。PDM作為CAX系統的工程信息管理框架，一方面需要為CAX系統內部各應用之間或應用本身提供交換信息和管理信息的工具，另一方面還需要為其它管理信息系統，如MRPⅡ系統和車間管理與控制系統提供它們所需的設計和制造信息。因此，建立PDM系統的工藝信息管理系統是必要的。此處簡單介紹兩種已實現的方法。
2.1 基于工藝元素的工藝信息管理模型
在這種方法中，工藝信息管理模塊作為一個獨立模塊被抽象為一個抽象類，由它及其子類實現工藝信息管理功能。在類的層次上，工藝信息類根據工藝中的特征元素派生出以下七個子類：工藝信息頭、工藝規程、工序、裝夾、夾緊、定位和工步類。工藝信息頭類，主要作為工藝信息管理類與零件發生聯系，零件與該類的關系為一對多關系，它與工藝規程有聚集關聯。工藝規程類包含工藝規程管理信息及多道工序，每道工序又可包含多個裝夾，每個裝夾又可包含多個定位、夾緊及工步。通常，由于工藝中的工序、裝夾和工步都要用到有關制造資源方面的信息，因此實際上還應該建立制造資源信息類，并與這些工藝信息類建立關聯。這樣，就能構成更加完整意義上的工藝信息管理模型。
2.2 基于文件的工藝信息管理模型
在這種方法中，工藝信息被保存在工藝文件里，而該工藝文件置于PDM系統的管理之下。為了實現零件自身的屬性和制造工藝的有機統一，通常需要在PDM系統的產品結構管理信息模型中增加一個零件工藝文檔類，以建立零件和工藝文件之間的聯系。這樣，可通過查詢BOM中的零件及其相應的工藝文檔類，找到該零件的工藝文件。同上述工藝信息管理方式相比，此種方式不是直接將工藝元素信息定義到PDM系統的類體系結構中去，所有的工藝信息都保存在工藝文件中并與零件建立了聯系，因此要求工藝數據文件類具有相應的方法，能夠輸出所需工藝信息以滿足其他應用的需求。
實踐表明，采用上述兩種管理模型都可以滿足與CIMS中其它應用（如車間控制器和MRPⅡ）信息集成的需求。所不同的是，采用工藝元素的管理方法，既要實現CAPP系統輸出的工藝信息到PDM系統的單個工藝元素的實例化處理，又要實現PDM中單個工藝元素的輸出，不僅增加PDM系統中對象管理的負擔，同時，也給CAPP與PDM的應用集成增加了較多的開發工作；而基于文件的工藝信息管理，由于把工藝文件作為一般文件對待，PDM系統管理十分方便，在工藝信息輸出時，一次可取出整個工藝文件，進行一次性處理，即能解決問題。由此可見，后者優于前者。
產品信息模型的內容不僅包括單個零件的信息，還應包括產品的構成關系、當前狀態、版本等配置管理信息，這正是在實施PDM與CAX集成所要考慮的重要問題之一。因而在集成模式中，需要利用PDM系統提供的產品結構/配置管理功能及其應用開發接口，構造產品配置信息模型，實現產品的配置管理及產品配置模型信息的輸出與交換。
此外，在經營過程中，企業需要根據市場需求和自身生產條件確定產品生產計劃（MPS）。MRPⅡ系統利用產品結構文件（BOM表）、加工工藝文件、零部件提前期和庫存等信息，將MPS分解為零部件投入產出計劃和外購件、原材料的需求計劃。零部件投入產出計劃被下達到車間后，即可編制車間生產作業計劃。因此，為了滿足與MRPⅡ集成的需要，PDM系統既要提供零部件單項信息（與產品主物料對應），又要提供產品零部件之間的關系信息（BOM），包括可選項、替換件、版本等。此外，還需要規格說明、重量、重量單位、提前期等信息。因而需要對PDM系統中零部件進行屬性擴展，包容主物料所需要的相關信息。為了支持從PDM系統中提取上述MRPⅡ所需信息，必須增加相應的新消息，并定義操作這些消息的方法。
根據以上考慮，給出PDM與CAX及MRPⅡ等系統應用集成的模式，如圖2所示。
圖2 PDM應用集成模式
3 應用實例
“CAX 信息管理與集成系統”作為863/CIMS重大攻關項目“制造業CIMS應用集成平臺”中三個主要分系統之一，選用美國SDRC公司的商用PDM軟件Metaphase2.3.1作為CAX應用集成框架，現以其為例說明應用系統集成的具體思路：在分析應用產生的數據類型的特征和行為的基礎上，建立應用數據與Metaphase中應用數據類之間的聯系，實現數據類的不同行為；實現在Metaphase系統中激活應用系統工具，自動跟蹤、注冊并管理應用數據。具體開發時可利用Metaphase提供的MODeL語言、IML語言及標準C語言，實現對“CAX信息管理與集成系統”中所要集成的CAD、CAPP等CAX應用系統進行封裝，如圖3所示。同時，通過信息提取接口，輸出滿足PDM與MRPⅡ、車間控制器集成需要的產品及其工藝信息。
圖3 應用系統的集成過程
“CAX信息管理與集成系統”中采用的是基于文件的工藝信息管理模型，它繼承并擴展了Metaphase系統的類體系。工藝文檔類的類名被定義為PCappDoc。它是Metaphase中ProdBI類的派生類，同時被Metaphase類體系結構中的Component類所引用。為了表達零件類和文檔類的這種引用關系，還定義了一個關系類：PCappDocAttached-ToCmpt。PCappDoc是工藝信息管理模型中的可實例化類，它包括相應的工藝文件類，而從工藝文件類中又可以查詢到該零件的所有工藝信息。這些類之間的關系可以用OMT方法表示，如圖4所示。
圖4 基于文件的工藝信息管理模型
目前，在Metaphase中集成了高華CAD、北航“金銀花（Lonicera）”和清華JWCAPP三個基于Windows95的CAX系統，已實現如下功能：
在Metaphase中，通過查詢工具命令，可以顯示出所有已經被集成到Metaphase中的工具圖標。雙擊GHCAD、Lonicera或JWCAPP的圖標，即可啟動上述這三個CAX系統。此時，用戶可以使用它們進行產品設計，操作過程與平常完全一樣。當用戶結束設計退出CAD或CAPP系統時，Metaphase將自動登記新產生的圖形數據文件或輸出工藝信息文件，從而使其歸于Metaphase的控制之下，并將注銷已經被集成的應用工具刪除的文件。
在Metaphase中，通過查詢所有高華CAD系統或“金銀花”的圖形數據文件，可以顯示出所有已在Metaphase中注冊的圖形文件的圖標。雙擊GHCAD、Lonicera圖形文件的圖標，或在選中圖標后選擇編輯菜單項，即可啟動高華CAD或北航“金銀花”兩個CAD系統，并對該圖形文件進行編輯。
選中任何一個零件對象、工藝文件對象或裝配體對象后，再選擇菜單上的“Output to GIS”菜單項，即可通過信息提取接口，將零件主物料信息、工藝信息（工藝路線信息、工序信息、工步信息）和設計BOM信息輸出到全局共享信息系統，供MRPⅡ及其它系統信息集成使用。
4 結論
作為應用集成框架，PDM系統顯示出獨到的優越性，為企業實現信息集成和應用集成提供了理想的平臺。通過分析PDM的主要功能及與應用系統集成的基本架構，提出了一個PDM與CAX和MRPⅡ系統實現應用集成的基本模式。針對這一模式，結合在“CIMS應用集成平臺”中的具體應用需求，給出了CAX應用系統與PDM框架集成的實現實例，以及PDM與MRPⅡ、車間控制器集成的信息輸出實例。
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本文標題：基于PDM框架的應用集成研究與實踐
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