航空制造企业PDM集成技术应用研究

2013-08-29赵娜

航空标准化与质量 2013年4期

赵娜

（中航工业西安航空发动机（集团）有限公司，陕西西安 710021）

随着计算机应用的迅速发展，企业的CAD/CAPP/CAM（以下简称“3C”）技术日益成熟，但各个系统彼此之间相互独立，缺乏有效的信息沟通与协调，形成“信息孤岛”，使信息难以共享。这些“孤岛”不仅体现在信息资源上，而且还体现在业务流程中。企业的3C系统、PDM系统等通常都是面向不同的部门或业务流程建立的，它们只能用于特定的企业工作流程，因此，跨系统的企业业务流程就会被按照系统功能切分成不同的业务段，造成业务流程“孤岛”。随着信息化建设的逐步发展，不同信息系统之间的集成已成为企业信息化建设中亟待解决的问题。基于PDM平台的CAD、CAPP、CAM集成技术的研究，为孤立信息系统集成提供了全新的解决方法。它可以通过硬件、软件、标准和业务流程的结合，实现3C的无缝集成。

1 数字化集成关键技术

1.1 产品数据管理（PDM）

PDM（Product Data Management）是对企业全生命周期产品数据、资源与业务流程进行整体优化管理的一种信息技术，是产品数字化制造的技术平台，是PLM（Product Lifecycle Management）的一部分。它以产品数据为核心，是其它各种软件工具和分析、管理工作的集成环境与基础。它能提供一种结构化的方法，有效、有规则地存取、集成、管理、控制产品数据和数据的使用流程。PDM系统的支持技术包括大容量数据存储、工作量管理、图形转换、分布式网络环境、客户机/服务器计算机结构、友好的用户界面、数据管理等。PDM的体系结构可以分为4层，如图1所示，分别是支撑层、对象层、功能层和用户界面层。

支撑层主要为通用数据库管理系统、操作系统、软硬件的支撑环境等，提供对数据管理的最基本功能。

对象层对数据管理层中的产品信息进行结构化的管理，弥补关系数据库管理的不足。

功能层在对象层的基础上，根据PDM系统的管理目标，提供相应的功能模块。

界面层提供交互式的人机界面，使PDM用户能方便地管理产品数据及其流程。

1.2 计算机辅助设计（CAD）

CAD（Computer Aided Design）技术的应用在产品设计领域已进入三维数字化设计阶段，三维数字化设计、制造技术已经全面得到应用。多数制造企业基于UG软件平台，三维数字化设计技术在工装设计系统全面应用，实现模具及复杂夹具全三维数字化设计，为工装制造提供统一的数据源头。

1.3 计算机辅助工艺过程设计（CAPP）

CAPP（Computer Aided Process Planning）是利用计算机技术辅助工艺人员设计零件从毛坯到成品的制造方法，是将企业产品设计数据转换为产品制造数据的一种技术。CAPP系统的应用不仅可以提高工艺规程的设计效率和设计质量，缩短技术准备周期，而且可以保证工艺设计的一致性、规范化，有利于推进工艺的标准化。对CAPP系统进行二次开发，实现CAPP系统的工艺文件基于PDM系统进行管理。

1.4 计算机辅助制造（CAM）

CAM（Computer Aided Manufacturing）是计算机集成制造系统CIMS的核心。CAD中设计结果，经过CAPP工艺编排生产工艺流程后，最终在CAM中进行轨迹生成与仿真，产生数控加工代码，从而控制数控机床进行加工。可以说，CAD、CAPP的效益最终也是通过CAM体现出来的。CAM可以改善产品设计和品种多变的适应能力，提高加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量和批量生产的劳动率。

2 基于PDM的3C集成模式和关键技术

2.1 PDM平台下3C集成模式

2.1.1 封装模式

PDM平台具有对3C的封装能力，使数据和操作具有统一的模型界面和逻辑的独立性。封装性具有从一种应用转换到另一种应用的功能，并使不同的3C系统之间实现信息共享；同样，在3C系统中也可以直接进入PDM系统，进行相应的数据管理操作。

封装模式可以满足以文件形式生成的所有数据应用系统需求。但不能管理3C文件内部的数据，如特征、参数以及装配数据等。因此，PDM系统对此类信息，必须应用另2种模式。

2.1.2 程序接口模式

产品设计中的二维图形软件不能生成装配树，而三维实体造型软件能够生成产品的装配树，但与PDM中的产品结构树无关。为了实现PDM中的产品结构树由3C系统中的装配树自动生成，并从PDM提取最新的产品结构关系，去修改3C的装配文件，保持两者之间的数据一致性，通过编制接口程序，采用标准的数据信息接口，建立PDM的产品结构与多种CAD软件之间的联系。

2.1.3 系统完全集成模式

此模式下，PDM具有对各种类型的信息提供全自动的双向相关信息的交换，包括产品信息、特性信息、参数和面向应用对象的信息等，用户在统一定义的系统环境里工作。在3C各个孤岛技术系统上能使用所有的PDM功能，并始终保持3C的装配关系与PDM的产品结构的一致性。

2.2 PDM平台下3C集成的关键技术

2.2.1 数据信息交换技术

采用专用的数据格式文件实现产品信息交换的集成技术；

采用标准数据格式文件实现产品信息交换的集成技术；

以工程数据库为核心，采用统一的产品模型实现信息交换的集成技术。

2.2.2 多数据库集成技术

在基于PDM平台的3C系统中数据特征相当复杂，既有结构化数据信息，又有大量的非结构化数据；既有数据源异构、又有异地分布；还有存在于各个孤岛系统的独立进行设计的数据源。在这些数据源之间既要进行信息的交换与共享，又要保持相对的独立性和局部完整性。为了实现系统范围的数据访问服务，在PDM集成平台下，设置一个多数据库集成器（MDBI）来完成。多数据库集成器是多数据库集成系统的核心部分，主要支持异地、异构数据库的集成，实现多数据库集成系统中模式转换、语法转换、语义控制、数据信息的分布收发控制等功能。

多数据库集成技术包括4种数据结构模式：局部模式，用局部数据库的原始数据模型表达；输出模式，由每个局部数据库向系统提供一种集成所需的输出模式，描述了局部数据库参与全局系统的局部数据信息；集成模式，多个输出模式的有机集成，描述了局部数据库之间的系统集成关系，及各局部数据库的输出模式与其数据操作命令间的映射关系等；外部模式，多数据库系统直接面向系统外部特定的用户对象及其应用。

3 基于PDM的集成实现过程

PDM作为3C集成的平台，一方面要为3C系统提供数据管理与协同工作的环境，同时还要为3C的运行提供支持。CAD系统产生的二位图纸、三维模型、零部件的基本属性、产品明细表、产品零部件之间的装配关系、产品数据版本及状态等，需要交由PDM系统来管理，而CAD系统也需要从PDM系统中获取设计任务书、技术参数、原有零部件图纸、资料以及更改要求等信息。在CAD过程建模模块中，完成零件结构的设计工作，加入属性信息并生成设计BOM，同时生成标准化的数据结构（如生成STEP文件），并经过接口进行数据转换，以关系表的形式将设计信息存储到PDM系统中。

CAPP系统产生的工艺信息，如工艺路线、工序、工步、工装夹具要求以及对设计的修改意见等，交由PDM进行管理，而CAPP进行也需要从PDM系统中获取产品模型信息、原材料信息、设备资源信息。PDM与CAPP集成采用介于接口集成和紧密集成的中间模式，即PDM以接口开发为主，CAPP以组件封装为主。对于PDM系统，因为企业不能修改其源代码，所以集成开发时只能利用其提供的接口函数，开发相应的集成模块；对于CAPP系统的开发，仍以利用接口函数为主，或将CAPP系统的部分功能封装成组件，供PDM系统开发后的模块调用。其它系统则通过PDM平台，可以提取工艺设计信息及工艺文档信息。CAPP系统和PDM系统的集成方案如图2所示。

图2 PDM与CAPP集成

图3 基于PDM的3C系统集成框架

C A M 则将其产生的刀轨文件（C u t i n g Location）、NC代码（数控代码）交由PDM管理，同时从PDM系统获取产品模型信息、工艺信息等。3C集成，要求数控加工程序的生成是以CAPP的工艺设备结果和CAD的零件信息为依据，自动生成具有标准格式的刀轨文件，然后经过适当的后置处理，将刀轨文件转换成NC加工程序，生成针对具体机床的数控加工代码，并将输出的结果存储到PDM系统中。集成框架如图3所示。

在CAM模块中，从PDM系统提取CAD、CAPP所提供的信息，通过Pro/NC的各种接口函数，将提取的工艺信息自动输入到Pro/NC的加工模块中，在Pro/NC的装配模块中建立加工设备模型、毛胚模型、夹具模型和刀具模型的基础上，构建虚拟加工环境，自动完成加工过程仿真，检查加工过程中的碰撞干涉，提出修改意见。在加工过程仿真无误以后，输出刀轨文件，同时在网络数据库中读取每个工序的机床名称，通过利用针对该机床的配置文件，将刀轨文件转换成适合机床的NC代码。

4 企业实施基于PDM系统的集成效果

4.1 实现BOM数据管理和传输

BOM（Bill Of Material）称为产品结构清单，也可称为产品结构树。在3C中分别对应设计BOM（EBOM）、工艺BOM（PBOM）和制造BOM（MBOM）。设计BOM是从产品设计角度说明产品的构成；工艺BOM是产品数据经过工艺规划后的产物，包括机加、冲压、焊装、装配等工艺；而制造BOM是面向生产过程中产品数据的描述方式。一般情况下，制造BOM的结构关系与工艺BOM是一致的，但制造BOM有时还包含大量与制造过程有关的其他信息。3C的集成过程，同时也是BOM数据在3C系统中的传递过程，也是从设计BOM到工艺BOM，工艺BOM到制造BOM的数据发布过程。

4.2 实现无纸化流程管理体系

PDM系统根据企业制定的管理规则，对产生、修改和使用产品数据的过程进行协调和控制，使技术文件的评审过程自动有序的工作和流转，减少了设计过程中修改和重复的次数，提高了设计和制造过程的准确性，大大缩短了产品的开发周期，产生了巨大的经济效益。

4.3 实现100%工艺管理

从工艺规划、零件工艺设计到产品工艺过程，包括大量的反复、变更、修改、替换等，PDM系统可以对以上各种工艺文件都进行集中管理，保证了工艺信息的完整性、正确性和唯一性。

4.4 实现单一数据源管理

PDM系统提供的版本管理功能能够保证所有参加同一项目的员工采用单一数据来工作，并且是及时和最新的数据，确保设计过程数据的一致性，减少设计中重复和更改次数。

4.5 实现工装资源库管理

基于PDM的工装资源管理支持目前企业网络化、分布式、虚拟化的组织模式，系统具备工装申请、设计、更改、汇总等数据管理及工装申请、设计、更改、发放等过程管理，通过对工装资源库的网络化管理，使工装设计、生产、库存等信息得到共享，提高了工装的使用效率。

4.6 实现零组件的三维设计

在产品设计阶段，利用数字化技术建立产品零组件的全三维数字模型，进行组件或整机的虚拟装配、运动机构模拟、管路设计、气动与强度分析等。在产品制造阶段，可直接利用上游设计院所提供的产品三维数字化模型进行工艺规范编制、工装设计、数控加工编程、加工过程仿真、三坐标测量，减少制造返工风险、降低制造成本、提高发动机质量、缩短产品研制周期。

4.7 实现并行工程，缩短产品研发周期

使产品设计具有高度预见性和预防性的技术称为“并行工程”或“并行设计”。并行工程通过集成企业的一切资源，使产品开发人员尽早考虑产品生命周期中的所有因素（包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、成本和质量等），以达到提高产品质量降低成本，缩短开发周期目的。它的实质就是集成地、并行地设计产品及其零部件和相关各种过程的一种系统方法。并行过程可以大大缩短产品开发和生产准备时间，降低成本，提高质量，保证产品的可靠性和实用性。

4.8 便于企业实施全面质量管理

通过对产品开发周期内引入一组相关审查过程，PDM系统可以建立适应ISO9000系列验证和全面质量管理的环境。

5 面向产品全生命周期的异地数字化设计/制造/管理集成的发展方向

航空发动机研制一直采用以图纸为制造依据的传统模式，随着计算机软、硬件技术、集成技术的飞速发展，大量新产品型号的研制都已引入二维和三维结合的数字化制造技术。然而无论哪一种研制模式，产品制造依据仍是传统的二维工程图纸，设计意图理解困难、信息传递不及时、成本高；而仅包含几何信息的三维数模在产品设计、工艺设计、工装设计、数控编程、产品制造及数控检测等环节中应用效果也不理想，表现为数据传递不一致、重复工作量大，不利于提升产品质量，降低加工成本及缩短产品制造周期，因此MBD（Model Based Definition）技术就应运而生了。MBD技术通过集成的三维实体模型来完整表达产品信息，详细规定了三维实体模型中产品的尺寸、公差标注规则和工艺信息。全面实施基于MBD的数字化设计、制造技术将成为航空制造企业提升整体产品制造水平、缩短制造周期、降低制造成本、提高产品质量、改变传统研制方法的有效途径。

贯通MBD技术的全三维工艺设计应用以后，企业还需逐步建立标准零件、加工刀具、切削参数、设备、工装等资源库，探索先进数字化制造、数字化检测及加工仿真技术，实现工艺工装的并行设计，才能更大限度发挥MBD在制造过程中的技术优势。随着MBD技术的进一步加强，企业的集成应用制造技术将得到更大的发展空间。