0 引言
复杂产品指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂和项目管理复杂的一类产品。在以航空、航天为代表的先进装备制造行业中，产品设计复杂性越来越高。产品生命周期管理(PLM)是一种产品全生命周期内管理产品相关信息所需的、系统的和可控的概念，而产品数据管理(PDM)因包含数据仓库、文档管理、结构与配置管理、数据共享与交换等功能而成为PLM所必须的使能技术。以航天产品研制为例，PLM/PDM系统需要在产品复杂性、协同复杂性和应用复杂性三方面为产品设计提供支撑。
1)产品复杂性越来越高。产品品种、产品功能以及产品使用的技术复杂性提升。这种复杂性导致企业使用多种工具来（如机械、电气和软件）进行设计，PLM系统需要实现复杂产品的一体化全数据管理，并支持在PLM环境中直接使用计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)工具来创建产品设计方案。
2)协同复杂性越来越高。随着信息化应用的深入，出现了越来越多跨专业、跨地域和跨系统的复杂产品设计。这种复杂性要求PLM系统具备在不同专业、不同单位以及不同系统间共享、协同和传递产品数据的能力。
3)应用复杂性越来越高。随着企业产品平台化、通用化和系列化的发展，同时伴随IPT、MBD等新模式在设计领域的应用，PLM需要提供复杂技术状态管理能力，保证设计、生产和制造及使用正确的数据，保证产品技术状态的一致性。
近年来，随着工业信息化和三维软件的发展，以及三维应用的推动、普及和深入，三维CAD模型成为PDM/PLM系统需要管理的一类重要数据，成为体现PLM系统的关键及迫切需求。尤其是在复杂产品设计中，CAD数据已经成为三维模型直接传送到生产部门等新型设计模式的、具有重要依据的数据。本文将重点分析CAD数据管理模型，利用模型管理CAD数据的关系和CAD数据的一致性维护机制，解决CAD数据的集成、共享、协同、审签、使用，以及模型间的一致性维护，以满足复杂产品设计管理和产品研发技术状态需要。
1 PLM中复杂产品管理模型的管理
1.1 复杂产品CAD管理过程
在产品全生命周期管理(PLM)系统中，管理的产品数据是与产品相关的所有信息实体的集合，产品数据包括规格数据、生命周期数据和元数据三类。其中，规格数据描述产品的物理、逻辑和功能的特性，包括草图、CAD模型、有限元分析(Finite Element Analy SIS，FEA)、NC文件和测试计划文件等典型的规格数据。生命周期数据描述产品信息的状态、成熟度和演进。元数据用于定位、标识、跟踪、更新和描述数据。
设计模型作为一类特殊的产品数据，在管理方面具有其特殊性。设计模型通过CAD三维造型和白定义属性描述，保存了零/部件的几何形状、物理特征以及零/部件间的装配关系等产品信息，PLM系统对CAD的管理主要侧重实体和数据之间的关联关系，即在PLM系统中，更多关注的是如何从CAD模型文件内获取与物料清单(Bill of Material，BOM)相关的信息，并支持CAD模型在PLM系统的正确维护和使用，从而形成准确的产品物料清单，另外，PLM要支持设计模型的轻量化模型管理能力。为此，根据CAD管理需要，建立如图1所示的CAD集成与管理流程。
图1 CAD集成与管理流程
在CAD集成与管理流程中，通过虚线将操作区域划分为客户端、工作区和公共区三类，并就CAD文档、结构、可视化和审签四种功能在这三类区域的操作功能进行了列举，对于跨区域的操作（图1中表现为穿越虚线的功能操作），代表在两个区域中都具有该功能。
设计人员在开展CAD设计时，客户端集成了各类CAD软件：工作区管理个人相关的设计模型和产品数据，形成设计人员的个性工作环境：公共区存放模型共享和组内协同的有效数据，工作组或企业设计人员通过访问公共区进行数据共享和设计协同。PLM系统需集成CAD创作工具，可管理模型与产品结构的关系，并保持产品结构和模型关系的同步或异步发展。同时，为了支持设计模型的审签，利用可视化模型实现模型的快速浏览、审签和传阅。
1.2 复杂产品CAD数据管理模型
为了在PLM系统中管理复杂产品CAD数据，建立PLM下的复杂产品CAD数据管理模型如图2所示。图2中，矩形框表示实体；粗实线连接超类和子类，在子类端用圆圈标出；实体之间的关联关系用细实线连接，关联关系名称标注到连接线上，其中，N为对应关系个数，[1：1]表示一一对应的关联关系，[1：N]表示一对多的关联关系。
图2 PLM下的复杂产品CAD数据管理模型
在模型中，产品环境构成了管理产品管理数据和业务数据的上下文环境，管理的内容包括产品中使用的模板（如CAD模板、文档模板、文件模板和工作流模板等）、业务数据的存储位置、业务对象的权限策略、参加产品研发的团队，以及产品结构及其关联数据。其中，配置项是零/部件的统称，与配置项关联的数据包括普通文档和CAD文档，一个配置项可以关联多种类型的产品数据，产品数据包括普通文档和CAD文档。其中，CAD文档是CAD数据在系统中的建模对象，即系统通过CAD文档来管理CAD数据：CAD模型是CAD创作工具产生的模型。CAD文档与CAD模型为一一对应关系，一个CAD模型最多对应一个轻量化模型。配置项和CAD文档存在自包含关系，即配置项下可以包含配置项，CAD文档下可以包含CAD文档。在CAD数据管理模型中需要重点管理各类对象间的关联关系，如配置项和普通文档的关系、配置项与CAD文档的关系，以及CAD文档间的关系等。本文重点分析与CAD数据管理相关的关联关系，主要包括CAD文档间的关系CC、配置项与CAD文档的关系IC。
1.3 CAD文档间的关系(CC)
复杂产品在设计过程中，PLM需确保在业务对象执行功能操作时，可以正确管理CAD模型的变化及模型间的联动，以保证CAD模型信息的一致性。本文依据依存关系、模型间升版影响和模型关系的紧密程度，将CAD模型间的关联关系归类为派生关系、使用关系、引用关系和附属关系四种，CAD文档与CAD文档关系分类如表1所示。表1中，操作A为主动方，操作B为被动方，“√”为指定行具有指定列对应的操作特征，“-”为指定行不具有指定列对应的操作特征。
派生关系：属紧密型关联关系，关联的两个CAD模型不相互独立（称为源模型和派生模型），源模型中影响派生特征变化时必然导致派生模型变化，反之，派生模型变化必然导致源模型变化。
表1 CAD文档与CAD文档关系分类
例如，在Pro/E软件中，族表和实例属派生关联，实例必须依赖于族表通用模型而存在，派生模型发生变化必然引起族表通用模型变化。另外事物特征表和实例也通过此类关系维护。
使用关系：属较为紧密的关联关系，关联的两个CAD模型相互独立，一个模型被另一个CAD模型直接使用（一个模型作为另一个模型的组成部分），且模型间存在父子结构关系，父模型变化但子模型可以不变，子模型变化必然导致父模型变化。例如，在CAD模型中，装配模型和零件模型属于使用关系。
引用关系：属较为松散的关联关系，关联的两个CAD模型互相独立，一个CAD模型间接使用了另一个CAD模型，但模型之间不存在组成关系。被引用模型的变化引起引用模型变化，引用模型的变化不会引起被引用模型变化。
在引用关系中，根据引用场景的不同细分为绘图引用、装配引用、分析引用和布局引用等子类关系。例如，在Pro/E中，三维数据和二维图样属于模型引用关联，骨架模型和装配模型、布局模型和装配模型均属于装配引用关系。而分析数据和分析实体、分析结果和分析实体则属于分析引用关系。
附属关系：属松散的关联关系，关联的两个CAD模型互相独立，模型变化互不影响。
对于附属关联，表述为原模型文件添加相关说明内容或附件。如模型的批注文件是附属关联内容。附属关联可以包括任何格式的文档。
1.4 配置项与CAD文档的关系(IC)
产品结构与CAD模型的关联关系较为复杂，PLM系统根据CAD模型对产品结构、产品属性和可视化模型的影响与贡献程度，将配置项（产品结构）与CAD文档间的关系提炼为描述关系、模型关系、图样关系和说明关系四类。配置项与CAD文档关系分类如表2所示。
表2 配置项与CAD文档关系分类
描述关系：描述关系是唯一确定产品结构关系的CAD模型，与配置项具有描述关系的CAD模型可以驱动产品结构的生成，可以向配置项传递属性及贡献轻量化模型。在复杂产品设计中，当一个配置项关联多个CAD模型时，在特定的产品环境下，一个配置项有且仅有一个CAD文档和配置项建立描述关系。描述关系唯一性保证一个产品结构节点由唯一的CAD模型决定。
模型关系：表明CAD模型为配置项提供三维模型，且可以单向驱动配置项属性和配置项的轻量化模型，在驱动配置项属性和轻量化模型方面优先级低于描述关系的CAD模型。
图样关系：约定CAD模型为配置项提供二维图样，二维图样可单向更新配置项的属性，不驱动配置项的结构，不为配置项提供轻量化模型。
通过图样关系为配置项提供二维工程图。通常情况下，与配置项关联的图样关系对应的图样文档与和配置项具有描述关系的三维模型具有引用关系。
说明关系：约定CAD文档为配置项提供辅助说明。说明关系下的配置项和CAD文档仅具有普通的关联关系，如模型中使用到的说明性模型属此类关系。
2 CAD模型的可视化与模型同步策略
2.1 CAD模型轻量化机制
产品设计数模在设计完成后，要达到模型的有效共享和协同，并满足审签、浏览和批注的需要，轻量化模型是模型管理的重要内容。轻量化应用中涌现了许多轻量化格式，如达索的3DXML格式、UGS的JT格式、Actify的3D格式、欧洲计算机制造商协会推出的通用3D格式，以及由虚拟现实建模语言发展而来的X3D格式，PLM系统中轻量化模型的生成方式如图3所示。
在PLM中，轻量化模型因其与CAD软件无关联且文件较小，常用于完成问题检查、动态模拟、数字化装配和文件审签等业务。通过三维可视化模型来实现异构CAD数据在统一产品结构下装配，实现设计、装配的协同和共享。轻量化模型通过三种方式生成，一是在三维CAD模型检入PLM系统时生成：二是根据产品结构所关联的CAD模型，批量生成结构下的所有轻量化模型；三是在模型装载时生成。对一个配置项来讲，可以对应多个轻量化模型，但只有一个缺省轻量化模型，在缺省情况下，配置项对应的轻量化模型为与配置项具有“描述关系”的CAD文档所对应的三维模型生成的轻量化模型。
图3 PLM系统中轻量化模型的生成方式
2.2 CAD模型同步策略
为保证CAD模型之间的一致性，需要针对CAD模型间的各类关系进行同步处理。例如，当三维模型发生变化时，如果对应的三维模型生成过二维模型，则需要同步更新二维模型。这种关联关系的维护在系统中通过同步策略实现，利用同步策略保证模型的一致性。
在系统实现过程中，为了实现CAD文档间及CAD文档与配置项间的一致性，采用统一的更新策略管理机制，集中管理业务功能的更新规则。如“上载”、“检入”、“检出”、“打开”、“删除”、“更新”、“重命名”和“另存为”等多类功能操作，针对每种功能建立相应的更新规则来处理每种业务操作的模型关系，通过管理系统中CAD文档间以及CAD文档与配置项的关联关系的方式，来确保CAD模型间，以及CAD模型与PLM对象间的一致件。CAD模型更新管理如图4所示。
图4 CAD模型更新管理
3 AVIDM系统的模型实现与应用
航天协同研制平台(AVIDM)系统是面向航天器协同研制的PLM系统，功能涵盖产品数据管理、产品制造管理、项目管理和产品仿真管理等，支持从型号设计到制造全过程管理。AVIDM系统采用面向服务的体系结构(Service Oriented Architecture，SOA)，通过采用Web Service技术体系下的相关标准和规范，形成支持过程、数据和界面集成的可扩展的软件应用框架。
在AVIDM系统中，以Pro/E集成为例，系统通过AVCAD文档管理Pro/E的草绘、零件、组件、制造、绘图、格式、报表、图表、布局和标记模型，以及模型间的关系，实现CAD模型及模型间的关联关系的精细化管理。设计人员通过AVCAD文档直接在CAD工作区向AVIDM系统提交设计模型，系统自动生成与Pro/E模型对应的AVCAD文档，并根据模型类型实现CAD设计模型的关系维护，并支持通过CAD设计工具或轻量化浏览器打开、浏览产品结构和模型数据。基于SOA的AVCAD体系结构如图5所示。
图5 基于SOA的AVIDM体系结构
4 结语
通常情况下，PLM在管理CAD数据时，只管理CAD工具生成的结果数据，不管理结果数据之间的关联关系，常需要投入大量的人力来手工保证CAD模型的一致和匹配，也制约了CAD设计协同的深入。本文下双谱的谱峰比较尖锐和集中，而故障情况下双谱的谱峰比较平坦和零散。
4)用双谱建立电梯故障状态的谱图进行模式分类，可以为电梯的在线监测和诊断提供新的分析手段和方法。
5)由式(4)可知，为了分析的准确性，双谱分析需要大样本的采样，否则容易引起判断的误差。同时，双谱是多维函数，因而需要较大的计算量。
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本文标题：面向复杂产品设计的CAD数据管理
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