基于PLM的设计工艺一体化管理平台应用实践

近年来，伴随市场全球化的加速推进，制造业领域的竞争态势日益加剧。在此背景下，机遇与挑战并存，企业若欲脱颖而出，必须在创新的同时加强内部管理，提升管理水平，降低管理成本，增强产品可靠性，以获得市场优势，维持企业发展的持续活力。

产品数据管理（PDM）系统能够使企业以最高效的方式管理产品全生命周期，从而加速产品上市进程，提升产品使用质量，并有效管理产品退市流程。在当前全球市场竞争激烈的环境下，企业必须持续且迅速地优化其产品和服务，以应对不断增长的客户需求。PDM系统通过整合设计模型数据、产品开发过程数据、工艺数据以及与企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）、服务管理等下游业务领域的紧密集成，显著提升了企业的运营效率。

企业产品开发项目来源可归为两类。其一，基于市场需求与行业发展趋势，开展全新产品及技术的研究与开发工作，该类产品在结构与功能上相较于现有产品展现出显著的变革与创新。其二，针对特定订单需求，进行产品设计与开发，即在已定型产品基础上，对规格尺寸进行调整或对功能进行改进，此为改型产品。

第一种产品在开发的初期阶段，研发流程及周期往往较为漫长，且需要大量人员参与，各成员在研发及工艺设计中扮演着各自的角色。企业对于研发过程的记录需求极高，期望通过产品生命周期管理（PLM）系统全面捕捉产品研发的全过程数据，以便后续对研发质量进行追溯。同时，企业亦期望PLM系统能够详尽地记录产品制造过程中的设备使用、人员配置、技术要求、物料需求以及消耗品信息。针对第二种产品，企业通常不会投入过多人力资源。对于这类变型产品，PLM系统的需求主要集中在操作便捷上，要求系统能够准确记录产品数据，并且能够迅速生成工艺文件，以满足快速响应市场需求的需要。

产品开发流程涵盖多个阶段，包括技术方案设计、产品设计、工艺设计以及质量文件的编制等。产品图纸、工艺文件与质量文件以纸质形式下发至生产部门以供执行。同时，产品物料数据通过ERP系统传递至物料管理部门与计划部门，以确保执行的准确性。

在新产品开发流程中，通常由销售部门负责接收客户提出的产品需求，并将这些需求信息传递至售前技术部门；或者客户直接与售前技术部门沟通，提出具体的产品技术要求。售前技术部门随后对客户需求进行深入分析与研究，并着手进行技术方案的设计。一旦客户对产品方案表示认可，双方将签署会签图纸和技术协议。在订单或合同正式签订之后，产品设计方案和技术协议等设计输出资料将被转交给设计开发部门，进行详细的产品图纸设计工作。设计开发部门完成的产品设计图纸及相关设计输出资料将传递至工艺设计部门，进行工艺设计。与此同时，设计输出的产品物料清单将被传递给ERP工程师，由其在ERP系统中手工录入数据，创建产品物料和物料清单（BOM）。工艺工程师则根据工艺文件构建工艺BOM，并管理与工序相关的刀具、工装工具及设备等。产品设计图纸和工艺设计产生的文件最终传递至质量部门，用于编制质量检验文件和控制计划。经过校对、审核和批准等流程的产品图纸、工艺文件和质量检验文件，将在技术图档管理员处进行归档，并随后传递至生产部门以执行生产和检验工作。

产品数据管理平台是应用于企业产品数据管理的信息技术，主要针对产品从概念到设计及转化成真是产品之前的过程进行平台化管理，例如产品的结构设计模型、电气设计模型、二维数据、Office的技术文件、产品机型信息、工艺加工要求等，同时将过程的数据通过流程化进行管理，如在线的技术资料审批及发放、流程化的变更管理、信息系统集成等。通过PDM系统将产品的预研、产品的设计、加工过程的设计等业务环节有序的结合在系统在一个平台上协同工作。系统依托所构建的企业产品数据库将企业产品的各类信息进行归纳、整理并通过网络通信以及系统控制功能相结合的方式，从而建立起了一个集企业产品信息化管理、产品开发协作为一体的信息管理平台。

主要包含如下功能特点：

1.产品结构与配置管理

技术文档与模型作为数据存储的电子仓库，其核心在于产品树形结构的构建。通过将各个零部件的设计数据和技术文档与相应的部件建立关联，并利用对象间的链接关系相互连接，形成一个完整的产品树。使得从产品结构的顶层开始，能够对整个产品树进行遍历，从而实现对完整产品信息的全面概览。

图1 产品结构树

2.工作流程管理

在系统中，所有数据均通过工作流管理进行有效管理，包括设计数据的在线提交、审核、驳回、修改等环节。此外，系统支持在线圈阅功能，以便提供具体意见，并实现在线签署及依据文件标准模板生成归档版文件。系统自动对产品数据进行下发，并确保数据按照标准化流程在不同角色间流转。工作流管理的核心在于对产品数据审批过程的有效控制与管理，以保障流程的合规性及数据的准确性。每一次数据更新都会被记录并管理，保留所有修改的历史记录。技术文件的审批、下发以及产品的变更管理是工作流管理的典型应用场景。

图2 设计审批流程

3.零部件的分类搜索管理

产品设计涉及的零部件种类繁多，设计过程中需处理大量零部件数据，这些零部件分类和属性存在差异。零部件管理模块实现对不同物料分类及属性信息的在线分类管理，并提供基于物料分类及属性的快速零部件检索功能。此外，该模块支持图形化搜索，以实现不同分类的零部件检索。用户能够在分布式环境中利用零部件的导航搜索功能查询相关信息。分类管理功能依据零部件的物理属性及其相似性，对企业内所有零件进行分类，有效控制企业级零部件的数量，降低设计选型的复杂度，从而帮助企业有效控制产品成本。

在设计初始阶段，系统仅限于对技术文件的管理。然而，随着信息技术的迅猛发展以及企业需求的日益增长，该系统已扩展至产品开发、工艺设计等业务流程。当前，系统应用已覆盖产品研发、设计、工程分析、工艺工装设计乃至生产环节，并能够实现不同业务流程间的协同工作，实现数据的自动传递与共享。

图3 分类及分类属性

工艺管理是PLM系统的数字化工艺平台的核心功能模块，而工艺数据则是系统业务数据组织的核心。机械产品的生产工艺可划分为零件制造与产品装配两大类，其中零件制造工艺进一步细分为毛坯准备工艺、零件加工工艺等子类。在零件加工过程中，机械加工工艺占据主导地位，该工艺通过材料去除法，对毛坯进行逐次材料去除，以改变其形状、尺寸及表面质量，直至满足零件设计要求。

零件加工工艺流程由以下部分构成：

1.工序

工序作为工艺活动的基本单元，指的是一个（或一组）工人，在单一工作地点（例如一台加工设备）对一个（或同时对多个）工件连续完成的特定工艺过程。每道工序的执行都会引起工件在形状、尺寸、精度和表面质量上的变化，完成每道工序后工件的状态被称为工序模型，该模型同时作为下一道工序的起始模型，其详细定义如图4所示。

2.工步

工步是指在加工表面、加工刀具、切削参数保持不变的前提下，连续完成的工序。一个工序可包含一个工步，亦可由多个工步构成。

3.安装

当一道工序需多次对工件进行装夹时，每次装夹完成的工序部分将定义为一个安装。

4.工位

在一次工件安装过程中，通过分度或移位装置，使工件相对于加工设备变换加工位置，此时每个工位上的安装内容称为工位。一个安装可能仅包含一个工位，亦可能包含多个工位。

图4 工序流程

图5 结构化工艺

5.走刀元

切削刀具在加工表面进行一次切削后完成的工步内容，称为一个走刀。一个工步可包含一次或多次走刀。在实际生产中，工步、安装、工位和走刀通常统称为工步，表明一道工序需通过多个步骤来完成。因此，机械加工工艺由若干工序构成，每个工序又可进一步细分为多个工序。零件的机械加工过程通常遵循机械加工工艺规程进行，该规程详细规定了零件的机械加工工艺流程和方法。工艺规程中涵盖工艺规程版本号、产品代号、零件代号、工序单元编号、工序单元说明、车间编号、工序图、机床编号、夹具编号、刀具和量具编号、材料编号、工时定额、毛坯种类、切削液、工艺参数等信息。除工艺规程外，工艺数据还应包括数控设备控制的NC程序，因此工艺数据结构及内容如图5所示。

3.1工艺数据管理方式

工艺数据的分类包括工艺规程与数控（NC）程序两个部分。在工艺数据管理的过程中，根据数据管理的粒度，可将管理划分为整体式管理与结构化管理两种模式。

当工艺管理的控制层级仅限于零件级别时，工艺数据可进一步划分为工艺规程与NC程序两个文件进行管理。该管理方式如图6所示。

图6 工艺数据类型

整体式工艺管理将工艺规程内部的数据集成为一个统一的文档，采用简明的数据结构形式，便于管理，特别适用于产品种类较少的中小型企业。

在工艺规程中，工序、工步、机床编号、工装编号、刀具量具、工时定额以及中间工序模型等信息各自具有独立的含义。若将这些数据进行分散管理，则称之为结构化管理。在结构化工艺管理框架下，通过采用面向对象的方法构建工艺数据对象模型及其相互间的约束关系，并将工艺数据存储于数据库系统中。结构化工艺管理模型的示意如图7所示。

图7 结构化工艺管理数据模型

相较于整体式工艺管理，结构化的工艺管理数据结构更为复杂。然而，结构化工艺管理具备以下优势：

● 能够通过提取工序与工步信息，自动生成工艺路线；

● 能够自动统计工时定额信息，便于生产计划的制定与生产调度的执行；

● 能够对使用的刀具、夹具、工装信息进行统计汇总，以便相关生产准备部门进行有效准备。

对于现代数字化企业而言，结构化工艺管理显著提升了企业运作的效率。

随着企业业务范围的持续扩展和产品种类的日益增多，公司管理的复杂性亦相应增加。解决此问题的有效途径在于双管齐下，即结合管理体系的优化与信息平台建设。尽管众多企业已采纳了国内外多种产品生命周期管理系统以管理产品数据，但这些平台提供的通常是通用的标准功能。鉴于不同产品、设计方法及管理模式的差异性，均需特定的解决方案以应对。一个优秀的平台必须配备相应的方案以支撑高质量的管理实践，而这些方案必须与企业的业务模式相契合，从而有效服务于企业的战略目标。