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基于PDM的三维工艺设计与管理探讨

2018/9/30    来源:e-works    作者:陈金文  孙慧丽  徐凯文      
关键字:PDM  Windchill  CAPP  三维模型  结构化工艺  
本文提出了基于PDM的三维工艺设计与管理的研究方向,分析了当前二维工艺设计技术的劣势和三维工艺设计与管理的发展趋势,重点阐述了基于PDM系统进行三维工艺设计和管理的方式,内容涵盖设计工艺协同、PBOM管理、工艺任务分工、设计与工艺一体化变更、工艺资源管理等方面的研究应用。

0 引言

    随着信息技术的发展,工艺设计也得到了长足的进步。目前计算机辅助工艺设计软件CAPP已被先进制造企业广泛采用,对工艺的设计、管理、重用等起到了非常积极的效果。工艺与产品设计有着密不可分的关系,工艺设计的输入主要来自于产品设计,因此设计发放是工艺设计的起点,传统的工艺设计主要是基于设计生成的二维图纸进行的,生成的工艺文件也主要是以纸质的形式下发到生产部门。目前先进的制造企业已经开始无纸化工艺设计,工艺不再是基于二维图纸,而是基于设计发放的三维模型进行,这就对设计和工艺提出了新的挑战。从设计角度,要求以前在二维图纸上标注的设计信息,都要在三维模型中予以体现,它需要一个三维标注规范,同时一些产品制造信息也需要从三维模型中获得。从制造角度,向生产系统的工艺发布,也不能是纸质发布,而是需要结构化的工艺信息,能够被ERP、MES等系统直接使用,避免不必要的数据转换。近年来,随着并行工程概念的引入,工艺介入产品设计的过程也被大大提前,形成设计还没有完成,工艺就已经开始工作,设计过程向工艺开放,工艺反过来向设计反馈设计是否可制造,这样一种工作方式大大缩短了产品研制周期。为了支持设计与工艺的并行过程,需要一种协同平台,支持单一数据源,实现从设计到工艺以及全生命周期的数据和过程管理,这种平台就是PDM系统。PDM平台的应用,极大地提升了工艺管理的能力,使得工艺能够及时、有效地获得产品设计信息,并基于设计信息(包括3D模型、2D图纸以及技术要求等),快速生成结构的工艺信息,将工艺设计从传统的基于二维图纸向基于三维模型的方向迈进,并且也对设计提出了新的要求和挑战。

1 航宇二维工艺设计技术劣势

    工艺设计是连接设计和生产的桥梁,传统二维环境下,工艺设计工作是依托于设计发放的二维工程图。航宇公司目前正在使用的二维工艺设计软件CAPP系统,在CAPP系统中开展工艺设计、工艺管理及流程签审等工作,再以纸质工艺卡片形式下发至生产部门,加上生产现场配套的操作说明、作业指导书等纸质文件,最终指导生产人员加工制造产品。其核心还未跳出二维平面工艺设计的束缚,缺乏形象化的、三维空间化进行工艺设计的功能。

    在整个产品设计制造的信息传递过程中,由于设计人员、工艺人员、生产人员不断进行着二维、三维的重构,造成了巨大的时间浪费和诸多的理解歧义;设计人员以三维方式完成产品设计,将其转化为二维图纸,发放给工艺部门;工艺人员拿到二维图纸后,首先必须理解原始设计意图,将二维设计图纸在思维中还原为三维模型,再编制出指导生产作业的二维工艺文件,生产人员拿到二维工艺文件之后,需再次将二维工艺图纸及指令还原为三维模型及三维工艺过程,以理解产品设计和工艺人员的意图,这个从设计到工艺再到生产的过程数据传递量大、周期长,极易出现由于设计、工艺及生产人员对于二维、三维信息理解不同而导致意图表达不清,甚至理解完全错误的危险。

    未来支持三维工艺设计的核心是需要有一个设计制造一体化平台,早期的PDM系统主要面向设计管理,本身不对工艺过程进行管理。对工艺管理主要是通过CAPP进行工艺设计,然后通过CAPP系统与PDM系统的接口,将工艺设计的结果放回到PDM系统进行管理。这种管理方式在某种程度上实现了对工艺的一体化管理,但是其过程是彼此分离的,这就会造成设计与工艺的变更难以保持一致,需要过多的人为参与。当前PDM系统的发展趋势是将工艺管理过程统一纳入到PDM系统中,实现从底层数据模式,到业务逻辑及用户界面的一体化管理。

2 三维工艺设计与管理发展趋势

    为了使工艺能够更好的面向生产技术准备与实现的全过程,为该阶段的工艺规划、设计、制造过程的进行管理,为工艺制造相关数据的创建,验证及协同提供支持,工艺设计与管理系统发展呈现出明显的六大趋势:

    1)实现产品设计、工艺设计、制造资源设计等过程中的紧密协作

    设计因素对于项目、产品的成本与质量影响最大,据统计分析,超过70%的产品成本在设计阶段就已经由设计人员所采用的零部件确定。因此如果工艺设计能够尽早引入,提前在设计环节发现设计过程中的可制造性、可装配性、可维护性等一系列问题,则可以有效的降低后期由于零部件设计不正确、无法装配、维护等发生的变更成本,并可以有效的缩短型号研制的周期,提高设计质量。

    2)基于单一平台进行产品、工艺、制造资源的设计和管理工作

    企业要将设计成果转化为真正可制造交付的实体产品,在设计制造过程中需要将大量的设计数据重新组织以适应实际制造的条件和基础。工艺部门在这个过程中承担了非常重要的作用,并且从设计数据转化为制造数据,所涉及的数据量非常大,包括如EBOM、三维数模、二维工程图、技术文档等大量的数据。如果在异构平台下完成数据转换,需要投入大量的成本才能实现,并且非常容易产生数据交换错误。因此基于单一平台对零部件设计、加工、装配和执行检验等制造工艺过程的信息进行定义和管理,可以充分并有效的利用设计阶段产生的所有数据,实现企业数据管理的单一数据源。将有助于解决设计数据与工艺数据的关联性问题,帮助实现数据的及时共享,有效利用PDM强大的数据管理能力建立统一的技术状态与一体化的变更管理能力。

    3)实现以BOM为核心的工艺信息组织与管理

    传统的工艺设计模式都是基于卡片式工艺编辑过程,在设计过程中对工艺BOM的关注度并不高,往往工艺工程师只要完成工艺卡片设计即可。与传统的工艺设计模式不同,信息化领先的制造业在工艺设计与管理环节除了关注产品工艺设计的过程以外,还关注企业整体数字化的建设。因此构建以BOM为核心的工艺信息组织与管理,有助于EBOM到PBOM的继承性与关联性。通过构建基于EBOM重构的PBOM,可以更加有效组织工艺任务、工艺数据支撑工艺、制造、状态反馈等企业内的核心业务,辅助管理制造工艺过程的所有业务和流程数据,支持系统使用者以有效、及时的方式准确对制造工艺进行创建、验证和沟通。

    4)实现工艺数据的结构化管理

    通过对工艺阶段主数据的抽象,实现产品、工艺、工厂和资源四大数据的有机关联和结构化组织,可以有效的减少数据冗余,保证数据的一致、有效和重用。同时为后续对制造工艺的可视化、分析和优化提出数据基础和支持机制。

    基于结构化数据组织方式,有效降低了数据冗余,实现了数据源的一致,所有的工艺文件报表均来源为统一的工艺过程结构数据,在减少了重复编辑工作的同时,更为更改关联提供技术和数据支持,减少变更可能出现的错误。

    5)在工艺设计过程中运用仿真与动画能力

    通过工艺仿真能够帮助工程师在虚拟环境中真实再现一个具体的工艺过程,并且允许用户实时操作工艺设备或改变相关参数。同时,利用仿真技术的可视化特性,以三维模型和动画的形式体现产品结构、仿真再现各零部件的装配过程及其工作原理,大幅度提高了复杂产品装配信息的获取效率与直观性。因此在工艺设计过程中的仿真与动画设计手段是产品设计与制造过程的有力辅助工具,它能够使得用户在产品开发或生产规划阶段对产品的工艺过程进行仿真、评估与可视化展示,从而能够检验既定生产工艺和优化生产工艺,提高数据的可读性。

    6)工艺/制造资源设计和管理过程中充分利用3D优势

    通过将原始3D数据转换为3D可视化数据,帮助工艺设计和管理及协调过程中可以更加清晰、直观的理解设计意图;充分利用3D数据的表现力和可交互性,实现三维可视化环境下的BOM重构、3D工艺设计,提高工艺设计效率与质量;实现工艺制造环节的3D数据的有效管理,满足工艺制造环节对3D的查看、利用等方面的需要。

3 基于PDM的三维工艺设计与管理方案实现

    3.1 平台支撑

    航宇公司企业级PDM系统以PTC公司的Windchill PDMLink模块作为基础平台,而三维CAPP系统则以PTC公司的Windchill MPMLink模块作为基础平台,即PDM与三维CAPP为统一平台,因此工艺设计与产品设计能够实现更好地实现一体化衔接。三维CAPP系统仅作为三维工艺设计的编制工具,通过它编制的工艺文件既包含以文字形式表达的结构化工艺基本信息,同时又包含三维装配动画、三维工序中间模型、CAD简图、图片等实体文件,这些结构信息和实体文件都是在PDM系统进行统一管理。同时三维工艺数据通过与数字化生产制造执行系统的集成接口,可以发布到数字化生产制造执行系统中,车间生产现场的工人可以通过数字化生产制造执行系统的三维可视化浏览功能,浏览三维工艺指令,指导操作。系统总体功能框架图如下:

系统总体功能框架图

图1 系统总体功能框架图

    3.2 平台概述

    1)该平台充分利用航宇现有的Windchill PDM平台实现对工艺设计数据、业务流程的全过程管理;

    2)充分利用二维图纸及三维模型的展现力,构建型号产品工艺规划、工艺设计、管理、协调及更改的可视化环境,促进该环境下的设计、工艺、工装等协同工作;

    3)实现设计工艺一体化管理,确保设计更改信息能够自动传播至工艺环节,提示其进行相应更改,并在系统中记录整个更改的处理过程,便于事后追溯;

    4)建立企业级的业务流程管理框架,通过系统提供的强大工作流引擎,确保设计、工艺、工装等各业务环节的有效衔接和相互之间的信息顺畅传递,确保制造工艺相关工作流程得到规范化和自动化的执行;

    5)工艺相关工序、工步、工艺资源(设备、工装、人员技能等)、材料等的动态结构化管理,并准确维护各类数据之间的关联关系;

    6)构建统一的工艺制造知识库,集中存储制造工程所需的各类数据。基于三维工艺设计与管理系统构建统一的制造工程信息中枢,实现与MES系统之间的集成。

    3.3 方案实现

    1)方案总体建设思路

    结合工艺设计与管理的最新趋势,根据对于航宇三维工艺设计与管理系统需求的理解,以及系统平台需要达成的项目建设目标,基于PDM的三维工艺设计管理系统将基于以下建设思路进行,从而保证系统的先进性、适用性。

    a)构建设计工艺并行环境

    基于Windchill统一平台构建设计工艺协同环境,并提供集成仿真工具能力,实现工艺部门与技术部门在统一环境下对设计数据进行预审/会签,在预审/会签中可通过仿真工具对设计模型进行可制造性等仿真,确保在设计阶段满足可制造性要求。

    b)可视可交互的工艺规划、设计、仿真管理及发布的一体化工作环境

    将多种工艺规划与仿真、工序模型及三维装配动画制作等工具与工艺管理环境进行整合,为相关仿真、动画制作工具提供开放的数据接口。提供一体化的工艺规划、设计、管理及发布环境。实现既能满足二维基础的工艺设计又能支持基于三维模型的工艺设计能力。充分利用3D的表现力和交互性,提供快速、高质量的工艺设计能力。

    c)以BOM为核心的工艺数据组织管理

    通过以PBOM为核心的数据对象关联管理,将工艺相关数据通过BOM有机的关联起来,改变原有离散化的管理模式,通过统一的平台进行管理,构建产品工艺制造环节的单一产品数据源。

    d)工艺信息的结构化管理

    细化工艺信息的管控粒度,管控粒度从整本工艺规程下沉到工序对象。建立工序、参装件、工艺资源、工序模型、设计模型等之间的关联管理。

    e)三维数据的有效组织、管理和利用

    对设计发放的三维模型进行重构和有效组织,为工艺规划、设计及发布等工作提供准确有效的设计模型数据。尽可能减少数据冗余,确保数据一致性。

    f)工艺技术状态管理及追溯

    通过建设以生产批次号为主线的数据组织模式,将设计、工艺等数据按照生产状态重新组织,并封存、锁定批次基线。不同批次基线数据互不影响,并能追溯某产品不同批次的历史数据。

    2)具体模块实现

    a)设计与工艺协同:设计部门通过PDM系统向工艺制造环节预审/会签/发放产品设计数据(EBOM)。设计数据包括文件、模型、产品结构信息等;工艺部门登录三维工艺设计与管理系统,基于系统与PDM的一体化集成能力,在系统中接收预审/会签等任务,参与对于设计的审核工作,确保工艺要求在设计环节得到充分考虑。

    b)工艺规划与PBOM重构:在设计部门通过PDM系统正式发放型号设计数据后,工艺部门相关人员在三维工艺设计与管理系统中即可直接获取EBOM。根据接收到的EBOM,在三维可视化环境下开展工艺规划与PBOM设计,相关工艺师可以设置PBOM中零部件的制造类型以及每一自制零部件的相关制造属性信息,最终形成制造角度的PBOM。

    c)基于PBOM工艺派工:在工艺规划基础上,基于PBOM进行工艺派工,根据业务需要直接分派到具体工艺师或者分派到工艺组长,由组长二次分派。工艺员根据接收到的工艺任务和要求,可以不需要切换至PDM系统,直接在三维工艺设计与管理系统中查看型号设计数据,以此为依据在三维工艺设计与管理系统中进行基于三维模型或二维图纸的工艺规程编制、工艺仿真、工装设计、材料定额等相关工艺设计工作。

    d)零件工艺结构化设计:在结构化零件工艺设计过程中,充分利用PDM系统的Catia模型,通过集成Catia设计工具,在工艺设计过程中使用Catia零件模型制作3D工序模型及标注信息来说明零件的制造过程、操作要求、检验标准等。

    e)材料定额管理:通过系统平台管理材料库数据,并且在工艺设计过程中,工艺工程师可调用材料数据库,通过数据库中预设的材料计算公式,系统根据下料尺寸自动计算材料等额,并且材料定额数据可发布至后端MES系统。

    f)装配工艺结构化设计:装配工艺师在三维可视化环境下编辑装配工艺,在编辑工艺过程中,可利用二维工程图或其他工具制作2D工艺简图,并可不断更新。

    g)工装设计与管理:在工艺设计过程中,现有工装库缺少专用工装设备,根据生产需要必须使用专用工装时,将由工艺设计人员申请工装编号,系统统一管理、分配工装编码。由管理人员进行工装设计任务的分派,工装设计人员基于CATIA开展工装设计,并实现工装设计数据及工装BOM的管理,同时提供工装签审管理能力,工装数据通过审批入库后提供工艺设计使用。

    h)工艺审签管理:工艺设计和管理的相关人员可以基于PDM底层统一的工作流引擎和工程变更功能实现各类工艺规程的电子签审。

    i)工艺规程发布:完成工艺设计后经过发布流程确认后,工艺规程可以发布成交互式页面(html格式)或者pdf的传统2D电子卡片等多种格式,同时可以将结构化的工艺数据传递给生产制造管理系统,满足下游生产制造管理要求。

    j)工艺资源与知识管理:在系统中定义工艺资源与知识库,包括工装、卡具、量具、设备、刀具等工艺资源,以及生产车间信息,也包括工艺知识、典型工序/工步、工艺常用语等。在工艺设计过程中支持快速选用。

    k)设计与工艺一体化变更:在设计端发生变更时,将通知PBOM设计人员进行PBOM的修改或自动进行PBOM更改,并根据实际需要下达工艺更改任务,工艺员根据设计更改单要求进行相关工艺文件的修改,并在平台中完成工艺更改流程,实现设计工艺变更的闭环归零。

    3)总体业务框架

    该方案的总体业务框架如下:

总体业务框架

图2 总体业务框架

4 总结

    综上所述,基于PDM的三维工艺设计与管理的实施应用,可以给企业带来了业务模式的全新变革,在实现航宇公司产品全生命周期管理同时,基于统一平台开展三维工艺设计与管理系统建设,打通了设计工艺制造一体化通路,让设计数据与制造数据能够切实连接起来,确保数字化制造过程进行有效的信息共享与交流,提升了业务执行与业务管理的水平,而且通过工程数据和工程知识的充分管理与良好应用,将形成新的核心竞争力,实现技术带动生产。

责任编辑:程玥
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