CAD系统与PDM系统集成技术研究
1.1 系统集成技术
在工程设计中，设计人员在产品设计过程中主要使用的工具软件就是CAD类软件，电器产品的设计更是离不开CAD技术，CAD技术在电器产品开发和设计中的应用十分广泛，电器行业在CAD工具的帮助下产品研发及生产效率得到了很大的提高，这就使得企业的市场竞争力得到了很大的提高，但与此同时，也产生了一些新问题。集中表现在：
1）“信息孤岛”的存在，企业应用的计算机辅助设计是局部的、面向企业某个部门的应用系统，这就造成各部门之间进行有效的实现信息共享与传递，也就形成所谓的“信息孤岛”。企业的各种CAX软件产生了大量的与产品有关的数据，但由于各个软件的研发公司不同，各个系统的数据结构具有不一致性，无法对产品的数据进行统一的管理。
2）产品在开发过程中会产生大量的数据，如果这些数据得不到高效有序的管理，会造成数据的冗余和不一致。
3）电子化数据的安全性问题存在隐患，如果设计人员操作不当会将数据误删，这给企业带来很大的麻烦。
为解决上述问题，PDM技术被电器行业引进，但是电器行业的CAD系统和PDM系统是独立运行的，工作人员依靠传统方式进行数据之间的传送，这样就使电器产品的生命周期加长，降低了电器行业的市场竞争力。而作为产品数据管理软件的PDM产品只有通过与CAD软件的充分集成，代替落后的人工管理数据的方式，有效的管理设计人员设计出来的图纸和以及图纸上的数据，使得PDM系统更加适应企业的需求。
PDM系统作为企业产品开发信息集成平台，不同系统信息的集成都需要以此作为集成平台，通过集成可以方便的管理对产品生命周期中各种软件产生的数据和文档，各种计算机辅助设计系统之间的信息可以达到共享，在电器行业进行电器的设计研发时，建立电器产品整个生命周期在不同设计系统之间产生的所有信息的集成平台。
系统的集成是使相互关联的信息，系统集合起来，可以使不同系统间的数据得到共享，使资源达到充分共享，实现集中、高效的对资源进行管理。在PDM中，集成是将人、生产系统和工程技术系统紧密结合起来形成一个统一工作的整体，这样使得产品在整个生命周期中的数据产生了相互的联系，实现数据的统一，让整个企业的相关部门人员都能够对产品信息有一个整体的把握，提高整个企业的产品生产效率。
1.2 CAD与PDM集成架构
在CAD系统与PDM系统集成过程中，我们期望实现的目标是：第一，在PDM系统中可以自动挂接电器CAD系统在电器产品的设计时产生的相关数据，并根据这些数据建立产品结构图，这样PDM系统就能管理和控制产品设计过程；第二，CAD软件在电器产品设计中需要产品结构和零部件信息，这些信息可以直接从PDM系统中获取，使两个系统的数据能够共享，避免产品图纸与PDM中的产品数据出现不一致情况，使产品设计过程更加规范。只有使CAD与PDM两个系统之间实现双向集成才能达到这两个目标。显然，CAD系统与PDM系统之间的数据的通信是实现CAD系统与PDM系统之间集成的核心。如图4.1所示为三维CAD系统与PDM系统之间集成的构架图。通过该集成框架可以实现用户所期望的目标，实现两系统之间数据的共享。
图4.1CAD与PDM集成的总体框架
1.3 CAD与PDM集成层次分析
集成的主要目标是指将一些资源和应用整合起来成为一个相互协同工作的整体，这些资源指信息技术，应用包括计算机软硬件、接口及机器等，如图4.2所示，它主要使参与集成的应用系统1和应用系统2之间功能能够交互，也使得信息共享以及数据在两个系统之间的传递能够得以实现。
图4.2集成的基本概念
产品在CAD系统中产生的信息所有产品信息的源头，信息量较大，实现集成不易，根据集成的深度及用户对集成要求的不同，我们可以将集成的层次做一个划分，CAD系统与PDM系统之间的集成层次可分为三个模式：应用封装模式，接口模式和紧密集成模式。
1.3.1 应用封装模式
从本质上讲，与产品相关的数据是由软件的应用程序产生，所以实现对应用程序的集成便实现了对产品数据的集成。将外部应用系统“封装”起来的目的是为了使不同的应用系统之间产生的信息能够互相共享，并达到统一管理各个应用系统产生的数据的目标，封装模式使PDM将特征数据和数据文件分别放在专门存放数据和文件的数据库和文件柜中，为实现对应用系统中产生的数据高效率、安全的管理提供了强大的保障。
面向对象数据类型是封装的最大特点，对象一般可以分为两部分：接口部分和实现部分。接口部分作为对象唯一的可见部分，主要针对于说明对象的操作集；实现部分是由两部分组成，分别是数据部分和过程部分，数据部分是用于描述对象或对其状态进行分析；每一动作的实现需要过程部分来诠释。
封装指的是在一个类中将对象的属性和操作方法同时封装起来，这时只有外部接口是可见的，操作集体可以用来描述此模块，以使得对象的界面与对象的内部表达之间保持互相独立。这样就使得操作是可以被看见的，而在对象中将数据和操作是如何实现的隐藏起来，即在定义对象时将对象的属性和操作方法同时封装起来。信息隐蔽原则是封装模式所遵循的原则，主要表现在：封装意味着将对象的内部结构隐藏起来，不让用户看到对象的内部结构，而对象的使用是通过调用操作（程序）来完成的。
同时，对象类型的数据内部结构表达式可以被不同的程序设计所影响，当其被程序设计所改变时，该对象类型上工作的任何程序不会受到影响。当改变对象类型实现时，封装可以保持对象类型程序不受到任何影响，当PDM系统中将CAD应用程序封装起来，就可以在PDM系统中直接**与之集成的CAD系统。
应用封装模式有两个特点，一方面由应用工具所产生的文件可以被PDM系统自动识别，保存以及控制管理；另一方面可以打开相应的应用工具，**在PDM中保存的文件，原文件可以在已经启动了的工具中被编辑。应用封装模式较为简单，工作量较小，自动化程度低，在两个系统的集成过程中比较容易实现，但应用封装模式也存在一些不足，封装不能对文件内部如产品的特征属性，参数以及装配数据等的具体数据进行相应的管理。
因此，对于产品内部具体的数据“封装”不能实现充分的了解，当数据包含产品结构信息时，PDM的产品结构配置模块需要对产品内部的结构关系有很充分的了解，并掌握这些关系。这样就导致当需集成不同应用系统间产品结构信息时，若仍采用封装模式进行集成，则满足不了集成的需求，集成的需求。
1.3.2 接口模式
封装不能实现一些包含有产品结构信息的数据之间的集成，这时需要采用接口模式和紧密集成模式来实现集成。
产品的装配树通常可以由三维软件进行产品的装配时自动生成。PDM系统中的产品结构树与CAD系统生成的产品装配树是有一定关系的，如果将这种关系忽略掉，而在PDM中产品结构树由工作人员人工编辑而产生，就有可能使得数据不一致，也有可能造成数据的重复输入等错误。可以通过接口程序，使得PDM中的产品结构树由CAD系统中产品装配树自动生成，CAD系统提供了丰富的API函数，这些函数可以帮助PDM系统获得产品内部的结构关系，从而实现PDM的产品结构树的自动生成，更新后的产品结构关系可以在自动生成的PDM产品结构树中获取，产品结构关系更新后，CAD的装配文件可能会与新的产品结构关系不一致，这时API函数会对这些CAD文件作出相应的修改并保存，从而可以保证两者的异步一致。
由以上分析可得出下面的结论，与封装模式相比接口模式是更高层次的集成模式[43]。接口模式能够实现两个功能，一方面通过接口程序获取产品结构关系，从而由CAD装配文件中的装配树自动生成PDM的产品结构树；另一方面可以从PDM的产品结构树中提取最新的产品结构关系，根据更新后的产品结构关系去对与PDM的产品结构树不一致的CAD的装配文件做出修改，使两者保持异步一致，在操作界面上，CAD系统界面上要有PDM系统的功能菜单，而PDM系统界面上也要有CAD系统的功能菜单，这样就使得采用接口模式集成的工作难度远远比应用封装模式高。
三维CAD系统与PDM系统之间存在许多共享的数据模型，在封装模式的基础上，根据这些共享的数据模型，并通过数据接口，三维CAD系统的部分数据对象不用通过人工在PDM系统中创建，或者三维CAD系统中所需要的数据对象可以从PDM系统中进行相关的调用。
接口模式根据用户对系统数据的要求，还可以分为工具式接口、直通式接口和间接式接口。
1.3.3 紧密集成模式
在三种集成模式中，紧密集成模式是CAD系统与PDM系统集成的最高层次，这种集成模式使CAD与PDM系统中所有类型的数据都得到了双向交换和共享，紧密集成模式详细分析了在CAD系统中进行产品设计时产生的图形数据和在PDM生成的产品结构树的相关性，使产品数据之间的结构关系在两个系统中得到统一，CAD的装配关系与PDM产品结构树要始终保持一致，只要两个系统其中任何一个系统的产品结构关系发生了变化，就会对另一个系统的产品结构关系造成影响。而且与其他两个集成模式相比较，系统之间共享的内容也得到扩展，数据和操作服务也可以得到共享。
紧密集成模式是企业比较理想的集成模式，是集成的最终目标，以该种集成模式实现集成时，与PDM系统集成的应用系统成为PDM的有机组成部分，该集成模式允许CAD系统与PDM系统的有关服务被互相调用，以方便相关操作的执行，使两系统之间的关系更加紧密，有利于实现真正的一体化。
综上分析，与CAD系统与PDM系统集成的其他两种集成模式相比较，紧密集成模式是最好的集成模式，它可以满足用户最多的需求，但这种集成模式也是最难实现的，一般由软件供应商开发这种集成模式。当采用这种模式进行集成的设计过程中，系统管理人员需要对CAD系统和PDM系统有充分的了解，以能够使CAD文件的属性得到准确的定义，设置用户最适合的工作环境。用户在应用过程中需要对集成命令有准确的理解，CAD系统的装配树和PDM系统的产品结构树的一致性由系统来保障，在进行紧密集成模式的设计时，一种共享的信息模型在PDM系统和CAD系统中建立起来，其中一个系统中的数据修改时，双方仍能够保持数据的一致性。
紧密集成模式的实现较为复杂，以该种模式实现集成需要获取CAD系统和PDM系统的内部数据结构，制定统一的数据之间的结构关系，开发工作量非常大，实现起来比较困难，要真正以这种模式实现集成，在技术上取决于应用系统的开放性以及对两系统内部结构了解的程度。
1.4 CAD与PDM集成的相关技术
1.4.1 API技术
CAD系统在电器行业的大量应用，几乎所有电器产品的设计都依靠CAD系统来完成的。使用三维CAD在对产品进行设计开发时会产生大量的设计数据，PDM系统产品结构信息的来源就是这些数据。不断扩大的CAD应用，积累了大量的设计数据，这都需要PDM的管理，PDM的任务越来越大，传统的方式是在PDM中让工作人员将数据逐个录入，这就会使效率大大降低，浪费了大量的时间，而且也降低了准确性，因此，必须改变这种传统的数据录入方式，能够将CAD系统产生的的产品信息自动传递到PDM系统中，使PDM从CAD系统中自动的获取产品的设计信息，这就产生了一个问题，怎样提取三维CAD中的产品结构信息和基本信息到PDM系统中，这个问题是集成必须首要考虑的，为方便用户需求，目前企业常用的三维CAD软件都给客户提供相关的API函数。
操作系统的API提供了对操作系统功能调用的途径；数据库的API提供了数据库连接和数据操作的方法。许多大型的成熟的应用软件也提供了它们的API供外界调用，执行外部程序要求的操作和返回数据。
API：应用程序接口（Application Program Interface），是一组集合，用来定义程序及协议，各个产品设计软件之间的相互通信需要依靠API函数进行。设计人员通过API函数的使用来将应用程序进行开发，可以减轻编程任务从而提高工作效率。API同时也可以作为一种中间件，使不同平台的数据达到共享。API接口采用的方法是面向对象法，用户可以使用不同编程语言对所有的函数的对象进行编程、调试。
CAD系统与PDM系统进行双向集成时，API函数的使用非常重要，能够正确的使用API函数会使集成快速顺利的进行。一般来说，在产品的设计过程中会产生大量的设计数据和模型文档，这些数据和文件常被保存在服务器的数据库或是FTP上，集成过程中数据的流向分为两种即“流进来”或“流出去”，这就要求双向集成过程数据要能被上传或被下载，在往系统中进行上传数据之前，通过API函数的正确使用来遍历在CAD装配模块中产生的产品的装配树，以得到产品的结构以及产品的基本属性信息等。在从系统中进行下载已上传的数据之后，也是通过使用相应的API函数来在PDM系统中构建产品结构树，以使得产品的装配模型能够随着PDM的产品结构树的更新而得到相应的更新等。综上分析，正确使用API函数，集成的效率将得到很大的提高。
1.4.2 COM组件技术
COM是Component Object Model的英文缩写，中文全称是组件对象模型，它是一种软件组件结构标准，诞生于1993年由Microsoft公司制订，其目的是能够灵活的完成应用程序的创建，最初目标是为对象链接与嵌入(OLE)提供支持。
COM（组件对象模型）的一个功能是给出了标准的构建组件的方法，该方法其实是软件组件之间的相互通信的一种方式。对于任意的两个组件，它唯一的要求是它们运行在两台互连的计算机上，无论这两台计算机是否在相同的操作系统下运行，只要各自的操作系统都能够支持COM，也不管是靠哪种语言编写的该组件，这两个组件都可以互相通信，COM规范是一套为组件架构设置标准的文档,提供了一种编写与语言无关的能够按面向对象API形式提供服务的组件的方法。COM具有一个被称作COM库的API,它提供了对所有客户及组件都非常有用的组件管理服务。
COM接口定义了接口的功能,功能的具体实现则是在COM组件中完成的。一个COM组件可以实现任意数目的接口,这可以通过对定义接口的抽象基类的多重继承或使用嵌套类等方式来实现。
COM为组件提供了二进制的网络标准的同时也提供了一些编程模型，定义了一整套机制，该套机制能够使软件组件之间的互相操作得以实现，能够在技术上对软件的组件化进行支持。COM是一个可以用来为任何类型的应用程序构建组件的普遍的模型，而不是一个特殊类型的应用程序。
三维CAD设计软件So1idworks是基于Windows平台进行开发的软件，它能够提供大量的API函数，并且可以用基于对象的方法对这些接口进行创建，这些对象指的就是COM对象。API可以显示出COM对象的各项功能，每个COM对象都有自己的特点，它们有属于自己独有的的数据和方法，在应用程序接口之后会将这些数据和方法隐藏起来。指针的使用实现了对COM接口的访问，当对象的接口指针得到时，该对象的接口函数就能被调用以进行具体的操作。
1.4.3 XML
XML即可扩展标记语言，是Extensible Markup Language的缩写，可以使通过网络进行的交互合作的可靠性以及相互之间的操作性增强，基于的技术极大的方便了开发者利用网络进行数据的表示、处理以及数据的交换和传输等。
XML于上个世纪90年代后期产生，1998年2月，W3C组织发布了XML标准，W3C组织发布XML标准的最初的目的是，定义一种互联网数据交换的标准，用于解决计算机之间的传输和文档交换问题，不同于其他语言，XML并非是结构化的，它是半结构化的语言，它包含三个要素，分别是：文档类型定义DTD、可扩展样式语言XSL和可扩展链接语言xlink，DTD对XML文件中的元素以及元素的属性进行了定义，并解释了元素与其属性之间的相互关系；要想使XML文档数据可以进行统一的表示以及实现数据之间的相互集成都需要依靠命名空间来完成；XML文档的呈现样式可以由可扩展样式语言XSL来规定，这样就使得数据与数据的表现形式之间的相互独立性得以实现；而当前Web上已具有的简单链接将由可扩展链接语言xlink做更深的扩展，XML可以用来作为多种应用程序的之间的桥梁，有效的解决异构数据之间的交换。
XML应用于数据交换的优点有：
1）XML具有许多优点，如：其内部的内容和表现形式之间是相互独立的，并且它还具有跨平台移植性，自描述性能也非常好等。
2）良好的结构表示能力：数据在进行交换时，源数据与我们最终所需要的数据（这里我们称为“目标数据”）可能存在一定的差异，这种差异主要表现在结构上,并且如果数据的来源不是单一的，这样会有多个数据源，并且这些不同的数据源可能会由不同的数据模式来构成，这就更加需要具有良好的结构表示能力语言来实现数据的交换。
3）对数据的表示能力：文档的本质是一种树形结构。XML由嵌套的带有标记的元素构成。树形结构中有多个结点，这些结点便是XML的元素。元素的相关信息可以用元素的属性来定义，对于XML文档中的元素来讲，它可以存在若干方面的属性。整个XML文档包含的数据可以通过遍历树的方式来获取，在进行对某一个或几个指定节点进行查找时也变的非常方便。
4）对语义的表示能力：可以用属性来对一种数据类型进行全面的描述，数据的属性有很多方面如名称、单位、格式、数据类型等，在对数据进行定义时，元素的属性越多，其对数据的定义会越准确，为使数据的语义表示能力增强，XML可增加元素的属性。
5）数据可以在异构应用系统之间方便的进行共享：XML的灵活性，良好的扩展性、跨平台移植性以及良好的自我描述等特性，为异构应用系统之间的数据能够互相共享提供了可能实现的条件。
6）不同来源数据集成：结构化数据可能有许多来源，能够通过使用XML来将这些数据结合在一起，对于从后端数据库和其他应用程序处来的数据之间的集成XML可以通过在中间层的服务器上来实现。同时XML具有开放性，具有丰富的语义信息，使用者可以采用DOM解析技术分析XML的DTD获取文档组织结构，所以XML非常适合作为异构数据的中间层表示或数据传输的接口。
1.5 本章小结
本章主要介绍了CAD系统与PDM系统集成的相关知识，首先分析了集成的必要性，根据集成的需要对集成的层次进行了介绍，在集成层次小节中重点分析了三种集成模式，主要介绍了三种集成模式的概念及各自的优点及缺陷，最后介绍了用于CAD系统与PDM系统之间的集成的相关技术。本文章来自御云钣金软件，更多详细信息请点击：www.plmpdm.cn