CAD系統與PDM系統整合技術研究

1 .1   系統整合技術

在工程設計中，設計人員在產品設計過程中主要使用的工具軟體就是 CAD 類軟體，電器產品的設計更是離不開 CAD 技術， CAD 技術在電器產品開發和設計中的應用十分廣泛，電器行業在 CAD 工具的幫助下產品研發及生產效率得到了很大的提高，這就使得企業的市場競爭力得到了很大的提高，但與此同時，也產生了一些新問題。集中表現在：

 

1 ）“資訊孤島”的存在，企業應用的計算機輔助設計是區域性的、面向企業某個部門的應用系統，這就造成各部門之間進行有效的實現資訊共享與傳遞，也就形成所謂的“資訊孤島”。企業的各種 CAX 軟體產生了大量的與產品有關的資料，但由於各個軟體的研發公司不同，各個系統的資料結構具有不一致性，無法對產品的資料進行統一的管理。

 

2 ）產品在開發過程中會產生大量的資料，如果這些資料得不到高效有序的管理，會造成資料的冗餘和不一致。

 

3 ）電子化資料的安全性問題存在隱患，如果設計人員操作不當會將資料誤刪，這給企業帶來很大的麻煩。

 

為解決上述問題， PDM 技術被電器行業引進，但是電器行業的 CAD 系統和 PDM 系統是獨立執行的，工作人員依靠傳統方式進行資料之間的傳送，這樣就使電器產品的生命週期加長，降低了電器行業的市場競爭力。而作為產品資料管理軟體的 PDM 產品只有透過與 CAD 軟體的充分整合，代替落後的人工管理資料的方式，有效的管理設計人員設計出來的圖 紙和以及圖 紙上的資料，使得 PDM 系統更加適應企業的需求。

 

PDM 系統作為企業產品開發資訊整合平臺，不同系統資訊的整合都需要以此作為整合平臺，透過整合可以方便的管理對產品生命週期中各種軟體產生的資料和文件，各種計算機輔助設計系統之間的資訊可以達到共享，在電器行業進行電器的設計研發時，建立電器產品整個生命週期在不同設計系統之間產生的所有資訊的整合平臺。

 

系統的整合是使相互關聯的資訊，系統集合起來，可以使不同系統間的資料得到共享，使資源達到充分共享，實現集中、高效的對資源進行管理。在 PDM 中，整合是將人、生產系統和工程技術系統緊密結合起來形成一個統一工作的整體，這樣使得產品在整個生命週期中的資料產生了相互的聯絡，實現資料的統一，讓整個企業的相關部門人員都能夠對產品資訊有一個整體的把握，提高整個企業的產品生產效率。

 

1 .2   CAD 與 PDM 整合架構

在 CAD 系統與 PDM 系統整合過程中，我們期望實現的目標是：第一，在 PDM 系統中可以自動掛接電器 CAD 系統在電器產品的設計時產生的相關資料，並根據這些資料建立產品結構圖，這樣 PDM 系統就能管理和控制產品設計過程；第二， CAD 軟體在電器產品設計中需要產品結構和零部件資訊，這些資訊可以直接從 PDM 系統中獲取，使兩個系統的資料能夠共享，避免產品圖 紙與 PDM 中的產品資料出現不一致情況，使產品設計過程更加規範。只有使 CAD 與 PDM 兩個系統之間實現雙向整合才能達到這兩個目標。顯然， CAD 系統與 PDM 系統之間的資料的通訊是實現 CAD 系統與 PDM 系統之間整合的核心。如圖 4.1 所示為三維 CAD 系統與 PDM 系統之間整合的構架圖。透過該整合框架可以實現使用者所期望的目標，實現兩系統之間資料的共享。

 

圖 4.1CAD 與 PDM 整合的總體框架

 

1 .3   CAD 與 PDM 整合層次分析

整合的主要目標是指將一些資源和應用整合起來成為一個相互協同工作的整體，這些資源指資訊科技，應用包括計算機軟硬體、介面及機器等，如圖 4.2 所示，它主要使參與整合的應用系統 1 和應用系統 2 之間功能能夠互動，也使得資訊共享以及資料在兩個系統之間的傳遞能夠得以實現。

 

圖 4.2 整合的基本概念

 

產品在 CAD 系統中產生的資訊所有產品資訊的源頭，資訊量較大，實現整合不易，根據整合的深度及使用者對整合要求的不同，我們可以將整合的層次做一個劃分， CAD 系統與 PDM 系統之間的整合層次可分為三個模式：應用封裝模式，介面模式和緊密整合模式。

 

1 .3.1   應用封裝模式

從本質上講，與產品相關的資料是由軟體的應用程式產生，所以實現對應用程式的整合便實現了對產品資料的整合。將外部應用系統 “封裝”起來的目的是為了使不同的應用系統之間產生的資訊能夠互相共享，並達到統一管理各個應用系統產生的資料的目標，封裝模式使 PDM 將特徵資料和資料檔案分別放在專門存放資料和檔案的資料庫和檔案櫃中，為實現對應用系統中產生的資料高效率、安全的管理提供了強大的保障。

 

物件導向資料型別是封裝的最大特點，物件一般可以分為兩部分：介面部分和實現部分。介面部分作為物件唯一的可見部分，主要針對於說明物件的操作集；實現部分是由兩部分組成，分別是資料部分和過程部分，資料部分是用於描述物件或對其狀態進行分析；每一動作的實現需要過程部分來詮釋。

 

封裝指的是在一個類中將物件的屬性和操作方法同時封裝起來，這時只有外部介面是可見的，操作集體可以用來描述此模組，以使得物件的介面與物件的內部表達之間保持互相獨立。這樣就使得操作是可以被看見的，而在物件中將資料和操作是如何實現的隱藏起來，即在定義物件時將物件的屬性和操作方法同時封裝起來。資訊隱蔽原則是封裝模式所遵循的原則，主要表現在：封裝意味著將物件的內部結構隱藏起來，不讓使用者看到物件的內部結構，而物件的使用是透過呼叫操作（程式）來完成的。

 

同時，物件型別的資料內部結構表示式可以被不同的程式設計所影響，當其被程式設計所改變時，該物件型別上工作的任何程式不會受到影響。當改變物件型別實現時，封裝可以保持物件型別程式不受到任何影響，當 PDM 系統中將 CAD 應用程式封裝起來，就可以在 PDM 系統中直接啟用與之整合的 CAD 系統。

 

應用封裝模式有兩個特點，一方面由應用工具所產生的檔案可以被 PDM 系統自動識別，儲存以及控制管理；另一方面可以開啟相應的應用工具，啟用在 PDM 中儲存的檔案，原檔案可以在已經啟動了的工具中被編輯。應用封裝模式較為簡單，工作量較小，自動化程度低，在兩個系統的整合過程中比較容易實現，但應用封裝模式也存在一些不足，封裝不能對檔案內部如產品的特徵屬性，引數以及裝配資料等的具體資料進行相應的管理。

 

因此，對於產品內部具體的資料 “封裝”不能實現充分的瞭解，當資料包含產品結構資訊時， PDM 的產品結構配置模組需要對產品內部的結構關係有很充分的瞭解，並掌握這些關係。這樣就導致當需整合不同應用系統間產品結構資訊時，若仍採用封裝模式進行整合，則滿足不了整合的需求，整合的需求。

 

1 .3.2   介面模式

封裝不能實現一些包含有產品結構資訊的資料之間的整合，這時需要採用介面模式和緊密整合模式來實現整合。

 

產品的裝配樹通常可以由三維軟體進行產品的裝配時自動生成。 PDM 系統中的產品結構樹與 CAD 系統生成的產品裝配樹是有一定關係的，如果將這種關係忽略掉，而在 PDM 中產品結構樹由工作人員人工編輯而產生，就有可能使得資料不一致，也有可能造成資料的重複輸入等錯誤。可以透過介面程式，使得 PDM 中的產品結構樹由 CAD 系統中產品裝配樹自動生成， CAD 系統提供了豐富的 API 函式，這些函式可以幫助 PDM 系統獲得產品內部的結構關係，從而實現 PDM 的產品結構樹的自動生成，更新後的產品結構關係可以在自動生成的 PDM 產品結構樹中獲取，產品結構關係更新後， CAD 的裝配檔案可能會與新的產品結構關係不一致，這時 API 函式會對這些 CAD 檔案作出相應的修改並儲存，從而可以保證兩者的非同步一致。

 

由以上分析可得出下面的結論，與封裝模式相比介面模式是更高層次的整合模式 [43] 。介面模式能夠實現兩個功能，一方面透過介面程式獲取產品結構關係，從而由 CAD 裝配檔案中的裝配樹自動生成 PDM 的產品結構樹；另一方面可以從 PDM 的產品結構樹中提取最新的產品結構關係，根據更新後的產品結構關係去對與 PDM 的產品結構樹不一致的 CAD 的裝配檔案做出修改，使兩者保持非同步一致，在操作介面上， CAD 系統介面上要有 PDM 系統的功能選單，而 PDM 系統介面上也要有 CAD 系統的功能選單，這樣就使得采用介面模式整合的工作難度遠遠比應用封裝模式高。

 

三維 CAD 系統與 PDM 系統之間存在許多共享的資料模型，在封裝模式的基礎上，根據這些共享的資料模型，並透過資料介面，三維 CAD 系統的部分資料物件不用透過人工在 PDM 系統中建立，或者三維 CAD 系統中所需要的資料物件可以從 PDM 系統中進行相關的呼叫。

介面模式根據使用者對系統資料的要求，還可以分為工具式介面、直通式介面和間接式介面。

 

1 .3.3   緊密整合模式

在三種整合模式中，緊密整合模式是 CAD 系統與 PDM 系統整合的最高層次，這種整合模式使 CAD 與 PDM 系統中所有型別的資料都得到了雙向交換和共享，緊密整合模式詳細分析了在 CAD 系統中進行產品設計時產生的圖形資料和在 PDM 生成的產品結構樹的相關性，使產品資料之間的結構關係在兩個系統中得到統一， CAD 的裝配關係與 PDM 產品結構樹要始終保持一致，只要兩個系統其中任何一個系統的產品結構關係發生了變化，就會對另一個系統的產品結構關係造成影響。而且與其他兩個整合模式相比較，系統之間共享的內容也得到擴充套件，資料和操作服務也可以得到共享。

 

緊密整合模式是企業比較理想的整合模式，是整合的最終目標，以該種整合模式實現整合時，與 PDM 系統整合的應用系統成為 PDM 的有機組成部分，該整合模式允許 CAD 系統與 PDM 系統的有關服務被互相呼叫，以方便相關操作的執行，使兩系統之間的關係更加緊密，有利於實現真正的一體化。

 

綜上分析，與 CAD 系統與 PDM 系統整合的其他兩種整合模式相比較，緊密整合模式是最好的整合模式，它可以滿足使用者最多的需求，但這種整合模式也是最難實現的，一般由軟體供應商開發這種整合模式。當採用這種模式進行整合的設計過程中，系統管理人員需要對 CAD 系統和 PDM 系統有充分的瞭解，以能夠使 CAD 檔案的屬性得到準確的定義，設定使用者最適合的工作環境。使用者在應用過程中需要對整合命令有準確的理解， CAD 系統的裝配樹和 PDM 系統的產品結構樹的一致性由系統來保障，在進行緊密整合模式的設計時，一種共享的資訊模型在 PDM 系統和 CAD 系統中建立起來，其中一個系統中的資料修改時，雙方仍能夠保持資料的一致性。

 

緊密整合模式的實現較為複雜，以該種模式實現整合需要獲取 CAD 系統和 PDM 系統的內部資料結構，制定統一的資料之間的結構關係，開發工作量非常大，實現起來比較困難，要真正以這種模式實現整合，在技術上取決於應用系統的開放性以及對兩系統內部結構瞭解的程度。

 

1 .4   CAD 與 PDM 整合的相關技術

1 .4.1   API 技術

CAD 系統在電器行業的大量應用，幾乎所有電器產品的設計都依靠 CAD 系統來完成的。使用三維 CAD 在對產品進行設計開發時會產生大量的設計資料， PDM 系統產品結構資訊的來源就是這些資料。不斷擴大的 CAD 應用，積累了大量的設計資料，這都需要 PDM 的管理， PDM 的任務越來越大，傳統的方式是在 PDM 中讓工作人員將資料逐個錄入，這就會使效率大大降低，浪費了大量的時間，而且也降低了準確性，因此，必須改變這種傳統的資料錄入方式，能夠將 CAD 系統產生的的產品資訊自動傳遞到 PDM 系統中，使 PDM 從 CAD 系統中自動的獲取產品的設計資訊，這就產生了一個問題，怎樣提取三維 CAD 中的產品結構資訊和基本資訊到 PDM 系統中，這個問題是整合必須首要考慮的，為方便使用者需求，目前企業常用的三維 CAD 軟體都給客戶提供相關的 API 函式。

 

作業系統的 API 提供了對作業系統功能呼叫的途徑；資料庫的 API 提供了資料庫連線和資料操作的方法。許多大型的成熟的應用軟體也提供了它們的 API 供外界呼叫，執行外部程式要求的操作和返回資料。

 

API ：應用程式介面（ Application   Program   Interface ），是一組集合，用來定義程式及協議，各個產品設計軟體之間的相互通訊需要依靠 API 函式進行。設計人員透過 API 函式的使用來將應用程式進行開發，可以減輕程式設計任務從而提高工作效率。 API 同時也可以作為一種中介軟體，使不同平臺的資料達到共享。 API 介面採用的方法是物件導向法，使用者可以使用不同程式語言對所有的函式的物件進行程式設計、除錯。

 

CAD 系統與 PDM 系統進行雙向整合時， API 函式的使用非常重要，能夠正確的使用 API 函式會使整合快速順利的進行。一般來說，在產品的設計過程中會產生大量的設計資料和模型文件，這些資料和檔案常被儲存在伺服器的資料庫或是 FTP 上，整合過程中資料的流向分為兩種即“流進來”或“流出去”，這就要求雙向整合過程資料要能被上傳或被下載，在往系統中進行上傳資料之前，透過 API 函式的正確使用來遍歷在 CAD 裝配模組中產生的產品的裝配樹，以得到產品的結構以及產品的基本屬性資訊等。在從系統中進行下載已上傳的資料之後，也是透過使用相應的 API 函式來在 PDM 系統中構建產品結構樹，以使得產品的裝配模型能夠隨著 PDM 的產品結構樹的更新而得到相應的更新等。綜上分析，正確使用 API 函式，整合的效率將得到很大的提高。

 

1 .4.2   COM 元件技術

COM 是 Component   Object   Model 的英文縮寫，中文全稱是元件物件模型，它是一種軟體元件結構標準，誕生於 1993 年由 Microsoft 公司制訂，其目的是能夠靈活的完成應用程式的建立，最初目標是為物件連結與嵌入 (OLE) 提供支援。

 

COM （元件物件模型）的一個功能是給出了標準的構建元件的方法，該方法其實是軟體元件之間的相互通訊的一種方式。對於任意的兩個元件，它唯一的要求是它們執行在兩臺互連的計算機上，無論這兩臺計算機是否在相同的作業系統下執行，只要各自的作業系統都能夠支援 COM ，也不管是靠哪種語言編寫的該元件，這兩個元件都可以互相通訊， COM 規範是一套為元件架構設定標準的文件 , 提供了一種編寫與語言無關的能夠按物件導向 API 形式提供服務的元件的方法。 COM 具有一個被稱作 COM 庫的 API, 它提供了對所有客戶及元件都非常有用的元件管理服務。

 

COM 介面定義了介面的功能 , 功能的具體實現則是在 COM 元件中完成的。一個 COM 元件可以實現任意數目的介面 , 這可以透過對定義介面的抽象基類的多重繼承或使用巢狀類等方式來實現。

 

COM 為元件提供了二進位制的網路標準的同時也提供了一些程式設計模型，定義了一整套機制，該套機制能夠使軟體元件之間的互相操作得以實現，能夠在技術上對軟體的元件化進行支援。 COM 是一個可以用來為任何型別的應用程式構建元件的普遍的模型，而不是一個特殊型別的應用程式。

 

三維 CAD 設計軟體 So1idworks 是基於 Windows 平臺進行開發的軟體，它能夠提供大量的 API 函式，並且可以用基於物件的方法對這些介面進行建立，這些物件指的就是 COM 物件。 API 可以顯示出 COM 物件的各項功能，每個 COM 物件都有自己的特點，它們有屬於自己獨有的的資料和方法，在應用程式介面之後會將這些資料和方法隱藏起來。指標的使用實現了對 COM 介面的訪問，當物件的介面指標得到時，該物件的介面函式就能被呼叫以進行具體的操作。

 

1 .4.3   XML

XML 即可擴充套件標記語言，是 Extensible   Markup   Language 的縮寫，可以使透過網路進行的互動合作的可靠性以及相互之間的操作性增強，基於的技術極大的方便了開發者利用網路進行資料的表示、處理以及資料的交換和傳輸等。

 

XML 於上個世紀 90 年代後期產生， 1998 年 2 月， W3C 組織釋出了 XML 標準， W3C 組織釋出 XML 標準的最初的目的是，定義一種網際網路資料交換的標準，用於解決計算機之間的傳輸和文件交換問題，不同於其他語言， XML 並非是結構化的，它是半結構化的語言，它包含三個要素，分別是：文件型別定義 DTD 、可擴充套件樣式語言 XSL 和可擴充套件連結語言 xlink ， DTD 對 XML 檔案中的元素以及元素的屬性進行了定義，並解釋了元素與其屬性之間的相互關係；要想使 XML 文件資料可以進行統一的表示以及實現資料之間的相互整合都需要依靠名稱空間來完成； XML 文件的呈現樣式可以由可擴充套件樣式語言 XSL 來規定，這樣就使得資料與資料的表現形式之間的相互獨立性得以實現；而當前 Web 上已具有的簡單連結將由可擴充套件連結語言 xlink 做更深的擴充套件， XML 可以用來作為多種應用程式的之間的橋樑，有效的解決異構資料之間的交換。

 

XML 應用於資料交換的優點有：

1 ） XML 具有許多優點，如：其內部的內容和表現形式之間是相互獨立的，並且它還具有跨平臺移植性，自描述效能也非常好等。

 

2 ）良好的結構表示能力：資料在進行交換時，源資料與我們最終所需要的資料（這裡我們稱為“目標資料”）可能存在一定的差異，這種差異主要表現在結構上 , 並且如果資料的來源不是單一的，這樣會有多個資料來源，並且這些不同的資料來源可能會由不同的資料模式來構成，這就更加需要具有良好的結構表示能力語言來實現資料的交換。

 

3 ）對資料的表示能力：文件的本質是一種樹形結構。 XML 由巢狀的帶有標記的元素構成。樹形結構中有多個結點，這些結點便是 XML 的元素。元素的相關資訊可以用元素的屬性來定義，對於 XML 文件中的元素來講，它可以存在若干方面的屬性。整個 XML 文件包含的資料可以透過遍歷樹的方式來獲取，在進行對某一個或幾個指定節點進行查詢時也變的非常方便。

 

4 ）對語義的表示能力：可以用屬性來對一種資料型別進行全面的描述，資料的屬性有很多方面如名稱、單位、格式、資料型別等，在對資料進行定義時，元素的屬性越多，其對資料的定義會越準確，為使資料的語義表示能力增強， XML 可增加元素的屬性。

 

5 ）資料可以在異構應用系統之間方便的進行共享： XML 的靈活性，良好的擴充套件性、跨平臺移植性以及良好的自我描述等特性，為異構應用系統之間的資料能夠互相共享提供了可能實現的條件。

 

6 ）不同來源資料整合：結構化資料可能有許多來源，能夠透過使用 XML 來將這些資料結合在一起，對於從後端資料庫和其他應用程式處來的資料之間的整合 XML 可以透過在中間層的伺服器上來實現。同時 XML 具有開放性，具有豐富的語義資訊，使用者可以採用 DOM 解析技術分析 XML 的 DTD 獲取文件組織結構，所以 XML 非常適合作為異構資料的中間層表示或資料傳輸的介面。

 

1 .5   本章小結

本章主要介紹了 CAD 系統與 PDM 系統整合的相關知識，首先分析了整合的必要性，根據整合的需要對整合的層次進行了介紹，在整合層次小節中重點分析了三種整合模式，主要介紹了三種整合模式的概念及各自的優點及缺陷，最後介紹了用於 CAD 系統與 PDM 系統之間的整合的相關技術。本文章來自御雲鈑金軟體，更多詳細資訊請點選：