趙 娜

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，陜西 西安 710021）

隨著計算機應用的迅速發(fā)展，企業(yè)的CAD/CAPP/CAM（以下簡稱“3C”）技術日益成熟，但各個系統(tǒng)彼此之間相互獨立，缺乏有效的信息溝通與協(xié)調，形成“信息孤島”，使信息難以共享。這些“孤島”不僅體現(xiàn)在信息資源上，而且還體現(xiàn)在業(yè)務流程中。企業(yè)的3C系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)等通常都是面向不同的部門或業(yè)務流程建立的，它們只能用于特定的企業(yè)工作流程，因此，跨系統(tǒng)的企業(yè)業(yè)務流程就會被按照系統(tǒng)功能切分成不同的業(yè)務段，造成業(yè)務流程“孤島”。隨著信息化建設的逐步發(fā)展，不同信息系統(tǒng)之間的集成已成為企業(yè)信息化建設中亟待解決的問題?；赑DM平臺的CAD、CAPP、CAM集成技術的研究，為孤立信息系統(tǒng)集成提供了全新的解決方法。它可以通過硬件、軟件、標準和業(yè)務流程的結合，實現(xiàn)3C的無縫集成。

1 數(shù)字化集成關鍵技術

1.1 產品數(shù)據(jù)管理（PDM）

PDM（Product Data Management）是對企業(yè)全生命周期產品數(shù)據(jù)、資源與業(yè)務流程進行整體優(yōu)化管理的一種信息技術，是產品數(shù)字化制造的技術平臺，是PLM（Product Lifecycle Management）的一部分。它以產品數(shù)據(jù)為核心，是其它各種軟件工具和分析、管理工作的集成環(huán)境與基礎。它能提供一種結構化的方法，有效、有規(guī)則地存取、集成、管理、控制產品數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的使用流程。PDM系統(tǒng)的支持技術包括大容量數(shù)據(jù)存儲、工作量管理、圖形轉換、分布式網絡環(huán)境、客戶機/服務器計算機結構、友好的用戶界面、數(shù)據(jù)管理等。PDM的體系結構可以分為4層，如圖1所示，分別是支撐層、對象層、功能層和用戶界面層。

支撐層主要為通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、軟硬件的支撐環(huán)境等，提供對數(shù)據(jù)管理的最基本功能。

對象層對數(shù)據(jù)管理層中的產品信息進行結構化的管理，彌補關系數(shù)據(jù)庫管理的不足。

功能層在對象層的基礎上，根據(jù)PDM系統(tǒng)的管理目標，提供相應的功能模塊。

界面層提供交互式的人機界面，使PDM用戶能方便地管理產品數(shù)據(jù)及其流程。

1.2 計算機輔助設計（CAD）

CAD（Computer Aided Design）技術的應用在產品設計領域已進入三維數(shù)字化設計階段，三維數(shù)字化設計、制造技術已經全面得到應用。多數(shù)制造企業(yè)基于UG軟件平臺，三維數(shù)字化設計技術在工裝設計系統(tǒng)全面應用，實現(xiàn)模具及復雜夾具全三維數(shù)字化設計，為工裝制造提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源頭。

1.3 計算機輔助工藝過程設計（CAPP）

CAPP（Computer Aided Process Planning）是利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業(yè)產品設計數(shù)據(jù)轉換為產品制造數(shù)據(jù)的一種技術。CAPP系統(tǒng)的應用不僅可以提高工藝規(guī)程的設計效率和設計質量，縮短技術準備周期，而且可以保證工藝設計的一致性、規(guī)范化，有利于推進工藝的標準化。對CAPP系統(tǒng)進行二次開發(fā)，實現(xiàn)CAPP系統(tǒng)的工藝文件基于PDM系統(tǒng)進行管理。

1.4 計算機輔助制造（CAM）

CAM（Computer Aided Manufacturing）是計算機集成制造系統(tǒng)CIMS的核心。CAD中設計結果，經過CAPP工藝編排生產工藝流程后，最終在CAM中進行軌跡生成與仿真，產生數(shù)控加工代碼，從而控制數(shù)控機床進行加工?？梢哉f，CAD、CAPP的效益最終也是通過CAM體現(xiàn)出來的。CAM可以改善產品設計和品種多變的適應能力，提高加工速度和生產自動化水平，縮短加工準備時間，降低生產成本，提高產品質量和批量生產的勞動率。

2 基于PDM的3C集成模式和關鍵技術

2.1 PDM平臺下3C集成模式

2.1.1 封裝模式

PDM平臺具有對3C的封裝能力，使數(shù)據(jù)和操作具有統(tǒng)一的模型界面和邏輯的獨立性。封裝性具有從一種應用轉換到另一種應用的功能，并使不同的3C系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息共享；同樣，在3C系統(tǒng)中也可以直接進入PDM系統(tǒng)，進行相應的數(shù)據(jù)管理操作。

封裝模式可以滿足以文件形式生成的所有數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)需求。但不能管理3C文件內部的數(shù)據(jù)，如特征、參數(shù)以及裝配數(shù)據(jù)等。因此，PDM系統(tǒng)對此類信息，必須應用另2種模式。

2.1.2 程序接口模式

產品設計中的二維圖形軟件不能生成裝配樹，而三維實體造型軟件能夠生成產品的裝配樹，但與PDM中的產品結構樹無關。為了實現(xiàn)PDM中的產品結構樹由3C系統(tǒng)中的裝配樹自動生成，并從PDM提取最新的產品結構關系，去修改3C的裝配文件，保持兩者之間的數(shù)據(jù)一致性，通過編制接口程序，采用標準的數(shù)據(jù)信息接口，建立PDM的產品結構與多種CAD軟件之間的聯(lián)系。

2.1.3 系統(tǒng)完全集成模式

此模式下，PDM具有對各種類型的信息提供全自動的雙向相關信息的交換，包括產品信息、特性信息、參數(shù)和面向應用對象的信息等，用戶在統(tǒng)一定義的系統(tǒng)環(huán)境里工作。在3C各個孤島技術系統(tǒng)上能使用所有的PDM功能，并始終保持3C的裝配關系與PDM的產品結構的一致性。

2.2 PDM平臺下3C集成的關鍵技術

2.2.1 數(shù)據(jù)信息交換技術

采用專用的數(shù)據(jù)格式文件實現(xiàn)產品信息交換的集成技術；

采用標準數(shù)據(jù)格式文件實現(xiàn)產品信息交換的集成技術；

以工程數(shù)據(jù)庫為核心，采用統(tǒng)一的產品模型實現(xiàn)信息交換的集成技術。

2.2.2 多數(shù)據(jù)庫集成技術

在基于PDM平臺的3C系統(tǒng)中數(shù)據(jù)特征相當復雜，既有結構化數(shù)據(jù)信息，又有大量的非結構化數(shù)據(jù)；既有數(shù)據(jù)源異構、又有異地分布；還有存在于各個孤島系統(tǒng)的獨立進行設計的數(shù)據(jù)源。在這些數(shù)據(jù)源之間既要進行信息的交換與共享，又要保持相對的獨立性和局部完整性。為了實現(xiàn)系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)訪問服務，在PDM集成平臺下，設置一個多數(shù)據(jù)庫集成器（MDBI）來完成。多數(shù)據(jù)庫集成器是多數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)的核心部分，主要支持異地、異構數(shù)據(jù)庫的集成，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)中模式轉換、語法轉換、語義控制、數(shù)據(jù)信息的分布收發(fā)控制等功能。

多數(shù)據(jù)庫集成技術包括4種數(shù)據(jù)結構模式：局部模式，用局部數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)模型表達；輸出模式，由每個局部數(shù)據(jù)庫向系統(tǒng)提供一種集成所需的輸出模式，描述了局部數(shù)據(jù)庫參與全局系統(tǒng)的局部數(shù)據(jù)信息；集成模式，多個輸出模式的有機集成，描述了局部數(shù)據(jù)庫之間的系統(tǒng)集成關系，及各局部數(shù)據(jù)庫的輸出模式與其數(shù)據(jù)操作命令間的映射關系等；外部模式，多數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接面向系統(tǒng)外部特定的用戶對象及其應用。

3 基于PDM的集成實現(xiàn)過程

PDM作為3C集成的平臺，一方面要為3C系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理與協(xié)同工作的環(huán)境，同時還要為3C的運行提供支持。CAD系統(tǒng)產生的二位圖紙、三維模型、零部件的基本屬性、產品明細表、產品零部件之間的裝配關系、產品數(shù)據(jù)版本及狀態(tài)等，需要交由PDM系統(tǒng)來管理，而CAD系統(tǒng)也需要從PDM系統(tǒng)中獲取設計任務書、技術參數(shù)、原有零部件圖紙、資料以及更改要求等信息。在CAD過程建模模塊中，完成零件結構的設計工作，加入屬性信息并生成設計BOM，同時生成標準化的數(shù)據(jù)結構（如生成STEP文件），并經過接口進行數(shù)據(jù)轉換，以關系表的形式將設計信息存儲到PDM系統(tǒng)中。

CAPP系統(tǒng)產生的工藝信息，如工藝路線、工序、工步、工裝夾具要求以及對設計的修改意見等，交由PDM進行管理，而CAPP進行也需要從PDM系統(tǒng)中獲取產品模型信息、原材料信息、設備資源信息。PDM與CAPP集成采用介于接口集成和緊密集成的中間模式，即PDM以接口開發(fā)為主，CAPP以組件封裝為主。對于PDM系統(tǒng)，因為企業(yè)不能修改其源代碼，所以集成開發(fā)時只能利用其提供的接口函數(shù)，開發(fā)相應的集成模塊；對于CAPP系統(tǒng)的開發(fā)，仍以利用接口函數(shù)為主，或將CAPP系統(tǒng)的部分功能封裝成組件，供PDM系統(tǒng)開發(fā)后的模塊調用。其它系統(tǒng)則通過PDM平臺，可以提取工藝設計信息及工藝文檔信息。CAPP系統(tǒng)和PDM系統(tǒng)的集成方案如圖2所示。

圖2 PDM與CAPP集成

圖3 基于PDM的3C系統(tǒng)集成框架

C A M 則將其產生的刀軌文件（C u t i n g Location）、NC代碼（數(shù)控代碼）交由PDM管理，同時從PDM系統(tǒng)獲取產品模型信息、工藝信息等。3C集成，要求數(shù)控加工程序的生成是以CAPP的工藝設備結果和CAD的零件信息為依據(jù)，自動生成具有標準格式的刀軌文件，然后經過適當?shù)暮笾锰幚?，將刀軌文件轉換成NC加工程序，生成針對具體機床的數(shù)控加工代碼，并將輸出的結果存儲到PDM系統(tǒng)中。集成框架如圖3所示。

在CAM模塊中，從PDM系統(tǒng)提取CAD、CAPP所提供的信息，通過Pro/NC的各種接口函數(shù)，將提取的工藝信息自動輸入到Pro/NC的加工模塊中，在Pro/NC的裝配模塊中建立加工設備模型、毛胚模型、夾具模型和刀具模型的基礎上，構建虛擬加工環(huán)境，自動完成加工過程仿真，檢查加工過程中的碰撞干涉，提出修改意見。在加工過程仿真無誤以后，輸出刀軌文件，同時在網絡數(shù)據(jù)庫中讀取每個工序的機床名稱，通過利用針對該機床的配置文件，將刀軌文件轉換成適合機床的NC代碼。

4 企業(yè)實施基于PDM系統(tǒng)的集成效果

4.1 實現(xiàn)BOM數(shù)據(jù)管理和傳輸

BOM（Bill Of Material）稱為產品結構清單，也可稱為產品結構樹。在3C中分別對應設計BOM（EBOM）、工藝BOM（PBOM）和制造BOM（MBOM）。設計BOM是從產品設計角度說明產品的構成；工藝BOM是產品數(shù)據(jù)經過工藝規(guī)劃后的產物，包括機加、沖壓、焊裝、裝配等工藝；而制造BOM是面向生產過程中產品數(shù)據(jù)的描述方式。一般情況下，制造BOM的結構關系與工藝BOM是一致的，但制造BOM有時還包含大量與制造過程有關的其他信息。3C的集成過程，同時也是BOM數(shù)據(jù)在3C系統(tǒng)中的傳遞過程，也是從設計BOM到工藝BOM，工藝BOM到制造BOM的數(shù)據(jù)發(fā)布過程。

4.2 實現(xiàn)無紙化流程管理體系

PDM系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)制定的管理規(guī)則，對產生、修改和使用產品數(shù)據(jù)的過程進行協(xié)調和控制，使技術文件的評審過程自動有序的工作和流轉，減少了設計過程中修改和重復的次數(shù)，提高了設計和制造過程的準確性，大大縮短了產品的開發(fā)周期，產生了巨大的經濟效益。

4.3 實現(xiàn)100%工藝管理

從工藝規(guī)劃、零件工藝設計到產品工藝過程，包括大量的反復、變更、修改、替換等，PDM系統(tǒng)可以對以上各種工藝文件都進行集中管理，保證了工藝信息的完整性、正確性和唯一性。

4.4 實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源管理

PDM系統(tǒng)提供的版本管理功能能夠保證所有參加同一項目的員工采用單一數(shù)據(jù)來工作，并且是及時和最新的數(shù)據(jù)，確保設計過程數(shù)據(jù)的一致性，減少設計中重復和更改次數(shù)。

4.5 實現(xiàn)工裝資源庫管理

基于PDM的工裝資源管理支持目前企業(yè)網絡化、分布式、虛擬化的組織模式，系統(tǒng)具備工裝申請、設計、更改、匯總等數(shù)據(jù)管理及工裝申請、設計、更改、發(fā)放等過程管理，通過對工裝資源庫的網絡化管理，使工裝設計、生產、庫存等信息得到共享，提高了工裝的使用效率。

4.6 實現(xiàn)零組件的三維設計

在產品設計階段，利用數(shù)字化技術建立產品零組件的全三維數(shù)字模型，進行組件或整機的虛擬裝配、運動機構模擬、管路設計、氣動與強度分析等。在產品制造階段，可直接利用上游設計院所提供的產品三維數(shù)字化模型進行工藝規(guī)范編制、工裝設計、數(shù)控加工編程、加工過程仿真、三坐標測量，減少制造返工風險、降低制造成本、提高發(fā)動機質量、縮短產品研制周期。

4.7 實現(xiàn)并行工程，縮短產品研發(fā)周期

使產品設計具有高度預見性和預防性的技術稱為“并行工程”或“并行設計”。并行工程通過集成企業(yè)的一切資源，使產品開發(fā)人員盡早考慮產品生命周期中的所有因素（包括設計、分析、制造、裝配、檢驗、維護、成本和質量等），以達到提高產品質量降低成本，縮短開發(fā)周期目的。它的實質就是集成地、并行地設計產品及其零部件和相關各種過程的一種系統(tǒng)方法。并行過程可以大大縮短產品開發(fā)和生產準備時間，降低成本，提高質量，保證產品的可靠性和實用性。

4.8 便于企業(yè)實施全面質量管理

通過對產品開發(fā)周期內引入一組相關審查過程，PDM系統(tǒng)可以建立適應ISO9000系列驗證和全面質量管理的環(huán)境。

5 面向產品全生命周期的異地數(shù)字化設計/制造/管理集成的發(fā)展方向

航空發(fā)動機研制一直采用以圖紙為制造依據(jù)的傳統(tǒng)模式，隨著計算機軟、硬件技術、集成技術的飛速發(fā)展，大量新產品型號的研制都已引入二維和三維結合的數(shù)字化制造技術。然而無論哪一種研制模式，產品制造依據(jù)仍是傳統(tǒng)的二維工程圖紙，設計意圖理解困難、信息傳遞不及時、成本高；而僅包含幾何信息的三維數(shù)模在產品設計、工藝設計、工裝設計、數(shù)控編程、產品制造及數(shù)控檢測等環(huán)節(jié)中應用效果也不理想，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)傳遞不一致、重復工作量大，不利于提升產品質量，降低加工成本及縮短產品制造周期，因此MBD（Model Based Definition）技術就應運而生了。MBD技術通過集成的三維實體模型來完整表達產品信息，詳細規(guī)定了三維實體模型中產品的尺寸、公差標注規(guī)則和工藝信息。全面實施基于MBD的數(shù)字化設計、制造技術將成為航空制造企業(yè)提升整體產品制造水平、縮短制造周期、降低制造成本、提高產品質量、改變傳統(tǒng)研制方法的有效途徑。

貫通MBD技術的全三維工藝設計應用以后，企業(yè)還需逐步建立標準零件、加工刀具、切削參數(shù)、設備、工裝等資源庫，探索先進數(shù)字化制造、數(shù)字化檢測及加工仿真技術，實現(xiàn)工藝工裝的并行設計，才能更大限度發(fā)揮MBD在制造過程中的技術優(yōu)勢。隨著MBD技術的進一步加強，企業(yè)的集成應用制造技術將得到更大的發(fā)展空間。

6 結論

PDM作為3C的集成工作平臺，為3C系統(tǒng)提供 數(shù)據(jù)管理與協(xié)同工作的環(huán)境，它可以跨越操作系統(tǒng)平臺與應用軟件平臺，實現(xiàn)多平臺的信息集成。基于PDM平臺的集成技術應用與研究，已經促使企業(yè)快速實現(xiàn)信息化，為早日實現(xiàn)異地協(xié)同制造打下了堅實的基礎。

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