三维CAD环境下的产品数据管理方法 - 文章

三维CAD环境下的产品数据管理方法

作者：李海峰吴慧中陈卫东来源：e-works

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引言

三维CAD环境下的数据类型繁多，使得产品数据管理模式复杂化。三维CAD除三维模型和二维图形等几何元素外，还具有设计表、派生零部件、分类管理、特征字典等新的数据类型，这些元素之间存在多种约束关系。另外，不同CAD之间数据格式不同，难以做到系统间的数据、信息、知识、功能等方面的共享和交换，CAD和管理系统之间的互操作性亟待提高。由于三维CAD和管理系统之间的集成比较复杂，因此要有效地实现二者之间的细粒度互操作（即解决所需数据、知识、功能的共享和交换），还需解决诸多深层次问题，需采用新的方法，如基于本体论的工程信息共享，CAD服务标准制订等。本文主要研究在现有CAD环境下，通过数据类型定义和规则定义，实现CAD与产品数据管理系统的集成。

目前，国外研究机构和软件开发商主要针对商业三维CAD进行定制开发，以实现对特定CAD的产品数据管理（product data management，PDM），这些系统包括集成Pro/E的Windchill、集成UG的TeamCenter、集成CATIA的ENOVIA等。国内同时开展了对三维CAD的数据管理研究，本文重点探讨对三维CAD进行数据管理的普遍方法，对三维CAD环境下的数据类型、元素间的约束和关系、数据在生命周期过程中的过程管理等进行定义；并讨论在进行生命周期操作时（创建、出库、入库、发布等）相关数据进行自动更新的规则。

1、三维CAD基本数据类型定义

PDM不要求细化到CAD中的点、线、面、体等几何元素，主要侧重实体和数据类型之间的关联关系。对于几何实体和图形信息，产品数据管理系统通过文档管理实现对电子文件的操作，电子文件中包含CAD模型和图纸的全部信息。

PDM重点对装配体、零件、图纸等结构化信息进行管理，其定义描述如下。

定义1、三维CAD数据管理包含的内含的集合表示为

Content=｛Assem，Part，Drawing，Catalog，ParaTable，FeatureDic，Appendix，Relation｝。

其中，Assem表示装配实体；Part表示零件；Drawing表示图纸；Catalog表示实体集合，通常用来管理标准件；ParaTable表示设计参数表；FeatureDic表示特征字典；Appendix表示材料、表单等附属信息；Relation表示前面元素间存在的约束和参考关系。

不同的三维CAD系统包含的数据元素不一样，如CATIA中包含定义1中的所有元素，而SolidWorks中只有Assem，Part，Drawing等基本元素。

定义2.三维CAD中管理元素之间的关系类型定义为

Relation=｛HierarchyLink，GeneralLink，SpecificationLink｝。

其中，HierarchyLink用于表达装配体和零件之间的组成关系，形成具有父子关系的层次结构，在表现形式上通常采用结构树描述层次结构；GeneralLink为通用关系，其内容将在定义3中描述；SpecificationLink表示三维实体和二维图纸之间的特殊关联关系，主要用于控制关系双方同步。

定义3.元素间通用关系定义为

GenralLink=｛AnalysisLink，Rule-BaseLink，ReferenceLink，ResultLink，DesignTableLink，DownstreamAppLink，ContextualLink｝。

其中，AnalysisLink表示分析数据与分析对象之间的关系；Rule-BaseLink表示特征与实体之间的驱动关系；ReferenceLink表示元素间一般性的参考关系，如材料和实体间具有参考关系；Result Link表示结果数据（如仿真结果）与分析对象之间的关系；Design Table Link表示参数表与实体之间的特定关系；Downstream AppLink表示上层应用与下层应用间的关系；Contextual Link表示数据元素与应用环境之间的关系。

PDM系统在对数据元素及其之间的关系等静态数据进行管理的同时，还需管理产品数据的变化过程。使用PDM后，数据统一存放在电子仓库中，数据在生命周期过程中对应有多种状态，每种状态对应有相应的操作。

定义4.数据在生命周期中的状态定义为

LifeStatus=｛New，Checkedin，Checkedout，Release，Newrelease，Obsolete｝。

其中，New表示刚建立的数据，还未存入电子仓库中；Checkedin表示检入到电子仓库中的数据；Checkedout表示从电子仓库中检出的数据；Release表示发布的数据，该状态下的数据形成一个固定的版本，不能再做修改；Newrelease是在现有发布版本的基础上生成的新版本；Obsolete表示归档数据。每个状态对应有相应的同名操作，用于执行状态的改变。

2、数据约束和关联定义

为记录数据元素之间的约束和关联关系，做如下语义定义。

定义5.装配件由部件、组合件、零件等装配单元组成，零件是最基本的装配单元，按照一定的约束关系和层次关系进行装配。

定义6.装配之间的约束关系可表示为三元组RE（a，b，A），表示装配单元a和b之间存在约束关系R，其属性为A。约束关系R根据容差和综合的要求，分为定位关系和非定位关系，其表示为

定义7.装配件和零件等实体信息与对应的二维图纸之间存在特定的关联关系，可表示为三元组SR=（Model，Drawing，A），它表示实体模型Model和图纸Drawing间存在特定约束SR，其属性为A。这种特定约束要求在修改和编辑三维模型时，二维图纸的状态能自动更新，反之亦然。

定义8.三维CAD系统中数据元素存在通用关联关系，可表示为三元组GR=（Element1，Element2，A），Element1和Element2分别代表具有关联关系的双方，其属性为A。通用关系类型的定义见定义3，表示为

3、数据模型定义

不同的三维CAD中包含的管理数据类型不同，下面以CAXASOLID数据模型为例，说明对三维CAD数据的管理。CAXASOLID为CAXA开发的国产三维CAD系统，管理数据模型可分为装配件、零件和二维图纸等几种基本数据类型，其中装配件和零件采用同样的建模环境和表示方法，统一用CAXSOLIDMODEL表示，CAXSOLIDDRAWING则用来表示与三维模型对应的二维图纸。

CAXASOLID中数据模型之间存在多种关系，如表1所示。

主动方表示当前考察的对象，从动方是与主动方相关的对象。CAXCOMPOSEDOF中关系的双方为实体模型，表示二者之间存在装配关系；CAXDERIVEDPART表示2个模型之间的派生关系，当基础件修改时，派生件随之自动修改；CAXDRAWINGOF描述二维图纸及与之相关的三维模型之间的关系，表示图纸所属的模型。

4、CAD数据在生命周期过程中的管理

在对一种CAD数据进行生命周期相关操作时，由于CAD数据之间的关联性，要求对相关的数据进行处理。

表2所示为在对装配件进行操作时（源操作），对应的零件模型执行的操作（目标操作）或备选操作，以及关系对象应进行的操作（链接操作）。如对装配件进行检入（Check in），则零件自动检入，其关系对象不作变化。

“切换到新版本”选项控制模型在执行生命周期相关操作时是否切换到新版本。如检出（Check out）一个包含有子模型的装配件，电子仓库中有子模型的最新版本，切换到新版本的设置决定是否自动更新到子模型的最新版本。“通知同步”选项使装配件和其子模型执行相同的版本操作。如一个装配件包含许多子模型，打开通知同步开关能够同时对模型的所有子件执行与零件模型相同的版本操作（如检入、检出、发布）。

表2所示为装配件和零件在生命周期操作中的关系，当零件模型执行生命周期相关操作时，其装配件的生命周期对应有不同的操作，其具体定义如表3所示。

表3中，源操作表示对零件模型执行的操作，目标操作表示对装配件执行的操作。如当对零件执行检入时，其对应的装配件并不检入。

同样，对其他关系类型（如三维模型和二维图纸关联关系、零件和派生件关系等）可以采用同样的方式进行定义，关联关系如表4所示，其规则一是遵循对象间的几何约束关系，二是根据企业数据管理的特点进行个性化设置。

5、三维CAD数据管理实现

三维CAD数据管理系统在实现上依托DASSAULT SYSTEM公司的SMARTEAM平台，利用SMARTEAM提供的DataModelDesinger建立面向具体CAD系统的数据模型，通过SMARTEAM的IntegrationToolsSetup定义CAD数据模型和PDM模型之间的映射关系。在编程实现上，以CAXA实体设计系统为例，其包含可供二次开发的程序接口CAXASOLID Automation，该接口采用COM组件方式进行封装，支持VB和VC等环境下的编程开发。对其他CAD系统，可通过各自的API进行开发，如CATIA的CAA平台、UGII的UG/Open二次开发工具集、Pro/E的Toolkit开发工具等。

在开发实现上，以处理三维模型和二维图纸的关联关系为例，说明系统的实现和处理过程。

工程师在三维CAD系统中构造模型，通过转换工具自动生成二维格式的图纸，PDM系统通过在系统的数据结构内部建立三维模型与二维图纸的关联关系。图2所示为三维模型与二维图纸同步进行出入库的过程。在进行产品设计时，三维模型和二维数据同时检入保存到PDM的服务端，PDM系统在数据库中自动建立二者之间的联系。在检出编辑时，三维模型和二维数据同时被下载到客户端，根据数据库中的信息建立正确的关联路径，以保证二者能同时加载到CAD应用系统中。当要修改某零部件图时，打开其二维图纸文件，并在二维图纸页面上确定要修改的部分，进行修改操作时，三维CAD可根据PDM记录的关联关系自动打开相应的三维模型，这时只修改三维模型，模型修改结束则系统对二维图自动作相应的修改。另外，PDM可对三维模型和二维图纸的同步更新做检查。如检入时三维模型没有对应的二维图，则检入操作失败，从而保障数据一致性。

集成模式支持在CAD环境中内嵌PDM功能菜单，在设计过程中完成CAD文件的检入、检出、信息提取和交互等操作，为工程师提供更为集成、高效的工作环境。图3所示为CAXA实体设计环境中的产品数据管理功能菜单，用于实现数据库连接、图档生命周期管理、数据关系管理等操作。图4所示为CATIA数据管理模块的实现，它采用CAA进行开发，在CAD环境下增加检入、检出、结构信息提取、三维模型和二维图纸关联管理等功能菜单，设计人员通过这些菜单与PDM系统进行数据交互。

图3 CAXA实体内嵌PDM功能菜单

图4 CATIA实体内嵌PDM功能菜单

6、小结

本文对三维CAD中的管理数据类型及其关系进行定义，并进行了初步实现。借助SMARTEAM平台和CAD系统提供的二次开发接口，本文较好地实现了三维模型信息提取与交互、产品数据生命周期管理、三维模型与二维图纸的关联管理等。现有成果已在CAXAV5产品中得到应用，并已推向市场。由于三维CAD数据本身的复杂性，目前对几何实体约束和关联管理的研究还处于初步阶段，下一步将继续对此问题进行探讨，使三维CAD数据能更好地融入产品数据管理系统中，支持产品、过程和资源的一体化管理。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/17/2008)


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