PDM框架下的CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP集成技术研究

0 引言

    现今，许多大中型企业正应用CAD、CAM、CAE和CAPP等软件进行产品建模、计算、仿真和工艺规划，应用PDM和ERP系统实现产品的全局管理，明显提高了产品设计的可靠性和开发效率。然而，由于多数企业的各应用系统间缺乏全局的集成，不能对整个企业跨任务的数据流进行不间断的控制，未能使企业的生产效率发生质的飞跃。应用系统大多被用作孤立的解决方案，在产品的开发、设计和工艺过程规划中没有采用正确的应用理念；产品的设计和制造脱钩，CAD软件设计的零件模型未能成为CAM软件中数控加工和CAPP系统中工艺规程设计的信息源；PDM系统未将CAPP的工艺数据纳入自己的流程管理，由于CAD软件版本的不同，PDM系统很难通过对CAD设计文件的管理形成设计BOM；CAPP系统进行工艺规程编制时所需的原材料、制造车间和工种等信息又来源于ERP系统，而ERP系统未能很好地利用PDM数据库中产品工程数据(包括设计BOM、工艺路线等)转换成自己的制造BOM。因此，在企业内部通过对CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP的集成，实现系统间数据共享和信息同步极其必要。

1 集成框架建立

    1.1 集成关系分析

    CAD/CAM/CAPP/PDM/ERP之间的信息集成，本质是基于设计、工艺、产品管理和生产等各部门信息流动的需要，是产品信息和经营管理信息之间的集成，即实现企业信息全局集成。计算机集成制造系统(CIMS)中，各系统的功能划分为：CAD/CAE用于产品设计和分析；CAPP用于工艺规程设计；CAM用于数控编程；ERP实现对整个企业资源的管理；PDM管理与产品有关的数据和过程。同时，ERP管理客户的需求和产品销售，为PDM提供数据管理依据，并且接受PDM传递的设计数据。由此可见，PDM系统是产品数据集成的核心，是CAD/CAM/CAPP系统与ERP系统数据传递的桥梁。ERP所需的基本信息是设计物料清单(BOM)和工艺信息(工艺路线、工序、工装需求和设备需求)等。而ERP应向PDM提供的信息有原材料信息、设备状况信息和市场需求信息等。

    1.2 集成框架确立

    集成框架是指在异构、分布式计算机环境中能使企业各应用软件实现信息集成、功能集成和过程集成的应用软件。PDM系统是制造企业的产品和过程数据库，是CAD/CAM/CAPP理想的集成平台，它可以把与产品有关的信息统一管理起来，并将信息按不同用途分门别类地进行有序管理，为产品数据及过程管理、并行化设计和CAD/CAM/CAPP的集成提供了必要的支撑环境。CAD/CAM/CAPP系统都可以从PDM系统中提取各自需要的信息，再把结果放回PDM系统中，从而真正实现CAD/CAM/CAPP集成。同时，PDM系统和ERP系统通过互访对方的数据库，获得各自需要的信息进行工作，并将各自数据的修改和产生的结果反馈给对方，保持数据的同步。

    通过集成，CAD系统设计出的零件，经由CAPP系统生成加工工艺规程；通过CAM系统建立加工仿真生成刀轨文件，经后处理产生针对具体机床的数控加工代码；自动上传到PDM系统得到产品结构树。同时，将这些信息关联起来，保存到PDM系统数据库中。

图1 基于PDM的集成框架

    ERP系统通过获得PDM系统中的设计BOM和工艺信息等，自动刷新得到制造BOM，用以指导生产；PDM系统调用ERP系统中制造车间和原材料等资源信息，辅助CAPP系统中工艺的研发工作。基于PDM的信息集成框架如图1所示。

2 集成方案及实施内容

    2.1 CAD、CAM、CAPP和PDM集成

    通常，PDM系统与CAX的集成关系从高到低可分为三个层次：应用封装、接口交换和紧密集成。应用封装主要解决在PDM内部激活CAX，管理CAX产生的文件和特征数据，但不能管理文件内部的数据，主要属于功能上的集成；接口交换是较封装模式更高层次的集成方式，主要通过中间接口实现两个系统之间的信息共享，但仍然存在信息不一致性的问题；紧密集成对CAX和PDM之间所有数据提供了双向交换和共享的一种集成模式，是理想的集成模式，但集成难度大。企业实施集成时应根据具体的应用程度和深度来选择集成模式，以最合理地调配资源，达到最好的效果。笔者根据企业实际情况，选用如下方案实现3C系统(CAD、CAM以及CAPP系统)集成。

    1)CAD和PDM集成采取接口的方式来实现，在构建PDM/CAD接口时考虑以下PDM模块的集成：模型和工程图管理模块、零件管理模块、零件分类模块和产品结构管理模块。本方案讨论的是三维CAD和PDM之间的双向集成。接口在CAD和PDM系统中分别开发，利用三维CAD系统和PDM系统所提供的开发工具，结合产品的开发流程和设计规范对CAD和PDM进行客户化开发。在CAD系统中开发注册三维零件模型、生成产品结构树、明细汇总表以及转换制造模型几种常用的接口工具，并将这些接口工具嵌入到CAD的操作界面上，以方便使用。在PDM内部开发接口，读取CAD系统信息，批量地将文档读取到PDM系统进行管理。

    2)CAM和PDM系统集成是通过CAM和PDM系统提供的开发工具对CAM系统进行客户化开发，在CAM系统中开发调用PDM系统中中间格式的模型文件、调用ERP中机床和刀具资源以及向PDM提交NC代码几种常用的接口工具，并将这些接口工具嵌入到CAM系统的操作界面上。采用封装的模式，实现对CAM文档的管理，把CAM系统中的刀位文件和NC代码等文档信息集中到PDM中管理。

    3)CAPP和PDM的集成内容总体上分为文档集成、过程集成、用户信息集成和数据集成口。采用封装功能的模式将CAPP和PDM的部分功能以应用程序封装、工具集调用和组件调用等技术进行开发集成。CAPP直接利用PDM系统的产品结构树进行工艺编制，利用PDM的功能查询；CAPP提供PDM工艺文件浏览、批注和打印的相关工具，以完成在PDM中查看、批注和打印工艺文件等功能；工艺工作流在PDM中处理，工艺工作流模型通过PDM工作流工具建立，并在PDM中分配工艺任务，通过工作任务启动CAPP，完成工艺任务。

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    2.2 ERP与PDM系统集成

    PDM与ERP集成技术有内部函数凋用、直接接口集成和基于中间件的系统集成。内部函数调用和直接接口集成开发难度大、集成成本高，而基于中间件的系统集成，系统本身不够开放，且实时性不高。本文重点讨论基于上层中间文件交换和底层中间库相结合的两层集成策略：通过上层的中间文件交换，解决两系统间部分关键数据的字段映射和结构转换，实现异步集成；通过底层中间库，解决两系统底层大量数据的交换和传输，降低集成难度，保证系统集成的实时性，实现同步集成。

    在PDM与3C系统的集成框架下，工艺信息、加工文件以及与零件有关的图档等都被集成到PDM系统，实现PDM与ERP集成的主要部分在于BOM部分。由于PDM和ERP两者采用的BOM属性和结构差异大，在集成时需要找出两者的结合点。PDM系统中采用多层BOM实现BOM的存储，如图2所示。ERP系统中采用单层BOM实现树形BOM，如图3所示。

图2 PDM多层BOM属性

图3 ERP单层BOM属性

    通过PDM和ERP的BOM属性视图的对比可知，物料编码是企业为规范零件族类管理的统一编号，代号与物料编码之间存在一一对应关系，即每个零件对应一个零件代号并有固定的物料编码。代号和物料编码是两者在属性上联系的桥梁。在结构上，多层BOM向单层BOM转换，实际上将一个多阶文件展开成多个二阶问题来解决，其多层BOM向单层BOM转变关系表达式A₀ 为：

    式中：x代表根节点，括号代表层次(父子)关系； X_m为X的次阶(第一阶)节点中的第m个节点；X_mn为x的第二阶节点中的第n个节点，它对应的父节点是X_m；X_1i1为X的第三阶节点中的第1个节点，它对应的父节点是X_1i，依次类推；A₀为映射规则，转换后的表达式只有父件和它对应的次阶子件之间的关系。

    两种树之间的转换需要遍历整个树的结构，由于树中每个节点对应唯一的ID，因此在定义节点时不允许重复ID的出现，如X₁₁₁即可代表第一层中第11个节点展开后的第1个节点，又可以表示第一层中第1个节点展开后的第11个节点。一般情况下，可以将每层节点序号强制转换成三位数表示(X₀₀₁₀₁₁)，也可以在每层序号后加一个标识符解决此问题(X_1-11)。

    根据企业的实际情况，定义代号和物料编号之间的对应关系，实现字段映射，即在数据库中建立好中间表格的格式，定义好中间文件的属性，如图4所示。

图4 中间文件属性

    综上，可得设计BOM(EBOM)向制造BOM(MBOM)的转换表达式为：

    式中：X_i  为代号；Y_i为物料编号；A₁和A₂为代号和物料编号之间的映射关系；attr为两者共同的属性；·为映射关系；→为转换关系；f为复合映射。

    通过分析，建立BOM的集成模型，如图5所示

图5 基于中间文件交换和底层中间库的BOM视图集成模型

    这种集成模型的优点在于不必去了解两个系统底层错综复杂的数据库，而仅仅通过利用两系统内部的API函数将公共数据写入到中间文件，以实现PDM系统和ERP系统之间的数据交换和字段映射，达到集成的目的。同时，内部采用触发策略及时跟踪两系统内部数据变化，采用中间库策略即通过第三方数据库作为桥梁，交换不同数据库中的数据，使得两系统数据保持一致。通过这种上层文件的集成以及底层数据交换更新的策略，建立起较为完善的集成模型。

3 集成实例

    应用上述集成策略，笔者在江麓机电科技有限公司进行了实施应用，该公司PDM系统采用西门子公司生产的TeamCenter，ERP系统采用北京自动化所生产的RSIO。利用PDM内部的API函数，在PDM系统中实现产品零件明细、产品结构信息和工艺信息的汇总，产生中间文件报表。通过处理中间报表中的数据，将3C与PDM数据关联，通过字段映射方法，将中间表格中数据转换为ERP接口能识别的格式，并将数据读入到ERP数据库中，保持数据的更新。集成环境界面如图6所示。实际应用表明，该集成策略可行，实现了PDM和ERP的数据共享与信息集成。

图6 集成环境界面

4 结语

    根据企业信息化建设的需求，提出基于PDM框架下的CAD/CAM/CAPP/ERP集成方案。通过规范企业内部数据标准，实施集成方案，在以PDM为平台的框架上实现了3C的集成，并在此基础上实现了PDM与ERP系统的集成。集成方案的成功实施，使得产品数据在各系统传递畅通，产品数据在各个系统之间的共享有效地解决了企业内部各系统间数据“孤立”的问题，极大地提高了产品研发和产品数据管理的效率。

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