進入21世紀以來，國內企業廣泛采用CAD、CAM、CAE、CAPP等各種計算機輔助設計制造技術來提高產品設計和制造水平，以鞏固自身在市場中的地位。隨著這些先進制造技術應用的深入以及計算機信息化技術的廣泛應用，越來越多的電子數據和信息隨之產生。許多企業發現他們正被大量的數據包圍，各個部門和各個系統之間的信息不能充分共享，經常出現數據文件傳遞的滯后、信息一致性無法保證、文件檢索和管理困難等問題。如何解決“信息孤島”和“自動化孤島”就成為企業管理人員日益關心的問題。另外，隨著計算機集成制造以及并行工程等技術的全面實施，實現資源共享和信息快速、準確、及時的傳輸，也是保證計算機集成制造和并行工程成功運行的關鍵問題。因此，企業強烈需要一種管理系統來對整個企業范圍內的產品數據進行有效的管理。在這種形勢下，一種新技術——產品數據管理PDM(Product Data Management)技術就迅速發展起來。如何有效地將產品數據管理技術與計算機輔助設計結合起來，使雙方的功能得到更好的發揮，也就成為企業在競爭中的關鍵。將設計知識庫作為CAD和PDM系統集成平臺，實現基于知識的CAD和PDM之間的信息集成和數據交換，從整體上提高了企業的設計能力和知識管理水平。
1 知識庫的總體結構設計
基于知識的智能化設計是一項綜合性技術，它是將計算機輔助設計理論與知識工程原理相結合。與傳統產品建模技術相比，基于知識的智能化設計更能體現產品特征。其產品模型能由實物的幾何特征參數來控制，并且在智能設計過程中，設計人員所采用的準則、設計思想、原理等都能以顯性的知識表達出來。知識庫的架構模式是知識庫+推理機。其中，知識庫里存放的是一些設計知識，這些設計知識包含產品設計經驗知識和產品說明知識兩部分；推理機是借助于對這些知識的充分利用來實行推理的機構。啟動知識庫系統時，立即編譯執行知識庫文件，借助于系統引擎，知識庫中的知識被讀入到內存數據庫中。在推理時，系統引擎首先應用內存數據庫中的知識，在知識庫中找到對應的規則性知識并送入推理機中，然后推理機運用這些對應的規則性知識進行推理。
2 CAD與知識庫系統的集成
快速設計出滿足用戶需求的個性化產品，能夠在提高設計效率的同時有效地縮短交貨期。而產品快速設計的關鍵，是要快速定位用戶的個性化需求及確定個性化產品的結構，并且對組成該產品的零部件進行快速變型設計。由于傳統CAD設計系統缺乏設計工程師的決策和推理能力，不能滿足設計過程自動化的需求。基于知識庫的設計系統在集成傳統CAD系統的圖形處理能力和數值計算的基礎上，增加了知識處理能力，為設計全過程提供智能化的計算機支持。基于知識的智能參數化系統把產品設計知識和機械設計知識引入知識庫系統，并應用這些知識實現設計智能化。為了提高智能CAD系統的性能，縮短產品設計周期，減少設計人員的工作強度，保證設計意圖融匯于產品設計的全生命周期中，應該建立一個高效的知識庫系統。為了方便知識庫系統的維護，縮短系統開發周期，知識庫系統的結構應該盡量布置合理。如何快速地獲取有效知識是開發的關鍵，所以，知識庫系統的設計起著非常重要的作用。將CAD系統和知識庫進行集成，可以在CAD系統中對產品的需求進行快速定位。根據客戶對產品提出的要求，與知識庫交互決策。在需求模型中大量的需求特征和需求案例中快速定位與客戶所需的相同或者相近的產品型號，并將它呈現在CAD的設計環境中。集成于知識庫的CAD系統的設計過程如圖1所示。
圖1 集成于知識庫CAD系統快速設計
3 基于知識庫的CAD/PDM集成技術
不同于傳統的CAD/PDM集成中CAD從PDM中“拉”數據的過程。所實現的集成是通過設計知識庫的中間橋梁將CAD與PDM系統集成起來。知識庫是CAD和PDM之間的集成平臺和系統的智能決策組件。根據CAD前端的設計要求，一方面將PDM系統中的相關圖文遞交給CAD設計環境，同時還將產品設計過程的需求知識、產品結構知識、產品的特征知識傳遞給CAD系統，供設計人員參考和進一步設計使用。這是一個知識庫向CAD系統“推”設計知識和設計信息的過程。
3.1 產品零/部件編碼的設計
實現對產品及零/部件信息準確、方便識別的編碼處理，是實現CAD與PDM信息集成的基礎。PDM生成產品的各種BOM與產品零件編碼設計原則有很大聯系，合理地掌握產品編碼設計原則，便于CAPP等系統繼承設計數據，引導生產計劃和生產制造。所以，在進行零/部件編碼時，不但要符合設計規范，能夠充分、準確地描述PDM所要求的信息，而且要考慮到便于工程人員理解和使用。對產品及零/部件信息編碼處理時，要選擇合理的編程方式。樹式結構編程方式反映產品的邏輯隸屬關系，方便反映產品結構邏輯關系，可以自動集成CAD與PDM產品信息的零/部件編碼。而對于生成各種物料清單(BOM)的零/部件編碼，則應結合成組技術，采用分類編碼方式。代碼的結構一般采用鏈式與樹式的混合結構。
對零/部件的編碼可分成兩項，即代號編碼和特征編碼。前者是用來對零/部件邏輯關系進行編碼，采用樹式結構（分級結構）；后一種則是對幾何物理特性編碼。采用鏈式與樹式的混合結構，無論是代號編碼還是特征編碼，產品編碼位數較多，而不同的用途僅需要編碼的部分位數信息。為方便使用都應采用分段編碼的方式。同一零，部件兩種編碼是一對一的關聯。不同的企業應該根據自身的實際需要來制定產品編碼規則，也可以借鑒國內外通用的編碼標準資料，結合成組技術(GT)來完成產品設計編碼。
3.2 PDM通過知識庫與CAD集成
產品設計包括很多的設計標準，如國家標準、行業標準、企業標準以及一些基礎技術資料，這些標準與資料有的是文字文本，有的是表格，有的是圖形，有的是數學公式，這些都是機械設計的基礎，也是CAD系統應用必需的數據。在沒有PDM系統前，CAD系統必須自己建立數據庫、圖形庫、知識庫及方法庫。應用PDM之后，就可以把這些數據庫、圖形庫、知識庫及方法庫都等存入知識庫中作為PDM數據庫的內容，由CAD系統調用，如圖2所示。
圖2 PDM支持知識庫建立及零部件、標準件、外購件的庫調用
3.2.1 CAD系統調用PDM系統信息
在AutoCAD環境下的全網絡范圍內可直接打開或修改、保存、鍵入文檔，自動提取標題欄數據存入知識庫中。PDM對象通過對知識庫中自動提取的標題欄和明細欄的數據調用并形成統計BOM，實現對其管理。同樣，CAD可以通過讀取知識庫數據將PDM中的項目屬性（項目名稱、型號等）自動寫入到標題欄。
圖3 CAD讀入PDM圖檔
圖4 CAD從PDM中調用明細數據
3.2.2 CAD信息存入PDM系統
以生成標題欄信息為例，在CAD中，系統自動讀取標題欄圖樣DWG文件來解讀標題欄模板的屬性，根據實體的類型或名稱來讀取相應的函數，判斷文本起始點是否在標題欄信息區域內，并判斷讀取出來的屬性值是否為圖紙名稱、圖號、材料、數量等信息，把得到的各工程信息按規定的順序儲存到知識庫中。
圖紙標題欄信息提取程序的流程如圖5所示。提取出來的標題欄信息存入知識庫，PDM通過調用知識庫知識來對CAD系統進行管理。
圖5 圖紙標題欄信息提取流程
3.3 PDM系統通過知識庫對CAD系統的管理
建立CAD系統的目標是為了按市場需求輸出產品制造必需的圖紙、技術文件與資料，滿足產品制造的需求。在企業管理數字化的情況下，還必須提供數字化的產品信息，為企業其他部門數字化管理創造條件。PDM系統的功能就是通過知識庫系統對CAD系統輸出的產品制造所需的圖紙、技術文件與資料以及對數字化的產品信息進行有效地管理，使企業整個系統不但能獲取傳統的圖紙、技術文件與資料，還能獲取數字化的產品信息，實現數據共享。在CAD系統完成產品設計后，PDM系統應對這些圖紙與技術資料進行管理，這是PDM系統的功能之一，一般稱為圖紙檔案管理。
CAD系統應用PDM系統知識庫管理模塊實現快速設計，應用系列化、模塊化、標準化技術是提高產品設計能力與水平的有效方法。PDM系統知識庫管理模塊就可以應用成組技術實現系列化、模塊化、標準化技術建立通用知識庫。應用特殊編碼實現快速檢索，充分發揮系列化、模塊化、標準化技術及成組技術建立通用知識庫的作用，大大減少產品設計的重復勞動、縮短設計周期，為改善與優化生產管理打好基礎。
4 結語
產品設計的關鍵在于為客戶快速提供所需要的產品。要從知識庫系統出發，以知識庫系統為集成平臺，對CAD系統和PDM系統進行了集成，將參數模型從PDM系統中調用信息進行快速設計、知識庫對設計知識的維護以及設計過程的決策和PDM對產品設計知識的管理有機地結合起來，從而提高了設計效率以及管理的優化。
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本文標題：基于知識庫的CAD/PDM的集成研究
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