目前，我国已有数以千计的企业实施了CAD/CAM、MRPⅡ等单元技术，近百家制造企业实施了CIMS 工程，并已取得了初步的经济效益。但在上述实践中，企业也逐渐发现了下列三个问题：CAD/CAE/CAPP/CAM不同应用系统之间的集成化运行问题；工程信息管理问题；工程信息系统与生产、组织管理系统的信息集成问题。在这三个问题中，工程信息管理起着承上启下的作用，它是联系前后两个问题的中间环节，主要涉及如何组织与管理所有与产品相关的工程信息，以及计算机辅助应用系统（CAX）、制造资源规划（MRPⅡ）系统与工程信息管理系统的集成问题。产品数据管理（PDM）系统的出现为解决工程信息管理问题提供了一个新的解决方案。目前，针对CAX系统、MRPⅡ系统的CAX/PDM/MRPⅡ的集成问题，已成为新的研究热点。由于PDM系统和CAX、MRPⅡ等应用系统在功能及其特性上存在着较大的差别，因此如何将这些系统结合起来，构造统一的企业工程数据管理和信息集成模式是一个值得深入研究的问题。
1 PDM应用集成框架
PDM是一种管理所有与产品相关的信息（包括产品规范、电子文档、CAD文件、产品结构、存取权限等）和所有与产品相关的过程（包括图纸审批/发放、工程更改等）的技术。PDM覆盖产品的整个生命周期，能有效地将产品数据从概念设计、计算分析、详细设计、工艺流程设计、加工制造、销售维护，直至产品消亡的整个生命周期内及其各阶段的相关数据，按照一定的管理模式加以定义、组织和管理，使产品数据在其整个生命周期内保持一致、共享及安全。它能很好地促进企业提高其产品质量，缩短研制周期，提高工作效率，加快产品投放市场速度，从而提高产品的竞争能力。其基本功能包括电子仓库（vault）、工作流或过程管理（Workflow or Process Management）、产品结构与配置管理（Product Structure and Configuration Management）、查看和圈阅（View&Markup）、扫描与成像（Scanning&Image）、设计检索和零件库（Design Retrieval/Component Libraries）、项目管理（Project Management）、电子协作（Electronic Collaboration）、工具与“集成件”（Tools&Integration-Ware）。
由此可见，PDM已成为CIMS和并行工程的使能技术。第一，它能支持异构计算机环境，包括不同的网络与数据库；第二，能实现产品数据的统一管理与共享，提供单一的产品数据源；第三，PDM能方便地实现对应用工具的封装，便于有效地管理应用工具产生的信息，提供应用系统之间的信息传递与交换。
在产品的开发过程中，往往需要同时使用多种CAX工具。为了实现对产品的集成化开发，提高产品开发的效率，CAX系统自身需要实现信息集成。其主流方向是采用STEP的应用协议以及相关开发工具进行二次开发。同时CAX系统作为CIMS中的一个子系统，需要与其它子系统（如MRPⅡ、车间控制系统等）协同工作，实现信息资源的共享。所有这些都要求有一个应用集成框架来方便地实现对各种应用的集成。所谓集成框架就是能够方便地对企业内的各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成的软件系统。因此，集成框架应该具有良好的开放性和可扩充性，并能提供合适的应用集成接口。PDM系统恰好满足了这种要求。可以说，PDM在突出产品数据管理的基础上，正逐步完善其作为制造业领域集成框架的功能，为CIMS应用的实施提供更强有力的自动化环境。基于PDM系统的应用集成框架的体系结构，如图1所示。
图1 PDM应用集成框架体系
应用系统集成到PDM框架中可以通常分为三个层次：①最低的集成。要求应用系统及其产生的数据能够在框架中得到管理，根据要求在框架内部可以激活应用系统，并且实现对应用系统产生的数据进行跟踪，可称之为对应用系统的封装；②基于数据集成。即应用系统之间共享由框架中定义好的单一数据模型，应用访问数据可通过一个统一的接口与框架相互作用；③功能集成。它是在实现数据集成的基础上更前进一步，即一个可以调用另一个应用的操作的高层次的应用集成。
2 PDM与CAX系统及MRPⅡ系统的应用集成模式
要实现PDM与CAX应用系统的集成，关键问题是要确定PDM系统所管理的工程信息，它取决于所要集成的应用工具的类型。不同的CAX系统往往有着不同的数据和行为，如CAD系统和CAPP系统一般都有多种数据输入输出的方式和格式。因此，在进行集成时所要处理的信息内容是不同的，通常需要在PDM系统中对数据模型与工具模型进行不同的扩展。
需要说明的是，这里所指的工程信息与通常说的CAX 信息集成中所表示的产品信息的含义不同。后者通常是指产品的定义信息，如用特征、曲面描述的几何拓扑信息等，这些正是本文“PDM应用集成框架体系”图中CAX信息集成平台所要做的工作；而前者更关心产品的管理信息，即对于一个产品如何将其相关的信息以合理的方式组织起来，以最大限度地满足不同领域用户的需求，如设计BOM、工艺信息类树等。
在各种CAX系统中，CAPP是把产品设计信息转换为制造信息的连接性环节，它不仅需要从CAD设计部门获取成品设计信息，而且还向后续过程提供加工、管理、检测、调度等信息，是制造信息的源头。PDM作为CAX系统的工程信息管理框架，一方面需要为CAX系统内部各应用之间或应用本身提供交换信息和管理信息的工具，另一方面还需要为其它管理信息系统，如MRPⅡ系统和车间管理与控制系统提供它们所需的设计和制造信息。因此，建立PDM系统的工艺信息管理系统是必要的。此处简单介绍两种已实现的方法。
2.1 基于工艺元素的工艺信息管理模型
在这种方法中，工艺信息管理模块作为一个独立模块被抽象为一个抽象类，由它及其子类实现工艺信息管理功能。在类的层次上，工艺信息类根据工艺中的特征元素派生出以下七个子类：工艺信息头、工艺规程、工序、装夹、夹紧、定位和工步类。工艺信息头类，主要作为工艺信息管理类与零件发生联系，零件与该类的关系为一对多关系，它与工艺规程有聚集关联。工艺规程类包含工艺规程管理信息及多道工序，每道工序又可包含多个装夹，每个装夹又可包含多个定位、夹紧及工步。通常，由于工艺中的工序、装夹和工步都要用到有关制造资源方面的信息，因此实际上还应该建立制造资源信息类，并与这些工艺信息类建立关联。这样，就能构成更加完整意义上的工艺信息管理模型。
2.2 基于文件的工艺信息管理模型
在这种方法中，工艺信息被保存在工艺文件里，而该工艺文件置于PDM系统的管理之下。为了实现零件自身的属性和制造工艺的有机统一，通常需要在PDM系统的产品结构管理信息模型中增加一个零件工艺文档类，以建立零件和工艺文件之间的联系。这样，可通过查询BOM中的零件及其相应的工艺文档类，找到该零件的工艺文件。同上述工艺信息管理方式相比，此种方式不是直接将工艺元素信息定义到PDM系统的类体系结构中去，所有的工艺信息都保存在工艺文件中并与零件建立了联系，因此要求工艺数据文件类具有相应的方法，能够输出所需工艺信息以满足其他应用的需求。
实践表明，采用上述两种管理模型都可以满足与CIMS中其它应用（如车间控制器和MRPⅡ）信息集成的需求。所不同的是，采用工艺元素的管理方法，既要实现CAPP系统输出的工艺信息到PDM系统的单个工艺元素的实例化处理，又要实现PDM中单个工艺元素的输出，不仅增加PDM系统中对象管理的负担，同时，也给CAPP与PDM的应用集成增加了较多的开发工作；而基于文件的工艺信息管理，由于把工艺文件作为一般文件对待，PDM系统管理十分方便，在工艺信息输出时，一次可取出整个工艺文件，进行一次性处理，即能解决问题。由此可见，后者优于前者。
产品信息模型的内容不仅包括单个零件的信息，还应包括产品的构成关系、当前状态、版本等配置管理信息，这正是在实施PDM与CAX集成所要考虑的重要问题之一。因而在集成模式中，需要利用PDM系统提供的产品结构/配置管理功能及其应用开发接口，构造产品配置信息模型，实现产品的配置管理及产品配置模型信息的输出与交换。
此外，在经营过程中，企业需要根据市场需求和自身生产条件确定产品生产计划（MPS）。MRPⅡ系统利用产品结构文件（BOM表）、加工工艺文件、零部件提前期和库存等信息，将MPS分解为零部件投入产出计划和外购件、原材料的需求计划。零部件投入产出计划被下达到车间后，即可编制车间生产作业计划。因此，为了满足与MRPⅡ集成的需要，PDM系统既要提供零部件单项信息（与产品主物料对应），又要提供产品零部件之间的关系信息（BOM），包括可选项、替换件、版本等。此外，还需要规格说明、重量、重量单位、提前期等信息。因而需要对PDM系统中零部件进行属性扩展，包容主物料所需要的相关信息。为了支持从PDM系统中提取上述MRPⅡ所需信息，必须增加相应的新消息，并定义操作这些消息的方法。
根据以上考虑，给出PDM与CAX及MRPⅡ等系统应用集成的模式，如图2所示。
图2 PDM应用集成模式
3 应用实例
“CAX 信息管理与集成系统”作为863/CIMS重大攻关项目“制造业CIMS应用集成平台”中三个主要分系统之一，选用美国SDRC公司的商用PDM软件Metaphase2.3.1作为CAX应用集成框架，现以其为例说明应用系统集成的具体思路：在分析应用产生的数据类型的特征和行为的基础上，建立应用数据与Metaphase中应用数据类之间的联系，实现数据类的不同行为；实现在Metaphase系统中激活应用系统工具，自动跟踪、注册并管理应用数据。具体开发时可利用Metaphase提供的MODeL语言、IML语言及标准C语言，实现对“CAX信息管理与集成系统”中所要集成的CAD、CAPP等CAX应用系统进行封装，如图3所示。同时，通过信息提取接口，输出满足PDM与MRPⅡ、车间控制器集成需要的产品及其工艺信息。
图3 应用系统的集成过程
“CAX信息管理与集成系统”中采用的是基于文件的工艺信息管理模型，它继承并扩展了Metaphase系统的类体系。工艺文档类的类名被定义为PCappDoc。它是Metaphase中ProdBI类的派生类，同时被Metaphase类体系结构中的Component类所引用。为了表达零件类和文档类的这种引用关系，还定义了一个关系类：PCappDocAttached-ToCmpt。PCappDoc是工艺信息管理模型中的可实例化类，它包括相应的工艺文件类，而从工艺文件类中又可以查询到该零件的所有工艺信息。这些类之间的关系可以用OMT方法表示，如图4所示。
图4 基于文件的工艺信息管理模型
目前，在Metaphase中集成了高华CAD、北航“金银花（Lonicera）”和清华JWCAPP三个基于Windows95的CAX系统，已实现如下功能：
在Metaphase中，通过查询工具命令，可以显示出所有已经被集成到Metaphase中的工具图标。双击GHCAD、Lonicera或JWCAPP的图标，即可启动上述这三个CAX系统。此时，用户可以使用它们进行产品设计，操作过程与平常完全一样。当用户结束设计退出CAD或CAPP系统时，Metaphase将自动登记新产生的图形数据文件或输出工艺信息文件，从而使其归于Metaphase的控制之下，并将注销已经被集成的应用工具删除的文件。
在Metaphase中，通过查询所有高华CAD系统或“金银花”的图形数据文件，可以显示出所有已在Metaphase中注册的图形文件的图标。双击GHCAD、Lonicera图形文件的图标，或在选中图标后选择编辑菜单项，即可启动高华CAD或北航“金银花”两个CAD系统，并对该图形文件进行编辑。
选中任何一个零件对象、工艺文件对象或装配体对象后，再选择菜单上的“Output to GIS”菜单项，即可通过信息提取接口，将零件主物料信息、工艺信息（工艺路线信息、工序信息、工步信息）和设计BOM信息输出到全局共享信息系统，供MRPⅡ及其它系统信息集成使用。
4 结论
作为应用集成框架，PDM系统显示出独到的优越性，为企业实现信息集成和应用集成提供了理想的平台。通过分析PDM的主要功能及与应用系统集成的基本架构，提出了一个PDM与CAX和MRPⅡ系统实现应用集成的基本模式。针对这一模式，结合在“CIMS应用集成平台”中的具体应用需求，给出了CAX应用系统与PDM框架集成的实现实例，以及PDM与MRPⅡ、车间控制器集成的信息输出实例。
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本文标题：基于PDM框架的应用集成研究与实践
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