PDM系统在航天三维设计过程管理中的应用

/北京宇航系统工程研究所

产品数据管理（PDM）是一门用来管理所有与产品相关的信息（包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等）和所有与产品相关的过程（包括过程定义和管理）的技术。PDM系统是企业信息化基础平台，标志着现代企业信息化建设和应用水平，自20世纪末应用以来，在国内外航空、汽车、舰船等领域得到广泛运用。近几年，我国各航天企业引进或建设PDM系统，以期为型号产品数字化研制提供基础支撑，同时还开展了产品生命周期管理（PLM）的研究和应用工作。PLM是一门对所有与产品相关的数据在其整个生命周期内进行管理的技术，包含了PDM的全部内容，PDM是PLM中的一个子集。现阶段，PDM系统是国内航天企业数字化建设和应用的重点，在以三维模型为代表的设计过程管理中发挥了重要作用。

一、航天三维设计过程管理

在航天产品研制中，多个型号并行开展数字化设计，数据量大，种类繁多，其中以三维模型为代表的设计过程管理成为了技术状态管理的重点和难点。为此，通过基于PDM系统建设协同研制平台，对产品数据进行有效受控，突破传统二维图纸管理模式，满足以三维设计为核心的研制需求。

在型号研制中，以PDM系统为统一办公环境，多单位、多部门可同时参与工作，体现出跨单位、跨部门协同的特点，以三维为核心的管理模式如图1所示。

对设计单位来说，PDM系统主要用于三维数据的设计过程管理，完成审签、更改、偏离、分发等设计过程的技术状态控制，并通过分发流程将受控的数据发送到生产单位（见图2）。同时，生产单位用户也可直接访问PDM系统查阅数据、参与审批等，以及参加设计单位发起的相关协同研制工作。

产品结构管理、基线管理、共用资源管理等属于PDM系统的基本功能应用，为实现三维设计过程管理提供基础支撑。审签管理、更改管理、偏离管理、分发管理等是三维设计过程技术状态管理的核心功能，应符合《航天产品设计文件管理制度》的相关要求。三维设计数据包括三维模型、相关联的文档、二维图及产品结构数据等，在PDM系统中完成审签受控后，可通过数据分发流程发送给生产单位。

二、基础功能应用

1.产品结构管理

图1 以三维为核心的管理模式

图2 航天三维设计过程

产品结构是以电子仓库为底层支持，以BOM为其组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，以结构树的形式实现产品数据的组织、管理与控制，并在一定目标或规则约束下向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述，如设计视图、装配视图、制造视图、计划视图等。

产品结构在PDM系统中创建、维护和管理，并建立以产品结构为核心的数据组织方式。产品结构挂接产品相关数据或文档，如三维模型、二维图样及相关技术文件等，建立紧密的关联关系，为审签、更改、偏离、分发等技术状态管理过程的实现打下坚实的数据基础。

产品结构建立遵循自上而下的顺序，先进行产品结构层次划分，再进行创建。产品结构一般分为顶层产品结构的创建和实体产品结构的创建2个部分，如图3所示。顶层产品结构位于产品结构的上部，反映产品的总体设计规划，通常由总体创建，并严格控制更改。实体产品结构挂接在顶层产品结构下，是实际产品的结构。实体产品的三维模型检入PDM系统时，系统可自动根据模型的装配结构创建或更新相应的产品结构。

2.基线管理

基线是PDM系统的基本功能，其以快照的形式保存数据历史状态，使用户能够快速查阅或获取特定状态的数据，常用于设计过程状态保存、设计复查、数据对外发布、数据归档等。

在PDM系统中，根据不同用途将基线类别分为过程基线、状态基线、审批基线等。其中，过程基线用以记录设计过程，由设计师按需创建和维护，无需审批受控；状态基线用以记录型号研制某一特定技术状态，由设计师在不同IPT成熟度下创建，可通过审批流程固化冻结；审批基线是在审签、更改、偏离等审批流程结束后由PDM系统自动生产，且自动处于冻结状态，不能更改，用于记录审批时的技术状态。

用户常用的是过程基线和状态基线，状态基线可以审签冻结。审批基线是统一放置、统一管理，常用于设计数据发布、设计数据归档。基线记录的内容应完整，包括完整的产品结构及关联的设计数据，并能通过基线恢复三维模型历史设计状态。

3.共用资源管理

在三维设计中使用大量的标准件模型、电连接器模型等共用资源，复用度高。为规范三维设计过程，应将标准件三维模型等共用资源统一管理和维护。在PDM系统中建立共用资源库，包括标准件模型库、电连接器模型库、通用产品库、设计模板库等，并配套统一的建模标准和管理制度。共用资源库对普通用户开放，设计师可随时获取其中的共用资源，以提高设计效率，同时规范三维设计应用。

三、技术状态管理

1.审签管理

在PDM系统中，设计数据的首次送审通过审签管理功能实现。设计师创建设计数据审签单对象，将送审的数据添加到其中，然后走审批受控。常用的设计数据审批流程是：设计—校对—审核—工艺—会签—标检—批准。由于三维模型的查阅方式、管理方法等与传统二维数据有明显区别，所以在审签管理功能实现上要体现以下几点：

一是送审数据包括三维模型、相关联的设计文件、二维图、产品结构数据、基线等，其中产品结构数据、基线等属于PDM特有的数据类型，这些数据可通过产品结构关联快速添加到审签单中。

图3 型号产品结构示意图

二是对于三维模型，应结合三维模型特点、PDM系统，按照《航天产品设计文件管理制度》的基本要求，研究制定三维设计数据的签署规定，内容包括设计数据的签署完整性要求、签署人员的权限职责、签署方法等，为PDM系统审签管理功能实施提供依据。在审批时，注意审查送审数据的完整性、数据关联关系等。

三是在审批过程中，三维模型可在轻量化模型浏览器打开显示，若要查看详细模型信息，则需在集成环境中使用三维CAD软件打开模型。

四是在统一的协同办公环境中，通过PDM流程可使工艺、会签环节并行开展，多单位、多部门可同时参与流程，以便提高会签效率。对于外部会签，可通过代理会签方式将外部会签信息录入PDM系统。

五是记录在PDM系统中的各级审签信息（姓名、日期、意见等），可在流程中或结束后随时查看。在审批结束后，系统自动以电子签名的方式将签字信息打印在文档、二维图等的签署栏，对于三维模型，系统自动创建签名附件，实现电子签署。

六是审批通过后，系统自动将设计数据状态置为受控状态，不允许更改，并自动创建审批基线，记录送审数据的技术状态。

2.更改管理

图4 更改流程

通用PDM系统的更改流程符合CMII规范要求，但过程控制较繁琐，应结合行业或企业特点进行适用性改进。按照《航天产品设计文件管理制度》的基本要求，结合PDM系统特点，通过定制和开发实现三维设计更改管理功能，更改流程如图4所示。在PDM系统中，通过应用更改请求（ECR）和更改通告（ECN）2个数据对象实现更改管理功能，其中更改通告是实施更改的具体对象，在三维设计更改中应用最多。

三维设计更改管理在实施上要注意以下几个方面，同时它们也体现出与传统二维更改的明显区别。

一是三维模型、产品结构属于新数据类型，在PDM系统中存在紧密关联，所以在更改三维模型时应同时更改相关联的产品结构。

二是应确保更改检入后的三维模型正确性，当涉及上下级装配模型的设计接口协调时，受影响方应在更改单审批中会签确认。

三是更改单说明的更改对象应与更改通告中的更改数据一一对应，在文档生成时，尽量实现代号、文件名称等信息的自动提取和填写。

四是二维更改管理规定不完全适用于三维设计更改，应制定专门的三维更改规定，明确更改流程、更改规则、更改单编号、更改方式、换版方法、增加方法、作废方法等内容，以指导三维设计更改规范开展。

五是更改单文档模板应统一配置，不允许更换和调整。

六是在PDM系统中结构化的更改信息应与更改单中填写的更改信息保持一致，实现自动填写，并且不允许更改。

七是利用PDM系统的数据管理优势，实现产品更改信息的查询和统计，特别是历史更改的追溯和维护。

3.偏离管理

在《航天产品设计文件管理制度》的相关标准中，对偏离的定义是：产品实现前，对该产品的某些方面在限定的产品数量或期限内，允许不按其对已批准的现行设计文件要求进行制造、试验的活动。在一定程度上，可以认为偏离属于“临时更改”。在PDM系统中，与更改管理功能相比，偏离管理功能的实现相对简单，在流程上与更改管理类似。

在三维设计数据的偏离管理实施中注意以下几个方面：

一是应对偏离数据的命名进行规范，与已批准产品数据进行区分。

二是偏离数据不影响已批准产品结构的正常表达，不影响已批准装配模型的的正常技术状态。

三是二维偏离管理规定不完全适用于三维设计偏离，建议结合企业实际制定专门的三维偏离规定，以便明确偏离流程、偏离单编号、偏离数据命名等内容，指导三维设计偏离规范开展。

4.数据分发管理

基于PDM系统实现了设计数据的电子分发，即将有组织的电子数据通过信息系统从设计单位发送到生产单位，发送的电子数据包括三维模型、二维图、设计文档、更改单、BOM信息等，常用的分发流程如图5所示。对于正式分发，只允许发送已批准数据；对于处于IPT阶段的设计工艺协同，可通过预分发流程将必要的数据发送到生产单位，以提前备料、工艺准备等。

图5 分发流程

审批前，系统自动对发送数据进行必要的检查，如数据完整性、是否已批准等。批准后，系统自动根据接收单位判断执行的分发方式，包括系统外离线分发、系统间数据分发、系统内数据分发，以满足不同应用场景的生产单位需求。

通过建设适用航天企业的PDM系统，实现了三维设计过程管理，可支撑多个航天型号产品的数字化并行协同研制。通过不断实践、总结和分析积累了经验和技术，为PLM应用、平台优化升级等未来信息化建设打下坚实基础。PDM系统具有管理三维设计数据的优势，但也可管理其它CAD数据、仿真数据及项目数据等，功能拓展值得研究。航天信息化平台建设任重而道远，其先进性、通用性、可扩展性等影响未来发展，相信航天数据管理平台的建设和应用将会得到不断进步。▲