PDM的分布式虚拟设计平台架构-创新互联

3．1基于PDM的分布式虚拟设计平台体系结构

基于 PDM的分布式虚拟设计平台可以分为四个层面，从高到低依次为界面层、应用工具层、对象管理层和支撑环境层，如图3．1所示。

图 3．1基于PDM的分布式虚拟设计平台体系结构

(1)界面层：所有用户都在统一的用户界面上进行操作，用户可根据自己的应用需求对界面进行定制。

(2)应用工具层：为实现可视化虚拟设计平台的多种功能提供多种应用工具，包括设计建模工具、仿真分析工具、协作设计支持工具、综合功能建模仿真工具和设计、分析及决策系统等；利用PDM的集成工具进行集成，并通过界面层向用户提供各种服务。

(3)对象管理层：利用PDM软件对产品开发过程的工作流和产品设计进行管理，通过建立项目管理、过程管理和任务调度机制对产品开发过程进行全面的控制。各种应用通过PDM的标准数据访问接口实现数据的访问，PDM的管理功能保证了数据的一致性、完整性和连续性。

(4)支撑环境层：数据库是PDM的支持平台，通过数据库提供的操作数据功能支持PDM系统对象对底层数据的管理，数据库包括全局共享数据库、局部共享数据库及私有数据库。网络和计算机系统提供系统运行必要的软、硬件环境。

CAD、CBD、CAE各种CAx系统相互之间的信息传递变成了它们与PDM的信息传递，即各种CAx系统都从PDM系统中提取各自需要的信息，各自产生的结果也放到PDM中去，由此可见PDM是各种CAx系统的集成平台，它将产品设计、分析、制造、工艺规划、和质量管理等方面的信息集成在一起，进而实现对整个产品生命周期内的数据的统一管理。

CAD系统是产生信息的源头，包括图形文件和属性信息。图形文件包括装配体三维模型、零部件三维模型、二维工程视图；属性信息包括图形的属性信息和零部件的属性信息(如：材料、成本等)。CAD系统将它产生的信息交给PDM系统来管理，CBD系统、CAE系统等其他系统都从PDM系统中提取需要的产品特征属性参数、图形文件，并将它们产生的各种图形文件、文档数据交给PDM来管理，这样做到对产品数据的统一管理和共享。

3．2基于PDM的分布式虚拟设计平台的特点

基于 PDM的分布式虚拟设计平台具有以下特点：

(1)分布性分布性是基于PDM的分布式虚拟设计平台的一个主要特点，表现为多节点的分布式。各子系统处于整个系统中诸节点单元系统，以元素的身份加入到系统中，在PDM模块的统一系统下成为系统工作的一员。整个系统是在一个以计算机网络与数据库管理系统(中央数据库和本地数据库)支持下的分布式环境中运行。中央数据库在系统中起数据仓库的作用，系统中各模块产生的最终数据信息通过PDM分系统存储于中央数据库系统：反之，各模块实现数据共享以中央数据库为基础。

(2)集成性集成性是基于PDM的分布式虚拟设计平台的另一个主要特点。分布式虚拟设计平台采用PDM技术实现了虚拟设计过程中的产品数据的集成、过程的集成、应用的集成，它在信息集成的基础上，着重强调了过程集成，过程集成需要优化和重组产品的开发过程，组织多部门的人员，在协调工作环境下共同完成设计任务。

(3)并行性基于PDM的分布式虚拟设计平台把整个设计过程看成是一个集成的并行过程，从全局优化的角度出发，实现并行设计。具体体现在：一方面，实现设计过程的重组，消除产品设计的错误和不足，提高产品开发的一次成功率。另一方面，PDM为并行设计提供了基础环境。它集数据库的数据管理能力、网络的通讯能力以及过程的控制能力于一体，能够实现在分布式环境中设计活动的信息共享和交换并对设计和制造过程进行动态的调整

和监控，还能够很好地支持各子系统的协调工作，支持资源的优化配置。从而实现对并行工程的支持。

(4)快速性和智能性基于PDM的分布式虚拟设计平台采用基于实例的快速智能设计方法来进行产品开发，以PDM系统作为分布式虚拟设计平台的支撑环境。使用基于实例的设计可以大大提高产品开发的效率，提高产品开发的速度，提高了开卷机设计的智能性和实用性，并可以大量地重用企业已有的成熟产品资源。

(5)开放性开放性是基于PDM的分布式虚拟设计平台的重要特点，体现在四个方面：对基础环境的适应性，与底层环境的连接是通过不同的接口来实现的；PDM内核的开放性，采用面向对象的建模方法和技术，建立系统的管理模型和信息模型，并提供对象管理机制，实现产品信息的管理；实现插件功能，工具封装和集成。

(6)高度的柔性基于PDM的分布式虚拟设计平台以柔性为其基础，面向市场，面向用户，注意组织和实现上的柔性。

3．3基于PDM的快速变型设计系统

市场竞争的全球化，使得用户有了更多的选择对象。用户需求的多样化、个性化，导致多品种、小批量 (乃至单件)的订单方式在许多机械制造企业的普遍实行。与传统的少品种、大批量生产方式相比较，在订单式生产中，由于品种的增多和批量的减少，使得产品信息类型更加多样，数量更加庞大，因而造成空前复杂的局面。但另一方面，企业要在竞争中取胜，又必须以比同行更快的交货期、更低的成本、更好的质量和更完善的服务去响应用户的需求。要达到此目的，企业唯有科学有序地利用现有的产品信息资源，以变型设计快速、合理地响应用户订单。

产品的设计，通常分为新颖性／创新设计和适应性／变型设计。创新设计可重用信息资源较少，产品质量和交货期难以保证，成本难以控制，从而使得企业缺乏竞争力；变型设计是在原有产品的基础上，按市场需求进行信息重组、结构重组，大限度地重用企业已有的成熟产品资源，灵活性和适应性强，并可提高设计的速度和质量，使企业在激烈的市场竞争中，高效、高质量、低成本生产出新产品，以满足用户的要求。产品的快速响应变型设计是企业实现快速响应市场的重要手段。

在机械制造行业中，创新设计毕竟稀少，大量的总是变型设计。事实上，许多设计人员的确也是经常使用变型设计去响应用户订单，但是传统的变型设计并不能自动保证订单产品的快交货、低成本和高质量。其根本原因在于变型设计的过程中涉及大量繁杂的产品信息和设计知识，而目前这些信息和知识的检索和管理主要仍靠设计人员的手工实现和自发进行，因此严重影响设计的速度和合理性。为了克服这个障碍，就需要运用先进的信息理论和计算机技术，着手对企业的产品信息资源进行重组。

企业在长期的生产活动中积累了大量的极其宝贵的产品信息 (图 纸、文件、数据、经验、标准、规范等)，对这些信息进行充分挖掘和科学重组，使之成为有用和便于重复利用的产品信息资源，并将其存储在数据库中，加上在先期开发中所积累的信息资源，就足以有效支持对市场的快速响应。面对瞬息万变的市场环境，要求企业快速响应市场需求，迅速开发新产品，变被动适应用户为主动引导市场。因此，实施“快速响应工程”，以适应市场环境的变化和用户需求的转移是时代的需要。

变型设计策略以关系型产品模型和与之相适应的产品信息管理系统以及基于实例推理的智能技术为主要手段，特别强调对企业产品信息的标准化、规范化重组，通过对企业现有成熟产品的变型再设计，使企业的宝贵信息资源得到尽可能多的重用，从而达到以快交货、高质量、低成本和重环保的快速响应竞争策略去赢得市场的目的。变型设计策略的要点为：

(1)重组企业工作流程，用变型设计快速响应市场需求；

(2)重组企业产品信息，使企业在设计开发领域中积累的丰富技术资料转变为有用和好用的宝贵信息资源，以期用尽量少的新设计零部件，组成尽可能多的变型系列新产品；

(3)建立集成的关系型产品模型和跨功能的并行工作环境，并采用基于实例推理的智能技术，以期通过产品结构的重组，来支持快速变型设计。简而言之，就是业务过程重组、信息资源重组和产品结构重组。

3．3．1以关系型产品模型进行信息重组和变型设计

重用企业产品信息资源，进行快速变型设计，应基于产品资源的合理定义与表达，按关系型产品模型进行信息重组。产品模型是一种数字化的信息模型，它以一定的数据抽象、定义和表达在产品生命周期中有关产品的信息，包括数据、结构和关系等。

在产品开发过程中，即从抽象的概念到具体的结构物化过程中，存在大量蕴含在物化过程中的信息，对这些隐式信息进行抽象和归纳，可以得到多种关系，而这些关系的存在和发现，保证了变型设计的正确、快速。关系型产品模型就是以变型产品开发过程中的种种关系为核心，通过对产品结构的重组来支持快速变型设计，能够大限度地利用企业已有的产品资源，是进行快速产品设计的有力工具。

3．3．2以产品数据管理系统作为-陕速变型设计的数据平台

产品数据管理将所有与产品相关的信息和产品开发过程集成起来，创造出一种透明度很高的虚拟环境，能适应复杂多变的变型设计的需求，保证在整个产品生命周期中使产品数据具有一致性定义的条件下，进行产品设计的数据管理和过程控制，是集成计算机辅助工具的重要武器，成为能支持基于关系型产品模型的快速变型设计的数据平台。

在全球性的、竞争日益激烈的市场环境下，企业必须对其经营过程从根本上重新结构化才能在产品上市时间、质量、成本、服务 (即TQCS)上保持竞争优势，这就是企业重组(Enterprise Reengineering)。企业重组系统由业务过程重组、生产过程重组、信息技术重组构成。信息技术重组，是指采用先进的产品数据管理PDM系统，建立智能化的产品模型，使设计开发人员在进行新产品设计和变型设计时都能对整个企业的生产过程有一个清晰、全面地了解。产品数据管理系统便是实现这些哲理的使能器，是计算机工具集成的核心，己逐渐成为企业有效管理、利用产品资源，赢得市场竞争的战略性武器。

支持快速变型设计的 PDM系统主要由事物特性表管理、分类编码系统管理等模块组成。事物特性是描述对象不受周围环境影响的特性。事物特性表是一种组合排列对象组的事物和关系特性表格，可用于概括地描述、限制和选择标准的、非标准的，物质和非物质的以及相互近似的事物对象。将其用于CAD中，可规范化的支持CAD数据的归档、存储和交换，表的每一列表示相关的零部件的特性，表的每一行代表相关零部件类中的一个实例。

事物特性技术与关系型 CAD系统组合，可以建立起智能关系型产品模型，通过关系定义来保证零部件的合理变型。关系在形状模型和事物特性表之间建立，可以实现由事物特性表驱动的快速变型设计。为了进行产品信息交流，实现高层次上的技术管理的合理化，需要选择合适的分类标准。分类编码体系能够对产品资源的零件层、部件层、产品层进行统一的分类管理，形成企业的产品资源库，建立产品、部件、零件之间以及它们与描述它们的文档、图 纸之间以及供应商之间的关系，建立产品结构信息。

3．3．3以CBR作为快速变型设计的智能推理工具

CBR(Case based Reasoning)技术即：基于实例的推理技术，是人工智能中新崛起的一项重要推理技术，其核心思想是对问题求解时充分利用人类的成功经验，将人类以往处理某类问题的经验作为现在处理这类相似问题的参考。将它应用于设计领域，就是直接参考以往的类似产品实例，通过必要的修改生成新的产品。这种推理技术符合设计人员的传统习惯和思维方式，特别适合于进行比较大型的结构变型设计的智能推理，是进行快速变型设计的智能推理工具。

在基于实例推理操作中，最关键的操作是相关实例的检索、最佳实例的选择与实例修改。 CBR推理技术引入设计领域是为了克服传统的基于规则的专家系统和基于模型的推理系统的缺陷，不仅可以缓和专家系统知识获取的困难，而且可大大地提高系统的推理效率，同时，增强人工智能处理异构知识的能力，既能够处理过程性知识又能处理经验性知识。还能处理实例知识，其具有如下优点：

(1)CBR推理不需要精确的领域模型，因而知识的提取变成了一个收集实侧的过程；

(2)CBR推理的执行过程简化为确定描述实例的典型特征，这比产生一个精确的模型或众多的规则要容易的多；

(3)应用数据库技术，可以解决大量信息的管理问题；

(4)CBR系统能通过把新的知识转换为实例而实现自学习，这样使系统的维护容易。

因此，应用 CBR技术解决变型设计问题是可行的，对于一个不存在明确模型或尚不被完全理解的问题域，CBR是一个有效的智能系统开发工具。

3．4基于虚拟产品模型的系统集成

建立基于 PDM的分布式虚拟设计平台，需要对所有产品数据进行结构化的表达．但这些数据分别存储在不同的应用系统中，为了使虚拟产品模型对所有的用户来说都是透明的，必须把这些分散的系统集成为一个整体，这些系统主要包括CAx、PDM、以及用户自己开发的一些应用系统。

在 CAx／PDM等系统集成的过程中，下面几个问题是需要重点考虑的：

(1)对同一信息在不同系统中的描述方式不～样，如何进行数据的统一描述；

(2)数据的控制问题，即由谁来产生数据以及控制共同拥有的信息是这个问题的核心：

(3)数据的传递方向和内容；

(4)组织障碍，集成系统的各部门之间较难接受对方的思想，这也是系统集成的一个不容忽视的问题。

根据解决上述问题所采用的不同方式， CAx／PDM系统之间的集成可以采用不同的集成策略。企业对系统进行集成时，不仅仅只是考虑技术的因素，更为重要的是要考虑企业组织结构、人员以及企业能承担的集成费用等。

根据系统集成的紧密程度可分为封装、接口和完全集成三种集成模式：封装这是一种最简单的集成方式，实施起来费用较少，而且由于对原系统的改变较少，因而较易为不同部门的人员接受。 OLE技术就是在这一层次上的集成。这时集成的两个系统不能互相操纵彼此的内部数据，例如在Word文档中嵌入AutoCAD文档，这时是不能在Word文档直接对AuotCAD文档中的数据进行改变。这种集成功能是有限的。

接口根据两个集成系统提供的 API函数进行编程，通过API函数来抽取各自所需的信息，然后转换成相互都能接受的格式实现信息交互。在这种集成模式下，系统通过API函数访问系统内部数据，而API函数一般是有限的，它成为集成的一个瓶颈。同时在集成时必须充分了解各API函数中参数的数据结构。这种集成模式需要更大的投入(同封装集成模式相比)，它是目前较常见的集成方式。

完全集成在完全集成方式中，两个系统在原数据和面向特定功能数据定义方面都有统一的描述格式，这些数据的传递不必经过 API函数的转换，集成效率高。这种集成方式需要软件供应商的大力参与，同时要花费大量的人力、物力和时间。

3．4．1PDM系统与CAD系统的集成

(1)PDM／CAD系统集成基本功能描述PDM／CAD系统集成的核心任务是，将CAD用户的工作结果连同有关的业务对象和数据对象一起构建在PDM数据模型中，使得虚拟产品模型中的描述零部件视图、模型、工程图等的所有业务对象、数据对象和数据成为一个整体。在PDM／CAD系统集成接口中主要完成以下四个方面的集成功能，如图3．2所示。

图 3．2PDM与CAD系统集成之间的数据交换

a．对零件的视图和模型进行操作零件的视图和模型首先在CAD系统中产生，为了对视图和模型进行管理，相应地在PDM系统中产生模型基本记录。如果此时没有相应的零件基本记录，必须先产生零件基本记录，这样就形成了零件基本记录一模型基本记录一模型，视图的连接链。这个过程完成后就能实现零件的视图和模型的信息在PDM与CAD系统之间传递。

从 CAD系统传递到PDM系统中的视图和模型信息主要包括：零件的重量、体积等，这些信息构成零件模型基本记录的组成部分：从PDM系统中传递到CAD系统的信息主要是零件模型和视图的说明信息，如物品编号、标记、显示等级和分类索引键，以及CAD视图和模型的存储路径和文件名等。对部件来说，这个过程是相同的。

b．对零件主图进行操作主图是由2D视图或从主3D模型生成的局部视图再加上相应的工作信息(如公差等)组成的，通过主图能够派生出零件和部件的所有变型工程图。对零件主图的操作同对零件视图／模型的操作是相似的。

c．对零件工程图进行操作对零件的工程图在PDM／CAD系统之间的操作主要包括工程图的注册、浏览、加载和编辑等。如在CAD端存放一张带有边框和工程标注中记录了比例尺、页号和页数等信息，这些信息可以在注册过程中传送到PDM系统中相应工程图基本记录中。在PDM系统中浏览、加载和修改过程中，图号、名称、材料和重量等属性可以从零件基本记录和工程图基本记录中动态地传送到CAD系统中工程图标准栏中。

d．对部件结构进行操作第一项任务是，在PDM系统中利用从部件图或部件模型中得到的信息自动地重新构建一个完整的产品结构，或者在已有基本结构的基础上进行扩充，形成一个完整的产品结构；第二项任务是，利用PDM系统中的产品数据结构在CAD系统中装配成一个相应的部件。

(2)PDM，CAD系统集成数据结构描述上面描述了PDM／CAD系统之间集成时所需要完成的主要功能，完成这些功能需要相应的数据结构的支持。下面描述PDM／CAD系统集成时产品数据结构的表达。

在 PDM系统中，通过零件簇来实现对零部件的分类和组织。主图和主模型都通过联系对象与相应的分类元素联系，主图与主模型中的参数通过与分类元素相联系的事物特性表来表达。事物特性表中的每一行与一个相应的零件基本记录，这样通过零件基本记录所对应的事物特性表中的参数和主图以及主模型就能派生出零件的模型和工程图等。

在从主图和主模型派生零件模型和零件工程图的过程中，需要利用事物特性表和参数表之间的对应关系。事物特性表一般作为 PDM系统中的对象进行管理，而在CAD系统对主图和主模型进行描述是采用主模型和主图的参数表来进行的，所以要建立事物特性表和参数表之间的对应关系。在CAD系统中，通过参数表中的每一行与相应的主模型和主图能够在CAD系统中产生相应的模型和工程图。

在 PDM／CAD之间从主图和主模型派生工程图和模型的过程中，主要传递的数据是通过主图和模型的参数表来传递的。从PDM系统中产生一个工程图或者模型时，首先从事物特性表中映射出相应的参数表数据，然后在CAD系统中通过参数表数据产生相应的工程图和模型；在CAD系统中产生一个模型后，可以提出相应的参数表数据，传送到PDM系统中相应的事物特性表，在PDM系统中产生一个新的零件基本记录。

3．4．2PDM系统与CAx系统的集成

(1)PDM／CAx系统集成基本功能描述PDM／CAx系统集成主要是指与产生一般产品文档的CAx系统之间的集成。这里所说的CAx系统主要指与CAD系统相比较而言的，因为PDM／CAD系统之间的集成时需要对有关CAD的文档内部信息进行处理，而与一般的CAx系统集成时，只需要把这些系统中的相关文档作为一个信息单元进行处理，这种集成方法相对简单得

多。

在 PDM／CAx系统集成中把文档作为一个信息单元进行处理时，它们有一些共同的特性，在此基础上可以构建一个通用的集成接口，这个通用接口主要完成下面几个方面的功能，如图3．3所示。

a．在PDM系统中注册CAx文档；

b．通过PDM系统加载／阅览CAx文档：

c．通过PDM系统加载／编辑CAx文档：

图 3．3PDM／CAx系统集成之间的数据交换

(2)PDM／CAx系统集成通用接口描述从上面的描述中可以看出，PDM与一些CAx系统集成时需要完成相似的功能，这样就可以采用一个相同的结构来构建PDM／CAx系统之间的接口，降低集成的难度和成本。这个通用接口完成的主要功能是文档在PDM系统中的注册、浏览和编辑等。这个通用接口可用图3．4来描述。

PDM／CAx系统集成的过程中，在PDM系统端只要开发一个通用的消息调用模块和前后置处理模块就可以与多种CAx系统集成，前后置处理模块主要是实现文档基本记录的中性格式的转换。在CAx系统端除了需要前后置处理模块以外，还需要一个CAx专用接口，这个专用的接口主要用来实现CAx系统与其他系统的集成。

图 3.4PDM／CAx系统集成处理一般文档的通用接口

本章分析了基于 PDM的分布式虚拟设计平台的体系结构和该平台具有的特点，并探讨了构建基于PDM的快速变型设计系统的关键性技术，最后分析了基于虚拟产品模型的系统集成。本文章来自清软英泰御云软件，更多详细信息请点击：www.plmpdm.cn，或在百度搜索清软英泰。