引言

當前，CAD系統已由單純二維繪圖向三維智能設計、物性分析、動態仿真方向發展，參數化設計向變量化和超變量化(VariationGraphicseXtended，VGX)方向發展。計算機輔助設計(ComputerAidedDesign，CAD)技術在基礎理論及軟件產業方面日趨成熟，市場上出現了CATIA,UGII,Pro/E,I-DEAS,Solidworks,SolidEdge,CAXA等許多優秀的CAD系統。在我國“十五”86三計劃中，三維CAD是先進制造與自動化技術領域的重點，并設立了“面向行業典型產品的三維數字化設計系統及核心構件開發”等多個項目，以促進國內三維CAD的開發和應用。

基于三維CAD的發展，產品數據管理系統也逐步從初期的文檔管理發展到支持協同設計和并行工程的產品設計過程管理系統。因此，對三維CAD系統的支持成為國內(ProductDataManagement,PDM)應用發展的一個重點。

面向三維CAD的PDM與面向平面圖紙的PDM相比，其不同點在于：①設計方法的不同，造成對設計過程管理的不同。三維CAD設計符合從概念設計逐步演化到精確模型的思考方式，而二維圖形表達的是設計結果。②設計結果的復雜程度不同。三維模型中包含有豐富的幾何信息、特征信息和工藝信息等，而二維圖形只能表達幾何信息。③設計結果的可利用程度不同。三維CAD設計結果可進一步利用，進行計算機輔助工程(Computer Ai-ded Engineering，CAE)分析和計算機輔助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)處理，而二維圖形此方面的功能較弱。這些差異使面向三維CAD的更為復雜，針對三維CAD的特點，面向三維CAD的PDM系統主要研究實體約束和關系管理、三維CAD格式轉換平臺、的信息提取與交互、三維模型和二維圖紙關聯管理。這些技術對三維CAD數據可提供交換和處理的基本功能，其中實體約束和關系管理提供對設計過程和知識管理的支持，在此基礎上，進一步研究制造企業中的產品、過程、資源集成方法，為產品全生命周期管理提供使能器。

一、面向三維CAD的PDM系統體系結構

隨著國內對三維CAD技術研究的深入和應用的普及，PDM系統應實現與三維設計過程和三維設計結果的緊密集成。“十五”末，86三計劃先進制造與自動化領域對基于三維CAD的PDM系統開發及應用進行立項支持，提出研究與開發自主知識產權的PDM系統，支持異構設計制造資源的管理和利用，帶動國產三維CAD軟件研究開發與應用等目標。筆者結合應用需求，在項目開發過程中，建立了面向三維CAD的PDM系統總體框架，研究了其中的關鍵技術。

面向三維CAD的PDM系統提供對多種主流三維CAD系統的應用集成平臺，實現對三維幾何模型與模型裝配關系的管理，構造支持其他應用系統集成的支撐環境。

PDM核心功能實現參照對象管理組織(ObjectManagementGroup，OMG)的PDM使能器和產品模型數據轉換標準(StandardfortheExchangeofProductmodelData，STEP)的PDMSchema要求，完成項目管理、工作流管理、文檔管理、產品結構管理、配置管理、工程變更管理和制造數據管理等功能，并提供支持虛擬設計的服務部件。另外，PDM功能的實現需要公用服務技術的支持，因此引入基于組件的模塊封裝、基于統一數據元模型的數據交換、基于Web的協同組件等技術。基于組件的模塊封裝，為異構環境下的各種應用系統集成提供支持手段，采用公共對象請求代理體系結構(CommonObjectRequestBrokerArchitecture，CORBA)、組件對象模型(ComponentObjectModel，COM)，WebServices等方式對各類應用服務進行封裝和描述。基于統一數據元模型的數據交換采用統一語義的建模方法，描述企業信息系統的數據結構，在元模型層次上實現應用系統間的數據集成和交換。基于Web的協同組件可為虛擬企業之間的協同設計提供通訊、協調的工具。

PDM與三維CAD的集成點主要有CAD格式轉換平臺、的信息提取與交互、實體約束和關系管理等。CAD格式轉換平臺用來完成三維模型瀏覽、批注、測量等功能，通過開發通用瀏覽控件和面向網絡應用環境下HSF格式的瀏覽控件，為工作組級和企業級的協同設計提供技術支持。三維模型的信息提取與交互，重點對CAD模型中的屬性信息和結構信息進行提取，構造PDM系統中的零部件實體和產品結構樹，并在檢入、檢出過程中實現CAD和PDM系統中產品屬性和結構信息的統一。實體約束和關系管理是面向三維CAD的PDM系統的核心功能，PDM系統通過記錄CAD中的實體元素、構造元素和特征元素，維護實體之間的約束和裝配關系，在發生零部件修改時，自動發起工程變更活動，維護產品結構的一致性。

在開發過程中，針對CAD數據格式復雜、標準化程度低的特點，CAD接口分為通用格式接口、專用格式接口和一對一CAD應用接口，其中通用格式接口處理STEP和IGES等標準格式的CAD數據；專用格式接口主要處理Parasolid和ACIS等幾何核心對應的X_T,SAT等CAD格式；一對一接口解決與具體CAD數據格式相集成的問題，如通過專用接口與PTC公司的Pro/E集成，以及與Dassault公司的CATIA進行集成。

針對國內正處于從二維CAD設計到三維CAD設計過渡的應用狀況，面向三維CAD的PDM系統中開發了三維模型和二維圖紙的關聯管理模塊，以保障設計過程與設計結果數據的一致性，保護企業現有資源，為CAD應用從二維到三維過渡提供服務。

二、實體約束和關聯管理

基于三維CAD的PDM系統的核心是對零部件之間的約束和裝配關系進行管理，在PDM系統中，記錄CAD模型各實體之間的關聯關系和約束條件。當一個零件發生變化時，借助于工作流技術，PDM能 根據關系和條件對其他零部件、圖紙、分析結果、規格說明書、參數、制造過程和資源等進行工程變更通知和檢查。另外，關聯關系可用于知識管理和智能化設計， 其思想是建立設計指標和零部件之間的約束關系，使零部件成為功能單元。在零部件級建立功能參數到幾何模型的對應函數，這樣，設計目標的變化可直接反映到幾 何模型中，為并行工程提供支持。  

對于實體和特征及其約束、關聯關系，通過在PDM系統中定義管理類進行管理。定義的類包括實體類CEntity、特征類CFeatue、構造元素類CConstructElement和關系類CRelationship等，分別記錄實體中的面向裝配的信息、特征中裝配信息、實體和特征間的構造元素信息以及兩個實體間的約束關系。在進行裝配模型的檢入操作時，把相關的裝配和約束信息存人CEntity，CFeatue，CConstructElement類對應的實例中，并調用CRelationship中的Createreference()方法，建立實體間的關聯關系，如裝配類型、數目、名稱以及到裝配實體的參考關系等，這些信息作為持久對象存入PDM系統的數據庫中。在進行檢出操作時，與CAD數據一起從PDM數據庫中讀取約束和關系信息，根據CAD模型數據的變化，PDM系統發起約束檢查、工程變更等活動。

在CAD環境中，模型重建引起的約束和關聯變化比較復雜。維護設計者設計意圖的關鍵，在于維護模型修改前后拓撲結構的對應關系即拓撲一致性，為此要考慮拓撲編碼的問題，系統通過為每個從ENTITY派生的實體引入索引標志的方法解決，該索引標志記錄全局惟一的標志符。如在ACIS平臺下，可利用ACISENTITY中的ATTRIB和ANNOTATION類對模型操作的具體變化進行記錄：操作前實體的面、邊、點，操作后產生的面、邊、點等，操作后系統自動重新整理，保證了拓撲結構的對應關系。

為支持特征造型，還需要維護特征之間的依賴關系，以便修改特征參數后重建所有依賴特征，這些關系一般形成樹形結構，又稱特征樹。特征樹方便了對特征的管 理，但這種關系往往也限制了設計人員的設計思路，并且還可能出現：父特征的刪除導致所有子特征的刪除，某特征的參數依賴于其后續特征的參數，將導致系統重 建時的崩潰。對于上述問題，系統采用雙重坐標方法進行處理，對每個特征既記錄其相對父特征的坐標，也記錄其在全局坐標系下的坐標。這樣，當父特征不存在 時，子特征可在全局坐標系下保持獨立存在。另外，采用VGX技術，將約束關系從幾何關系中獨立出來，建立全局約束鏈，通過相對獨立的約束求解器，結合代數方法和數值求解方法對約束整體聯立求解，可增加系統的動態導航、動態約束添加和動態修改機制，使模型的修改超越設計歷史樹的限制。

三、三維CAD格式轉換

不同三維CAD系統產生的模型格式不同，雖有面向不同的CAD進行數據交換的國際標準(STEP)，但其結構龐雜，標準更新緩慢，數據交換效率較低，CAD廠商對STEP標準的支持并不理想。本文采用ACIS平臺提供的中間數據格式解決數據交換問題。通過ACIS提供的InterOp接口進行開發，分別對CATIA，UGⅡ，Pro/E，I-DEAS，SolidWorks，SolidEdge等各種主流的CAD系統生成模型進行轉換，將這些CAD文件轉換成中間數據格式SAT，再通過中間數據格式進行數據交換。各種CAD數據轉換為SAT數據格式后，可在通用的瀏覽器中進行顯示。

目前，ACIS平臺的InterOp提供了與大部分三維CAD的數據接口，并支持IGES和STEP等圖形標準，對于InterOp不支持的CAD系統可通過這些標準進行轉換。為基于ACIS平臺和接口開發的瀏覽器，采用組件技術進行封裝，該組件可以在PDM系統中注冊使用，或作為工具提供給其他系統使用。瀏覽器在圖形顯示的基礎上，通過捕捉技術實現尺寸測量，采用矩陣變換實現圖形的移動、旋轉、縮放和鷹眼功能，采用覆蓋技術實現批注功能。對于數據量大的復雜模型，ACIS平臺采用專用瀏覽格式HSF對文件進行處理。HSF只記錄模型的幾何形狀及基本的裝配信息，其大小約為原模型的1/5-l/10，適用于對帶寬要求較高的網上產品發布和異地的協同設計等應用場景。

四、模型信息提取和交互

CAD與PDM的數據一致性問題是基于三維CAD的PDM必須解決的核心問題之一，也是信息集成的一個重點。系統中采用CAD/PDM雙向驅動數據刷新的方法來維護數據的一致性。一方面，在進行CAD文件保存、檢入PDM電子倉庫操作時，CAD/PDM接口模塊提取CAD文件中的信息，以此信息生成/更新PDM系統的數據對象，或構建產品結構樹。對于零件對應的CAD模型，接口模塊提取零件的名稱、材料、圖號等基本信息，以這些信息生成/更新PDM系統相對應的零件數據對象的屬性；對于部件和產品的CAD文件，接口模塊除了提取名稱、圖號等基本信息生成/更新PDM數據對象以外，還提取產品和部件的裝配關系信息，并以裝配關系信息構建/更新PDM系統的產品結構樹，從而保證PDM系統的數據被CAD數據驅動更新。另一方面，在PDM系統中更新數據對象或產品結構樹后，通過集成接口模塊，將CAD文件檢出到被PDM自動激活的CAD應用系統進行編輯更新，從而使CAD數據與更新后的PDM數據保持一致。

目前ACIS平臺中的InterOp接口不提供對模型裝配信息的處理，要實現基本信息同步和結構信息處理，較好的方式是通過CAD系統提供的應用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)進行開發。產品化的CAD基本都提供豐富完善的二次開發平臺或接口，如CATIA的CAA平臺、UGⅡ提供的UG/Open二次開發工具集、Pro/E的Toolkit開發工具等。通用集成模式是在CAD環境中內嵌PDM功能菜單，在設計過程中進行CAD文件的檢入、檢出、信息提取和交互等操作，為工程師提供更為集成高效的工作環境。以所示的CATIA應用開發為例，采用CAA進行開發，在CAD環境下增加檢入、檢出、結構信息提取等功能菜單，設計人員通過這些菜單與PDM系統進行數據交互。及相關數據統一存放在PDM系統的電子倉庫中，提取的結構信息用來自動生成PDM系統中的產品結構。

五、三維模型和二維圖紙的關聯管理

目前，國內企業應用三維CAD還處于發展階段，設計人員采用三維CAD進 行造型設計，但缺乏對三維模型分析、工藝處理、加工等后續工作的支持。在大部分情況下，指導企業進行實際生產的仍是二維圖紙，在國家標準、企業設計規范、 產品生產過程等方面，二維圖紙仍具有不可替代的權威性。因此，設計人員在完成產品零部件的三維造型后，需要把模型轉化為二維圖紙。對于這種情況，PDM應對三維CAD模型和對應的二維圖紙進行關聯管理，保證三維CAD模型和二維圖紙在表達零部件信息上的一致性。

CAD繪 圖在繪制模型后，通過轉換工具從三維模型自動生成二維格式的圖紙，經標準化處理后，即成為具有生產指導意義的圖紙。在操作系統的文件管理器下，實體模型與 生成的二維圖紙是緊密關聯的，三維模型與二維圖紙分別作為獨立的文件加以保存，并通過指定的相關路徑進行關聯。啟動一個二維圖形，相應的三維模型也被激 活，當修改三維模型時，相關的二維圖紙能自動修改，保證了數據的一致性。但產品三維文件與二維圖紙文件通過指定相關路徑所建立起來的聯系非常脆弱，在文件 管理器中，一旦文件所在目錄發生變動，這種關聯性就會被破壞，在產品數據量不斷增大的情況下，發生錯誤關聯或數據丟失的可能性急劇增大。

PDM通過在系統的數據結構內部建立三維模型與二維圖紙的關聯關系，消除人為更改關聯路徑造成的錯誤。表示三維模型與二維圖紙同步進行出入庫的過程。設計產品時，三維模型和二維數據同時檢入并保存到PDM的服務端，PDM系統在數據庫中自動建立二者之間的聯系；在檢出編輯時，三維模型和二維數據同時被下載到客戶端，根據數據庫中的信息建立正確的關聯路徑，保證二者能同時加載到CAD應用系統中。要修改某零部件圖時，打開其二維圖紙文件，并在二維圖紙頁面上確定要修改的部分，進行修改操作時，三維CAD根據PDM記錄的關聯關系自動打開相應的三維模型，這時只修改三維模型，模型修改結束后，系統對二維圖自動作相應的修改。另外，PDM可對三維模型和二維圖紙的同步更新做檢查，如檢入時三維模型沒有對應的二維圖，則檢入操作失敗，從而保障數據的一致性。

六、結束語

面向三維 CAD的產品數據管理系統給出系統的總體結構，對三維模型的實體約束和關聯管理進行定義，并做出初步實現。借助ACIS平臺和CAD系統提供的二次開發接口，系統較好地實現了通用三維CAD瀏覽器開發、三維模型信息提取與交互、三維模型與二維圖紙的關聯管理等內容。現有成果已在南京新模式軟件集成有限公司的PDM系列產品中得到應用，并推出面向三維CAD的產品數據管理與交換系統PDEM，該系統已在江蘇國泰集團等多家企業進行實施，取得了較好的應用效果。由于三維CAD數據本身的復雜性，目前對實體約束和關聯管理的研究還處于初步階段，在下一步開發過程中，將繼續對此問題進行深入研究。