0 引言
大批量定制技術能夠以大批量生產的成本和時間，提供滿足客戶個性化需求的產品和服務，因此，大批量定制技術成為越來越多企業競相選用的一種技術。在大批量定制技術體系中，面向大批量定制的產品開發和設計技術(Design For Mass Customization，DFMC)占有十分重要的地位。產品開發的任務就是在分析市場需求和企業自身原有產品的基礎上，建立產品主結構、主模型和主文檔。而面向大批量定制的產品設計的任務就是根據用戶的需求，在產品主結構、主模型和主文檔的基礎上，進行產品的配置設計和變型設計，快速設計出產品。
DFMC需要集成化軟件系統的支持。在傳統的制造企業中，計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)系統僅被作為繪圖板來使用，很難有效地支持面向大批量定制的開發和設計，而且CAD系統產生的數據不能得到有效的管理，這些都嚴重阻礙了大批量定制技術的應用。為了有效地應用大批量定制技術，支持面向大批量定制的設計，筆者對原有的CAD系統進行了二次開發，并在此基礎上將CAD系統與PDM系統加以有效的集成。
1 CAD系統與PDM系統的集成
CAD系統與產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統的集成，能夠從根本上提高企業的整體設計能力和管理水平，對改善面向大批量定制的設計技術有非常重要的作用。通過這兩個系統的集成，可以充分利用現有零部件資源，縮短產品設計時間；可以迅速向客戶提出正確的報價和展示產品原型；可以追溯整個產品生命周期內的產品情況等。
在本文所述的集成中，通過引入事物特性表(Sach-merkmal-Leiste，SML)，創建了一個獨立于具體應用系統的CAD/SML/PDM集成平臺。事物特性表主要通過零部件幾何特性和功能特性描述零部件，通過事物特性表與CAD系統的集成，能夠對面向大批量定制的設計方式、配置設計和變型設計提供很好的支持。在一張建立好的事物特性表的基礎上，用戶可以結合主模型進行變型設計。同時，事物特性表也是進行零部件分類的重要工具，事物特性表與PDM系統的集成能夠對PDM系統的零部件分類提供幫助，更好地實現零件族管理和產品族管理，從而支持面向大批量定制的設計。
1.1 基于事物特性表的CAD/PDM系統集成邏輯數據結構
大批量定制的原理就是通過整體的優化，充分利用企業現有資源對現有的零部件進行分類，實現產品的模塊化，減少產品的內部多樣化。通過CAD系統與PDM系統的集成，可以對現有的模型、工程圖和文檔等進行有效的管理。系統的集成主要由PDM系統、CAD系統和事物特性表模塊3部分組成（如圖1）。
圖1 CAD/SML/PDM系統集成數據結構
圖1中，產品結構和零件族由PDM系統進行管理，CAD系統產生產品設計需要的模型文檔和工程圖文檔，事物特性表為大批量定制的配置設計和變型設計提供幫助。在PDM系統中，引入了零件基本記錄(Part Master Record，PMR)對象、模型基本記錄(Model Master Record，MMR)對象和工程圖基本記錄(Draft Master Record，DMR)對象。PMR對象是一種描述產品開發過程中零部件基本管理特性的數據記錄，通過PMR對象可以對零部件方便地進行管理。MMR對象和DMR對象的定義以及屬性與PMR對象十分類似，并且相互之間有關聯。MMR對象和DMR對象中的一些重要屬性來自PMR對象，如模型編號、項目編號和名稱等，與PMR對象的對應屬性保持一致。此外，MMR對象和DMR對象還通過聯系對象（Link對象）分別與CAD模型對象和工程圖對象保持關聯。若將CAD模型對象與工程圖對象以及聯系對象結合起來，可以找到對應的CAD模型文檔和工程圖文檔。
圖1中，事物特性表模塊與PDM系統之間也存在著緊密的聯系。一張零件事物特性表與PDM系統中的一組零件對象相對應；事物特性表中的每一行又對應著一個具體的零件，也對應著CAD系統中的一張參數表，部件的事物特性表也包含了產品的結構關系。事物特性表的編號與PDM系統中零件族的編號保持一致；PMR對象的ID號與事物特性表中每一行對應零件的ID號保持一致，這種一致性保證了系統集成過程中數據間的一致性。在部件層的事物特性表中，包含子部件和零件的事物特性表，事物特性表中的這種包含關系也能從PDM系統的產品結構管理中體現出來。事物特性表與CAD系統之間也存在緊密的聯系，事物特性表中的每一行數據都與CAD系統參數表中的數據有關聯，這種關聯可以保證通過事物特性表驅動CAD參數表，進而驅動CAD模型產生變型，事物特性表的創建過程也離不開CAD參數表中的數據。在部件層的事物特性表中，通過指針可以逐層地找下去，一直找到最底層，然后再驅動參數表產生變型，也可以直接通過零部件的替換驅動CAD系統完成變型。
1.2 基于事物特性表的CAD/PDM系統集成框架
PDM系統與CAD系統的集成方式從簡單到復雜通常可分為封裝、接口和集成3個層次。封裝雖然較為簡單，但是有很大的局限性；集成對開發人員的要求較高，開發和維護費用也比較高，本文探討的是通過接口方式的集成；接口方式提供了較為緊密的系統集成，但是在接口集成方式中，只能保持數據的異步一致性，不能完全保持數據的同步一致性。為了彌補這方面的不足，可以在PDM系統中開發一個編碼系統，由它來產生惟一的零件編號，然后傳給CAD模型文件，由這個零件編號惟一標志CAD模型文件。此外，也可以通過PDM系統的生命周期管理功能來保持數據的一致性，對要進行修改或變型的模型文件進行“檢出”，修改完成以后，重新“檢入”和“發放”。系統集成的框架為一個3層的體系結構，包括用戶界面層、中間邏輯層和數據庫層（如圖2）。
圖2 系統集成框架
用戶界面層提供系統集成所有功能的入口，使用戶可以方便地進行自己想要的操作。在中間邏輯層，通過調用CAD系統和PDM系統的應用程序接口(Application Programming Interface,API)函數，在兩系統之間進行信息的傳遞。中間邏輯層包括創建事物特性表模塊，事物特性表由表行和表列構成，因此對事物特性表的操作可以分為表行操作和表列操作。ClsSMLRow類和ClsSMLRows類用于表行操作，ClsSMLColumn類和ClsSMLColumns類用于表列操作。系統數據庫則采用PDM系統的數據庫，對整個產品開發和設計過程中產生的文檔、模型和工程圖等進行統一的管理。
1.3 CAD模型注冊到PDM系統的接口
PDM/CAD接口的核心任務是，將CAD用戶的工作結果連同有關的業務對象和數據對象一起構建在PDM數據模型中。只有將CAD系統中的模型和工程圖注冊到PDM系統中，由PDM系統進行統一管理，才能在需要的時候找到合適的零部件模型和工程圖，從而避免不必要的重復設計，更好地滿足大批量定制的要求，以較少的產品零部件實現產品多樣化。
在將CAD模型注冊到PDM系統的過程中，CAD系統需要與PDM系統進行雙向的數據交換。一方面，需要將CAD模型的一些基本屬性信息提取出來，如圖幅、比例尺、材料、作者和主題等，賦給PMR對象和MMR對象的對應屬性；另一方面，也需要將PMR對象和MMR對象中的一些屬性賦給CAD模型中的對應屬性，如CAD模型的ID號等。將CAD模型檢入到PDM系統數據庫的過程中，模型文件和工程圖文件的存儲位置會自動發生變化。
1.4 由CAD模型創建事物特性表的接口
三維CAD系統一般都有自己的參數表，用戶可以直接驅動參數表中的參數進行變型設計。但是參數表不能完全滿足設計者的要求，在用戶看來，參數表中的數據僅僅是一些數據而已，用戶在進行變型設計時，不知道該如何進行變型，也無法知道變型的結果是否合理。通過事物特性表，用戶可以對同類零件進行管理，同時，事物特性表中也包含了一些約束信息，設計者可以通過查詢、識別、比較和選擇各種零部件的特性信息，進行開發和設計，快速形成設計草案。
創建零件事物特性表，需要對CAD模型參數表中的信息進行提取（如圖3）。在圖3中，直接將參數表中的參數提取出來，然后放人事物特性表中，用戶需要參照命名規則對提取出來的參數重新命名。用戶重新定義后，通過接口可以對參數表中的參數名稱進行修改，從而保持一致。事物特性表的編號和零件的ID號來自PDM系統。對于一些較復雜的零件，可能幾何參數信息有很多，用戶可以先在參數表中建立一些規則和約束加以限制，從而減少參數的個數，簡化事物特性表。此外，如果一組零件相互間結構差異比較大，不能完全通過提取參數表中的信息來創建事物特性表，但整體上又具有相似性，可以將參數表中的信息提取出來放入到一個數據文件中，而在事物特性表中只存放數據文件的路徑，在需要進行變型設計時，通過數據文件中的數據自動生成模型和工程圖。
圖3 零件事物特性表的創建接口
部件事物特性表中不僅包含一些幾何的參數信息，而且包含零件和子部件的事物特性表信息，所以零件與部件的事物特性表創建過程有所不同。在創建部件事物特性表的過程中，除了對參數表中的信息進行提取外，還需要對部件進行分解，找到每個零件和子部件的事物特性表，將對應事物特性表的編號和零件標志號提取出來放入到部件事物特性表中。
1.5 CAD系統與PDM系統支持變型設計的接口
產品設計一般有配置設計、變型設計和創新設計3種形式。完全的創新設計很難通過類似于大批量生產的時間和成本提供個性化的產品和服務，因此面向大批量定制的產品設計主要是配置設計和變型設計。變型設計是指根據零部件主模型，通過改變參數的值和尺寸，生成相似產品和零部件的設計方法。變型設計方法能夠快速設計出產品原型，降低成本，保證產品質量，從而能夠以類似于大批量生產的時間和成本生產出個性化的產品，這些正符合了大批量定制的思想。
本文提到的變型設計主要是基于事物特性表的變型設計。設計人員在深入研究事物特性表的基礎上，確定變型的結構和幾何關系，然后驅動產品的主模型和主文檔生成相應的模型和文檔。具體實施過程如下：在CAD系統和PDM系統的環境下，首先由PDM系統產生惟一的零件編號，傳遞給CAD系統，在CAD系統中打開主模型，通過事物特性表驅動主模型參數表中的參數，從而生成變型零部件。對于第1.4節提到的結構差異較大的零件，可以對CAD系統進行二次開發，調用CAD系統的API函數重新生成模型和工程圖。部件的變型可以通過零件和子部件的替換完成，也可以通過二次開發進行自動裝配，重新生成部件。系統集成對產品變型設計過程的支持如圖4所示。
圖4 系統集成對變型設計過程的支持
2 實例
基于以上原理，本文對具體的CAD系統與PDM系統的集成進行了研究。采用的CAD系統是Solid Edge V11，Solid Edge系統具有友好的用戶界面和開放的接口；采用的PDM系統是SmarTeam，憑借“開放的文檔管理結構”(Open Document Management Architecture，ODMA)技術，能與基于Windows的CAD、辦公自動化和資源管理軟件緊密集成；采用的開發環境是VB 6.0。通過對PDM系統的配置和開發，分別創建了PMR對象、MMR對象和DMR對象，還創建了Solid Edge模型對象和工程圖對象，并將它們關聯了起來。用VB開發了事物特性表模塊，并以插件形式嵌入Solid Edge系統中。這里的開發只是為了對第1章提到的原理進行驗證，在實際應用過程中，也可以基于以上原理，使用其他的軟件和開發環境進行開發。
以汽輪機的轉子為例，對接口功能進行了驗證。轉子是汽輪機的核心部件，轉子的設計對整個汽輪機的設計有重大影響，并且汽輪機轉子的模塊化工作做得相當好，在這個基礎上進行變型設計，能夠體現面向大批量定制設計思想。汽輪機轉子的結構從整體上來說是一個多臺階軸，有幾十個臺階。在臺階上還開有許多叉型槽、工型槽和汽封槽，有2000多個幾何數據，而且精度要求高。圖5為某汽輪機廠轉子外形。為了滿足大批量定制的要求，根據模塊化的原理，可以將汽輪機轉子分成5段。其中，中間段結構最為復雜，不僅臺階眾多，而且叉型槽和工型槽大都分布在這一段上；其余4段相對較為簡單。在面向大批量定制的設計過程中，中間段的變型設計也最為復雜，不僅在外形幾何數據上有變化，而且在結構上也發生了變型，臺階的個數和槽的個數都有變化。
圖5 汽輪機轉子
本文中的變型設計是基于事物特性表的設計，因此為了進行變型設計，應該首先建立零部件的事物特性表。轉子事物特性表的建立可以分為形狀特征、零件和部件3層。轉子上有很多叉型槽、工型槽和汽封槽，在進行變型設計時，槽的結構不發生改變，只是幾何數據發生了變化，因此可以將這些形狀特征提取出，單獨建立事物特性表。通過建立形狀特征事物特性表，也可以簡化復雜零件事物特性表的建立。根據模塊化原理分成的5段，單獨建立零部件事物特性表，中間段由于結構不確定，采用了數據文件的格式，將中間段的外形幾何數據、槽的定位數據以及槽的型號存放在一個數據文件中，將數據文件的路徑存放在事物特性表中。將整個轉子看作一個部件來建立事物特性表，在部件事物特性表中包括各段零件的事物特性表，同時也包括轉子整體上的一些事物特性。圖6中，針對轉子的每一段分別創建了事物特性表，表SML1000003即為中間段的事物特性表，然后把轉子的5段作為一個部件創建了事物特性表。對于一些較為復雜的零部件除了使用這些逐層分解的方法外，也可以通過建立一些約束和規則進行簡化。不過，無論怎樣，復雜零部件事物特性表的建立過程都是一項艱巨的任務。
圖6 汽輪機轉子變型設計和事物特性表創建
在基于事物特性表進行變型設計的過程中，為了保證數據的一致性，先由PDM系統產生一個惟一的零件編號，傳遞到CAD系統中，然后在CAD系統中通過事物特性表進行變型設計。在CAD系統中變型設計完成以后，再將CAD模型注冊到PDM系統中。
3 結束語
大批量定制技術的實施離不開信息技術的支持。CAD系統和PDM系統已經被越來越多的企業所采用，但是，當前CAD系統與PDM系統的集成仍然存在許多不足，對大批量定制技術的支持還遠遠不夠，在這方面還有許多工作要做。在系統集成中，邏輯數據結構的建立是關鍵，只有理清系統集成的數據結構，保持數據的一致性，合理地管理和保存數據，系統的集成才能起到事半功倍的效果。此外，通過創建事物特性表，雖然可以較好地支持面向大批量定制的設計，但是對于結構較為復雜且相互之間結構差異較大的那些零件，用事物特性表處理仍然存在一些不足，還需要做進一步研究。
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