裝配設計中CAD/PDM集成研究與實現

阮小寧，劉 偉，張海明

（濟南二機床集團有限公司，山東 濟南 250022）

1 前言

自上世紀九十年代以來，成熟的二維CAD軟件逐漸成為產品設計的主流工具。進入二十一世紀，三維CAD與PDM軟件也逐步成熟，在一定范圍內得到了應用[1]。但在CAD/PDM集成方面卻不盡人意，出現了所謂“信息孤島”，且長期未得到解決，成為計算機應用的難點。

PDM概念形成之初，就有人開始研究CAD/PDM集成問題，但大多集中在概念、原理、框架與方案層面，真正有效實用的開發、實現很少，成熟的軟件與應用同樣很少[2]。設計人員期盼CAD/PDM集成能像CAD與PDM軟件那樣成熟與普及。

CAD/PDM集成問題范圍很廣，涉及到CAD與PDM相關的方方面面。本文從機械行業設計人員工作量最多的裝配設計入手，研究裝配設計中CAD/PDM集成問題，從設計人員應用的角度出發，分析PDM與CAD軟件自身的特點，提出一種基于裝配設計的PDM/CAD優化集成方案，并給出了一個具體實現的應用效果較好的實例。后文提到的“集成”，特指“裝配設計中的CAD/PDM集成”。

2 集成方案的分析及總體架構

2.1 CAD/PDM集成的復雜性

CAD/PDM集成難在哪里？各家企業的產品都有各自的特點，其設計方式、流程與習慣不盡相同，采用的CAD、PDM軟件的應用水平與環境也千差萬別。所以，各企業的CAD/PDM集成各不相同。隨著CAD、PDM技術的進展，綜合各種二維三維CAD、PDM的集成會變得更加復雜。

CAD/PDM集成誰來做？有人傾向由PDM廠商來做，甚至期望PDM與CAD軟件融合后就可以不集成了。其實PDM本質上是面向數據庫的管理軟件，CAD是面向圖形或三維模型的科學計算軟件，其框架與數據結構完全不同。曾有廠商把二維、三維CAD統一到一個軟件內，但沒有分開做的好，使得現在二維CAD軟件仍有很大發展空間。二維、三維CAD的融合難度尚且如此，更不要說PDM與CAD差別這樣大的軟件了。所以CAD/PDM集成主要應由增值服務商或應用單位二次開發人員來做。而CAD與PDM廠商主要任務是提供更好的開發工具。

此外，從集成的開發到成熟應用，是一個逐步成長發展的過程。用戶在軟件使用過程中提出的有價值的建議以及PDM中的數據積累與數據規劃整理工作，使得CAD/PDM集成越來越成熟與完善。因此，CAD/PDM集成完善不單單是開發者的職責，同時也是用戶不可推卸的責任。

2.2 集成環境下的裝配設計分析

2.2.1 裝配設計流程

在產品設計中，可以把產品分成一個個小的裝配單元，每一個裝配單元的設計規則都是相同的，一個基本的裝配單元的設計過程見圖1。

從圖1可看出裝配設計的主要流程，這些設計工作依賴于CAD軟件來完成。在這個過程中，一方面要設計新的零件，一方面直接選擇PDM中成熟的零件。此外，一個完整的裝配設計單元還應包括檢查驗證模塊，這里的檢查驗證主要指的是裝配圖中的零部件與PDM數據庫中已有數據的比對過程，通過程序防止設計錯誤進入下游。

圖1 裝配單元設計流程

2.2.2 產品零件分類

如何有效合理地對產品的零部件進行分類不僅是提高產品設計效率的重要手段之一，而且能夠大大縮短產品的交貨期。從設計的角度講，直接選用成熟的零件進行產品的裝配設計對于縮短設計周期是毋庸置疑的。此外，從企業全局角度出發，PDM中成熟的零部件除了具有成熟的設計屬性以外，其下游所有的加工及裝配屬性都是完整的，可以直接投入到加工裝配階段，從而大大縮短交貨周期。

鑒于此，本文從標準化的角度出發，將零部件分為五大類：基本件、借用件、通用件、外購件、標準件，其屬性定義分別為 J、JY、T、W、B。

在PDM數據庫中，要根據這些零件的特點建立分層的樹狀結構，便于建立分類數據查詢。文中對某企業的某一種壓力機產品做了統計，共有零件5570種，真正進行重新設計的基本件僅有1791種，其中各種件比重如圖2所示。

因此，裝配設計中應盡量選擇成熟的零件，減少基本件的數量。此外，基本件在整個產品設計中的比重也側面反映了企業標準化程度的高低。

2.2.3 裝配設計對集成的功能需求

（1）應在CAD軟件的裝配環境下嵌入PDM選擇零件數據的界面。

（2）在嵌入的PDM數據選擇界面，應提供多種選擇零件的方法。對于PDM中已存在的成熟零件，可以直接選擇進入CAD軟件裝配環境中，防止輸入字符時出錯，找錯零件。

（3）能夠讀取本地文件夾中的基本件，提取基本件的信息，并適時更新到裝配圖的明細表及零件的塊屬性中。

圖2 某壓力機產品零件分類比重

（4）對于裝配環境下明細表中的零件，應該提供一個數據檢查模塊，主要功能包括檢查非基本件是否符合PDM數據的要求，檢查基本件是否符合設計規范等。

2.3 基于CAD/PDM集成的軟件開發原則

2.3.1 優先選用單向集成

單向集成是指CAD修改后，再運行PDM中的程序更改PDM數據；雙向集成是指在PDM修改BOM后，再在CAD軟件中更新。

2.3.2 采用松耦合的集成

模塊間盡量采用松耦合[3]，是軟件開發的基本原則，在CAD/PDM集成的開發中尤其重要。但不少開發者偏喜歡緊耦合的方式，使軟件臃腫、修改調試困難。

2.4 基于裝配設計的集成總體架構

基于以上分析，集成方案的總體架構應采用從CAD到PDM的單向集成，軟件架構為松耦合、輕量化。從而在裝配設計過程中，實現多種零件的選擇方法，提高裝配設計的效率。基本件與非基本件讀取到裝配圖的明細表中的同時進行PDM的數據檢查。圖3為基于CAD/PDM集成的裝配設計流程圖。

圖3 基于CAD/PDM集成的裝配設計流程圖

3 集成的原理與關鍵技術

3.1 裝配設計中的CAD/PDM集成原理

裝配設計主要在CAD中完成，CAD圖形或模型文件作為裝配零件（單層BOM）的載體，PDM是集成的數據源。基本原理如圖4所示。

圖4 裝配設計中的CAD/PDM集成原理

可以看出，集成模塊獨立于CAD、PDM軟件，本質上是運行在本地的包含多種方法PDM查詢組件。集成模塊由CAD軟件啟動，在線讀入正在設計的裝配的零件數據（二維圖明細表或三維裝配結構樹），在模塊中以數據表格方式顯示[4]。通過PDM查詢選擇非基本件到數據表格中，或者讀取基本件（二維圖標題欄）到表格。所有零件數據只需選擇不用輸入，可保證數據的準確性。數據編輯完成后更新到CAD裝配設計中。完成裝配設計前或裝配設計中，可隨時啟動集成模塊對零件數據進行檢查。檢查時集成模塊將所有非基本件與PDM數據庫對比，檢查可用性。

3.2 集成的關鍵技術

3.2.1 CAD文件內零件數據的存儲

CAD文件主要是存儲圖形或模型數據的，只有較新的三維軟件的裝配提供了零件結構的對象模型，一般二維CAD沒有存儲零件數據的位置。為了CAD/PDM集成，二維CAD應選擇有效的在圖文件內存儲零件數據的替代方法。對有塊屬性的二維CAD，流行的方法是用塊屬性來存放零件數據；對無塊屬性的二維軟件，大多采用字符串在圖中特定位置來標示零件數據。在CAD/PDM集成開發前，要首先制定企業統一的CAD文件存儲零件數據格式。

3.2.2 CAD與PDM軟件的二次開發技術

CAD軟件一般都有自己的二次開發工具，用于開發輸入輸出接口或擴展功能。早期軟件的工具開放性差，與外部接口較困難，后期軟件大多采用了OLE（對象的鏈接與嵌入）技術，與常用的開發語言提供了方便的接口。PDM軟件的二次開發工具因軟件的不同差別很大。

3.2.3 在線讀取與更新零件數據

裝配設計中的CAD/PDM集成，應隨時能夠讀取與更新正在設計中的裝配圖（或裝配體）的零件數據[5]。需要采用上述的二次開發工具與零件數據存儲格式，使設計員能夠集成模塊中方便的更改或檢查零件數據。

3.2.4 數據庫開發技術

集成模塊應能提供對PDM數據庫的多種零件數據的查詢方法。若PDM軟件提供二次開發工具，可用二次開發工具開發數據查詢安全性好，但效率低。若有可能也可以用常用語言直接開發數據庫查詢，效率較高。對只有查詢的任務，安全性可適當降低要求。這樣就需要熟練掌握數據庫的開發技術，充分利用數據庫的各種數據查詢功能，包括存儲過程的開發技術。

3.2.5 分布式應用程序的開發

在局域網內的CAD/PDM集成，一般采用客戶/服務器的架構，需要掌握分布式應用程序的開發技術。對微軟平臺，需要利用COM+或WCF等技術。

3.2.6 CAD文件的零件數據提取

當需要讀取基本件標題欄信息時，需要直接讀取外部的CAD文件。這與在線讀寫零件數據不同，在線讀寫使用CAD二次開發工具，直接讀取CAD文件一般用通用的開發語言，需要了解圖文件的數據格式，難度較大。

4 實例

基于上述研究，筆者在開發某大型機械企業的CAD/PDM集成項目中得到了實現。經過數年的應用與不斷改進，PDM及CAD/PDM集成已成為企業產品研發的重要平臺，取得了良好效果。

實例選擇的企業是按訂單設計制造的類型，設計工作量大、周期短，采用多種二維、三維CAD軟件，也有自己的PDM、ERP軟件。因此，裝配設計中CAD/PDM集成是CAD/PDM集成的首選方向。

方案的重點是，裝配設計時，在各CAD軟件嵌入PDM窗口，采用多種選擇零件方法，將PDM已有零件存入CAD，能夠檢查裝配中零件在PDM的可用性。企業采用多種二維軟件和Solid Edge三維軟件。對兩種二維軟件完全實現了上述的集成，并具有相同的界面。對三維軟件實現了裝配體的PDM零件數據檢查。下面以IDEAS Drafting為例做一介紹。集成界面如圖（圖5）。

圖5 讀零件數據到表格

5 結論

面對復雜的CAD/PDM集成的難題，可能有多種解決方案。應從設計工程實踐出發，研究企業產品設計的特點，研究企業現有CAD、PDM軟件的功能特色與開發工具，探索適合企業環境的優化集成方案。要找出影響CAD/PDM集成的關鍵技術問題逐一攻關，開發適合企業應用的軟件程序，要盡量結構簡單、操作方便。本文所實現的在裝配設計環境中CAD/PDM集成，在某大型機械企業中已經獲得了較好的驗證效果，不失為一種解決策略。

[1]約瑟夫·蕭塔納.制造企業的產品數據管理[M].祁國寧譯.北京：機械工業出版社，2000.

[2]高奇微，莫欣農.產品數據管理（PDM）及其實施[M].北京：機械工業出版社，1998.

[3]Erich Gamma等.設計模式：可復用面向對象軟件的基礎[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]王 勇，趙國群，等.模具企業中PDM系統的流程管理功能設計及實現[J].鍛壓設備與制造技術，2005，40（6）.

[5]李玉萍.CAD/CAM集成技術在沖壓模具生產中的應用[J].鍛壓設備與制造技術，2003，38（5）.