基于XML中間平臺4CP集成系統(tǒng)的研究

胡 浩 錢明偉

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

基于XML中間平臺4CP集成系統(tǒng)的研究

胡 浩 錢明偉

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

在深入研究了4CP（CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM）集成關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于XML中間平臺實現(xiàn)4CP系統(tǒng)集成的方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了集成系統(tǒng)。最后以一個企業(yè)的典型新產(chǎn)品的開發(fā)過程為例進(jìn)行了應(yīng)用驗證。

XML 4CP 中間平臺 系統(tǒng)集成 產(chǎn)品信息模型

CAD/CAE/CAPP/CAM是計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）中實現(xiàn)計算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計和制造的核心技術(shù)。目前已有許多性能優(yōu)良的商品化的CAD、CAE、CAPP、CAM系統(tǒng)。但這些各自獨立的系統(tǒng)彼此間的模型定義、實現(xiàn)手段和存取方法均有差異，各自的信息處理過程都存在特殊性，作為孤島智能技術(shù)，僅從企業(yè)生產(chǎn)的各個側(cè)面來提高效率，不能實現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息自動化傳遞和交換，效果是有限的［1］。因此，要想從整體上提高效率、改進(jìn)技術(shù)、優(yōu)化管理、降低成本，就有必要將產(chǎn)品設(shè)計與制造緊密結(jié)合，在各模塊之間實現(xiàn)信息可靠、有機(jī)的提取、交換、共享和處理的集成。

目前，國內(nèi)外研究的主要的信息集成方案有：利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)對CAD/CAE/CAPP/CAM系統(tǒng)集成并管理與產(chǎn)品有關(guān)的信息與過程;利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（STEP）對機(jī)械領(lǐng)域的工程信息進(jìn)行定義的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)定義、管理和交換;基于先進(jìn)的XML技術(shù)的信息集成［2］。這幾種流行的集成方案比較如下［3］：①PDM只能提供較粗粒度的數(shù)據(jù)管理，是面向工程領(lǐng)域的企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)，無法與面向管理領(lǐng)域的企業(yè)級應(yīng)用系統(tǒng)（如ERP）實現(xiàn)全面有效的集成［2］;②STEP標(biāo)準(zhǔn)主要的數(shù)據(jù)描述語言EXPRESS語言不易于擴(kuò)充，不便于理解，不適合基于Web的信息發(fā)布與集成;③XML是一種通用數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，具有簡單、易于理解、自描述、可擴(kuò)展、可交互的特性，允許用戶為各類數(shù)據(jù)創(chuàng)建自己的標(biāo)記，創(chuàng)建不依賴于平臺、語言的開放數(shù)據(jù)。結(jié)合上述集成方法的特點，本文利用PDM系統(tǒng)和XML技術(shù)自主開發(fā)出一個中間平臺利用XML中性文件傳遞信息形成4CP集成系統(tǒng)。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 CAx集成技術(shù)的研究

CAx系統(tǒng)集成的關(guān)鍵在于子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與信息共享，建立一個貫穿整個設(shè)計制造過程的產(chǎn)品信息模型是實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享的有效方法。特征技術(shù)就可以用來建立統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型，很多專家已經(jīng)做過大量的研究，比如Zhou X H等［4］，就提出了利用設(shè)計特征和制造特征的關(guān)鍵技術(shù)，提取特征及其相關(guān)技術(shù)信息和知識，把它們封裝在面向幾何的以CAD為基礎(chǔ)的模型中，形成集成的產(chǎn)品信息模型?；谀Ｊ阶R辨理論的特征技術(shù)是實現(xiàn)CAx系統(tǒng)集成的有效方法，它是從產(chǎn)品的實體模型出發(fā)，自動識辨出具有一定工程意義的加工特征，進(jìn)而生成產(chǎn)品的特征模型和制造信息［5，6］。比如形狀特征識別的實現(xiàn)包括：搜尋特征庫匹配拓?fù)?幾何模式、從數(shù)據(jù)庫中提取已識別的特征、確定特征參數(shù)（如孔徑、槽深等）、完成特征的幾何模型、將簡單的特征進(jìn)行組合，以獲得高級特征。實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要有：匹配、構(gòu)形元素（點、線、面等）生長、體積分解和從構(gòu)造實體幾何表示法（CSG樹）中識別特征等。本文依據(jù)以上理論形成了具體的產(chǎn)品信息模型，存儲在PDM系統(tǒng)中進(jìn)行管理。

1.2 XML中間平臺的研究

XML中間平臺是一個支持復(fù)雜信息環(huán)境下信息系統(tǒng)集成和協(xié)同運(yùn)行的軟件支撐環(huán)境。它在異構(gòu)分布環(huán)境（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫）下為應(yīng)用者提供透明一致的信息訪問和交互手段，對其進(jìn)行管理和提供服務(wù)，并支持企業(yè)信息環(huán)境下各特定領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)集成，其主要特點為多種形式數(shù)據(jù)利用提供基礎(chǔ)，還可對共享資源進(jìn)行集中管理。XML中間平臺還產(chǎn)生XML中性文件，以實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交換。因此平臺的研究與開發(fā)是實現(xiàn)本集成系統(tǒng)的重點。圖1是利用XML中性文件實現(xiàn)信息交換的基本思想。

其中應(yīng)用系統(tǒng)適配器是二次開發(fā)的相應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)嵌適配器，中間平臺的底層共用PDM數(shù)據(jù)庫，可以直接提取產(chǎn)品信息集成模型，它還包括Schema庫，XML數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用系統(tǒng)1和應(yīng)用系統(tǒng)2為待交換數(shù)據(jù)雙方。應(yīng)用系統(tǒng)1生成XML中性文件的過程就是將系統(tǒng)內(nèi)部的產(chǎn)品數(shù)據(jù)按Schema規(guī)則映射為一系列實體實例。應(yīng)用系統(tǒng)1適配器從系統(tǒng)內(nèi)部讀取產(chǎn)品數(shù)據(jù)，以XML中性文件為載體傳到中間平臺，中間平臺根據(jù)某一產(chǎn)品模式定義完成實體的具體映射并創(chuàng)建實體實例，最后輸出XML中性文件。應(yīng)用系統(tǒng)2從XML中性文件中讀取實體實例，根據(jù)與產(chǎn)品模式定義將實體實例映射為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型。應(yīng)用系統(tǒng)2將數(shù)據(jù)交換給系統(tǒng)1的過程則是上述過程的逆過程。對于平臺的實現(xiàn)目前可以采用CORBA、COM+、Web Service和J2EE等技術(shù)。在本系統(tǒng)中XML平臺采用J2EE規(guī)范采用SOA技術(shù)架構(gòu)開發(fā)。J2EE提供了一個框架，一套用于開發(fā)分布式結(jié)構(gòu)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)API，這個框架的實際實現(xiàn)留給了第三方廠商。J2EE提供了一個簡化的開發(fā)模型，具有很好的可擴(kuò)展性，支持合理的集成和靈活的部署，與開發(fā)商和應(yīng)用服務(wù)器無關(guān)。

2 基于XML中間平臺4CP集成系統(tǒng)的建模

利用特征識別技術(shù)提煉集成產(chǎn)品信息模型，再利用XML技術(shù)提供易于交換數(shù)據(jù)的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些為4CP的集成提供了基礎(chǔ)。有了一致的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便可以實現(xiàn)基于4CP的集成，從而形成一個設(shè)計、工程分析、工藝與制造一體化的產(chǎn)品集成研制平臺，為面向大批量定制的產(chǎn)品研制過程提供支撐。為提供對XML技術(shù)的支持，很好的將XML技術(shù)引入，我們開發(fā)一個專門XML中間平臺。作為集成系統(tǒng)信息交換的中轉(zhuǎn)站，溝通4CP的橋梁，XML中間平臺管理系統(tǒng)提供以下功能：①對XML文件的管理，主要包括XML的新建、刪除、修改和查詢四種基本操作。依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的產(chǎn)品信息，XML中間平臺可以根據(jù)CAx系統(tǒng)產(chǎn)生的、經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化后的產(chǎn)品零部件主文檔變量表中的變量及其數(shù)據(jù)建立起標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的產(chǎn)品零部件;生成設(shè)計BOM、工藝BOM、制造BOM及其他設(shè)計，工藝，制造文件等等;②對中間平臺中與應(yīng)用系統(tǒng)中適配器相對應(yīng)的XML后置處理器進(jìn)行管理及監(jiān)控。

基于XML中間平臺4CP集成系統(tǒng)信息集成框架如圖2所示，該框架主要分為CAD、CAE、CAPP、CAM、PDM應(yīng)用系統(tǒng)和中間集成平臺。CAD系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息是其它系統(tǒng)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有二維圖形、三維模型以及零部件的屬性、拓?fù)潢P(guān)系等多種類型，結(jié)合工廠的設(shè)計、工藝、制造信息在PDM數(shù)據(jù)庫中形成包含所有設(shè)計工藝制造信息的統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型。通過中間平臺，實現(xiàn)CAD和PDM的動態(tài)集成，可以有效地解決CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的各種類型文檔的管理問題，方便系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步更新，CAPP系統(tǒng)通過平臺從PDM數(shù)據(jù)庫中獲取工藝規(guī)則及資源、設(shè)備信息，并將產(chǎn)生的工藝信息直接放于PDM中的工藝參數(shù)庫中。CAM與PDM之間通過平臺進(jìn)行NC代碼、刀位文件、產(chǎn)品模型和工藝信息等信息的提取和存儲。圖3是4CP集成后的數(shù)據(jù)流程圖。

3 應(yīng)用案例

以上面闡述的理論為基礎(chǔ)，筆者所處的研發(fā)團(tuán)隊根據(jù)一個企業(yè)具體情況，已經(jīng)初步開發(fā)出具有實用價值的集成系統(tǒng)?，F(xiàn)將具體應(yīng)用情況介紹如下。

該企業(yè)采用AutoCAD2008二維、UG NX4.0（包含CAE模塊）三維設(shè)計軟件，商業(yè)化的PDM/CAPP一體軟件（邁特PDM/CAPP），它的模具制造外包給一個制造研究院。為此，我們開發(fā)出XML中間平臺以及與它相配套的AutoCAD、UG、PDM/CAPP以及Mastercam內(nèi)嵌適配器。以已經(jīng)完成設(shè)計的一個典型汽車后尾燈（EQ1020TFwd）為例，對本集成系統(tǒng)進(jìn)行說明。它的業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流如圖5所示。圖外層的箭頭代表業(yè)務(wù)流，產(chǎn)品開發(fā)在PDM系統(tǒng)中創(chuàng)建新產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)、定義產(chǎn)品設(shè)計內(nèi)容，然后進(jìn)入CAD系統(tǒng)，交由設(shè)計人員進(jìn)行二維/三維產(chǎn)品設(shè)計。當(dāng)完成產(chǎn)品設(shè)計，進(jìn)行CAE分析。優(yōu)化后，就將產(chǎn)品或部件明細(xì)表、對應(yīng)的二維/三維圖文檔上傳至PDM系統(tǒng)中，提交審批，產(chǎn)品設(shè)計圖紙通過校對、審核、審定、標(biāo)準(zhǔn)化審查、工藝審查、批準(zhǔn)等流程。工藝設(shè)計人員從PDM系統(tǒng)中讀出自制件明細(xì)和圖紙，進(jìn)入CAPP系統(tǒng)進(jìn)行工藝過程卡、工序卡的設(shè)計。當(dāng)零件產(chǎn)品圖和工藝文件設(shè)計完成后，進(jìn)入工藝設(shè)計人員CAM系統(tǒng)進(jìn)行NC代碼的編制，最后到車間生產(chǎn)出產(chǎn)品。該企業(yè)模具制造是交由外協(xié)完成的，通過互聯(lián)網(wǎng)以XML中性文件傳遞產(chǎn)品信息。由于XML格式本身的特性，通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換非常流暢，這也體現(xiàn)了XML中間平臺集成技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的潛力。圖4中各模塊與中間集成的雙向箭頭代表它們與中間平臺的數(shù)據(jù)交流。

4 結(jié)語

由于應(yīng)用了本集成系統(tǒng)，上文提到的企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計中，消除了信息孤島，保證了圖紙使用的正確性、使企業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)有序和規(guī)范化，拉通了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、工藝、制造各部門的整個過程。在效率上，以它一個典型后尾燈為例，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了50%，產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備各階段數(shù)據(jù)差錯減少了19%，降低成本約20%。新增產(chǎn)值為400萬元。以上事實論證了以XML中間平臺集成4CP系統(tǒng)的可行性。

1 童秉樞，李建明.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

2 茍凌怡，熊光楞.基于XML的產(chǎn)品信息集成關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2002（2）：105～110

3 周娜，廖文和.基于XML的CAD/CAPP/CAM信息集成技術(shù)［J］.小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2004（7）：1359～1363

4 Zhou X H，Qiu Y E.A feasible approach to the integration of CAD and CAPP［J］.ComputerAided Design，2007（39）：324－338

5 KumarM，Rajotia S.Integration of scheduling with computer aided process planning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003（138）：297－300

6 Xu XW，He Q.Striving for a total integrati on of CAD\CAPP\CAM and CNC［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing［J］.2004（20）：101－109

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Research of Integration System 4CP Based on the XML’s Intermediate Platform

HU Hao，QIAN Mingwei
（College of Mechanical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，CHN）

In this paper，the integration technology of 4CP（CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM）was studied.Then an integrated system based on XML’s intermediate platform was brought forward.Finally，an application example of was provided to validate the feasibility of the system.

XML;4CP;Intermediate Platform;System Intergration;Product Information Model

胡浩，男，1985年生，碩士研究生，研究方向：企業(yè)制造業(yè)信息化，產(chǎn)品數(shù)字化管理。

p

2009－08－07）

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