機械產品數字化管理技術探析

李長海，肖 洋

(1.安徽省第一輕工業學校，安徽 蚌埠 233000；2.廣州城建技工學校，廣州 510900)

0 引言

機械設計與制造過程中數字化設計可以極大地縮短機械產品研發周期，提高機械產品生產效率。但是在機械產品數字化設計使用的各種建模軟件，如CAD、CAE和CAPP等軟件之間相互獨立，其文檔格式與存儲方式都存在一定的差異性，給數據信息管理與數據共享造成一定的困難[1-3]。因此，為了提高機械產品數字化管理技術與效率，衍生出產品數據管理技術(Product Data Management，PDM)實現不同建模軟件之間的信息管理。

PDM是基于基礎信息軟件和應用軟件之間的框架系統，可以集中管理機械產品研發過程中的相關數據，為工作人員提供一些便捷、高效和協同的工作環境[4-5]，在實現機械產品數據信息高效管理的同時，實現產品數據信息的交互共享，可以提高機械產品的研發效率。隨著PDM技術應用范圍的逐漸擴大與發展，PDM技術功能更加完善與強大。目前，PDM管理系統可以實現各種機械建模軟件中的產品信息、產品數據等管理與交互[6]。

1 機械產品數字化管理技術

1.1 機械產品數字化管理技術發展的必要性

隨著機械設計數字化的發展，各種計算機建模軟件在機械設計與制造過程中得到了廣泛的應用與發展，但是不同計算機軟件之間數據與文檔格式互不兼容，機械產品數據無法實現有效的溝通與交流，影響整個機械設計與產品研發效率。另一方面，機械生產企業對于機械產品文檔和數據管理技術相對較為落后，缺乏高效的管理手段與技術處理大量機械產品數據，機械產品及其相關文檔的安全性與保密性存在一定的問題。

針對以上問題，提出了PDM管理技術，實現對機械產品數據和研發過程的高效、科學、安全管理，將機械產品設計過程中的相關數據和研發過程進行集中管理，在企業內部生產環境中構建一個并行化、可協同的生產環境，成為機械產品設計與研發各個部門之間信息交流和共享的紐帶[7]。

1.2 PDM定義與發展

1.2.1 PDM定義

產品數據管理技術是管理所有機械產品及其產品相關信息和過程的技術，主要包括兩部分，一是管理相關機械產品零部件信息、裝配信息、建模文件、物料清單和審核信息等；二是管理所有產品相關研發過程，如零部件加工工序、工作標準、工藝流程和產品變更過程等。

1.2.2 發展歷程和特點

PDM技術發展主要劃分為3個階段，發展歷程與特點如下。

1)配合CAD軟件的PDM系統。PDM系統始于20世紀80年代初，在這一階段CAD得到了廣泛的應用與發展，CAD廣泛應用的同時也帶來了較多的數據管理信息，因此對電子數據存儲與管理方式提出了更高的需求。因此，針對CAD軟件推出了第一代PDM管理系統，為CAD軟件生成的相關數據和文檔信息提供“電子繪圖倉庫”的功能，但是存在系統集成能力和開放程度較低等缺點。

2)專業PDM系統。通過對早期PDM系統功能的不斷擴展，形成一種更加專業化的PDM產品，如SDRC公司研發的Metaphase。專業PDM系統出現許多新功能模塊，如對機械產品生命周期內各種形式的產品數據管理能力，對機械產品結構和配置管理提供查詢功能，同時提高了PDM系統的信息集成功能。

3)PDM標準化發展階段。在1997年，PMG組織發布了PDM系統標準草案，成為PDM操作系統的第一個國際標準，主要由IBM、SDRC、PTC等多個公司參與制定。主要針對PDM系統功能、邏輯模型及人機交互操作等提出相關標準，為后期PDM系統多元化發展奠定了基礎。

2 機械產品數據管理體系結構

2.1 基本結構

一個典型的PDM系統體系主要包括用戶界面層、功能模塊及開發工具層、框架核心層和系統支持層(圖1)。PDM系統同時與CAD、CAPP、MIS等軟件共同構建一個大型機械產品數據信息管理系統，對各項機械產品信息進行合理、安全和高效的管理與運用。

圖1 PDM系統體系基本結構

1)用戶界面層。為操作用戶提供交互式圖形操作屏幕，主要包括可視化瀏覽器和各種操作菜單等，用戶可以方便、直觀地完成各項操作，屬于PDM系統的最頂層。

2)功能模塊及開發工具層。為操作用戶提供電子倉庫和文檔數據管理、工作流管理和產品結構配置等功能。

3)框架核心層。為用戶提供實現PDM系統各項核心功能和框架，屏蔽異常操作系統，實現機械產品數據透明化操作與管理。

4)系統支持層。以關系數據庫系統為PDM提供支持平臺，通過關系數據庫提供的相關數據支持PDM系統對機械產品的數據管理。

2.2 主要功能

2.2.1 電子倉庫與文檔數據管理

隨著傳統串行機械產品開發模式向集成化和并行化機械產品開發方式發展，生產部門文檔管理方式無法適應現代機械產品發展的需求，對于分布在不同地點、具有不同格式的數據文檔進行高效管理需要解決以下問題。

1)分布式、多用戶、多類型文檔管理。

2)滿足工業發展中不同文檔查詢方式。機械產品在開發過程中會產生大量的文檔、數據和圖紙，新產品的研發80%會建立在舊產品的基礎上，因此，快速從大量前期設計圖紙中搜查所需的產品管理信息和數據是亟待解決的問題。

3)數據文檔共享及安全傳輸問題。在進行機械產品研發過程中，需要多個設計人員與部門協同辦公，需要將機械設計產品相關資料與數據在計算機網絡進行共享，因此要求在機械產品設計與制造過程中在保證文檔、數據權限允許范圍內隨時可以將正確的文檔等相關資料傳輸至設計人員手中，實現數據共享。因此，數據安全性與保密性是機械產品中面臨的主要問題。

2.2.2 機械產品流/設計過程管理

在進行機械產品研發過程中，機械設計的主要活動是創建、繪制和更改機械設計數據，如在相關建模軟件進行機械產品開發過程中甚至要經歷上百次的修改，在修改過程中需要不同的機械設計人員進行修改、瀏覽、檢查和審批，在修改過程中，不僅是對原有數據與文檔進行修改，需要參考多個文檔及相關數據。PDM系統將機械產品設計過程及工作流管理功能通過對機械產品研發過程進行分析，抽取在機械產品設計過程中的基本任務單元，通過這些基本任務單元來構造不同機械產品的開發過程，如設計檢查、評審、修改和審批等工作。任務單元描述模型基本過程如圖2所示。

圖2 任務單元的描述模型基本原理

2.2.3 機械產品生命周期(工作流)管理

PDM系統的生命周期管理模塊管理機械產品數據的動態定義過程。機械產品生命周期管理主要包括保留、跟蹤機械產品從概念設計、產品建模、生產制造、修改直到停止生產的整個生產過程的歷史記錄。機械設計及管理人員可以對機械產品設計中的各項處理步驟來構造或者更改機械產品設計流程。

2.2.4 集成開發接口

由于各種機械生產企業在工作流程與管理模式中存在較大的差異，用戶需求也具有一定的多樣性，因此，目前沒有一種PDM系統適應所有機械生產企業的發展需求，這就要求PDM系統具有強大的客戶化及二次開發能力。目前，大多數PDM系統都可以提供二次工具開發軟件，相關機械設計人員可以利用工具包針對企業具體生產情況與用戶需求定制相關管理工作。

3 結論

PDM為產品數據管理，主要用于管理產品信息和產品過程管理，如零件信息、配置、文檔、CAD文件、結構、權限信息等，以及所有與產品相關過程(包括過程定義和管理)的技術。本研究以機械產品為研究對象，基于數字化機械產品開發特點，系統論述了PDM系統在機械產品生產與管理中的應用，研究表明，基于PDM可以提高機械產品生產效率，有利于對機械產品的全生命周期進行管理，對于文檔、圖紙、數據的高效利用及機械設計與制造流程規范化具有一定的推動意義。