基于Teamcenter的設計工藝一體化研發新模式的探索

李大勇，孫 波

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.中國兵器工業新技術推廣研究所，北京 100089)

1 傳統研發模式帶來的問題

企業研發逐步實現了型號產品的數字化三維設計，基于PDM(產品數據管理)系統的產品數據管理，工藝依然停留在傳統的CAPP(計算機輔助工藝設計)二維環境下的工藝卡片設計、工藝圖繪制階段，產品三維數模和工藝二維卡片的數據異構，PDM與CAPP的系統異構，產生了設計與工藝的信息孤島與業務隔閡，導致了型號產品研發長期停留在產品設計、數據轉換、人工傳遞、工藝準備的串行、相互獨立的模式，主要帶來了如下問題。

1)串行的工作模式，工藝只能被動等待設計輸入，無法在產品設計階段有效介入，提前進行產品工藝性審查、工藝方案前期策劃等工作，以達到縮短工藝準備周期的目的；同樣，設計問題也無法在方案設計或者工程設計階段提前暴露，導致大量設計問題往往在工藝制造后期才發現，增加了更改的成本。

2)產品三維數模、BOM結構數據無法直接被工藝重用于制造過程規劃與驗證工作，往往需要設計進行大量的二維數據的轉換，且在不同工藝專業或制造過程的規劃與驗證工作中，由于產品信息關注點與工藝信息展示點不同，往往會對產品數據進行多次重構，勢必造成不必要時間與精力的浪費，帶來了數據丟失、錯誤和不一致的風險，增加了信息獲取與數據正確性維護的成本。

3)理論上型號產品研發應該是工作流程連續，信息實時交互的設計與工藝有機融合，但實際上卻被一堵無形的高墻分割為設計、工藝獨立部分，導致了流程中斷、信息阻隔、環節脫節的設計與工藝業務孤島，只能采用人工“拋磚過墻”這種高成本、低效率的信息傳遞方式，導致了設計與工藝之間信息交互困難與滯后，進一步造成了業務間的隔閡，大量無效與重復工作產生。

4)工藝編制仍采用基于二維卡片的傳統模式，缺乏與設計的關聯性及直觀的三維表現形式，影響了工藝設計效率、質量，也降低了工藝的可操作、可指導性；同時，缺少基于數字化樣機的虛擬工藝仿真驗證環境，仍然沿襲傳統的實物驗證模式，無法在制造前充分驗證工藝正確性，將錯誤和風險留給了制造環節。

解決這些問題的關鍵是建立完整的設計工藝制造一體化架構，通過產品數字化價值鏈實現對產品實物價值鏈中物理對象的虛擬化，提升研發效率和降低制造成本[1]。

2 設計工藝一體化面臨的挑戰

北京北方車輛集團有限公司打破傳統串行模式，實現設計工藝一體化，需要解決導致舊模式的問題，并突破向新模式發展的障礙，這勢必面臨諸多的挑戰。只有先針對性地解決一系列技術難點，才算是向著目標的實現邁出了一大步。主要會面臨的三大挑戰如下。

1)產品數模重用與一致性管理的挑戰。

第一個挑戰就是如何將產品數模確定為研發過程中產品和工藝、制造信息唯一的載體，去掉中間數模的降維轉化和數據重構的環節，直接應用于多專業協同設計、多學科仿真分析、制造過程規劃、工藝設計與仿真驗證過程；同時，如何有效保證各專業和各過程使用數模數據的關聯一致性和更改同步性的問題。

2)設計、工藝一體化平臺搭建的挑戰。

如何統一由于產品開發和過程規劃業務差異而導致的長期獨立的PDM和CAPP系統，調和業務場景的差異，建立統一的工作環境，打通業務流程，提供全業務所需的應用，集中管理全業務產生數據，搭建能夠支撐設計、工藝一體化研發模式的系統平臺。

3)數字化工藝設計的挑戰。

首先，要從根本上解決產品數模的降維轉化問題，必須顛覆傳統的基于卡片的二維工藝，直接重用產品數模進行數字化工藝設計；其次，匹配產品結構的結構化表達，工藝信息也應該實現結構化，細化工藝信息管理顆粒度和便于共享與重用；最后，支撐實現基于數模的虛擬工藝仿真驗證，采用信息代替被浪費的資源。

3 設計工藝一體化實現技術探索

3.1 應對挑戰的關鍵技術途徑

3.1.1 基于Teamcenter的設計、工藝一體化平臺

西門子PLM系統Teamcenter是全球領先的產品全生命周期管理系統。Teamcenter采用模塊化的體系架構，符合先進的軟件開發思想，統一的數據庫模式，提供產品全生命周期管理的完整功能，包括企業關注的產品數據與制造過程管理(見圖1)。

圖1 Teamcenter應用功能模塊

1)基于Teamcenter的設計工藝一體化平臺架構。采用Teamcenter作為基礎平臺[2-3]，提供統一的數據管理、無縫的業務銜接、實時的信息交互能力；統一的系統操作界面，整合了設計、工藝業務場景；配置產品數據管理和制造過程管理相關功能，滿足設計與工藝業務管理需求；通過集成接口，實現與專業工具和外圍系統的交互，提供全業務所需應用服務，架構如圖2所示。

圖2 基于Teamcenter的設計、工藝一體化系統架構

2)多CAD工具支持(見圖3)。Teamcenter支持多CAD集成和協同設計，例如CATIA、Pro/E、NX、Solid Edge、Cadence和AutoCAD等。各種CAD軟件設計的產品及零部件都可以統一在Teamcenter中進行實時管理，實現多CAD的協同設計。

圖3 Teamcenter對多CAD支持

3)多學科協同設計環境(見圖4)。Teamcenter涵蓋了數字化設計、計算、仿真以及數字化產品研制管理環境，各學科設計及仿真工具通過集成接口與Teamcenter平臺相整合，為研發人員提供一個虛擬的、并行的多學科協同設計及仿真的集成工作環境。

圖4 Teamcenter對多學科協同設計環境支持

3.1.2 MBD的主模型重用

MBD(Model Based Definition)基于模型的定義[4-6]，是一種基于全三維的產品信息數字化表達技術。基于MBD的主模型就是創建一個集成的三維模型來完整地表達產品定義信息，包括工藝和制造信息等，并在管理環境(如Teamcenter)中對其進行有效地共享，在更改控制的前提下，實現主模型的多次多點重用(見圖5)，保證設計和制造各流程中數據的唯一性、一致性和同步性。

圖5 基于MBD的主模型重用展示

3.1.3 單一產品數據源管理

單一產品數據源SSPD(Single Source of Product Data)，通過建立產品數據的邏輯聯系，將物理上分散的產品數據形成邏輯上的統一整體，為產品數據的訪問與操作提供唯一的數據源。在Teamcenter中，通過定義每個對象的唯一對應的Item，將所有描述它的文件，不管是三維模型、二維圖樣、還是工藝過程等都歸屬在這個唯一的Item下(見圖6)，實現單一產品數據源管理。

3.1.4 3PR結構化工藝設計

1)3PR關聯。3PR關聯即產品、工藝、工廠和制造資源的關聯，將產品零部件、工藝、工序、生產線、工作區域、制造資源等信息作為相互關聯的對象來處理。如，裝配工序與生產線相關聯，明確裝配過程在哪個生產線的哪個工作臺位進行，工藝資源與工序相關聯，明確裝配過程中用到的資源。3PR關聯工藝示意圖如圖7所示。

2)結構化。結構化工藝(見圖8)徹底顛覆了傳統卡片式的工藝，將工藝由卡片形式轉變為一個樹狀結構，即工藝BOP(Bill of Process過程清單)，將工藝的數據對象，如工序作為結構中的某一級節點。如，總工藝為根節點，各專業工藝為一級子節點，各專業工藝的工序為二級子節點。

圖8 結構化工藝(工藝BOP)示意圖

3.2 設計工藝一體化平臺功能架構

設計工藝一體化平臺主要由三大功能組成，具體如圖9所示。

圖9 設計工藝一體化平臺功能架構

1)基礎管理。平臺提供基礎的數字化工程管理環境，包括數據管理、更改管理、流程管理等，目的是實現基于模型定義的產品和工藝數據的管理和控制，向產品研發各階段提供可靠有效的產品數據，確保數據的一致性和可追溯性，以及實現協同研發流程，提供產品研發周期的可視化和知識、資源的積累與重用。

2)產品設計。產品設計主要是通過多CAD、CAE工具集成，提供多學科協同設計環境，完成產品完整的三維數字化定義，構建出產品數字化樣機，并通過多學科的仿真分析手段，在實際物理產品制造前，對設計方案進行優化和迭代。

3)工藝設計。工藝設計主要包括多專業協同的零部件加工制造和部件裝配工藝過程的數字化的定義，構建出包含制造信息的產品數模和工藝結構，并通過加工和裝配工藝過程的仿真驗證，在虛擬環境中對工藝方案進行驗證與優化。

3.3 設計工藝協同應用流程

基于Teamcenter系統的設計工藝協同應用流程如圖10所示，具體活動如下：1)產品總體設計人員創建產品目錄；2)設計人員在產品目錄下開展結構與電氣設計，并調用資源庫模型；3)設計完成后，在系統中發起審批流程，審批流程將設計數據發送至工藝人員會簽，完成審批受控；4)設計受控模型需更改時，基于受控狀態的模型進行升版操作或換號，并創建更改對象，填寫更改單，按要求進行更改審批；5)設計文件受控后，通過發文流程再次傳遞給工藝部門；6)工藝部門基于接收到的模型開展工藝結構管理維護，并將審批受控的工藝結構發送至工藝員，工藝員調用工藝資源庫開展工藝設計，輸出作業指導書。

圖10 設計工藝協同應用流程

3.4 設計工藝一體化的研發模式實現

通過關鍵技術應對了挑戰，基于Teamcenter搭建了設計工藝一體化平臺，也打通了協同應用流程，下一步就是實現設計工藝一體化研發模式。基于Teamcenter設計工藝一體化研發的實現如圖11所示。

圖11 基于Teamcenter設計工藝一體化研發的實現

實現設計工藝一體化的特點和應用效果如下。

1)設計工藝的有機融合。在Teamcenter的統一平臺下，實現了產品零件和裝配的數字化定義與仿真分析，零件、裝配工藝BOP創建，工序模型創建，加工和裝配仿真驗證優化，三維工藝輸出和展示的一體化，徹底打破了業務阻礙，消滅了信息孤島，貫穿了工作流程，真正實現了設計與工藝有機融合[7-10]。

2)全過程的數字化定義。實現了產品研發全過程的數字化定義，徹底淘汰了二維的定義方式，也從根本上免去了設計向工藝傳遞數據時的模型降維轉化；極大提升了產品信息的直觀性，提升了產品信息傳遞的準確性、直觀的制造過程規劃、工藝信息展示，也提升了工藝設計質量和可指導、可操作性。

3)數模的有效重用與一致性管理。基于MBD的產品主模型始終貫穿產品研發全流程，在產品設計階段被初始定義，然后在設計仿真分析、工序模型設計、工藝仿真驗證和三維工藝輸出等環節中被有效地重用，同時通過Teamcenter對MBD主模型數據的有效管控，能夠保證主模型數據的單一來源，以及多環節重用數據的有效關聯與同步更改，從根本上剔除了模型數據重構的環節。

4)基于模型的仿真驗證。應用產品數模能夠有效在實物制造前[11]，在虛擬環境中采用模型代替實物，由計算機自動進行設計和工藝方案的仿真驗證，提前發現問題，提前進行優化迭代，能夠將大量問題在設計階段進行暴露，降低了更改成本，并消除了后續制造和使用環節的風險，實現了基于模型仿真驗證的設計工作閉環。

5)為并行協同打下基礎。通過Teamcenter統一平臺提供的多學科設計之間、設計與仿真之間、設計與工藝之間高效的信息流，極大地降低了不同業務環節之間溝通的成本，提高了效率，方便了工作的協同開展；同時，在設計工藝統一環境下，工藝能夠主動訪問設計數據，不用被動等待，為并行工作打下了基礎。

4 后續工作思路

1)為了實現完全的并行工程，進一步提高研發效率，有必要持續優化協同流程，通過引入成熟度管理體系，探索并建立基于成熟度的設計工藝協同模式。基于成熟度劃分設計階段，明確各階段工藝介入時機與開展業務活動，將自主自發的協同轉變為按程序控制的協同。

2)在完全實現產品和制造過程基于模型的定義的基礎上，進一步將基于模型的定義向服務、維護等業務環節擴展，實現產品全生命周期和全價值鏈的覆蓋，最終實現基于模型的企業(MBE)。