PDM系統在航天三維設計過程管理中的應用

/北京宇航系統工程研究所

產品數據管理（PDM）是一門用來管理所有與產品相關的信息（包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結構、權限信息等）和所有與產品相關的過程（包括過程定義和管理）的技術。PDM系統是企業信息化基礎平臺，標志著現代企業信息化建設和應用水平，自20世紀末應用以來，在國內外航空、汽車、艦船等領域得到廣泛運用。近幾年，我國各航天企業引進或建設PDM系統，以期為型號產品數字化研制提供基礎支撐，同時還開展了產品生命周期管理（PLM）的研究和應用工作。PLM是一門對所有與產品相關的數據在其整個生命周期內進行管理的技術，包含了PDM的全部內容，PDM是PLM中的一個子集。現階段，PDM系統是國內航天企業數字化建設和應用的重點，在以三維模型為代表的設計過程管理中發揮了重要作用。

一、航天三維設計過程管理

在航天產品研制中，多個型號并行開展數字化設計，數據量大，種類繁多，其中以三維模型為代表的設計過程管理成為了技術狀態管理的重點和難點。為此，通過基于PDM系統建設協同研制平臺，對產品數據進行有效受控，突破傳統二維圖紙管理模式，滿足以三維設計為核心的研制需求。

在型號研制中，以PDM系統為統一辦公環境，多單位、多部門可同時參與工作，體現出跨單位、跨部門協同的特點，以三維為核心的管理模式如圖1所示。

對設計單位來說，PDM系統主要用于三維數據的設計過程管理，完成審簽、更改、偏離、分發等設計過程的技術狀態控制，并通過分發流程將受控的數據發送到生產單位（見圖2）。同時，生產單位用戶也可直接訪問PDM系統查閱數據、參與審批等，以及參加設計單位發起的相關協同研制工作。

產品結構管理、基線管理、共用資源管理等屬于PDM系統的基本功能應用，為實現三維設計過程管理提供基礎支撐。審簽管理、更改管理、偏離管理、分發管理等是三維設計過程技術狀態管理的核心功能，應符合《航天產品設計文件管理制度》的相關要求。三維設計數據包括三維模型、相關聯的文檔、二維圖及產品結構數據等，在PDM系統中完成審簽受控后，可通過數據分發流程發送給生產單位。

二、基礎功能應用

1.產品結構管理

圖1 以三維為核心的管理模式

圖2 航天三維設計過程

產品結構是以電子倉庫為底層支持，以BOM為其組織核心，把定義最終產品的所有工程數據和文檔聯系起來，以結構樹的形式實現產品數據的組織、管理與控制，并在一定目標或規則約束下向用戶或應用系統提供產品結構的不同視圖和描述，如設計視圖、裝配視圖、制造視圖、計劃視圖等。

產品結構在PDM系統中創建、維護和管理，并建立以產品結構為核心的數據組織方式。產品結構掛接產品相關數據或文檔，如三維模型、二維圖樣及相關技術文件等，建立緊密的關聯關系，為審簽、更改、偏離、分發等技術狀態管理過程的實現打下堅實的數據基礎。

產品結構建立遵循自上而下的順序，先進行產品結構層次劃分，再進行創建。產品結構一般分為頂層產品結構的創建和實體產品結構的創建2個部分，如圖3所示。頂層產品結構位于產品結構的上部，反映產品的總體設計規劃，通常由總體創建，并嚴格控制更改。實體產品結構掛接在頂層產品結構下，是實際產品的結構。實體產品的三維模型檢入PDM系統時，系統可自動根據模型的裝配結構創建或更新相應的產品結構。

2.基線管理

基線是PDM系統的基本功能，其以快照的形式保存數據歷史狀態，使用戶能夠快速查閱或獲取特定狀態的數據，常用于設計過程狀態保存、設計復查、數據對外發布、數據歸檔等。

在PDM系統中，根據不同用途將基線類別分為過程基線、狀態基線、審批基線等。其中，過程基線用以記錄設計過程，由設計師按需創建和維護，無需審批受控；狀態基線用以記錄型號研制某一特定技術狀態，由設計師在不同IPT成熟度下創建，可通過審批流程固化凍結；審批基線是在審簽、更改、偏離等審批流程結束后由PDM系統自動生產，且自動處于凍結狀態，不能更改，用于記錄審批時的技術狀態。

用戶常用的是過程基線和狀態基線，狀態基線可以審簽凍結。審批基線是統一放置、統一管理，常用于設計數據發布、設計數據歸檔。基線記錄的內容應完整，包括完整的產品結構及關聯的設計數據，并能通過基線恢復三維模型歷史設計狀態。

3.共用資源管理

在三維設計中使用大量的標準件模型、電連接器模型等共用資源，復用度高。為規范三維設計過程，應將標準件三維模型等共用資源統一管理和維護。在PDM系統中建立共用資源庫，包括標準件模型庫、電連接器模型庫、通用產品庫、設計模板庫等，并配套統一的建模標準和管理制度。共用資源庫對普通用戶開放，設計師可隨時獲取其中的共用資源，以提高設計效率，同時規范三維設計應用。

三、技術狀態管理

1.審簽管理

在PDM系統中，設計數據的首次送審通過審簽管理功能實現。設計師創建設計數據審簽單對象，將送審的數據添加到其中，然后走審批受控。常用的設計數據審批流程是：設計—校對—審核—工藝—會簽—標檢—批準。由于三維模型的查閱方式、管理方法等與傳統二維數據有明顯區別，所以在審簽管理功能實現上要體現以下幾點：

一是送審數據包括三維模型、相關聯的設計文件、二維圖、產品結構數據、基線等，其中產品結構數據、基線等屬于PDM特有的數據類型，這些數據可通過產品結構關聯快速添加到審簽單中。

圖3 型號產品結構示意圖

二是對于三維模型，應結合三維模型特點、PDM系統，按照《航天產品設計文件管理制度》的基本要求，研究制定三維設計數據的簽署規定，內容包括設計數據的簽署完整性要求、簽署人員的權限職責、簽署方法等，為PDM系統審簽管理功能實施提供依據。在審批時，注意審查送審數據的完整性、數據關聯關系等。

三是在審批過程中，三維模型可在輕量化模型瀏覽器打開顯示，若要查看詳細模型信息，則需在集成環境中使用三維CAD軟件打開模型。

四是在統一的協同辦公環境中，通過PDM流程可使工藝、會簽環節并行開展，多單位、多部門可同時參與流程，以便提高會簽效率。對于外部會簽，可通過代理會簽方式將外部會簽信息錄入PDM系統。

五是記錄在PDM系統中的各級審簽信息（姓名、日期、意見等），可在流程中或結束后隨時查看。在審批結束后，系統自動以電子簽名的方式將簽字信息打印在文檔、二維圖等的簽署欄，對于三維模型，系統自動創建簽名附件，實現電子簽署。

六是審批通過后，系統自動將設計數據狀態置為受控狀態，不允許更改，并自動創建審批基線，記錄送審數據的技術狀態。

2.更改管理

圖4 更改流程

通用PDM系統的更改流程符合CMII規范要求，但過程控制較繁瑣，應結合行業或企業特點進行適用性改進。按照《航天產品設計文件管理制度》的基本要求，結合PDM系統特點，通過定制和開發實現三維設計更改管理功能，更改流程如圖4所示。在PDM系統中，通過應用更改請求（ECR）和更改通告（ECN）2個數據對象實現更改管理功能，其中更改通告是實施更改的具體對象，在三維設計更改中應用最多。

三維設計更改管理在實施上要注意以下幾個方面，同時它們也體現出與傳統二維更改的明顯區別。

一是三維模型、產品結構屬于新數據類型，在PDM系統中存在緊密關聯，所以在更改三維模型時應同時更改相關聯的產品結構。

二是應確保更改檢入后的三維模型正確性，當涉及上下級裝配模型的設計接口協調時，受影響方應在更改單審批中會簽確認。

三是更改單說明的更改對象應與更改通告中的更改數據一一對應，在文檔生成時，盡量實現代號、文件名稱等信息的自動提取和填寫。

四是二維更改管理規定不完全適用于三維設計更改，應制定專門的三維更改規定，明確更改流程、更改規則、更改單編號、更改方式、換版方法、增加方法、作廢方法等內容，以指導三維設計更改規范開展。

五是更改單文檔模板應統一配置，不允許更換和調整。

六是在PDM系統中結構化的更改信息應與更改單中填寫的更改信息保持一致，實現自動填寫，并且不允許更改。

七是利用PDM系統的數據管理優勢，實現產品更改信息的查詢和統計，特別是歷史更改的追溯和維護。

3.偏離管理

在《航天產品設計文件管理制度》的相關標準中，對偏離的定義是：產品實現前，對該產品的某些方面在限定的產品數量或期限內，允許不按其對已批準的現行設計文件要求進行制造、試驗的活動。在一定程度上，可以認為偏離屬于“臨時更改”。在PDM系統中，與更改管理功能相比，偏離管理功能的實現相對簡單，在流程上與更改管理類似。

在三維設計數據的偏離管理實施中注意以下幾個方面：

一是應對偏離數據的命名進行規范，與已批準產品數據進行區分。

二是偏離數據不影響已批準產品結構的正常表達，不影響已批準裝配模型的的正常技術狀態。

三是二維偏離管理規定不完全適用于三維設計偏離，建議結合企業實際制定專門的三維偏離規定，以便明確偏離流程、偏離單編號、偏離數據命名等內容，指導三維設計偏離規范開展。

4.數據分發管理

基于PDM系統實現了設計數據的電子分發，即將有組織的電子數據通過信息系統從設計單位發送到生產單位，發送的電子數據包括三維模型、二維圖、設計文檔、更改單、BOM信息等，常用的分發流程如圖5所示。對于正式分發，只允許發送已批準數據；對于處于IPT階段的設計工藝協同，可通過預分發流程將必要的數據發送到生產單位，以提前備料、工藝準備等。

圖5 分發流程

審批前，系統自動對發送數據進行必要的檢查，如數據完整性、是否已批準等。批準后，系統自動根據接收單位判斷執行的分發方式，包括系統外離線分發、系統間數據分發、系統內數據分發，以滿足不同應用場景的生產單位需求。

通過建設適用航天企業的PDM系統，實現了三維設計過程管理，可支撐多個航天型號產品的數字化并行協同研制。通過不斷實踐、總結和分析積累了經驗和技術，為PLM應用、平臺優化升級等未來信息化建設打下堅實基礎。PDM系統具有管理三維設計數據的優勢，但也可管理其它CAD數據、仿真數據及項目數據等，功能拓展值得研究。航天信息化平臺建設任重而道遠，其先進性、通用性、可擴展性等影響未來發展，相信航天數據管理平臺的建設和應用將會得到不斷進步。▲