基于PDM的定制化3C集成系统研究与开发 - 文章

基于PDM的定制化3C集成系统研究与开发

作者：北京航空航天大学刘文安

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摘要：随着3C(CAD/CAPP/CAM)集成系统在企业的应用，企业为了提高产品开发效率和满足用户个性化需求，急需对3C集成系统的定制化进行研究。本文探讨了定制化3C集成系统的设计思想和实现方法，在开放的统一产品信息模型基础上，设计了基于PDM的定制化3C集成系统框架，并对实现该框架所涉及的定制内容及其实现技术进行了深入研究。给出了在PDM商业软件Teamcenter Engineering环境下所实现的3C定制集成的实例。
关键词：定制化；集成；PDM；3C(CAD/CAPP/CAM)

随着自动化系统CAD、CAPP、CAM在企业广泛应用，为了提高产品开发效率，企业强烈要求产品设计、工艺设计、数控编程（即CAD/CAPP/CAM，简称3C）三系统之间数据和信息可以自动化传递和转换，即3C集成。在企业使用产品数据管理PDM技术之前，3C集成系统主要采用专用数据格式文件来交换信息，集中体现于统一的数据库以及统一的数模、算法等方面[1]。并且大多是针对企业原有技术条件、某类产品生产品种及规模而设计开发的，主要是通过大量的编程工作来实现数据接口的前置和后置处理、流程定义、固定的数据输出格式、所需的系统功能等。只注重目前功能的可实现性，并没有过多考虑到系统以后的可扩展性。一旦产品开发任务、开发流程、产品数据文档格式发生变化，这些3C集成系统又难于适应这些变化，往往需要重新组织人员开发，造成大量的人力、物力、财力的浪费，使得企业竞争力下降。为了避免这种现象发生，就要求系统提供给用户针对开发任务来定制安装系统功能，定义开发流程和数据文档格式，根据个人习惯来定制系统运行界面等个性化定制功能，以提高工作效率。即需要研究和设计可定制化的3C集成系统，让系统必须面向用户进行设计，为用户提供个性化定制功能，以提高3C集成系统的适应性。设计时可以采用PDM系统作为集成平台，这是考虑到现在许多商业化PDM系统的定制功能越来越强，可以提高系统的可扩充性，使得定制化3C集成系统的研究与实施能够得到保障。

本文从企业对定制化3C集成系统的需求出发，对系统的通用性和个性化结合问题进行了分析，探讨了定制化集成系统的设计思想、定制化内容和实现技术，最后结合一个实际系统，对在PDM平台上实现3C集成系统的定制化功能进行了开发和验证。

1定制化3C集成系统设计思想

随着市场需求的变化，定制化概念在不同行业得到了一定研究，如文献[2]将企业生产过程中的定制分成设计定制、制造定制、装配定制和自定制四种类型，文献[3]研究和开发了基于PDM的定制化CAPP系统。系统定制是按照用户的具体需求来设计系统的过程，提供给用户对系统的修改、剪裁和添加等功能。定制的本质是在满足企业产品开发需求的前提下提高开发效率，它是系统通用化与定制化的辩证统一体。主要表现在两方面：一方面，通用化是系统定制的前提与基础，它是企业完成产品开发需求的基本保障，具有3C集成系统的通用特征与功能。另一方面，定制化是对通用化的补充和升华，是在系统通用功能的基础上进行用户个性化定义，使系统使用者可以更简捷地操作系统并为产品开发提供更完备的技术支持，达到人机结合的最佳境界，即提高产品开发效率。定制化的最终目标是提高产品开发效率和适应产品开发过程的需求。3C集成系统的定制化主要体现在产品开发流程、系统功能、系统界面和数据输出格式四方面内容。针对这些定制内容，定制化可以从以下几种方法进行分类：

从用户的级别来分，可以分为系统管理员级定制和操作员级定制。系统管理员级定制主要定义产品特征属性、系统接口、信息共享方式、产品开发流程、数据输出格式等内容，同时还要进行系统功能配置。而操作员级定制只是针对系统运行界面进行定制，以满足个人操作习惯和爱好。

从定制活动的时间阶段来分，可以分为静态定制和动态定制。静态定制是指系统管理员在系统运行之前通过配置文件来定义系统运行时所需功能、界面、信息共享方式和数据输出格式。而动态定制则允许用户在系统运行期间对系统功能及界面元素进行动态地创建、删除和修改。它主要是针对产品开发流程、某些系统界面进行定制。

从定制的层次来分，可以分为派生式定制和自定义定制。派生式定制是指首先建立基础数据模型，再根据企业的具本要求在已有模型的基础上进行派生设计，最终形成定制系统的设计方法。在这种定制方式中，系统的基础数据是相对固定的，使得系统的通用性得到保障，派生设计主要由企业的实际需要所驱动，如企业需要在产品定义中增加某种特征，并且希望在最终报表中反映出来。这种派生式定制要求系统结构必须是开放的，最主要的是数据模型的开放，否则就难于对已有模型进行扩展和派生。自定义定制是指用户从系统结构所提供的众多选项中，选择当前最符合其需要的一个或多个选项，组合成定制化结构。在自定义定制过程中，系统应提供友好的定制向导来引导用户顺利地完成系统功能安装和界面优化等定制内容。

在3C集成系统的设计过程中，可以采用以上几种定制方法相结合的方式，如管理员级定制与操作员级定制相结合、动态和静态定制相结合、派生式与自定义定制相结合等，以灵活多样的方式满足用户的定制要求。

目前，大多商业化PDM系统都从功能模块和提供面向对象的定制工具两个方面来提供对系统定制的帮助，同时支持以上几种定制方法，为基于PDM实现定制化的3C集成系统提供了可能。如UGS公司的Teamcenter Engineering 系统提供了一个组件Portal，可以集成来自各个客户接口的数据源，建立了对客户信息的单点获取方法，加强了使用者对数据的客户化和私有化信息的保护能力[4]。同时其系统管理模块可以定制数据类型、操作工具、状态类型、BOM视图类型、表单类型等，还可以定制一系列查询规则、访问控制规则来满足用户对系统的多样化需求[5]。

2 基于PDM的定制化3C集成系统框架

基于上述定制思想，本文在统一产品信息模型（Unified Product Information Model ,UPIM）[6]的基础上构架了一个开放平台，管理CAx系统与PDM系统数据，支持这些数据在描述方式、产生过程、输出格式三方面的个性化定制。所建立的系统结构框图如图1所示。本文讨论以C/S结构建立定制化3C集成系统的相关问题。

图1 系统结构框图

在产品数据管理部分的几个主要模块都提供了不同方面的定制功能，如： 􀂾

流程管理模块提供了流程定制功能； 􀂾
CAD/CAPP/CAM接口定义部分提供了用户定制这些自动化系统与PDM系统之间的信息传递内容、共享机制和输出格式功能； 􀂾
产品结构与配置管理模块提供了用户定制BOM结构功能； 􀂾 资源库和知识库管理模块提供了用户自定义数据库的功能；
查询模块提供用户定义查询规则的功能； 􀂾
工具集成模块提供了用户定义使用个性化工具的功能；

为了支持上面产品数据管理部分的定制模块，就必须要求系统的数据模型具有开放结构，并且支持派生式定制。本课题组以前所建立的统一产品信息模型UPIM就是一种开放结构，其开放性可以从产品信息模型、描述方式、实现技术三方面体现出来。

产品模型的开放性

UPIM支持产品全生命周期，允许用户根据产品全生命周期中不同阶段对产品信息个性化需求来扩展产品信息模型。在派生定制时，以UPIM为超类，针对不同产品开发需求，利用超类与子类的继承和派生关系定义出实用的产品信息模型，即生成产品信息子类。以工艺设计过程为例，超类预定义了图号、工序号、工序名称、工序内容、工时等基本超类属性，企业可以在此基础上利用定制界面自行添加与加工工艺有关的子类属性，如切削速度、走刀量、吃刀深度、走刀次数等。

描述方式的开放性

UPIM是以统一建模语言UML来描述的。这是因为UML采用面向对象的建模技术，使得模型的开放性得到保证。

实现技术的开放性

UPIM是采用XML技术来实现其扩展性的。由于XML作为一种平台无关的信息封装形式, 在开放性、扩展性等方面具有突出的优势。同时其内核XML文档类型（Document Type Definition, DTD）可以适应企业不同业务流程来定义产品信息表达与处理方式的需求，来支持统一产品信息模型扩展结构的实现。

3 定制内容及其实现技术

3.1 流程定制

信息与流程是紧密结合在一起的。例如，一个新产品开发流程如图2所示，包括结构定义、详细设计、工程分析、工艺设计、数控编程、评价等阶段。但在企业的实际应用过程中，这个流程也不完全相同，在许多流程细节都会存在一些差异。这就要求在系统设计时，应根据企业实际情况对流程进行合并与剪裁，或拆分与细化，即流程定制。建立流程模板和在模板的基础上修改是常用的流程定制方法。如图2中的虚线部分是根据企业需要对工艺设计阶段进行流程细分。实现时在流程模板的每个流程阶段或子阶段增加一项属性，类型为True/False布尔型，当要求该流程阶段执行时，设成True；当要求跳过此流程阶段时，设成False。该方法要求系统管理员从一开始就把产品开发流程和子流程详细定义出来，在后续使用过程中可以对流程变量进行设置，灵活定义出实用流程来。

图2 产品开发阶段的默认流程

3.2 功能定制

随着3C集系统越来越复杂，功能也越来越多，但针对某类用户的功能并没有多大变化，用户并不关心系统的其它功能，因此他只想看到有用的功能模块，即要求系统提供功能模块配置功能，以适应用户的专业性要求。面向对象思想和组件技术是常用的具有功能定制的系统设计方法。它采用面向对象思想来设计功能模块，并且每个功能模块都采用组件和插件技术，因此在软件结构上具有相对独立性，使得功能模块可以单独安装。在系统的实施时，可根据用户的专业性要求，进行功能模块的合理性规划，定义出要实现用户的专业功能，需要哪些功能模块的支持，那些暂时不需要的功能模块先不用考虑。在系统安装时，可由系统管理员选择安装这些定义好的专业功能模块。

3.3 界面定制

由于个人习惯、经验、操作系统等因素均不相同，操作员希望能够对包括菜单、按钮、对话框等元素在内的系统界面进行个性化定制，以提高产品开发效率。真正意义上的界面定制应当是动态定制,即能识别用户的定制操作,并将定制结果立即反映出来, 实现“所见即所得”的定制效果。常用的定制工具包括：

应用程序接口（API）； 􀂾 内嵌脚本语言；
“向导”引导您进行安装和系统设置，满足客户化要求；
多语言编辑器；
窗体编辑器，用于灵活的窗体设计，便于更改属性卡的外观以及设计新的属性卡；
OLE（对象链接与嵌入）自动化功能。

3.4 数据输出格式定制

数据输出结果作为企业产品开发中的重要文件，是各种各样的，需要进行定制。对于基于PDM的3C集成系统来说，最终数据输出结果表现为产品几何模型、产品明细表、工艺卡片、BOM、NC代码、车间工艺文件等，如图3所示。

图3 CAD/CAPP/CAM与PDM间的信息流

针对不同的企业归档要求，要求系统提供给企业定制这些最终数据输出格式的功能。它们的定制机理如下：

工艺卡片定制

本系统是从数据库中读取工艺信息，并加载工艺格式，经过合成最终生成工艺卡片。可以利用XML技术中的扩展样式表语言XSL来定制工艺卡片样式，这是考虑到XML技术具有数据与文档分离的特点。此外，还可以利用PDM的封装功能来集成商用表格编辑系统来完成此功能。

物料清单BOM定制

BOM是企业组织产品数据的重要形式，产品全生命周期中不同阶段的部门BOM也各不相同，但又具有相同的BOM基本结构，如父物料号、子物料号、层次、物料名称、个数、图纸号、物料类型、提前期等。但每个部门在使用BOM时就需要在BOM基本结构上进行派生式定制。即以PDM系统的产品结构为基础，建立统一的产品BOM模型，并以对象方式封装起来，用户应根据部门需求对此对象进行继承和派生，生成不同BOM视图。如库存BOM视图增加了最大库存数量、最小库存数量、物料存储地点等属性；而成本BOM视图则增加了单位成本、生产准备费用、制造费用、管理费用等属性。

车间工艺文件定制

车间工艺文件是从数控操作中提取的主要加工信息，是机床操作人员加工零件的文件资料。同工艺卡片一样，也可利用XSL来定制车间工艺文件样式。其中可以增加零件几何、零件材料、加工参数、控制参数、加工顺序、机床控制事件、后置处理命令、刀具参数和刀具路径等信息作为加工文件资料。

4 应用实例

基于本文提出的基于PDM的定制化3C集成体系结构，并在实现相关技术的基础上，在具体实现上应根据企业研究项目需求及现有技术平台来定制3C集成系统。下述实例是在UGS公司企业级PDM产品Teamcenter Engineering（简称TC）的平台上以三维CAD软件UG/CAD、三维CAPP软件TC MPP和CAM软件UG/CAM为基础的3C集成原型系统，其实现流程图如图4所示：

图4 定制化3C集成系统的流程图

从图4所示的定制化3C集成产品开发流程中，可以看出定制化工作存在于整个系统的各个流程阶段。在开始安装TC和UG系统时，可以选择安装功能模块。之后，可根据操作员习惯来定制界面，如在TC系统中可以利用定制工具条来实现快捷按钮的定制，利用系统选项菜单来定义系统桌面风格，以适应本机操作系统风格。并且系统也提供了向导功能指导系统管理员定义功能模块。在UG系统中，还可以修改配置文件ugii_env.dat、ug_metric.def等来定义系统默认设置。

在TC系统中，产品对象属性是利用属性表MasterForm来承载的，这种MasterForm具有数据存储和显示分离的特点，支持MasterForm显示的个性化定制。利用产品结构管理模块系统管理员可以增加每个物料MasterForm中的任何一项特征，生成客户化BOM结构，并对产品结构树进行遍历，最终生成部门BOM。在TCMPP子系统中，调用已定义的样式表XSL文件生成满足企业需要的工艺卡片，并利用网页显示出来。针对数控工序，则需要在UG/CAM环境中进行仿真加工，根据定制后的配置文件，从TC系统中得到相关资源信息，并调用本地样式表XSL文件，生成各式各样的车间工艺文件，以正确指导车间实际生产。

在工艺设计完成后，可以根据产品研制阶段，利用流程设计器来动态定义工艺审批流程，可以增加或删除某些流程阶段。本系统还提供了查询条件定制、资源定制、模板定制等功能。总之，通过本系统可以实现产品开发过程CAD、CAPP、CAM阶段的个性化定制。

5 结束语

定制化作为3C集成系统的研究内容之一，是3C集成系统工程化和实用化的关键。本文探讨了基于PDM的定制化3C集成系统的设计思想、定制内容及其实现技术，并结合一个实例讨论了定制化3C集成系统设计中的部分核心技术。

参考文献
[1] 袁平书. C4P系统集成及应用[J]. CAD/CAM与制造业信息化,2003,5:34-41
[2] 邵晓峰,黄培清,季建华. 大规模定制生产模式的研究[J]. 工业工程与管理,2001,2:13-17
[3] 梁峰,刘志峰,朱华炳,等. 基于PDM的定制化CAPP系统研究和开发[J]. 机械科学与技术,2003,22（3）:511-513
[4] UGS Inc.. Teamcenter Engineering: e-integration [EB/OL]. http://www.ugsplm.com.cn/products/Teamcenter/engineering/solutions/e_integration.htm, 2004-03-09.
[5] 董秉枢,李建明. 产品数据管理[M]. 北京: 清华大学出版社,2000.11:100~104
[6] Qiao, L., Yang, Z., Yan, Z. and C. Zhang, “ A Unified Product Information Model to Support Product and Process Design Concurrency”[C], 9th ISPE International Conference on Concurrent Engineering: Research and Applications (CE2002), July 2002, Cranfield, UK.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/26/2005)


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