0 引言
大批量定制技术能够以大批量生产的成本和时间，提供满足客户个性化需求的产品和服务，因此，大批量定制技术成为越来越多企业竞相选用的一种技术。在大批量定制技术体系中，面向大批量定制的产品开发和设计技术(Design For Mass Customization，DFMC)占有十分重要的地位。产品开发的任务就是在分析市场需求和企业自身原有产品的基础上，建立产品主结构、主模型和主文档。而面向大批量定制的产品设计的任务就是根据用户的需求，在产品主结构、主模型和主文档的基础上，进行产品的配置设计和变型设计，快速设计出产品。
DFMC需要集成化软件系统的支持。在传统的制造企业中，计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)系统仅被作为绘图板来使用，很难有效地支持面向大批量定制的开发和设计，而且CAD系统产生的数据不能得到有效的管理，这些都严重阻碍了大批量定制技术的应用。为了有效地应用大批量定制技术，支持面向大批量定制的设计，笔者对原有的CAD系统进行了二次开发，并在此基础上将CAD系统与PDM系统加以有效的集成。
1 CAD系统与PDM系统的集成
CAD系统与产品数据管理(Product Data Management，PDM)系统的集成，能够从根本上提高企业的整体设计能力和管理水平，对改善面向大批量定制的设计技术有非常重要的作用。通过这两个系统的集成，可以充分利用现有零部件资源，缩短产品设计时间；可以迅速向客户提出正确的报价和展示产品原型；可以追溯整个产品生命周期内的产品情况等。
在本文所述的集成中，通过引入事物特性表(Sach-merkmal-Leiste，SML)，创建了一个独立于具体应用系统的CAD/SML/PDM集成平台。事物特性表主要通过零部件几何特性和功能特性描述零部件，通过事物特性表与CAD系统的集成，能够对面向大批量定制的设计方式、配置设计和变型设计提供很好的支持。在一张建立好的事物特性表的基础上，用户可以结合主模型进行变型设计。同时，事物特性表也是进行零部件分类的重要工具，事物特性表与PDM系统的集成能够对PDM系统的零部件分类提供帮助，更好地实现零件族管理和产品族管理，从而支持面向大批量定制的设计。
1.1 基于事物特性表的CAD/PDM系统集成逻辑数据结构
大批量定制的原理就是通过整体的优化，充分利用企业现有资源对现有的零部件进行分类，实现产品的模块化，减少产品的内部多样化。通过CAD系统与PDM系统的集成，可以对现有的模型、工程图和文档等进行有效的管理。系统的集成主要由PDM系统、CAD系统和事物特性表模块3部分组成（如图1）。
图1 CAD/SML/PDM系统集成数据结构
图1中，产品结构和零件族由PDM系统进行管理，CAD系统产生产品设计需要的模型文档和工程图文档，事物特性表为大批量定制的配置设计和变型设计提供帮助。在PDM系统中，引入了零件基本记录(Part Master Record，PMR)对象、模型基本记录(Model Master Record，MMR)对象和工程图基本记录(Draft Master Record，DMR)对象。PMR对象是一种描述产品开发过程中零部件基本管理特性的数据记录，通过PMR对象可以对零部件方便地进行管理。MMR对象和DMR对象的定义以及属性与PMR对象十分类似，并且相互之间有关联。MMR对象和DMR对象中的一些重要属性来自PMR对象，如模型编号、项目编号和名称等，与PMR对象的对应属性保持一致。此外，MMR对象和DMR对象还通过联系对象（Link对象）分别与CAD模型对象和工程图对象保持关联。若将CAD模型对象与工程图对象以及联系对象结合起来，可以找到对应的CAD模型文档和工程图文档。
图1中，事物特性表模块与PDM系统之间也存在着紧密的联系。一张零件事物特性表与PDM系统中的一组零件对象相对应；事物特性表中的每一行又对应着一个具体的零件，也对应着CAD系统中的一张参数表，部件的事物特性表也包含了产品的结构关系。事物特性表的编号与PDM系统中零件族的编号保持一致；PMR对象的ID号与事物特性表中每一行对应零件的ID号保持一致，这种一致性保证了系统集成过程中数据间的一致性。在部件层的事物特性表中，包含子部件和零件的事物特性表，事物特性表中的这种包含关系也能从PDM系统的产品结构管理中体现出来。事物特性表与CAD系统之间也存在紧密的联系，事物特性表中的每一行数据都与CAD系统参数表中的数据有关联，这种关联可以保证通过事物特性表驱动CAD参数表，进而驱动CAD模型产生变型，事物特性表的创建过程也离不开CAD参数表中的数据。在部件层的事物特性表中，通过指针可以逐层地找下去，一直找到最底层，然后再驱动参数表产生变型，也可以直接通过零部件的替换驱动CAD系统完成变型。
1.2 基于事物特性表的CAD/PDM系统集成框架
PDM系统与CAD系统的集成方式从简单到复杂通常可分为封装、接口和集成3个层次。封装虽然较为简单，但是有很大的局限性；集成对开发人员的要求较高，开发和维护费用也比较高，本文探讨的是通过接口方式的集成；接口方式提供了较为紧密的系统集成，但是在接口集成方式中，只能保持数据的异步一致性，不能完全保持数据的同步一致性。为了弥补这方面的不足，可以在PDM系统中开发一个编码系统，由它来产生惟一的零件编号，然后传给CAD模型文件，由这个零件编号惟一标志CAD模型文件。此外，也可以通过PDM系统的生命周期管理功能来保持数据的一致性，对要进行修改或变型的模型文件进行“检出”，修改完成以后，重新“检入”和“发放”。系统集成的框架为一个3层的体系结构，包括用户界面层、中间逻辑层和数据库层（如图2）。
图2 系统集成框架
用户界面层提供系统集成所有功能的入口，使用户可以方便地进行自己想要的操作。在中间逻辑层，通过调用CAD系统和PDM系统的应用程序接口(Application Programming Interface,API)函数，在两系统之间进行信息的传递。中间逻辑层包括创建事物特性表模块，事物特性表由表行和表列构成，因此对事物特性表的操作可以分为表行操作和表列操作。ClsSMLRow类和ClsSMLRows类用于表行操作，ClsSMLColumn类和ClsSMLColumns类用于表列操作。系统数据库则采用PDM系统的数据库，对整个产品开发和设计过程中产生的文档、模型和工程图等进行统一的管理。
1.3 CAD模型注册到PDM系统的接口
PDM/CAD接口的核心任务是，将CAD用户的工作结果连同有关的业务对象和数据对象一起构建在PDM数据模型中。只有将CAD系统中的模型和工程图注册到PDM系统中，由PDM系统进行统一管理，才能在需要的时候找到合适的零部件模型和工程图，从而避免不必要的重复设计，更好地满足大批量定制的要求，以较少的产品零部件实现产品多样化。
在将CAD模型注册到PDM系统的过程中，CAD系统需要与PDM系统进行双向的数据交换。一方面，需要将CAD模型的一些基本属性信息提取出来，如图幅、比例尺、材料、作者和主题等，赋给PMR对象和MMR对象的对应属性；另一方面，也需要将PMR对象和MMR对象中的一些属性赋给CAD模型中的对应属性，如CAD模型的ID号等。将CAD模型检入到PDM系统数据库的过程中，模型文件和工程图文件的存储位置会自动发生变化。
1.4 由CAD模型创建事物特性表的接口
三维CAD系统一般都有自己的参数表，用户可以直接驱动参数表中的参数进行变型设计。但是参数表不能完全满足设计者的要求，在用户看来，参数表中的数据仅仅是一些数据而已，用户在进行变型设计时，不知道该如何进行变型，也无法知道变型的结果是否合理。通过事物特性表，用户可以对同类零件进行管理，同时，事物特性表中也包含了一些约束信息，设计者可以通过查询、识别、比较和选择各种零部件的特性信息，进行开发和设计，快速形成设计草案。
创建零件事物特性表，需要对CAD模型参数表中的信息进行提取（如图3）。在图3中，直接将参数表中的参数提取出来，然后放人事物特性表中，用户需要参照命名规则对提取出来的参数重新命名。用户重新定义后，通过接口可以对参数表中的参数名称进行修改，从而保持一致。事物特性表的编号和零件的ID号来自PDM系统。对于一些较复杂的零件，可能几何参数信息有很多，用户可以先在参数表中建立一些规则和约束加以限制，从而减少参数的个数，简化事物特性表。此外，如果一组零件相互间结构差异比较大，不能完全通过提取参数表中的信息来创建事物特性表，但整体上又具有相似性，可以将参数表中的信息提取出来放入到一个数据文件中，而在事物特性表中只存放数据文件的路径，在需要进行变型设计时，通过数据文件中的数据自动生成模型和工程图。
图3 零件事物特性表的创建接口
部件事物特性表中不仅包含一些几何的参数信息，而且包含零件和子部件的事物特性表信息，所以零件与部件的事物特性表创建过程有所不同。在创建部件事物特性表的过程中，除了对参数表中的信息进行提取外，还需要对部件进行分解，找到每个零件和子部件的事物特性表，将对应事物特性表的编号和零件标志号提取出来放入到部件事物特性表中。
1.5 CAD系统与PDM系统支持变型设计的接口
产品设计一般有配置设计、变型设计和创新设计3种形式。完全的创新设计很难通过类似于大批量生产的时间和成本提供个性化的产品和服务，因此面向大批量定制的产品设计主要是配置设计和变型设计。变型设计是指根据零部件主模型，通过改变参数的值和尺寸，生成相似产品和零部件的设计方法。变型设计方法能够快速设计出产品原型，降低成本，保证产品质量，从而能够以类似于大批量生产的时间和成本生产出个性化的产品，这些正符合了大批量定制的思想。
本文提到的变型设计主要是基于事物特性表的变型设计。设计人员在深入研究事物特性表的基础上，确定变型的结构和几何关系，然后驱动产品的主模型和主文档生成相应的模型和文档。具体实施过程如下：在CAD系统和PDM系统的环境下，首先由PDM系统产生惟一的零件编号，传递给CAD系统，在CAD系统中打开主模型，通过事物特性表驱动主模型参数表中的参数，从而生成变型零部件。对于第1.4节提到的结构差异较大的零件，可以对CAD系统进行二次开发，调用CAD系统的API函数重新生成模型和工程图。部件的变型可以通过零件和子部件的替换完成，也可以通过二次开发进行自动装配，重新生成部件。系统集成对产品变型设计过程的支持如图4所示。
图4 系统集成对变型设计过程的支持
2 实例
基于以上原理，本文对具体的CAD系统与PDM系统的集成进行了研究。采用的CAD系统是Solid Edge V11，Solid Edge系统具有友好的用户界面和开放的接口；采用的PDM系统是SmarTeam，凭借“开放的文档管理结构”(Open Document Management Architecture，ODMA)技术，能与基于Windows的CAD、办公自动化和资源管理软件紧密集成；采用的开发环境是VB 6.0。通过对PDM系统的配置和开发，分别创建了PMR对象、MMR对象和DMR对象，还创建了Solid Edge模型对象和工程图对象，并将它们关联了起来。用VB开发了事物特性表模块，并以插件形式嵌入Solid Edge系统中。这里的开发只是为了对第1章提到的原理进行验证，在实际应用过程中，也可以基于以上原理，使用其他的软件和开发环境进行开发。
以汽轮机的转子为例，对接口功能进行了验证。转子是汽轮机的核心部件，转子的设计对整个汽轮机的设计有重大影响，并且汽轮机转子的模块化工作做得相当好，在这个基础上进行变型设计，能够体现面向大批量定制设计思想。汽轮机转子的结构从整体上来说是一个多台阶轴，有几十个台阶。在台阶上还开有许多叉型槽、工型槽和汽封槽，有2000多个几何数据，而且精度要求高。图5为某汽轮机厂转子外形。为了满足大批量定制的要求，根据模块化的原理，可以将汽轮机转子分成5段。其中，中间段结构最为复杂，不仅台阶众多，而且叉型槽和工型槽大都分布在这一段上；其余4段相对较为简单。在面向大批量定制的设计过程中，中间段的变型设计也最为复杂，不仅在外形几何数据上有变化，而且在结构上也发生了变型，台阶的个数和槽的个数都有变化。
图5 汽轮机转子
本文中的变型设计是基于事物特性表的设计，因此为了进行变型设计，应该首先建立零部件的事物特性表。转子事物特性表的建立可以分为形状特征、零件和部件3层。转子上有很多叉型槽、工型槽和汽封槽，在进行变型设计时，槽的结构不发生改变，只是几何数据发生了变化，因此可以将这些形状特征提取出，单独建立事物特性表。通过建立形状特征事物特性表，也可以简化复杂零件事物特性表的建立。根据模块化原理分成的5段，单独建立零部件事物特性表，中间段由于结构不确定，采用了数据文件的格式，将中间段的外形几何数据、槽的定位数据以及槽的型号存放在一个数据文件中，将数据文件的路径存放在事物特性表中。将整个转子看作一个部件来建立事物特性表，在部件事物特性表中包括各段零件的事物特性表，同时也包括转子整体上的一些事物特性。图6中，针对转子的每一段分别创建了事物特性表，表SML1000003即为中间段的事物特性表，然后把转子的5段作为一个部件创建了事物特性表。对于一些较为复杂的零部件除了使用这些逐层分解的方法外，也可以通过建立一些约束和规则进行简化。不过，无论怎样，复杂零部件事物特性表的建立过程都是一项艰巨的任务。
图6 汽轮机转子变型设计和事物特性表创建
在基于事物特性表进行变型设计的过程中，为了保证数据的一致性，先由PDM系统产生一个惟一的零件编号，传递到CAD系统中，然后在CAD系统中通过事物特性表进行变型设计。在CAD系统中变型设计完成以后，再将CAD模型注册到PDM系统中。
3 结束语
大批量定制技术的实施离不开信息技术的支持。CAD系统和PDM系统已经被越来越多的企业所采用，但是，当前CAD系统与PDM系统的集成仍然存在许多不足，对大批量定制技术的支持还远远不够，在这方面还有许多工作要做。在系统集成中，逻辑数据结构的建立是关键，只有理清系统集成的数据结构，保持数据的一致性，合理地管理和保存数据，系统的集成才能起到事半功倍的效果。此外，通过创建事物特性表，虽然可以较好地支持面向大批量定制的设计，但是对于结构较为复杂且相互之间结构差异较大的那些零件，用事物特性表处理仍然存在一些不足，还需要做进一步研究。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
