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引言

当前，CAD系统已由单纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真方向发展，参数化设计向变量化和超变量化(VariationGraphicseXtended，VGX)方向发展。计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)技术在基础理论及软件产业方面日趋成熟，市场上出现了CATIA,UGII,Pro/E,I-DEAS,Solidworks,SolidEdge,CAXA等许多优秀的CAD系统。在我国“十五”86三计划中，三维CAD是先进制造与自动化技术领域的重点，并设立了“面向行业典型产品的三维数字化设计系统及核心构件开发”等多个项目，以促进国内三维CAD的开发和应用。

基于三维CAD的发展，产品数据管理系统也逐步从初期的文档管理发展到支持协同设计和并行工程的产品设计过程管理系统。因此，对三维CAD系统的支持成为国内(ProductDataManagement,PDM)应用发展的一个重点。

面向三维CAD的PDM与面向平面图纸的PDM相比，其不同点在于：①设计方法的不同，造成对设计过程管理的不同。三维CAD设计符合从概念设计逐步演化到精确模型的思考方式，而二维图形表达的是设计结果。②设计结果的复杂程度不同。三维模型中包含有丰富的几何信息、特征信息和工艺信息等，而二维图形只能表达几何信息。③设计结果的可利用程度不同。三维CAD设计结果可进一步利用，进行计算机辅助工程(Computer Ai-ded Engineering，CAE)分析和计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)处理，而二维图形此方面的功能较弱。这些差异使面向三维CAD的更为复杂，针对三维CAD的特点，面向三维CAD的PDM系统主要研究实体约束和关系管理、三维CAD格式转换平台、的信息提取与交互、三维模型和二维图纸关联管理。这些技术对三维CAD数据可提供交换和处理的基本功能，其中实体约束和关系管理提供对设计过程和知识管理的支持，在此基础上，进一步研究制造企业中的产品、过程、资源集成方法，为产品全生命周期管理提供使能器。

一、面向三维CAD的PDM系统体系结构

随着国内对三维CAD技术研究的深入和应用的普及，PDM系统应实现与三维设计过程和三维设计结果的紧密集成。“十五”末，86三计划先进制造与自动化领域对基于三维CAD的PDM系统开发及应用进行立项支持，提出研究与开发自主知识产权的PDM系统，支持异构设计制造资源的管理和利用，带动国产三维CAD软件研究开发与应用等目标。笔者结合应用需求，在项目开发过程中，建立了面向三维CAD的PDM系统总体框架，研究了其中的关键技术。

面向三维CAD的PDM系统提供对多种主流三维CAD系统的应用集成平台，实现对三维几何模型与模型装配关系的管理，构造支持其他应用系统集成的支撑环境。

PDM核心功能实现参照对象管理组织(ObjectManagementGroup，OMG)的PDM使能器和产品模型数据转换标准(StandardfortheExchangeofProductmodelData，STEP)的PDMSchema要求，完成项目管理、工作流管理、文档管理、产品结构管理、配置管理、工程变更管理和制造数据管理等功能，并提供支持虚拟设计的服务部件。另外，PDM功能的实现需要公用服务技术的支持，因此引入基于组件的模块封装、基于统一数据元模型的数据交换、基于Web的协同组件等技术。基于组件的模块封装，为异构环境下的各种应用系统集成提供支持手段，采用公共对象请求代理体系结构(CommonObjectRequestBrokerArchitecture，CORBA)、组件对象模型(ComponentObjectModel，COM)，WebServices等方式对各类应用服务进行封装和描述。基于统一数据元模型的数据交换采用统一语义的建模方法，描述企业信息系统的数据结构，在元模型层次上实现应用系统间的数据集成和交换。基于Web的协同组件可为虚拟企业之间的协同设计提供通讯、协调的工具。

PDM与三维CAD的集成点主要有CAD格式转换平台、的信息提取与交互、实体约束和关系管理等。CAD格式转换平台用来完成三维模型浏览、批注、测量等功能，通过开发通用浏览控件和面向网络应用环境下HSF格式的浏览控件，为工作组级和企业级的协同设计提供技术支持。三维模型的信息提取与交互，重点对CAD模型中的属性信息和结构信息进行提取，构造PDM系统中的零部件实体和产品结构树，并在检入、检出过程中实现CAD和PDM系统中产品属性和结构信息的统一。实体约束和关系管理是面向三维CAD的PDM系统的核心功能，PDM系统通过记录CAD中的实体元素、构造元素和特征元素，维护实体之间的约束和装配关系，在发生零部件修改时，自动发起工程变更活动，维护产品结构的一致性。

在开发过程中，针对CAD数据格式复杂、标准化程度低的特点，CAD接口分为通用格式接口、专用格式接口和一对一CAD应用接口，其中通用格式接口处理STEP和IGES等标准格式的CAD数据；专用格式接口主要处理Parasolid和ACIS等几何核心对应的X_T,SAT等CAD格式；一对一接口解决与具体CAD数据格式相集成的问题，如通过专用接口与PTC公司的Pro/E集成，以及与Dassault公司的CATIA进行集成。

针对国内正处于从二维CAD设计到三维CAD设计过渡的应用状况，面向三维CAD的PDM系统中开发了三维模型和二维图纸的关联管理模块，以保障设计过程与设计结果数据的一致性，保护企业现有资源，为CAD应用从二维到三维过渡提供服务。

二、实体约束和关联管理

基于三维CAD的PDM系统的核心是对零部件之间的约束和装配关系进行管理，在PDM系统中，记录CAD模型各实体之间的关联关系和约束条件。当一个零件发生变化时，借助于工作流技术，PDM能 根据关系和条件对其他零部件、图纸、分析结果、规格说明书、参数、制造过程和资源等进行工程变更通知和检查。另外，关联关系可用于知识管理和智能化设计， 其思想是建立设计指标和零部件之间的约束关系，使零部件成为功能单元。在零部件级建立功能参数到几何模型的对应函数，这样，设计目标的变化可直接反映到几 何模型中，为并行工程提供支持。  

对于实体和特征及其约束、关联关系，通过在PDM系统中定义管理类进行管理。定义的类包括实体类CEntity、特征类CFeatue、构造元素类CConstructElement和关系类CRelationship等，分别记录实体中的面向装配的信息、特征中装配信息、实体和特征间的构造元素信息以及两个实体间的约束关系。在进行装配模型的检入操作时，把相关的装配和约束信息存人CEntity，CFeatue，CConstructElement类对应的实例中，并调用CRelationship中的Createreference()方法，建立实体间的关联关系，如装配类型、数目、名称以及到装配实体的参考关系等，这些信息作为持久对象存入PDM系统的数据库中。在进行检出操作时，与CAD数据一起从PDM数据库中读取约束和关系信息，根据CAD模型数据的变化，PDM系统发起约束检查、工程变更等活动。

在CAD环境中，模型重建引起的约束和关联变化比较复杂。维护设计者设计意图的关键，在于维护模型修改前后拓扑结构的对应关系即拓扑一致性，为此要考虑拓扑编码的问题，系统通过为每个从ENTITY派生的实体引入索引标志的方法解决，该索引标志记录全局惟一的标志符。如在ACIS平台下，可利用ACISENTITY中的ATTRIB和ANNOTATION类对模型操作的具体变化进行记录：操作前实体的面、边、点，操作后产生的面、边、点等，操作后系统自动重新整理，保证了拓扑结构的对应关系。

为支持特征造型，还需要维护特征之间的依赖关系，以便修改特征参数后重建所有依赖特征，这些关系一般形成树形结构，又称特征树。特征树方便了对特征的管 理，但这种关系往往也限制了设计人员的设计思路，并且还可能出现：父特征的删除导致所有子特征的删除，某特征的参数依赖于其后续特征的参数，将导致系统重 建时的崩溃。对于上述问题，系统采用双重坐标方法进行处理，对每个特征既记录其相对父特征的坐标，也记录其在全局坐标系下的坐标。这样，当父特征不存在 时，子特征可在全局坐标系下保持独立存在。另外，采用VGX技术，将约束关系从几何关系中独立出来，建立全局约束链，通过相对独立的约束求解器，结合代数方法和数值求解方法对约束整体联立求解，可增加系统的动态导航、动态约束添加和动态修改机制，使模型的修改超越设计历史树的限制。

三、三维CAD格式转换

不同三维CAD系统产生的模型格式不同，虽有面向不同的CAD进行数据交换的国际标准(STEP)，但其结构庞杂，标准更新缓慢，数据交换效率较低，CAD厂商对STEP标准的支持并不理想。本文采用ACIS平台提供的中间数据格式解决数据交换问题。通过ACIS提供的InterOp接口进行开发，分别对CATIA，UGⅡ，Pro/E，I-DEAS，SolidWorks，SolidEdge等各种主流的CAD系统生成模型进行转换，将这些CAD文件转换成中间数据格式SAT，再通过中间数据格式进行数据交换。各种CAD数据转换为SAT数据格式后，可在通用的浏览器中进行显示。

目前，ACIS平台的InterOp提供了与大部分三维CAD的数据接口，并支持IGES和STEP等图形标准，对于InterOp不支持的CAD系统可通过这些标准进行转换。为基于ACIS平台和接口开发的浏览器，采用组件技术进行封装，该组件可以在PDM系统中注册使用，或作为工具提供给其他系统使用。浏览器在图形显示的基础上，通过捕捉技术实现尺寸测量，采用矩阵变换实现图形的移动、旋转、缩放和鹰眼功能，采用覆盖技术实现批注功能。对于数据量大的复杂模型，ACIS平台采用专用浏览格式HSF对文件进行处理。HSF只记录模型的几何形状及基本的装配信息，其大小约为原模型的1/5-l/10，适用于对带宽要求较高的网上产品发布和异地的协同设计等应用场景。

四、模型信息提取和交互

CAD与PDM的数据一致性问题是基于三维CAD的PDM必须解决的核心问题之一，也是信息集成的一个重点。系统中采用CAD/PDM双向驱动数据刷新的方法来维护数据的一致性。一方面，在进行CAD文件保存、检入PDM电子仓库操作时，CAD/PDM接口模块提取CAD文件中的信息，以此信息生成/更新PDM系统的数据对象，或构建产品结构树。对于零件对应的CAD模型，接口模块提取零件的名称、材料、图号等基本信息，以这些信息生成/更新PDM系统相对应的零件数据对象的属性；对于部件和产品的CAD文件，接口模块除了提取名称、图号等基本信息生成/更新PDM数据对象以外，还提取产品和部件的装配关系信息，并以装配关系信息构建/更新PDM系统的产品结构树，从而保证PDM系统的数据被CAD数据驱动更新。另一方面，在PDM系统中更新数据对象或产品结构树后，通过集成接口模块，将CAD文件检出到被PDM自动激活的CAD应用系统进行编辑更新，从而使CAD数据与更新后的PDM数据保持一致。

目前ACIS平台中的InterOp接口不提供对模型装配信息的处理，要实现基本信息同步和结构信息处理，较好的方式是通过CAD系统提供的应用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)进行开发。产品化的CAD基本都提供丰富完善的二次开发平台或接口，如CATIA的CAA平台、UGⅡ提供的UG/Open二次开发工具集、Pro/E的Toolkit开发工具等。通用集成模式是在CAD环境中内嵌PDM功能菜单，在设计过程中进行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。以所示的CATIA应用开发为例，采用CAA进行开发，在CAD环境下增加检入、检出、结构信息提取等功能菜单，设计人员通过这些菜单与PDM系统进行数据交互。及相关数据统一存放在PDM系统的电子仓库中，提取的结构信息用来自动生成PDM系统中的产品结构。

五、三维模型和二维图纸的关联管理

目前，国内企业应用三维CAD还处于发展阶段，设计人员采用三维CAD进 行造型设计，但缺乏对三维模型分析、工艺处理、加工等后续工作的支持。在大部分情况下，指导企业进行实际生产的仍是二维图纸，在国家标准、企业设计规范、 产品生产过程等方面，二维图纸仍具有不可替代的权威性。因此，设计人员在完成产品零部件的三维造型后，需要把模型转化为二维图纸。对于这种情况，PDM应对三维CAD模型和对应的二维图纸进行关联管理，保证三维CAD模型和二维图纸在表达零部件信息上的一致性。

CAD绘 图在绘制模型后，通过转换工具从三维模型自动生成二维格式的图纸，经标准化处理后，即成为具有生产指导意义的图纸。在操作系统的文件管理器下，实体模型与 生成的二维图纸是紧密关联的，三维模型与二维图纸分别作为独立的文件加以保存，并通过指定的相关路径进行关联。启动一个二维图形，相应的三维模型也被激 活，当修改三维模型时，相关的二维图纸能自动修改，保证了数据的一致性。但产品三维文件与二维图纸文件通过指定相关路径所建立起来的联系非常脆弱，在文件 管理器中，一旦文件所在目录发生变动，这种关联性就会被破坏，在产品数据量不断增大的情况下，发生错误关联或数据丢失的可能性急剧增大。

PDM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，消除人为更改关联路径造成的错误。表示三维模型与二维图纸同步进行出入库的过程。设计产品时，三维模型和二维数据同时检入并保存到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，保证二者能同时加载到CAD应用系统中。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，模型修改结束后，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，从而保障数据的一致性。

六、结束语

面向三维 CAD的产品数据管理系统给出系统的总体结构，对三维模型的实体约束和关联管理进行定义，并做出初步实现。借助ACIS平台和CAD系统提供的二次开发接口，系统较好地实现了通用三维CAD浏览器开发、三维模型信息提取与交互、三维模型与二维图纸的关联管理等内容。现有成果已在南京新模式软件集成有限公司的PDM系列产品中得到应用，并推出面向三维CAD的产品数据管理与交换系统PDEM，该系统已在江苏国泰集团等多家企业进行实施，取得了较好的应用效果。由于三维CAD数据本身的复杂性，目前对实体约束和关联管理的研究还处于初步阶段，在下一步开发过程中，将继续对此问题进行深入研究。