进入21世纪以来，国内企业广泛采用CAD、CAM、CAE、CAPP等各种计算机辅助设计制造技术来提高产品设计和制造水平，以巩固自身在市场中的地位。随着这些先进制造技术应用的深入以及计算机信息化技术的广泛应用，越来越多的电子数据和信息随之产生。许多企业发现他们正被大量的数据包围，各个部门和各个系统之间的信息不能充分共享，经常出现数据文件传递的滞后、信息一致性无法保证、文件检索和管理困难等问题。如何解决“信息孤岛”和“自动化孤岛”就成为企业管理人员日益关心的问题。另外，随着计算机集成制造以及并行工程等技术的全面实施，实现资源共享和信息快速、准确、及时的传输，也是保证计算机集成制造和并行工程成功运行的关键问题。因此，企业强烈需要一种管理系统来对整个企业范围内的产品数据进行有效的管理。在这种形势下，一种新技术——产品数据管理PDM(Product Data Management)技术就迅速发展起来。如何有效地将产品数据管理技术与计算机辅助设计结合起来，使双方的功能得到更好的发挥，也就成为企业在竞争中的关键。将设计知识库作为CAD和PDM系统集成平台，实现基于知识的CAD和PDM之间的信息集成和数据交换，从整体上提高了企业的设计能力和知识管理水平。
1 知识库的总体结构设计
基于知识的智能化设计是一项综合性技术，它是将计算机辅助设计理论与知识工程原理相结合。与传统产品建模技术相比，基于知识的智能化设计更能体现产品特征。其产品模型能由实物的几何特征参数来控制，并且在智能设计过程中，设计人员所采用的准则、设计思想、原理等都能以显性的知识表达出来。知识库的架构模式是知识库+推理机。其中，知识库里存放的是一些设计知识，这些设计知识包含产品设计经验知识和产品说明知识两部分；推理机是借助于对这些知识的充分利用来实行推理的机构。启动知识库系统时，立即编译执行知识库文件，借助于系统引擎，知识库中的知识被读入到内存数据库中。在推理时，系统引擎首先应用内存数据库中的知识，在知识库中找到对应的规则性知识并送入推理机中，然后推理机运用这些对应的规则性知识进行推理。
2 CAD与知识库系统的集成
快速设计出满足用户需求的个性化产品，能够在提高设计效率的同时有效地缩短交货期。而产品快速设计的关键，是要快速定位用户的个性化需求及确定个性化产品的结构，并且对组成该产品的零部件进行快速变型设计。由于传统CAD设计系统缺乏设计工程师的决策和推理能力，不能满足设计过程自动化的需求。基于知识库的设计系统在集成传统CAD系统的图形处理能力和数值计算的基础上，增加了知识处理能力，为设计全过程提供智能化的计算机支持。基于知识的智能参数化系统把产品设计知识和机械设计知识引入知识库系统，并应用这些知识实现设计智能化。为了提高智能CAD系统的性能，缩短产品设计周期，减少设计人员的工作强度，保证设计意图融汇于产品设计的全生命周期中，应该建立一个高效的知识库系统。为了方便知识库系统的维护，缩短系统开发周期，知识库系统的结构应该尽量布置合理。如何快速地获取有效知识是开发的关键，所以，知识库系统的设计起着非常重要的作用。将CAD系统和知识库进行集成，可以在CAD系统中对产品的需求进行快速定位。根据客户对产品提出的要求，与知识库交互决策。在需求模型中大量的需求特征和需求案例中快速定位与客户所需的相同或者相近的产品型号，并将它呈现在CAD的设计环境中。集成于知识库的CAD系统的设计过程如图1所示。
图1 集成于知识库CAD系统快速设计
3 基于知识库的CAD/PDM集成技术
不同于传统的CAD/PDM集成中CAD从PDM中“拉”数据的过程。所实现的集成是通过设计知识库的中间桥梁将CAD与PDM系统集成起来。知识库是CAD和PDM之间的集成平台和系统的智能决策组件。根据CAD前端的设计要求，一方面将PDM系统中的相关图文递交给CAD设计环境，同时还将产品设计过程的需求知识、产品结构知识、产品的特征知识传递给CAD系统，供设计人员参考和进一步设计使用。这是一个知识库向CAD系统“推”设计知识和设计信息的过程。
3.1 产品零/部件编码的设计
实现对产品及零/部件信息准确、方便识别的编码处理，是实现CAD与PDM信息集成的基础。PDM生成产品的各种BOM与产品零件编码设计原则有很大联系，合理地掌握产品编码设计原则，便于CAPP等系统继承设计数据，引导生产计划和生产制造。所以，在进行零/部件编码时，不但要符合设计规范，能够充分、准确地描述PDM所要求的信息，而且要考虑到便于工程人员理解和使用。对产品及零/部件信息编码处理时，要选择合理的编程方式。树式结构编程方式反映产品的逻辑隶属关系，方便反映产品结构逻辑关系，可以自动集成CAD与PDM产品信息的零/部件编码。而对于生成各种物料清单(BOM)的零/部件编码，则应结合成组技术，采用分类编码方式。代码的结构一般采用链式与树式的混合结构。
对零/部件的编码可分成两项，即代号编码和特征编码。前者是用来对零/部件逻辑关系进行编码，采用树式结构（分级结构）；后一种则是对几何物理特性编码。采用链式与树式的混合结构，无论是代号编码还是特征编码，产品编码位数较多，而不同的用途仅需要编码的部分位数信息。为方便使用都应采用分段编码的方式。同一零，部件两种编码是一对一的关联。不同的企业应该根据自身的实际需要来制定产品编码规则，也可以借鉴国内外通用的编码标准资料，结合成组技术(GT)来完成产品设计编码。
3.2 PDM通过知识库与CAD集成
产品设计包括很多的设计标准，如国家标准、行业标准、企业标准以及一些基础技术资料，这些标准与资料有的是文字文本，有的是表格，有的是图形，有的是数学公式，这些都是机械设计的基础，也是CAD系统应用必需的数据。在没有PDM系统前，CAD系统必须自己建立数据库、图形库、知识库及方法库。应用PDM之后，就可以把这些数据库、图形库、知识库及方法库都等存入知识库中作为PDM数据库的内容，由CAD系统调用，如图2所示。
图2 PDM支持知识库建立及零部件、标准件、外购件的库调用
3.2.1 CAD系统调用PDM系统信息
在AutoCAD环境下的全网络范围内可直接打开或修改、保存、键入文档，自动提取标题栏数据存入知识库中。PDM对象通过对知识库中自动提取的标题栏和明细栏的数据调用并形成统计BOM，实现对其管理。同样，CAD可以通过读取知识库数据将PDM中的项目属性（项目名称、型号等）自动写入到标题栏。
图3 CAD读入PDM图档
图4 CAD从PDM中调用明细数据
3.2.2 CAD信息存入PDM系统
以生成标题栏信息为例，在CAD中，系统自动读取标题栏图样DWG文件来解读标题栏模板的属性，根据实体的类型或名称来读取相应的函数，判断文本起始点是否在标题栏信息区域内，并判断读取出来的属性值是否为图纸名称、图号、材料、数量等信息，把得到的各工程信息按规定的顺序储存到知识库中。
图纸标题栏信息提取程序的流程如图5所示。提取出来的标题栏信息存入知识库，PDM通过调用知识库知识来对CAD系统进行管理。
图5 图纸标题栏信息提取流程
3.3 PDM系统通过知识库对CAD系统的管理
建立CAD系统的目标是为了按市场需求输出产品制造必需的图纸、技术文件与资料，满足产品制造的需求。在企业管理数字化的情况下，还必须提供数字化的产品信息，为企业其他部门数字化管理创造条件。PDM系统的功能就是通过知识库系统对CAD系统输出的产品制造所需的图纸、技术文件与资料以及对数字化的产品信息进行有效地管理，使企业整个系统不但能获取传统的图纸、技术文件与资料，还能获取数字化的产品信息，实现数据共享。在CAD系统完成产品设计后，PDM系统应对这些图纸与技术资料进行管理，这是PDM系统的功能之一，一般称为图纸档案管理。
CAD系统应用PDM系统知识库管理模块实现快速设计，应用系列化、模块化、标准化技术是提高产品设计能力与水平的有效方法。PDM系统知识库管理模块就可以应用成组技术实现系列化、模块化、标准化技术建立通用知识库。应用特殊编码实现快速检索，充分发挥系列化、模块化、标准化技术及成组技术建立通用知识库的作用，大大减少产品设计的重复劳动、缩短设计周期，为改善与优化生产管理打好基础。
4 结语
产品设计的关键在于为客户快速提供所需要的产品。要从知识库系统出发，以知识库系统为集成平台，对CAD系统和PDM系统进行了集成，将参数模型从PDM系统中调用信息进行快速设计、知识库对设计知识的维护以及设计过程的决策和PDM对产品设计知识的管理有机地结合起来，从而提高了设计效率以及管理的优化。
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本文标题：基于知识库的CAD/PDM的集成研究
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