基于PDM 的離散制造企業設計制造一體化技術

張振偉

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100083）

0 引言

計算機技術、信息技術、自動化技術等的發展使得傳統制造向先進制造轉變，信息化、數字化等信息技術在制造企業獲得了廣泛應用，成為了企業提高其競爭力的重要手段[1]。然而，對于離散制造企業，由于其生產的產品的特殊型，除了產品自身結構的復雜性，項目任務又具有品類多、狀態多、批量小、生產交叉等特點，這些使得信息技術難以貫通企業產品研發與生產過程，無法深入到產品設計制造的銜接環節，導致產品設計、項目計劃與生產制造環節的脫節。如何縮短產品研制周期、提高柔性化生產能力和批生產應變能力成為了離散制造企業亟待解決的問題。

1 設計制造現狀

隨著信息技術的推廣應用，離散制造企業在產品設計、工藝設計等方面都具備了一定的信息化條件，CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）、CAPP（Computer Aided Process Planning，計算機輔助工藝過程設計）、PDM（Product Data Management，產品數據管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）、MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）等已經得到推廣應用。但是，由于企業信息化建設的階段性和不同步，不同階段、不同平臺的信息化建設帶來的缺陷也逐漸顯露，尤其對于產品結構復雜、設計制造周期長的離散制造企業，問題尤為突出。設計、工藝、制造、管理等各個環節間的集成比較松散，整體協調能力不足，產品模型常常不能直接用于工程分析和生產制造，龐大的設計、工藝、制造信息的傳遞仍依賴紙質介質，產品設計和制造過程脫節，信息不能共享，工作易重復且設計錯誤難以及時更改，加工周期和批次一致性得不到保證。

設計制造一體化是以網絡化數據為基礎，綜合應用產品三維設計、一體化數據管理、數控加工技術和制造信息管理技術，建立起一個集數字化設計、制造、管理、控制的一體化系統[2]。通過一體化技術的應用，能夠減少部門周轉和反復時間，減少紙質介質的使用，縮短工藝、制造準備周期，顯著提高制造效率和生產能力。

2 設計制造一體化集成體系

2.1 基礎數據規范

建立一致的數據編碼規范是設計制造一體化的基礎，產品數據編碼、物料編碼需要與PDM 產品管理系統保持一致，設計BOM（Bill of Material，物料清單）應與工藝BOM、制造BOM 保持統一。

（1）統一編碼體系：產品設計過程的標準件、外購件、原材料的編碼應與PDM 系統編碼保持一致；自制零部件編碼應由設計部門統一編碼規則，并通過編碼器生成唯一標識。

（2）規范設計物料庫：產品設計開發時，選擇的材料就決定了材料成本，選擇的工藝就決定了加工成本。建立規范的設計物料庫可以讓設計師查找可利用的物料資源，有效保證數據源頭的規范，保證數據能不受阻礙的雙向互通。

（3）規范工藝資源庫：建立規范的工藝資源庫，讓工藝師能按標準有效定義工藝路線、工時定額、材料定額，以便給生產計劃提供數據支撐。

2.2 數據與業務協同

（1）物料同步：在PDM 中建立物料數據庫（原材料、標準件、外購件、自制件等），作為產品數據的源頭，為CAD、CAPP、ERP、MES 等應用系統提供統一的物料數據。

（2）BOM 同步：設計數據在PDM 系統中進行整合，結合項目任務要求形成基本的產品BOM，然后由PDM 傳遞給CAPP 形成工藝BOM，再由CAPP 傳遞給ERP 形成制造BOM，再下發MES 用于生產制造。

（3）業務協同：通過PDM 業務管理實現各部門間的協作，實現計劃、設計、工藝、制造全過程管理。通過協同變更管理，有效管理各部門的變更請求，使設計變更得到有效控制，并及時更新制造數據。

2.3 一體化集成技術

（1）工程設計集成：工程設計利用CAD、CAPP、CAM 完成產品設計、工藝設計、數控編程和加工過程仿真，并通過PDM 實現上述工具的信息集成管理與控制[3]。在PDM 中建立產品結構樹，通過產品BOM 實現對不同型號、不同批次產品的工程數據及其版本的管理、審批管理、權限管理。

（2）企業應用集成：通過Web Services 構建跨平臺的系統集成，實現PDM、ERP 與應用工具集的集成，實現整個集成生命周期從設計、部署直到集成管理，包括業務流程、應用數據集成的實時管理與監控[4]。

（3）并行開發流程：傳統的產品開發過程采用產品設計—工藝設計—生產制造的串行的開發流程，設計錯誤的不及時更改會造成后期的返工，導致產品開發周期長、成本高、質量不穩定等問題。通過對產品開發過程的分析、研究，在應用工具集成的基礎上建立并行的開發流程，實現產品生命周期各階段的融合與協作。

2.4 數字化制造

（1）車間MES：ERP 下達生產任務到車間MES 系統，MES通過排產形成車間生產計劃，并根據上級計劃調整及資源占用情況動態調整計劃運行，通過CAPP 集成獲得物料和工序信息，制造現場人員通過現場終端系統反饋每道工序的加工及檢驗情況，零件完工后參與裝配物料齊套。

（2）無紙化加工：完成工程設計后，生產人員按照MES 計劃安排，通過現場終端從PDM 獲取工藝文件及相應的NC（數控加工程序），通過DNC（Distributed Numerical Control，分布式數控）系統傳送NC 程序到MES 系統指定的數控加工設備，從而實現零件的無圖加工。

3 設計制造一體化應用

在離散制造企業，設計制造一體化應用可以基于PDM 開展。以PDM 為核心集成平臺，能夠實現產品從的結構設計到制造過程的無紙化傳遞，實現模型管理、工藝規劃、生產計劃、虛擬裝配等數字化技術的集成應用。一體化技術的應用，可從產品設計、工藝設計、制造管理、數控加工到虛擬裝配，共5 個環節展開應用（圖1）。

圖1 設計制造一體化應用總體業務流程

（1）產品設計：設計人員接收到計劃任務后，使用三維設計工具進行產品模型設計，同時在PDM 中建立產品的BOM 結構，通過PDM 文檔檢入與審批流程導入設計模型，并建立與設計BOM 的關聯。在本階段中，需要保證BOM 結構建立的完整和規范，包括類型、規格、屬性、版本、階段、批次信息等；模型應通過設計基準工藝性評估，以滿足后續數控加工的需要。

（2）工藝設計：工藝人員通過PDM—CAPP 集成將設計BOM 同步到CAPP 中，在工藝BOM 中加入制造屬性信息；在CAPP 環境下，通過生成材料和物料清單，通過集成接口傳遞給MES；再通過PDM—CAPP 集成進行工藝文件的編制與PDM 電子歸檔。在本階段應用中，需要保證工藝文件及其歸檔流程的標準與規范，涉及更改的需通過更改流程進行。

（3）制造管理：生產任務下達后，車間計劃員通過CAPP—MES 集成獲取工藝文件及工序信息，分配操作人員，評估工時，通過MES 進行排產，生成車間計劃；齊套人員通過CAPP獲得物料清單，進行物料準備；在制造現場，生產人員通過現場終端反饋生產完工、檢驗或誤工情況。在本階段中，需要根據車間實際狀況合理調整MES 排產計劃，確保計劃快速執行。

（4）數控加工：數控加工班組人員通過PDM 獲得設計三維模型和技術要求，通過CAM 創建加工模型，對模型進行數控程序編制和加工仿真，再通過DNC 數控聯網系統傳輸加工程序到數控機床，實現產品結構件的數控加工。在本階段中，數控程序的編制、審核、傳輸應符合相應的設計與傳輸規范。

（5）虛擬裝配：本階段是設計制造一體化應用的最后一個階段，主要工作是進行產品的虛擬裝配仿真。工藝人員通過PDM獲取產品的三維模型，由虛擬裝配系統開展三維虛擬裝配仿真，生成裝配過程動畫，并通過VAPP—CAPP 集成生成裝配工藝規程，歸入PDM；車間裝配人員通過現場終端在可視化裝配指導下進行實物裝配。

4 結束語

本文提出了基于PDM 的設計制造一體化技術，將傳統的由設計、工藝、制造多個部門產生的信息數據納入到PDM 的統一管理下，實現了設計模型、工藝文件、數控程序、裝配仿真文檔的電子化歸檔和管理，使產品研制過程的數據、流程得以規范和統一，保證了過程數據的完整性，本文提出了一套實用的集成工程應用環境和方法，對于數字化設計制造技術在離散制造企業的推廣和應用有較強的借鑒意義。