数字化制造中的PDM与CAPP集成技术

作为数字化制造的重要组成部分，CAPP负责将产品设计信息转化为制造信息，它既依赖于产品设计数据和制造资源等因素，又直接对产品的质量管理、生产管理和车间调度等产生影响，因此，如何有效管理工艺数据及工艺过程一直是研究的热点。PDM已经成为企业数据和设计开发过程管理的集成框架。本课题结合某企业数字化制造的实际需求，深入研究PDM/CAPP集成技术，提出了基于集成中枢模型的集成方案，并在实践中验证了其可行性。

工艺设计过程分析

在离散制造企业中，典型的工艺设计过程通常可概括为图1所示的过程。从图1可以看出，制造企业中产品、工艺、资源、生产数据之间具有不可分割的内在。工艺中的每一道工序/工步都依赖于零部件的特征信息或产品结构信息，不同的工序/工步会使用不同的刀、夹、量、辅等工具以及设备，同时还需要生成不同的NC代码，这样，以工艺数据为纽带，连接产品、资源、生产数据，共同构成复杂的企业数据网。在工艺设计过程中需要考虑这些数据之间的内在，同时，还需要对工艺设计过程进行控制，管理工艺人员的权限以及工艺文件的不同版本等。因此，工艺设计不是翻翻工艺手册，然后填写工艺卡片这样的简单工作，而是整个企业设计、制造、管理等活动中一个极为重要的有机组成部分。与此相对应，工艺规划系统的设计与开发也应该从产品生命周期的全局考虑，在集成框架中重新定义其功能范围和实现方法。

集成环境下CAPP分析

近年来，作为企业信息孤岛之一的CAPP，为适应企业制造环境，满足工艺设计过程的需求，功能不断扩展。

这种功能齐全、信息完整、自成一体的CAPP系统不仅成为工艺的设计平台，而且具备较强的工艺数据管理功能，目前市场上大部分CAPP都在向这个方向发展，如天河CAPP、大恒CAPP、艾克斯特CAPP以及西北工业大学开发的CAPP Framework等。作为独立使用的工艺设计与管理系统，这样的设计当然非常理想。但是，如果将CAPP融入企业设计/制造/经营/管理等一体化的集成框架中，上述优点反而变成实现集成的障碍，表现为功能重复、数据冗余、信息分割和封闭等。例如，CAPP的工艺流程控制、工艺文件的版本和安全管理等功能均与PDM重复，工艺资源管理则与ERP冲突，其用户数据、产品设计数据、资源数据、质量数据等都与其它系统有关联和冗余。因此，在以PDM为信息集成框架的企业数字化制造环境下，应当合理界定CAPP的功能范围，从工艺信息和工艺活动的本质出发，深入研究PDM/CAPP集成技术。
基于集成中枢模型的PDM/CAPP集成技术

1．集成中枢模型

建立一个能够清晰客观地反映产品、工艺、制造资源和生产数据之间本质且面向集成而又不依赖于具体应用的统一的数据关联模型，对于有效集成非常重要，通过对工艺设计过程的分析，本文提取仅与业务知道和业务活动有关的业务模型，并在此基础上建立了集成中枢模型，图3为采用UML建模语言描述的简化模型。

集成中枢模型在系统集成时起到数据总线的作用，它所表达的主要涵义为：首先，定义主要的共享数据对象及其结构，如零部件（Partmaster）、工艺（Processmater）、设备（Equipment）、生产计划（Manu-factureplan）等对象。其次，描述了产品生命周期同一阶段数据之间的关系，以及不同阶段数据之间的关系，如工艺、工艺版本（ProcessRevision）、工序（ProcseeOperation）和工步（ProcessStep）的聚合关系，并通过这4个对象在PDM中管理工艺数据；零部件版本（PartRevision）关系表达了工艺与资源的；工序与文档版本（DocumentRevision）的关联允许采用PDM提供的文档管理功能管理工序图；zui后，表达了以产品结构为核心组织产品信息的方法，通过数据间的各种关系实现产品结构在不同视图间的映射和转换；通过工艺版本与可视图化（Qualifiable）的继承关系实现工艺数据的视图管理。总之，集成中枢模型是一个适合整个产品开发生命周期中所有阶段数据管理需求的数据模型，不同的CAPP系统都可以通过该模型实现工艺数据在PDM中的统一管理。

2．集成方案

基于前文所述的集成中枢模型，结合某企业信息化的现状，本课题搭建的PDM/CAPP集成框架如图4所示，它充分利用PDM对产品数据和开发过程的管理功能，实现对工艺数据和工艺过程的管理，协调CAD/CAPP/CAM/ERP各系统的数据一致性。对于目前还没有实施CAPP的企业，可以采用基于PDM开发全新CAPP的策略；如果已经实施CAPP，则可以在集成中枢模型的基础上，扩展PDM的工艺对象，对CAPP进行集成开发，实现与PDM的集成。本文重点论述PDM与已有CAPP的集成方案。

在集成方案中，CAPP被设计成为工艺人员编制工艺规程的工具，而不涉及产品数据和过程的管理，一般应具有零件信息输入、工艺过程卡编制、工序卡编制、工序图绘制、典型工艺维护和NC代码生成等基本功能，而用户权限、工艺流程管理、版本管理等功能则由PDM承担。

由于CAPP产生的工艺数据需要提交PDM进行统一管理，而CAPP所要求的设计及工艺资源等数据则由PDM提供，因此，两系统必然要共享和交换大量的产品数据。图5以编制某零件的工艺规程为例，说明了PDM/CAPP共享和交换数据的实现方法及过程，其前提条件是CAD产生的设计数据已经保存到PDM数据库中。从两系统共享和交换数据的过程可以看出：（1）只有登录PDM的合法用户才有权限操作提交给PDM的工艺数据；（2）通过用户认证后，依据PDM的角色机制和访问控制策略确定可使用的CAPP功能和对工艺数据的操作权限；（3）工艺数据一旦提交成功，该数据就开始经历PDM对它的生命周期和版本管理，并接受安全性控制，直到废弃；（4）把各项不同的工艺任务作为产品开发过程的不同节点，利用PDM的过程管理功能，对工艺设计过程进行监控和调度。纳入PDM之下的CAPP不再是一孤立的工艺设计系统，而是产品开发环境下的有机组成部分。

基于XML的数据交换技术

本课题采用XML数据格式定义BITPDM与BITCAPP之间的需要交换的信息，通过接口相互传递。这就要求系统具备两种能力：一是识别处理XML文档信息并存入数据库中；二是实现数据库到XML文档的转变。利用XML处理器（或称解析器）可访问XML文档的任何元素和内容，则可以将数据库中的数据提取出来，并将其转换成为XML文档。PDM/CAPP集成需要定义的XML文件主要包括零件设计属性、零件特征信息、零件工艺规程等。

结束语

随着企业信息化的发展，功能完善的CAPP系统已不再适应企业设计与制造全过程集成的需求。在构建基于PDM的工艺设计系统时，合理界定CAPP的功能范围，可实现两者的有效集成。文中提出的集成中枢模型利用UML统一建模语言准确地描述产品、工艺、资源和工厂数据之间的关系，在此集成中枢模型基础上，集成了BITCAPP系统和自主开发的B/S结构的BITCAPP系统，从而验证了集成方案的可行性。