基于PDM 的离散制造企业设计制造一体化技术

张振伟

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083）

0 引言

计算机技术、信息技术、自动化技术等的发展使得传统制造向先进制造转变，信息化、数字化等信息技术在制造企业获得了广泛应用，成为了企业提高其竞争力的重要手段[1]。然而，对于离散制造企业，由于其生产的产品的特殊型，除了产品自身结构的复杂性，项目任务又具有品类多、状态多、批量小、生产交叉等特点，这些使得信息技术难以贯通企业产品研发与生产过程，无法深入到产品设计制造的衔接环节，导致产品设计、项目计划与生产制造环节的脱节。如何缩短产品研制周期、提高柔性化生产能力和批生产应变能力成为了离散制造企业亟待解决的问题。

1 设计制造现状

随着信息技术的推广应用，离散制造企业在产品设计、工艺设计等方面都具备了一定的信息化条件，CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）、CAPP（Computer Aided Process Planning，计算机辅助工艺过程设计）、PDM（Product Data Management，产品数据管理）、ERP（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）、MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）等已经得到推广应用。但是，由于企业信息化建设的阶段性和不同步，不同阶段、不同平台的信息化建设带来的缺陷也逐渐显露，尤其对于产品结构复杂、设计制造周期长的离散制造企业，问题尤为突出。设计、工艺、制造、管理等各个环节间的集成比较松散，整体协调能力不足，产品模型常常不能直接用于工程分析和生产制造，庞大的设计、工艺、制造信息的传递仍依赖纸质介质，产品设计和制造过程脱节，信息不能共享，工作易重复且设计错误难以及时更改，加工周期和批次一致性得不到保证。

设计制造一体化是以网络化数据为基础，综合应用产品三维设计、一体化数据管理、数控加工技术和制造信息管理技术，建立起一个集数字化设计、制造、管理、控制的一体化系统[2]。通过一体化技术的应用，能够减少部门周转和反复时间，减少纸质介质的使用，缩短工艺、制造准备周期，显著提高制造效率和生产能力。

2 设计制造一体化集成体系

2.1 基础数据规范

建立一致的数据编码规范是设计制造一体化的基础，产品数据编码、物料编码需要与PDM 产品管理系统保持一致，设计BOM（Bill of Material，物料清单）应与工艺BOM、制造BOM 保持统一。

（1）统一编码体系：产品设计过程的标准件、外购件、原材料的编码应与PDM 系统编码保持一致；自制零部件编码应由设计部门统一编码规则，并通过编码器生成唯一标识。

（2）规范设计物料库：产品设计开发时，选择的材料就决定了材料成本，选择的工艺就决定了加工成本。建立规范的设计物料库可以让设计师查找可利用的物料资源，有效保证数据源头的规范，保证数据能不受阻碍的双向互通。

（3）规范工艺资源库：建立规范的工艺资源库，让工艺师能按标准有效定义工艺路线、工时定额、材料定额，以便给生产计划提供数据支撑。

2.2 数据与业务协同

（1）物料同步：在PDM 中建立物料数据库（原材料、标准件、外购件、自制件等），作为产品数据的源头，为CAD、CAPP、ERP、MES 等应用系统提供统一的物料数据。

（2）BOM 同步：设计数据在PDM 系统中进行整合，结合项目任务要求形成基本的产品BOM，然后由PDM 传递给CAPP 形成工艺BOM，再由CAPP 传递给ERP 形成制造BOM，再下发MES 用于生产制造。

（3）业务协同：通过PDM 业务管理实现各部门间的协作，实现计划、设计、工艺、制造全过程管理。通过协同变更管理，有效管理各部门的变更请求，使设计变更得到有效控制，并及时更新制造数据。

2.3 一体化集成技术

（1）工程设计集成：工程设计利用CAD、CAPP、CAM 完成产品设计、工艺设计、数控编程和加工过程仿真，并通过PDM 实现上述工具的信息集成管理与控制[3]。在PDM 中建立产品结构树，通过产品BOM 实现对不同型号、不同批次产品的工程数据及其版本的管理、审批管理、权限管理。

（2）企业应用集成：通过Web Services 构建跨平台的系统集成，实现PDM、ERP 与应用工具集的集成，实现整个集成生命周期从设计、部署直到集成管理，包括业务流程、应用数据集成的实时管理与监控[4]。

（3）并行开发流程：传统的产品开发过程采用产品设计—工艺设计—生产制造的串行的开发流程，设计错误的不及时更改会造成后期的返工，导致产品开发周期长、成本高、质量不稳定等问题。通过对产品开发过程的分析、研究，在应用工具集成的基础上建立并行的开发流程，实现产品生命周期各阶段的融合与协作。

2.4 数字化制造

（1）车间MES：ERP 下达生产任务到车间MES 系统，MES通过排产形成车间生产计划，并根据上级计划调整及资源占用情况动态调整计划运行，通过CAPP 集成获得物料和工序信息，制造现场人员通过现场终端系统反馈每道工序的加工及检验情况，零件完工后参与装配物料齐套。

（2）无纸化加工：完成工程设计后，生产人员按照MES 计划安排，通过现场终端从PDM 获取工艺文件及相应的NC（数控加工程序），通过DNC（Distributed Numerical Control，分布式数控）系统传送NC 程序到MES 系统指定的数控加工设备，从而实现零件的无图加工。

3 设计制造一体化应用

在离散制造企业，设计制造一体化应用可以基于PDM 开展。以PDM 为核心集成平台，能够实现产品从的结构设计到制造过程的无纸化传递，实现模型管理、工艺规划、生产计划、虚拟装配等数字化技术的集成应用。一体化技术的应用，可从产品设计、工艺设计、制造管理、数控加工到虚拟装配，共5 个环节展开应用（图1）。

图1 设计制造一体化应用总体业务流程

（1）产品设计：设计人员接收到计划任务后，使用三维设计工具进行产品模型设计，同时在PDM 中建立产品的BOM 结构，通过PDM 文档检入与审批流程导入设计模型，并建立与设计BOM 的关联。在本阶段中，需要保证BOM 结构建立的完整和规范，包括类型、规格、属性、版本、阶段、批次信息等；模型应通过设计基准工艺性评估，以满足后续数控加工的需要。

（2）工艺设计：工艺人员通过PDM—CAPP 集成将设计BOM 同步到CAPP 中，在工艺BOM 中加入制造属性信息；在CAPP 环境下，通过生成材料和物料清单，通过集成接口传递给MES；再通过PDM—CAPP 集成进行工艺文件的编制与PDM 电子归档。在本阶段应用中，需要保证工艺文件及其归档流程的标准与规范，涉及更改的需通过更改流程进行。

（3）制造管理：生产任务下达后，车间计划员通过CAPP—MES 集成获取工艺文件及工序信息，分配操作人员，评估工时，通过MES 进行排产，生成车间计划；齐套人员通过CAPP获得物料清单，进行物料准备；在制造现场，生产人员通过现场终端反馈生产完工、检验或误工情况。在本阶段中，需要根据车间实际状况合理调整MES 排产计划，确保计划快速执行。

（4）数控加工：数控加工班组人员通过PDM 获得设计三维模型和技术要求，通过CAM 创建加工模型，对模型进行数控程序编制和加工仿真，再通过DNC 数控联网系统传输加工程序到数控机床，实现产品结构件的数控加工。在本阶段中，数控程序的编制、审核、传输应符合相应的设计与传输规范。

（5）虚拟装配：本阶段是设计制造一体化应用的最后一个阶段，主要工作是进行产品的虚拟装配仿真。工艺人员通过PDM获取产品的三维模型，由虚拟装配系统开展三维虚拟装配仿真，生成装配过程动画，并通过VAPP—CAPP 集成生成装配工艺规程，归入PDM；车间装配人员通过现场终端在可视化装配指导下进行实物装配。

4 结束语

本文提出了基于PDM 的设计制造一体化技术，将传统的由设计、工艺、制造多个部门产生的信息数据纳入到PDM 的统一管理下，实现了设计模型、工艺文件、数控程序、装配仿真文档的电子化归档和管理，使产品研制过程的数据、流程得以规范和统一，保证了过程数据的完整性，本文提出了一套实用的集成工程应用环境和方法，对于数字化设计制造技术在离散制造企业的推广和应用有较强的借鉴意义。