武汉理工大学
硕士学位论文
基于PDM的分布式虚拟设计平台研究和应用
姓名：胡首
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：陶德馨;陈定方
20040301
武汉理工大学硕士学位论文
中文摘要
ＰＤＭ（产品数据管理）是建立分布式虚拟设计平台的基础使能平台，是虚拟产品开发的基础使能工具。ＰＤＭ系统提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。ＰＤＭ作为企业信息集成平台，可以集成企业的各种应用系统，能够有效地实现产品数据规范管理。
虚拟设计技术与ＣＡｘ应用系统集成，其辅助功能可大大加强，更有利于计算机辅助设计／制造／装配／分析的集成及产品动态性能的模拟。此外，虚拟设计方法可充分利用网络资源，实现分布式并行设计。虚拟设计技术的应用对缩短产品开发周期、节省产品开发设计制造成本、提高生产率有着重要的意义。
因此，研究基于ＰＤＭ的分布式虚拟设计平台，在ＰＤＭ平台上，集成各种ＣＡｘ应用系统，并在此平台上探索一种高效、快捷的设计方法十分必要。
本文分析了目前典型商用ＰＤＭ系统的体系结构，提出了支持分布式虚拟设计的ＰＤＭ系统的功能框架；分析了基于ＰＤＭ的分布式虚拟设计平台的体系结构和特点，重点探讨了基于ＰＤＭ的快速变型设计系统。本文还根据企业目前最新的需求，分析了几种基于Ｊａｖａ的集成技术的优势，提出了基于Ｊ２ＥＥ、ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅｓ的企业应用集成框架。
本文以武汉钢铁（集团）公司连续带钢生产线的重要装备一一开卷机为应用背景，深入系统地研究和实现了基于ＰＤＭ的开卷机分布式虚拟设计平台，重点研究了应用系统集成技术。实现了ＣＡｘ与ＰＤＭ封装集成、接口集成、无缝集成三个层次的集成。开发了基于ＣＯＭ／ＤＣＯＭ的ＣＢＤＳ（基于实例设计系统）与ＰＤＭ之间的数据接口，建立了ＰＤＭ下的基于实例的设计系统。通过分析数据库中历史设计与当前设计需求之间的相似度，从产品数据库中提取最相似实例，达到设计资源复用的目的。开发了开卷机数字化设计、分析以及仿真计算机支持平台，进行了实例验证。
应用结果表明：该系统能够有效地缩短开卷机的产品开发周期，提高开卷机的设计质量，减少废品损失。研究成果可以推广应用到其它典型产品。
关键词：产品数据管理，分布式虚拟设计平台，系统集成，基于实例设计Ｊ２ＥＥ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＰＤＭｉｓｔｈｅｂａｓｅ—ｅｎａｂｌｅｄｐｌａｔｆｏｒｍｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄｔｈｅｂａｓｅ—ｅｎａｂｌｅｄｔｏｏｌｏｆｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｄｕｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．ＰＤＭ
ｓｙｓｔｅｍｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｅｎｔｉｒｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅ，ａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓａｃｏｎｃｕｒｒｅｎｔｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｌｆａｃｔｕｒｅｉｎｔｈｅｗｈｏｌｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ．ＰＤＭ，ｗｈｉｃｈｉＳｔｈｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｅｒｇｒａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍ，ｃａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅａｌｌｋｉｎｄｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｉｎｔｈｅｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅａｎｄｃａｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄａｔａ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
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ｐｌａｔｆｏｒｍ．
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ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｆｒａｍｅ．
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ａｄｄｒｅｓｓｅｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．Ｓｔｒｉｐｃｏｉｌｅｒｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｓｔｒｉｐｓｔｅｅｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
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ＣＡｘｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗｉｔｈＰＤＭｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＡｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆＣＡｘｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｗｉｔｈＰＤＭｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈＣＯＭ／ＤＣＯＭｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｉｎｇＶＣ＋＋６．０．Ｔｈｒｅｅｌｅｖｅｌｓｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓ，ｅｎｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｓｅａｍｌｅｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｓａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｄｅｓｉｇｎ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｏｉｌｅｒｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ＴｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈａｖｅｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅａｒｌｓｈｏｒｔｅｎＩｃａｄ—ｔｉｍｅ，ｌｏｗｅｒｃｏｓｔｓａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｌＯＳＳｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｏｔｈｅｒｐｒｏｄｕｃｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｄｕｃｔｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔ（ＰＤＭ），ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｓｙｓｔｅｍｓｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ＣＢＤ，Ｊ２ＥＥ
ＩＩＩ
第１章绪论
１．１课题的研究背景
１．１．１制造企业战略的改变
中央提出了“以信息化带动工业化，努力实现我国社会生产力的跨越式发展”战略，信息化的发展，市场的变化，企业间竞争加剧和ＩＴ技术的迅猛发展，制造企业正在发生深刻而巨大的变革。各种先进制造哲理和模式（如ＣＩＭＳ、ＭＣ、ＣＩＰＥ、ＶＰＤ、ｖＥ和ＶＭＳ等）以及计算机应用技术（如ＣＡｘ、ＰＤＭ、ＥＲＰ、ＳＣＭ、ＣＲＭ、ＥＡＩ和ＣＰＣ等）为制造企业提供了机遇同时也带来了挑战。
现代制造企业的竞争环境发生了巨大的变化，主要表现在产品生命周期缩短、客户需求多样化和个性化、大市场和大竞争、交货期成为主要的竞争因素、多品种小批量生产比例增大以及市场的动态多变等方面１１、２１。这要求企业在功能、组织结构以及企业目标定位等方面进行改变。
全球知识经济的兴起和快速变化、竞争日益激烈的现代市场对制造业提出了更为苛刻的ＴＱＣＳ要求，同时可持续发展战略也要求制造业对环境的负面影响减至最小。面临着这些严峻的挑战和前所未有的机遇，将信息技术应用于传统制造领域并对之进行改造，是现代制造业发展的必由之路【３１。可以预计，在未来的知识经济社会里，制造业的信息化和知识化是一种必然的趋势１４Ｊ。信息技术在制造业战略目标制定中占有重要地位，通过信息技术来改善制造企业内部过程的不合理和过分的僵化，使得制造企业能够对频繁的外部需求做出迅速的响应。
在这种大的背景下必然加快企业市场竞争中时间、质量、服务、成本等等因素的竞争，同时也将加快企业产品结构的调整，提高产品的科技含量，促进企业现代化管理，支持行业协调、设置，优化资源配置和利用，促进企业产业结构调整，形成新的经济增长点，增强企业与国际合作的能力。
１．１．２先进制造系统的新哲理和新模式
面对不断变化的市场竞争环境和制造业在参与市场竞争中存在的诸多问题，自２０世纪７０年代以来，为了使制造业适应现代市场的变化和信息化社会的要求，世界各国结合国情，提出了各种现代化制造系统的新哲理和新模式。同时基于先进ＩＴ技术的大量计算机应用系统应用到制造企业中，为传统的制造业带来了机遇，也带来了挑战。
（１）虚拟设计（ＶｉｒｔｕａｌＤｅｓｉｇｎ，ＶＤ）虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。设计者可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改。一个虚拟设计系统具备三个功能：３一Ｄ用户界面：选择参数；数据表达与双向数据传输。
就“设计”而言，所有的设计工作都是围绕虚拟原型而展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品必定能达到设计要求；而传统设计时，所有的设计工作都是针对物理原型（或概念模型）而展开的。
就“虚拟”而言，设计者可随时交互、实时、可视化地对原型在沉浸或非沉浸环境中反复改进，并能马上看到修改结果：传统设计时，设计者是面向图纸的，是在图纸上用线条、线框勾勒出概念设计Ｉｓ］。
（２）虚拟制造（ＶｉｒｔｕａｌＭ：ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＶＭ）虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上群组协同工作，实现产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强制造过程各级的决策与控制能力。虚拟制造作为一种全新概念，是信息时代制造技术的重要标志。“虚拟”的涵义是：这种“制造”虽然不是真实的，但却是“本质上的”。虚拟制造就是“在计算机上实现制造的本质内容”。虚拟制造最终提供的是一个强有力的建模与仿真环境，使得产品的规划、设计、制造、装配等均可以在计算机上实现。对涉及到生产过程的方方面面提供支持，提供计算机虚拟模型和预估产品／系统的功能、性能及可制造等方面可能存在的问题ｆ５１。
（３）虚拟产品开发（ＶｉｒｔｕａｌＰｒｏｄｕｃｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ＶＰＤ）由于市场全球化和市场竞争压力日趋激烈，企业对缩短新产品的研制和生产周期的需求也日趋迫切，对虚拟产品开发研究正是在这种对技术迫切需要的驱动下展开的。虚拟产品开发技术是建立在可以用计算机模拟产品整个开发过程这一构想的基础之上，虚拟产品开发创建产品的数字模型，并在数字状态下进行分析，完全是用数字形式来代替原来的实物原型试验，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样可显著减少制作最终实物原型的次数，从而使新产品开发一次成功率大大得到提高。虚拟产品开发特征表现为开放性、
２
系统性、协同性、沉浸性和智能性水’９ｊ。
（４）虚拟企业（ＶｉｒｔｕａｌＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅ，ＶＥ）虚拟企业是指分布在不同地区的多个企业利用电子手段，为快速响应市场需求而组成的动态联盟，是组织、人力、技术、信息等资源在完善的网络组织结构基础上的有效集成。这种企业组织和生产模式可克服空问和时间的局限性，保持集中和分散之间稳定、合理的平衡，具备系统优化组合和有效协调的优越性。构成虚拟企业的企业实体可以分布于不同地域，具有不同的生产规模和技术组合。它们以多重关系的网络形式组成，建立起一种企业级的合作伙伴关系，对虚拟企业贡献其核心的能力。虚拟企业区别于传统企业的主要特征是它只是为了特定的目标两组建的ｌ晦时性组织。虚拟企业被预言为２１世纪的管理主流【１０。”。
（５）敏捷制造（ＡｇｉｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ）敏捷制造是在２０世纪８０年代末期，美国根据本国企业文化的特点，利用美国在高科技方面的优势，所提出的一种不同于批量生产方式的新的生产方式。这种制造方式被认为是２１世纪的世界级制造战略。敏捷制造川指企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人员），以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。它依赖于各种现代技术和方法，最具代表性的是虚拟企业的组织方式和虚拟制造的开发手段。敏捷制造是新一代生产模式，是已有生产模式的丰富和发展，它是柔性制造和精良生产发展的结果。敏捷制造包括产品制造的机械系统的柔性，员工授权，制造商、供应商关系，总体品质管理及企业重构【¨ｄ”。
此外。还有绿色制造（ＧｒｅｅｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＧＭ）、精益生产（ＬｅａｎＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＬＰ）、计算机集成产品工程（ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｄｕｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＩＰＥ）和业务过程重组（ＢｕｓｉｎｅｓｓＰｒｏｃｅｓｓＲｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＢＰＲ）等先进制造哲理模式，这些为制造企业提供了机遇。
１．１．３先进的ＩＴ技术
各种计算机应用技术在制造企业中得到广泛应用，如图１，１所示。
产品开发设计过程中采用的计算机应用技术包括计算机辅助技术（ＣＡＤ）、计算机辅助工艺过程规划（ＣＡＰＰ）、有限元法（ＦＥＭ）、计算机辅助工程（ＣＡＥ）和电子样机技术（ＤＭＵ）等。制造企业中管理与决策支撑技术主要包括管理信息系统（ＭＩＳ）、物料需求计划（ＭＲＰ）、制造资源计划（ＭＲＰＩＩ）、企业资源计划（ＥＲＰ）、供应链管理（ＳＣＭ）和客户关系管理（ＣＲＭ）
等。制造过程中的制造自动化应用系统包括数控（ＮＣ）、计算机数控（ＣＮＣ）、直接数控（ＤＮＣ）、柔性制造单元（ＦＭＣ）、柔性制造系统（ＦＭＳ）、和计算机辅助制造系统（ＣＡＭ）等。这些单元应用系统在大量使用的同时也带来了所谓的“信息化孤岛”问题。产品数据管理系统（ＰＤＭ）可以作为一种信息集成框架，把一些应用系统集成为一个整体【Ｉ。”】。企业应用集成（ＥＡＩ）和产品协同商务（ＣＰＣ）是随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的快速发展提出来的新的概念和方法。
供应链管理ＳＣＭ在价值链过程中是面向供应商的系统，用来优化业务伙伴之间的关系，降低采购成本；客户关系管理ＣＲＭ在供应链过程中是面向客户的系统，用来优化同客户之间的业务关系，提高服务效率和水平；企业资源计划（ＥＲＰ）用来优化企业内部操作，提供生产率。提高企业应用集成ＥＡＩ（ＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）把ＳＣＭ、ＥＲＰ和ＣＲＭ连接在一起形成一个扩展的企业。ＥＡＩ主要是针对传统中间件解决方案不能管理多个应用系统之间的关系和业务过程提出来的。ＥＡＩ体系结构包括４个层次：业务过程层、业务规则层、数据转换层（ＸＭＬ）和传输层。
图１．１制造企业主要计算机应用技术
１．１。４制造企业需要解决的问题
制造企业中采用了越来越多的计算机应用系统，在提高企业效率的同时也引起了一些有待解决的问题。引起这些问题的原因不是因为计算机应用系统效率低，而主要是由于管理方面的原因和缺乏长远的规划…。
（１）产品数据庞大，缺乏有效的组织和管理计算机和网络技术的快速发展使得处于不同部门或者不同地域的工作人员能够坐在其个人计算机前合作办公。从客户订单的处理到产品形成整个过程都通过各种各样的ｌＴ工具完成。通过使用各种ＩＴ工具无疑提高了企业员工的工作效率，但同时也产生了海量的数据文档。由于缺乏有效的组织和管理，不同应用领域中不同应用系统产生的文档并不能有效地为其它应用系统所用，难以提高整个产品形成过程的效率。对于产生的海量数据，不仅难于有效利用，而且还会带来负面影响。
（２）过程缺乏监控和透明性由于产品形成过程中缺乏对产品数据和过程进行有效透明的规划、组织和管理，使得制造企业中大量的数据资源并不能产生应有的价值。跨部门的信息处理过程需要较长的时间，因为此时需要经过长时间的查询，同时还会损失不少有用的信息。如果一个用户不是某一份文档的创建者，将很难追溯该文档的历史，难以安全正确地使用该文档。由于在跨部门的产品形成过程中，不同的员工必须利用不同的文档执行不同的任务，过程缺乏监控和透明性，使得这一过程变得相当复杂而且难以控制。必须站在整个产品形成过程角度来对整个过程进行规划和提出相应的解决方案。
（３）系统之间的集成不充分在制造企业中，从产品形成过程来看就会发现一个个相互独立的信息处理孤岛。这些信息处理系统的目标只是提高企业中各个技术、管理和制造过程的效率并改善工作质量，而缺乏从全局的观点来考虑各个应用系统的使用和集成。ＰＤＭ系统的出现可将所有单元系统产生的产品数据和过程完整地集成在一起。ＰＤＭ作为一种战略方法，在一定方法学的指导下，为系统之间的充分集成提供了基础。
为了实现企业的战略目标，采用先进的ＩＴ技术在企业内形成一个通贯全局的过程链，对产品的整个形成过程进行灵活的控制，必须在两个方面进行优化组织。～方面是对产品形成过程中的各种信息进行组织和管理，使得所需的信息能够跨部门或跨地域在正确的时间，以正确的形式，传送到正确的地点，供正确的人员使用；另一方面是对产品形成过程进行优化和监控。
１。２国内外ＰＤＭ的研究现状
１．２．１产品数据管理的概念
ＰＤＭ（ＰｒｏｄｕｃｔＤａｔａＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）是一门以软件为基础，管理所有与产品相关的信息和过程的技术。与产品相关的各种信息，包括零部件信息、产品结构与配置、文件、ＣＡＤ档案、审批信息等；与产品相关的所有过程，包括信息的审批和发放、工作流程和更改流程等㈣。
１．２．２产品数据管理的发展状况
从功能上看ＰＤＭ技术的发展大致可以分为三个阶段：配合ＣＡＤ使用的早期简单的ＰＤＭ系统、产品数据管理（ＰＤＭ）和协同产品商务（ＣＰＣ）”＋”Ｊ。
（１）配合ＣＡＤ使用的早期简单的ＰＤＭ系统早期的ＰＤＭ产品诞生于２０世纪８０年代初。当时，ＣＡＤ已经在企业中得到了广泛的应用，工程师在享受ＣＡＤ带来好处的同时，也不得不将大量的时间浪费在查找设计所需信息上，对于电子数据的存储和获取的新方法需求变得越来越迫切。针对这种需求，各ＣＡＤ厂家配合自己ＣＡＤ软件推出了第一代ＰＤＭ产品，这些产品的目标主要是解决大量电子数据的存储和管理问题，提供了维护“电子绘图仓库”的功能。第一代ＰＤＭ产品仅在一定程度上缓解了“信息孤岛”问题，仍然普遍存在系统功能较弱、集成能力和开发程度较低等问题。
（２）产品数据管理（ＰＤＭ）通过对早期ＰＤＭ产品功能的不断扩展与完善，最终出现了专业化的ＰＤＭ产品，如ＳＤＲＣ公司的Ｍｅｔａｐｈａｓｅ、ＵＧＳ的ｉＭＡＮ和ＳｍａｒｔＳｏｌｕｔｉｏｎｓ的ＳｍａｒＴｅａｍ等就是第二代ＰＤＭ产品的代表。与第一代ＰＤＭ产品相比，在第二代ＰＤＭ产品中出现了许多新功能，如对产品生命周期内各种形式的产品数据的管理能力、对产品结构与配置的管理、对电子数据的发布和更改的控制以及基于成组技术的零件分类管理与查询等，同时软件的集成能力和开放程度也有较大的提高，少数优秀的ＰＤＭ产品可以真正实现企业级的信息集成和工程集成。第二代ＰＤＭ产品在技术上取得巨大进步的同时，在商业上也获得了很大的成功。ＰＤＭ开始成为～个产业，出现了许多专业化的进行开发、销售和实施ＰＤＭ的公司。
（３）协同产品商务（ＣＰＣ）１９９７年２月，ＯＭＧ组织公布了其ＰＤＭＥｎａｂｌｅｒ组织标准草案。作为ＰＤＭ领域的第一个国际标准，本草案由许多ＰＤＭ领域的主导厂商参与制定。如ＩＢＭ、ＳＤＲＣ、ＰＴＣ等。ＰＤＭＥｎａｂｌｅｒ
６
的公布标志着ＰＤＭ技术在标准化方面迈出了崭新的一步。ＰＤＭＥｎａｂｌｅｒ基于ＣＯＲＢＡ技术，就ＰＤＭ的系统功能、ＰＤＭ的逻辑模型和多个ＰＤＭ系统间的互操作提出了一个标准。这一标准的制定为新一代标准化ＰＤＭ产品一ＣＰＣ的发展奠定了基础。其中比较典型的是由ＰＴＣ公司和ＭａｔｒｉｘＯｎｅ公司提出的协同产品商务（ＣＰＣ）解决方案，它是一个完全建立在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ平台、ＣＯＲＢＡ和Ｊａｖａ技术的基础上的平台。之后，各ＰＤＭ公司相继推出了各自的ＣＰＣ版本或ＣＰＣ解决方案以Ｗｉｎｄｃｈｉｌｌ和ｅＭａｔｒｉｘ为代表，ＣＰＣ的特点主要包括如下几点：（１）基于分布式ＷＥＢ计算框架的联邦式体系结构；（２）基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ：（３）采用Ｊａｖａ。
１．２．３现代ＰＤＭ理念
协同产品商务ＣＰＣ（ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＰｒｏｄｕｃｔＣｏｍｍｅｒｃｅ），协同产品定义管理ｃＰＤｍ（ｃｏｉｌａｂｏｒａｔｉｖｅＰｒｏｄｕｃｔＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）和产品全生命周期管理ＰＬＭ（ＰｒｏｄｕｃｔＬｉｆｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）代表了现代ＰＤＭ的最新理念。它们是对ＰＤＭ的扩展，ＰＤＭ仍然是它们的核心。它们的出发点都是为了实现企业内外部的信息集成和业务协同，最终使企业在产品的创新和推向市场的速度方面获得竞争优势。ＣＰＣ更强调商务的协同；ＣＰＤＭ则强调企业间的协同运作：ＰＬＭ重视产品创新［１９－２０］。
（１）协同产品商务（ＣＰＣ）协调产品商务（ＣＰＣ）的理念把传统ＰＤＭ的功能扩展到了广义企业的信息、过程和管理集成平台的高度。其定义为：协调产品商务（ＣＰＣ）定义了一类Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的软件和服务，它能让个体在整个产品生命周期中协调开发、制造和管理产品，而不管他们在产品商业化过程中担任什么角色，不管他们使用什么样的工具，不管他们在什么地理上或工业网中位于何处。被授权的ＣＰＣ用户可以使用标准的浏览器软件查看广义企业信息系统视图中的信息，这一视图对一组分散的异构产品开发资源进行操作。一般这些资源位于多个信息仓库中，并且由相互独立的实施和维护系统来管理。其重要特点是数据和应用功能的松散耦合式集成一种并不依赖数据通用性来保证个体之间的相互协作的统一的数据模型，从而使企业应用软件之间的集成变得容易实现。另外，构件式应用和基于角色的权限管理，支持企业的动态重组。
ＣＰＣ利用互联网技术，把产品设计、制造、检测、营销、现场服务以及客户紧密联系在一起，形成一个产品知识库。ＣＰＣ成为新一代电子商务所必
须的广义企业信息基础结构，用于完成协调产品开发和管理工作。任何会增加产品生命周期过程价值的工具和服务，都将基于这一企业信息基础平台。
（２）协同产品定义管理（ｅＰＤｍ）协同产品定义管理ｃＰＤｍ是由ＣＩＭｄａｔａ公司提出的。其定义是：ｃＰＤｍ是一种战略经营方法，运用一套调和的商业解决方案来协同地管理扩展企业环境下的产品定义生命周期。ｃＰＤｍ最大的特点也在于它的“扩展（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ）”性。ｃＰＤｍ强调协同工作过程，协同产品商务（ＣＰＣ），供应商集成，企业应用集成（ＥＡＩ）等，其核心是信息的集成和工作的协同。
ＣＩＭｄａｔａ咨询公司认为，任何工业企业的产品生命周期都由三个基本的紧密交织在一起的生命周期组成，它们是：产品定义生命周期、产品生产生命周期和运作支持生命周期。产品定义生命周期开始于最初的客户需求和产品概念，结束于产品报废和现场服务支持，研究的对象是作为智力资源的产品，包含产品是如何设计、制造和服务等信息；产品生产生命周期与产品生产和发运等企业活动相关，管理的对象是物理意义上的产品；运作支持生命周期则主要是对企业运作所需的基础设施、人力、财务和（制造）资源的统一监控和调配。
产品定义生命周期完成贯穿整条产品价值链的包括产品定义本身（机械的和电子的）及相关软件、文档和产生这些数据的过程的描述，是其它两个产品生命周期的基础。
ｃＰＤｍ并不仅是一组应用或技术方案，ｃＰＤｍ是一种战略性经营策略，它依赖于一整套成熟的技术，包括业务过程、产品数据管理、可视化、协同、ＣＰＣ、企业应用集成（ＥＡＩ）、组件供应商管理等。注意到，ＣＰＣ只是其中的一项关键技术。
（３）产品全生命周期管理（ＰＬｒｖｌ）产品个性化、市场不断细化是当今市场的特征。为迎接这一挑战，企业必须有一套快速响应的机制。从已有的产品中改型得到满足个性化要求的产品，是一条比较有效的途径，同时，这也符合人们对世界事物的认识过程和解决问题的思维习惯。重复利用已有产品资源，仅有设计结果信息是远远不够的，产品数据产生的过程，蕴涵了大量的设计知识，产品在投放生产．交付使用的过程中，会有大量的反馈信息产生，这些对于改进产品的性能和质量都是十分重要的参考。因此，完整的产品的信息应该包括产品从需求到概念、定义，到采购、生产、服务、维护和报废各个生命周期阶段的相关数据、过程、资源分配、使用工具等信息以及这些信息之间的有机关联。因此，有必要记录并跟踪产品全生命周期的数据及其演化过程，并将它们应用到新产品的开发当中去，这就是产品全生
命周期管理（ＰＬＭ）的内涵。
２００２年，ＣＩＭｄａｔａ给ＰＬＭ下了～个完整定义：ＰＬＭ是一种战略性的商业方法，它应用一组一致的业务解决方案来支持在扩展企业内创建、管理、分发和使用覆盖产品从概念到消亡整个生命周期的定义信息。
ＰＬＭ一方面将提升企业产品创新和迅速占领市场的能力，同时也为企业信息化建设带来前所未有的严峻挑战和发展机遇。
１．３课题研究的目的和意义
１．３．１实施ＰＤＭ给企业带来的技术优势
成功实施ＰＤＭ的企业可以获得许多技术优势提高企业的生产率与竞争能力。这些技术优势总结如下【１５”Ｊ：
（１）企业内协同工作ＰＤＭ环境下，可以方便地跟踪与某一产品变化有关的所有文件和设计结果。提供协同工作环境，保证设计人员互相交流设计思路，通过协作方式解决问题。
（２）有效缩短产品开发周期由于企业各部门之间及企业与供应链之间加强合作，产品信息的获取变得容易，产品开发的时间大大缩短。这使得企业能够以更强的竞争力快速响应市场，能够不断地向其客户提供新的创新的产品：
（３）提高设计与制造的准确性参加同一项目设计的人员都依据相同的数据开展工作，并且一直跟踪并保持最新的数据，从而大大提高了设计与带４造的准确性；
（４）更好地控制项目ＰＤＭ系统可以对项目的进展进行有效的控制，产品结构管理、变更管理、配置管理和可跟踪性是ＰＤＭ的主要功能，另外，ＰＤＭ通过设计发布和电子签发程序来加强控制，从而减少了由于工作失误而造成的信息忽略、掩盖或遗忘；
（５）更好地管理工程变更ＰＤＭ系统允许在数据库里保存设计信息的多个修订版本和改型信息。通过对每个版本和修订版的“签字”和“标注日期”，消除对现有设计的有关分歧，从而，提供完整有效的变更审查线索；
（６）供应链协作ＰＤＭ系统被认为对供应链关系有着巨大的影响，它连接予承包商、供应商、顾问、合伙人和客户，并给予他们获取相同信息的
途径。ＰＤＭ系统也可以作为一个数据仓库存储本企业开发的部件及来自于供应商的外协件。通过使用ＰＤＭ系统的零部件库，设计者可以减少许多重复性的工作进而降低开发时间和成本。
据国外资料统计，ＰＤＭ的应用能使产品设计周期缩短２５％，减少工程设计修改４％，加快产品投放市场进度５０％～８０％，总成本削减２５％以上。国外的一些汽车、飞机公司实施ＰＤＭ系统后均大大提高了企业的效益。据对国内机电工业近五百家企业调查，新产品开发周期平均达２４个月，其中单件、小批量产品的生产技术准备周期约占供货期的３２％，有的高达６０％，采用ＰＤＭ技术后，可缩短生产周期５０％～８０％。ＣＩＭＳ示范应用企业使用ＰＤＭ新技术后。在降低产品开发成本、提高设计能力等方面均取得了明显的效益。随着中国信息化进程的发展，国内应用ＰＤＭ系统的企业将越来越多，ＰＤＭ产品的开发与应用也将进入快速发展时期。
１．３．２课题来源
本文的研究受到武汉市科技局“十五”重大科技攻关项目“分布式虚拟设计／制造研究与应用”（项目编号：２００１１００１００３）和国家“十五”８６３计划先进制造与自动化技术领域课题“面向汽车与装备制造业产业链的ＡＳＰ服务平台开发及应用（项目编号２００３ＡＡ４１０４０１１）”的资助。面向虚拟设计／制造的基于ＰＤＭ框架的产品集成设计环境研究是“分布式虚拟设计ＩＮ造研究与应用”项目的子项目之一。该项目结合武钢机械制造公司的典型产品一一开卷机，对基于ＰＤＭ框架的产品集成设计环境进行研究，并在冶金行业开展典型产品开卷机的重大集成应用。
１．３．３选题意义
随着计算机技术及网络技术的发展，制造企业在工程设计中广泛采用了各种计算机辅助系统，从而大大提高了工程技术人员的设计效率。现代设计理论的发展和目前ＣＡＤ技术的应用状况促使虚拟设计技术的出现。从整体上说单纯的ＣＡＤ软件已远远不能适应现阶段的需要，与理论要求相距甚远，基本上只算是“电子图版”而已，设计能力甚弱，而虚拟设计技术在实现时则可考虑到与其它ＣＡｘ应用软件集成，其辅助功能大大加强，更有利于计算机辅助设计／Ｎ造，装配／分析的集成及产品动态性能的模拟。另外，虚拟设计
方法可充分利用网络资源，实现分布式并行设计。因此，虚拟设计技术的运用对缩短产品开发周期、节省产品开发设计制造成本、提高生产率有着重要意义。
在产品开发过程中，由各种ＣＡｘ应用系统产生和处理的产品数据却缺乏～个统一的计算机软件系统进行有效管理；另一方面大量的产品数据是在设计的动态过程中形成的、经常发生变化，工程设计人员难以及时得到这些设计过程的内容或状态变化，难以根据现有的数据做出正确的决策。同时，这些产品数据还可能分布在不同的地区，甚至不同的国家，每个地区只负责产品的某一部分数据的生成、维护和使用，同时，地区之间还必须相互交流产品数据，以便在企业的任何地区都能得到该产品的全部数据。
ＰＤＭ系统提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计与制造建立一个并行化的协作环境。ＰＤＭ作为企业信息集成平台，可以集成企业的各种应用系统，能够有效地实现产品数据规范管理，缩短新产品设计周期，降低设计成本，提高产品科技含量，增强产品竞争力，动态管理产品生命周期的全过程，从而提高企业核心竞争力。
因此，研究基于ＰＤＭ的分布式虚拟设计平台，在ＰＤＭ平台上，集成各种ＣＡｘ应用系统，并在此平台上探索一种高效、快捷的设计方法就显得很有必要。
１．４论文的主要工作
本论文分为六部分，主要工作如下：
第一章：论述了课题研究背景：制造企业战略的改变和面临的机遇与挑战、产品数据管理的研究现状及实施ＰＤＭ给企业带来的技术优势，并在此基础上，结合课题的来源，论述了研究基于ＰＤＭ的分布式虚拟设计平台的意义。
第二章：论述了虚拟设计的概念、未来发展方向和目前典型商用ＰＤＭ系统体系结构，并在此基础上提出了支持分布式虚拟设计的ＰＤＭ系统的功能框架，最后论述了ＰＤＭ的实施内容和基本步骤。
第三章：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。
第四章：本章在前面三章的基础上，结合武钢机械制造公司的典型产品
——开卷机，研究和实现基于ＰＤＭ的开卷机分布式虚拟设计平台，介绍了开卷机分布式虚拟设计平台，给出了基于实例的开卷机快速设计的设计过程和实例推理算法，研究了基于ＣＯＭ／ＤＣＯＭ的ＳｍａｒＴｅａｍ二次开发，并在此基础上实现了ＳｍａｒＴｅａｍ与开卷机ＣＢＤ系统的接口集成，最后给出了开卷机分布式虚拟设计平台的功能。
第五章：分析了企业目前最新的需求，并分析了几种基于Ｊａｖａ的集成技术的优势，提出了基于Ｊ２ＥＥ的企业应用集成框架。
第六章：论文总结和展望。
武汉理工大学硕士学位论文
第２章支持分布式虚拟设计的ＰＤＭ系统研究２．１虚拟设计技术
２．１．１虚拟设计概念
全球化、网络化和虚拟化已成为制造业发展的重要特征，实现“虚拟设计”（ＶｉｒｔｕａｌＤｅｓｉｇｎ）是制造业虚拟化的重要内容１２２１。
近年来，为了缩短产品的开发周期、降低生产成本，人们提出了各种各样的制造模式。计算机技术的发展为这些制造模式的应用提供了有力的支持，“虚拟现实”（ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）技术的引入更是加快了各种敏捷制造模式的实现。
虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术。它涉及多方面的学科与专业技术，通过以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，把设计人员从传统的键盘和鼠标中解脱出来，使他们可以通过众多的传感器与多维的信息环境进行交互，同时利用这项技术也可以大大地减少实物模型和样机的制造【５２３１。
虚拟现实技术与已经高度发展的ＣＡｘ（ＣＡＤ、ＣＡＭ及ＣＡＥ等）系统的有机结合，为产品的创意、变更以及工艺优化提供了虚拟的三维环境。设计人员借助子这样的虚拟环境可以在产品的设计过程中，对产品进行虚拟加工、装配和评价，进而避免设计缺陷，有效地缩短产品的开发周期，同时降低产品的开发成本和制造成本。越来越多的人已经认识到这种技术是一种可靠的、行之有效的辅助设计技术。
２．１．２虚拟设计未来发展方向
虚拟设计按照配置的档次可分为两大类：一种是基于ＰＣ机的廉价设计系统；另一种是基于工作站的高档产品开发设计系统ｆ２”４１。虽然是两种系统，但它们的工作原理是基本相同的。ＰＣ机系统，它的优势主要在于价格低廉、对小型虚拟设计系统的开发非常便宜，并且它的用户广泛，所以具有良好的市场前景。随着ＰＣ机性能的迅速提高，越来越多的问题完全可以利用ＰＣ机
解决，但是由于目前ＰＣ机发展仍不够完善，很难胜任大型复杂产品的虚拟设计，因此对于这些复杂产品的虚拟设计系统，高档的工作站仍是不可取代的硬件平台。
虚拟设计是以计算机辅助设计（ＣＡＤ）为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计系统。这种设计系统按应用情况又可分为增强的可视化系统和基于虚拟现实的ＣＡＤ系统。
增强的可视化系统：利用现行的ＣＡＤ系统进行建模，通过对数据格式进行适当的转换输出虚拟环境系统。在虚拟的环境中利用三维的交互没备（如头盔式显示器、数据手套等）在一个“虚拟”真实的环境中，设计人员对虚拟模型进行各个角度的观察。目前投入使用的虚拟设计多采用增强的可视化系统，这主要是因为基于虚拟建模系统还不够完善，相比之下目前的ＣＡＤ建模技术比较成熟，可以利用。
基于虚拟现实的ＣＡＤ系统：利用这样的技术系统用户可以在虚拟环境中进行设计活动。与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用系统的二维交互手段进行建模，而直接进行三维设计。与增强的可视化系统相同，利用三维的输入设备输入，与虚拟环境进行交互。此外，它也支持如语音识别、手势及眼神跟踪等。这种虚拟设计系统不需要进行系统培训即可掌握，普通的设计人员略加熟悉便可利用这样的系统进行产品设计。研究表明，这样的虚拟设计系统比现行的ＣＡＤ系统的设计效率至少提高５～１０倍。
随着虚拟现实技术的快速发展，新的方法和支持技术不断涌现。在三维建模方面，已经出现了基于手势识别、语音识别等的直接建模方法。尽管这些方法尚不够成熟，但已经现出强大的活力，它们使虚拟环境的建造向着多感知、更直观、更自然的方向迈进。
语音识别和手势跟踪已经成为目前人机交互研究的重要内容。Ａ＆Ｔ公司研制了一个语音识别和手势跟踪系统，它采用数据手套跟踪手的位置，并依靠简单的语音识别系统便可以进行虚拟设计。另外，麻省理工学院也在研制基于语音识别和手势跟踪的交互系统，它们的系统将采用双手数据手套输入并伴有语音和眼神识别系统【２５也６１。
可以看出，基于虚拟现实的ＣＡＤ系统将是虚拟设计系统的未来发展方向。
虚拟设计技术充分利用了模拟仿真技术，但它又不同于一般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如自主性、交互性、沉浸感等。可以说虚拟设计技术是虚拟制造技术的重要组成部分，它目标明确、支持技术较为成熟、易于启动。相信这项技术的优先发展定会有助于实现真正意义上的虚拟制造。
４
人们在对虚拟现实技术在机械产品设计方面的应用进行广泛的探讨研究后发现，虚拟设计对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。当今在不少大公司的产品设计中都采用了这项先进技术，例如通用汽车公司、波音公司、奔驰公司、福特汽车公司等。随着科技日新月异的高速发展，虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面必将发挥更加重大的作用。
２．２目前典型商用ＰＤＭ系统体系结构
ＰＤＭ是建立分布式虚拟设计平台的基础使能平台。是虚拟产品开发的基础使能工具【２７－２８］。ＰＤＭ是管理产品和过程全局信息所必需的，全局信息包括产品、过程的数字模型和这种模型的连续循环过程及整个产品开发过程中相关的过程信息等。在网络系统的支撑下，ＰＤＭ使产品有关的信息流可以在企业内外畅通无阻，得以共享，生产过程的每个环节都能按轻重缓急得以有效控制。
ＰＤＭ最初出现于８０年代初期，主要用于管理ＣＡＤ系统产生的大量电子文件，属于ＣＡＤ工具的附属系统。９０年代中期，ＰＤＭ发展成独立的产品，它基于大型关系型数据库，采用面向对象技术和成熟的Ｃ／Ｓ结构，最近，随着Ｗｅｂ技术的不断发展和对象关系数据库（ＯＲＤＢＭＳ）的日益成熟，出现了基于Ｊａｖａ、Ｗｅｂ、采用Ｂ／Ｓ结构的第三代ＰＤＭ［２９‘３”。综合Ｃ／Ｓ结构和Ｂ／Ｓ结构的ＰＤＭ，它们的体系结构可分为：底层服务层、ＰＤＭ核心服务层、ＰＤＭ应用组件层、应用工具层和实施理念层等五层，如图２．１所示。
底层平台层：主要指异构分布的计算机硬件环境、操作系统、网络与通信协议、数据库、中间件等支撑环境。当前ＰＤＭ软件底层平台适应能力不断扩展，能够支持越来越多的软硬件环境，操作系统主要有Ｕｎｉｘ、Ｗｉｎｄｏｗｓ／ＮＴ等。底层数据库都集中于Ｏｒａｃｌｅ、ＳＱＬＳｅｒｖｅｒ、Ｓｙｂａｓｅ等大型数据库，尤其是Ｏｒａｃｌｅ是很多ＰＤＭ系统的首选数据库。此外，ＰＤＭ软件几乎都支持ＴＣＰ／ＩＰ、ＩＩＯＰ、ＮｅｔＢＩＯＳ和ＨＴＴＰ等局域网和广域网标准协议。
ＰＤＭ核心服务层：ＰＤＭ软件产品一般指的就是核心服务层和ＰＤＭ应用组件层，在Ｃ／Ｓ结构下，核心服务层～般就是服务器端，客户端软件就属于ＰＤＭ的应用组件；在Ｂ／Ｓ结构下，二者都运行在服务器端，但在软件产品购买安装等方面会有所不同，核心服务是必须的，而应用组件可以选用。核心服务层实际上就是一组对象模型，它主要完成三个功能，一是向下连接
并操纵数据库，二是向上为ＰＤＭ应用组件提供基本服务，三是为应用软件提供应用编程接口（ＡＰＩ）以集成应用软件。此外，有些ＰＤＭ软件在核心层中还加入了Ｗｅｂ处理机制。
图２．１ＰＤＭ系统的体系结构
ＰＤＭ应用组件层：ＰＤＭ应用组件实际上就是由调用ＰＤＭ基础服务的一组程序（界面）组成并能够完成一定应用功能的功能模块。主要包括文档管理、工作流管理、项目管理、过程管理和配置管理等功能模块。
应用工具层：应用工具主要指ＣＡｘ／ＤＦｘ等工程设计领域软件、Ｗｏｒｄ、Ｅｘｃｅｌ等办公用软件以及所有ＰＤＭ以外的其它应用软件，ＰＤＭ软件主要通过封装和接口方式集成应用软件。当前的ＰＤＭ系统能提供大量的应用接口：与Ｐｒｏ／Ｅ、ＵＧ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ等机械领域ＣＡｘ／ＤＦｘ工具的接口，与ＳＴＥＰ、工作流标准、电子商务标准等标准的开放式接口，与ＥＲＰ、ＥＣ等异构平台的集成接口，异构ＰＤＭ间的集成接口等。目前这些接口主要通过ＣＯＲＢＡ、ＣＯＭ／ＤＣＯＭ等中间件实现，而ＸＭＬ、ＷｅｂＳｅｒｖｉｃｅｓ很可能成为未来异构系