基于PDM的三維工藝設(shè)計(jì)與管理

趙鵬　徐志良　朱蘭

本文分析了三維工藝設(shè)計(jì)與管理中存在的問題，提出了基于PDM的三維工藝設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)的整體框架，研究了基于PBOM的工藝數(shù)據(jù)管理方法，論述了PDM環(huán)境下的三維機(jī)加、裝配等工藝設(shè)計(jì)和工藝輸出方法等。

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，三維CAD/CAM技術(shù)日益普及。在產(chǎn)品研發(fā)部門，大都實(shí)現(xiàn)了三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)制造現(xiàn)場也大量采用了自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備。然而，工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)部門的工藝設(shè)計(jì)手段仍然還是主要基于二維圖紙，上游三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)意圖不能得到有效的傳遞和充分的利用。二維圖紙傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場，制造人員不得不基于二維圖樣重新解讀設(shè)計(jì)意圖，影響產(chǎn)品的研制周期及質(zhì)量。傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了產(chǎn)品三維協(xié)同研制的短板和瓶頸。本文研究了基于PDM系統(tǒng)的三維工藝設(shè)計(jì)和管理，為產(chǎn)品一體化協(xié)同研制提供思路和方法。

一、三維工藝設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)框架

隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品研制中的普及，基于PDM的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理及技術(shù)狀態(tài)控制也得到深入的應(yīng)用。在PDM系統(tǒng)中，以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹（EBOM）為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織和管理模式也得到廣泛的認(rèn)可。然而，當(dāng)前大多PDM系統(tǒng)管理的產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，工藝設(shè)計(jì)主要在獨(dú)立的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中開展，工藝數(shù)據(jù)也大都在工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中管理。這就給一體化的產(chǎn)品協(xié)同研制和統(tǒng)一的產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)管理帶來不少的麻煩。由設(shè)計(jì)更改產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一致性問題，往往導(dǎo)致產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)控制復(fù)雜度增加，甚至有時(shí)出現(xiàn)失控的狀態(tài)。

利用PTC公司的PDM系統(tǒng)Windchill，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基于模型的三維工藝設(shè)計(jì)。三維工藝設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)框架如圖1所示。

二、基于PBOM的工藝數(shù)據(jù)管理

1.PBOM創(chuàng)建

設(shè)計(jì)部門在PDM系統(tǒng)中產(chǎn)生產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹EBOM，并基于EBOM實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的組織和管理。工藝部門需要從工藝的角度，按照工藝分工和工藝資源的組織將EBOM轉(zhuǎn)換為工藝結(jié)構(gòu)樹PBOM，PBOM的創(chuàng)建示意圖如圖2所示。

工藝規(guī)劃員利用PDM系統(tǒng)提供的三維可視化環(huán)境，通過復(fù)制、粘貼等方式直接利用設(shè)計(jì)零組件對應(yīng)的三維模型重構(gòu)生成部件初始PBOM結(jié)構(gòu)。在初始PBOM基礎(chǔ)上，通過以下操作方式，形成最終的PBOM結(jié)構(gòu)。

（1）按照外協(xié)件、外購件、成品件、工藝組合件等工藝類型，調(diào)整PBOM結(jié)構(gòu)。

（2）重新分割零部件數(shù)量。

（3）添加為方便制造的虛擬子裝配。

（4）添加制造或裝運(yùn)過程中所需部件和消耗品。

（5）依據(jù)其它工藝意圖調(diào)整PBOM結(jié)構(gòu)。

PBOM可視化編制界面如圖3所示。將EBOM重構(gòu)生成PBOM以后，需要在PDM系統(tǒng)中建立EBOM和PBOM的內(nèi)部數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。工藝工程師能夠直接依據(jù)PBOM查看到零件設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的三維模型及基本的設(shè)計(jì)屬性信息，對于PBOM表中無對應(yīng)的設(shè)計(jì)零件，需要在PBOM相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的屬性上明確標(biāo)識。

基于EBOM與PBOM的內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)BOM之間的符合性對比分析，檢查EBOM中所有零組件項(xiàng)和數(shù)目是否在PBOM存在，并在界面中用不同的符號標(biāo)識差異之處，避免EBOM到PBOM重構(gòu)過程中人為的失誤。EBOM和PBOM的可視化比對界面如圖4所示。

2.基于PBOM的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理

基于PBOM，需要添加工藝制造所需的屬性信息，例如工藝路線、材料定額及工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建滿足工藝制造需要的工藝結(jié)構(gòu)樹，并以該結(jié)構(gòu)樹為核心組織相關(guān)工藝信息?；赑BOM的工藝數(shù)據(jù)管理，如圖5所示，為與零部件相關(guān)的工藝規(guī)劃、工序/工步、三維工藝模型、動(dòng)畫、工藝資源（車間部門、工裝、夾具、設(shè)備和輔料）、工藝文件、工藝任務(wù)和工藝更改對象等相關(guān)的工藝數(shù)據(jù)都能與對應(yīng)PBOM節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化的關(guān)聯(lián)管理。

在工藝設(shè)計(jì)的過程中需要用到資源，包括廠房、機(jī)床、刀量具、型架和工人技能等，都將在系統(tǒng)中進(jìn)行管理。建立工藝資源的分層、分類結(jié)構(gòu)，構(gòu)建統(tǒng)一的工藝資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。建立工藝資源與其它工藝信息對象（例如工序、工步對象）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對工藝資源和工序/工步之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的約束進(jìn)行管理。工藝資源管理示意圖如圖6所示。

3.PBOM審簽

PBOM的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和相關(guān)屬性信息可以在PDM系統(tǒng)進(jìn)行電子審簽和分發(fā)。PBOM審簽分發(fā)流程圖如圖7所示。

工藝設(shè)計(jì)人員通過系統(tǒng)可以方便過濾出一個(gè)產(chǎn)品中負(fù)責(zé)工藝設(shè)計(jì)的零組件列表，接著開始工藝規(guī)程等工藝文件的編制工作。工藝審簽和分發(fā)示意圖如圖8所示。

通過上述的過程，可以取消原來紙質(zhì)零組件工藝分工表的審簽發(fā)放方式，改用基于PDM平臺(tái)的PBOM審簽和任務(wù)發(fā)放。

4.PBOM更改

當(dāng)EBOM結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)模型產(chǎn)生設(shè)計(jì)變更，需要將變更信息傳遞到PBOM。由于EBOM與PBOM內(nèi)部相互關(guān)聯(lián)，通過PDM系統(tǒng)的工藝計(jì)劃瀏覽器，在PBOM上將突出顯示與設(shè)計(jì)變更節(jié)點(diǎn)相關(guān)的工藝節(jié)點(diǎn)。工藝規(guī)劃員可以據(jù)此判斷PBOM是否需要更改。如果需要更改，需要進(jìn)行PBOM變更審簽和分發(fā)，變更審簽流程與PBOM審簽流程類似。PBOM更改后，依據(jù)工藝需要，進(jìn)行后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)變更。

三、三維工藝設(shè)計(jì)

當(dāng)PBOM審簽完成并分發(fā)后，車間工藝設(shè)計(jì)員在自己的任務(wù)列表中，接收到一個(gè)工藝設(shè)計(jì)具體任務(wù)。工藝員打開具體任務(wù)，可以看到需要進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的三維模型，可以利用CAD輕量化工具對模型進(jìn)行瀏覽、測量，以消化理解設(shè)計(jì)意圖，方便進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)方案的確定。

1.機(jī)加工藝設(shè)計(jì)

車間工藝員在工藝計(jì)劃瀏覽器中，進(jìn)行具體工藝的設(shè)計(jì)，如圖9所示。基于PBOM創(chuàng)建工藝計(jì)劃，為工藝計(jì)劃添加工序，并且為每道工序確定具體操作的三維模型、工藝設(shè)計(jì)的具體描述、所需要的工藝資源（機(jī)床、卡具、材料、刀具、輔助材料和技能工人等）和工時(shí)定額等。

通過工藝規(guī)程編輯器進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)。如圖10所示，工藝員可以在工藝規(guī)程編輯器中使用標(biāo)準(zhǔn)工藝，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的重用，也可以將某個(gè)工藝計(jì)劃保存為標(biāo)準(zhǔn)工藝。

2.裝配工藝設(shè)計(jì)

針對裝配工藝，在工藝規(guī)劃瀏覽器中直接定義工藝，利用CAD輕量化工具查看相關(guān)模型，初步確定工藝方案，將裝配模型、資源和文檔等分配給具體工序，如圖11所示。

生成裝配工藝卡片，完成裝配動(dòng)畫的設(shè)計(jì)，并把裝配動(dòng)畫設(shè)計(jì)結(jié)果嵌入到裝配工藝卡中，如圖12所示。

現(xiàn)場作業(yè)工人可以直接點(diǎn)擊激活裝配插圖，完成裝配動(dòng)畫的播放，快速了解整個(gè)裝配過程。

3.工藝輸出

利用PDM系統(tǒng)的模版管理功能，對工藝規(guī)程和工藝卡片模板進(jìn)行管理。當(dāng)工藝設(shè)計(jì)完成后，可以將工藝數(shù)據(jù)按照特定模版發(fā)布為PDF格式文件。

按照用戶配套工藝文件表格定制要求，定制用戶需要的各種表格。工藝模板如圖13所示，PBOM上掛接的所有零部件按照表格格式輸出工藝需要的各種文件。包括標(biāo)準(zhǔn)件表、機(jī)加件表、鈑金件表、鑄造件表、鍛造件表、電纜表、管路表、復(fù)合材料表和裝配件表等。

由于所有工藝數(shù)據(jù)均以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或者文件的形式存在PDM系統(tǒng)中，針對不同類型的工藝輸出需求，PDM支持均可以按照模板生成相關(guān)的規(guī)程或者工藝報(bào)表，如圖14所示。

針對采用全三維設(shè)計(jì)的型號工藝，根據(jù)制造廠的三維工藝卡片輸出要求構(gòu)建三維工藝卡片輸出模板，包括機(jī)加工、裝配、數(shù)控、鈑金、焊接、鍛造、電裝和熱表等，用于現(xiàn)場無紙化應(yīng)用。

針對三維工藝規(guī)程，同時(shí)可以輸出制造要求的二維工藝規(guī)程，并可打印下發(fā)。

針對工藝報(bào)表輸出，可以在工藝文件通過批準(zhǔn)后，一次性輸出相關(guān)報(bào)表，并關(guān)聯(lián)在PBOM節(jié)點(diǎn)上，同工藝文件一起執(zhí)行批次管理。報(bào)表的種類及格式需要滿足制造廠的工藝報(bào)表種類要求，如外購件匯總表、鑄鍛件匯總表、工藝狀態(tài)表、工藝分工表、熱處理/表面處理/關(guān)重件零件清單和材料統(tǒng)計(jì)表等。

四、結(jié)語

基于PDM的三維工藝設(shè)計(jì)與管理，有利于實(shí)現(xiàn)一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)工藝一體化管理，保證設(shè)計(jì)工藝數(shù)據(jù)的一致性和關(guān)聯(lián)性。

通過PDM系統(tǒng)與ERP及MES的集成，將三維工程圖、工藝規(guī)程通過鏈接的方式傳遞至MES中，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場的生產(chǎn)指令、PMI信息的全數(shù)字量傳遞，實(shí)現(xiàn)三維工藝信息的生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用、外廠加工與試驗(yàn)應(yīng)用能力，最終提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。