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基于PLM的核电设备三维协同设计平台应用研究

2020/7/31    来源:互联网    作者:景晓冬  赵栋  艾艳  张骞元      
关键字:PLM  协同设计  Windchill  
本文对产品全生命周期管理(PLM)技术进行了研究,应用开发了基于PLM理念的核电设备三维协同设计平台。

1 引言

    目前中广核设计院正在积极推进“华龙一号”示范项目的研发工作,使核电由“中国制造”转变为“中国创造”,真正走出国门,参与国际核电市场竞争。其中,核电设备的自主化研发设计是中国核电“走出去”的关键环节。在中广核设计院核电设备自主化设计中,原有的分散式设计和管理模式已无法满足当今跨部门、跨专业、跨地域的协同设计需求,而且随着Pro/E三维设计的引入和推广应用,设备设计业务已逐渐从传统的2D设计向3D设计方式转变,大量三维模型数据保存在个人的计算机内,无法进行有效的管控,版本不一致的情况时有发生。多种设备三维设计软件和信息系统并存,彼此之间缺少有效的信息共享和利用,使得产品数据种类繁多,重复冗余,检索困难,数据的安全性及共享管理程度低等,许多经验与知识存在遗失的可能,同时三维模型无法与二维文件建立直接关联,并缺少一种有效地针对三维模型进行评审的方法。因此迫切需要一种突破性的解决方案来实现产品数据的有效管理和多专业的协同设计。

    PLM(Product Lifecycle Management,产品生命周期管理)代表先进的企业信息化管理理念,对产品的信息,包括客户需求,法规遵从,经验反馈、产品开发和设计数据与文挡、工艺数据与图表、生产计划与制造、加工设备、销售、使用与维护等各种的信息,实现从产品型号开始到产品退出市场报废的全寿期管理。PLM理念中包含产品数据的产生、产品数据与流程的管理、产品数据与流程的知识重用等重要信息,同时依托网络和信息化功能充分发挥产品创新、协同工作和应用集成作用。

    针对中广核设计院核电设备三维设计存在的问题,本文对产品全生命周期管理技术进行了研究,应用开发了基于PLM理念的核电设备三维协同设计平台。该平台采用Pro/E 5.0、Windchill 9.1和PARTsolutions智能零部件管理系统进行设备设计,并将它们进行无缝集成,针对设备设计业务需求进行了定制化开发,融合了项目管理、配置管理、设计工具、文档管理、产品协同、产品构型等内容。该平台有效地提升了核电设备三维设计水平和能力,提高了核电设备设计的效率。

2 产品生命周期管理PLM技术介绍

    PLM是一种既可应用于在单一企业多个地点协同,也可应用于多个企业之间针对某一领域和专业产品设计及制造协同的一整套应用处理方案,它可以支持产品全生命周期的信息创建、管理、分发和应用,并且能够集成与产品相关的人力资源、流程、应用系统和信息。PLM主要包含:CAX软件(产品创新的工具类软件),cPDM软件(产品创新的管理类软件,包括PDM和在网上共享产品模型信息的协同软件等)以及有关的咨询服务。PLM实际上也是一种商业和信息化的策略,通过CAX对型号设计和开发过程实现产品的数字化和信息化,并集成在PLM的数据仓库和平台上,通过cPDM实现产品创新过程中的信息、人员、供应链的集成和协同,以适应竞争激烈的国际化市场与环境,缩短从设计到制造的过程,降低成本,提高质量及协同的效率。

    PLM的四个最重要的显著特点有:

    1)利用信息化的没计规则驱动、没计标准数据库以及信息化标准的产品构型控制实现对设计和开发过程的标准化,极大地提高了设计研发的效率,可以实现跨地区,跨国家的多专业协同设计和研发;

    2)设计产品和设计流程实现数字化和信息化,在数字化的基础上实现了型号产品的全寿期技术状态管理,即配置管理;

    3)通过信息网络以数字化移交的方式实现对制造,施工、调试、运行维护的全寿期支持,可以将产业链的各个环节纳入到一个统一的设计标准体系和制造体系中;

    4)在PLM实现了对已有的数据中进行挖掘和整理,形成可共享的知识,然后通过PLM系统传播给所有部门的人员,在使用的过程中,整合人们总结的知识,并和已有的知识进行累积分析,形成循环使用,达到智力资源的优化配置,实现知识共享与重用管理。

    PLM代表先进的企业信息化管理理念,对产品的信息,包括客户需求,法规遵从,经验反馈、产品开发和设计数据与文档、工艺数据与图表、生产计划与制造、加工设备、销售、使用与维护等各种的信息,实行从产品型号开始到产品退出市场报废的全寿期管理。PLM理念中包含产品数据的产生、产品数据与流程的管理、产品数据与流程的知识重用等重要信息。同时依托网络和信息化功能充分发挥产品创新、协同工作和应用集成作用。

    PLM中CAX的功能基本上都实现了数字化和模型化设计,图纸和设计文件正逐步被结构化数据文档/模板和三维模型替代,并且和最终交付物实现了数据联动,可解决原来图纸文档混乱无法集中、查找困难无法共享、数据不安全容易失密等问题。同时依托信息化的设计规则驱动,以及基准设计数据库的共享和控制,设计和开发工作的标准化程度空前提高,依托网络和PLM平台进行设计外包和制造外包达到前所未有的程度,大大缩短了设计制造时间、降低了成本、提高了产品的质量。信息化条件下制造业的生产模式正悄然地发生着翻天覆地的变化。

    从企业经营和生产的角度来看,PLM带来了两个方面的重大变化,首先依托PLM和网络技术,企业可以以极低的成本和代价迅速地组建跨国、跨地区、跨行业的虚拟企业,在任意资源丰富的地区组织起专业化,规模化的研发设计或者是规模化的制造生产。虚拟企业是指企业在资源有限的条件下,以自己拥有的核心产品或品牌为中心,快速适应多变的市场需求为目标。通过网络通信系统,将拥有实现机遇所需要资源的若干企业或部门结集起来而形成的网络化分布式动态组织。其次,PLM平台不仅构成了虚拟企业的技术基础,同时也构成了依托PLM平台的知识产权交易市场,谁是市场的主人,谁就是这个市场项目最终产权的拥有者,而加入这个市场进行产权交易的公司或者个人,永远只能是部分产权,虽然,这部分的产权也可以拿到这个市场外进行交易,但都将打上这个市场的烙印。

3 核电设备三维协同设计平台

    3.1 平台总体框架

    基于PLM理念的核电设备三维协同设计平台以设备为中心,实现基于Pro/E 5.0、Windchill 9.1和PARTsolutions的设备三维模型的协同设计,输出可用于生产制造的工程图,三维模型还可应用于后续的仿真与分析,提高模型的重复利用;实现基于核电设备的数据管理,建立数据之间的关联性,保证数据的安全性;实现与设计院其它设计工具及信息系统的集成,消除信息孤岛。该平台总体框架如图1所示。

核电设备三维协同设计平台总体框架

图1 核电设备三维协同设计平台总体框架

    3.2 基于Pro/E、Windchill、PARTsolutions的三维协同设计

    3.2.1 Pro/E、Windchill、PARTsolutions无缝集成

    Pro/E是美国PTC公司提供的CAD/CAM/CAE功能一体化的三维设计软件,是一个参数化、基于特征的实体造型软件。Pro/E三维设计应用于核电设备设计,在设计意图的传递、设计协同的开展、形象直观的设计、产品虚拟装配、运动机构仿真、干涉检查和三维渲染效果图等方面具有二维设计无法比拟的功能,不仅可以快速创建精细化的三维参数化模型,还可以自动输出可用于生产制造的工程图和BOM信息,并且实现工程图与三维模型直接关联,三维模型还可应用于后续的力学仿真与分析,减少重复性建模。Pro/E的自顶向下设计可以利用布局、骨架和参照关系进行大型复杂产品的设计,零部件之间不仅存在装配关系,还可建立参数关联,能够充分体现设计者的设计意图,其设计步骤如图2所示。另外Pro/E具有单一的数据库,在整个设计过程的任何一处发生改动,亦可以前后反映到整个设计过程的相关环节上,从而保证数据的唯一性、一致性,提高设计质量。

Pro/E自顶向下设计

图2 Pro/E自顶向下设计

    Winchill是美国PTC公司提供的一个以Web为核心的企业级PLM软件,可以对设计过程中所有的设计数据(CAD、CAE、设计过程数据等数据文件)和业务流程进行管理,并客制化业务流程,实现跨地域、跨部门的数据共享和协同。Windchill采用三层体系架构,即用户层、应用层、数据层,具有良好的扩展性、稳定性和适应性。用户层和应用层在系统上是可扩展的,在业务上是可配置、可延伸的。

    PARTsolutions核电设备智能零部件管理系统是根据已完成核电项目中梳理出的所用到的标准件种类而建立的三维标准件库,共计265种,包括螺栓、螺母、弹簧、挡圈、法兰、轴承等,涉及GB、ANSI、ASME、JB、HG等标准,并定义了标准件命名规则、非几何属性,数据完整详实。PARTsolutions可以有效管理标准件的几何信息和非几何信息,并具有良好的扩展性,后续可以根据项目需求增加标准件种类、标准件的非几何属性等。

    Pro/E、Windchill、PARTsolutions三者能够无缝集成,Pro/E进行设备三维设计及分析;PARTsolutions可集成到Pro/E的界面下,提供标准件模型;Windchill用于管理与设备设计相关的数据(包括Pro/E模型和标准件模型)和过程,如图3所示。目前已完成了130个机械设备的Pro/E三维模型,实现了模型存储在Windchill中集中管理。

Pro/E、Windchill、PARTsolutions无缝集成

图3 Pro/E、Windchill、PARTsolutions无缝集成

    核电设备三维协同设计平台如图4所示。

三维协同设计平台

图4 三维协同设计平台

    3.2.2 规范统一的三维协同设计环境

    为了实现三维协同设计以及数据的统一管理,必须建立企业级的规范统一的三维设计环境,包括三维设计软件及配置、三维设计规范和模板等。目前已将设备的三维设计软件统一为Pro/E,并出版了公司级程序《基于Pro/E的核设备三维设计规范》,对核电厂所有机械设备的Pro/E三维建模软件环境设置、命名规则、建模流程和典型零件的建模要求及建模校审内容进行了规范,并制定了8种模板文件,包括系统配置文件、运行环境配置文件、零件模板、装配件模板、工程图模板、工程图配置文件、工程图格式(图框)文件和工程图表格文件。所有的模板文件均存储在Windchill系统中,供设计人员统一调用。

    3.2.3 ProductView可视化评审

    ProductView是一种数据可视化查阅工具,支持3D模型、AutoCAD、Office、PDF等多种文件类型。在Windchill系统中可与团队成员实时共享Pro/E模型,ProductView可帮忙快速完成模型的可视化评审。在ProductView中可以直接查看轻量化的模型、装配结构和模拟动画,并对模型进行测量、剖切、显示设置、标记和注释等,从而提高协同效率。

    3.3 核电设备的数据管理

    核电设备的数据管理模式主要是将多台个人计算机的数据—包括三维模型、二维图纸、文档等统一在Windchill系统中管理,实现数据的共享、版本的控制以及下载和修改权限的控制,方便设计人对设备数据的检索和应用。

    Windchill将核电站作为一个产品库,并由多个产品库共同组成,如AA红沿河一期、AB宁德一期等。产品库根据专业进行划分为核岛系统设备以及核岛主设备,然后根据相应子专业及数据类别继续往下划分,产品库文件夹结构如图5所示。

产品库文件夹结构

图5 产品库文件夹结构

    设备数据由设备数据结构、数据信息和流程管理三部分组成。

    3.3.1 设备数据结构

    核电设备的Windchill数据管理以设备数据结构为核心,组织并关联整个研发设计过程中生成的各类设计数据,包括成品文件(说明书、规范文档等)和各类过程数据(三维模型、二维CAD图纸、工程函件、设计变更单等)。在Windchill系统中,零部件按照它们之间的装配关系被组织起来形成设备结构树,将其它相关成品文件和过程数据与零部件关联起来,最终形成对设备结构的完整描述,如图6所示。

设备数据结构

图6 设备数据结构

    3.3.2 设备数据信息

    设备数据主要分为CAD文件(三维模型和二维CAD图纸)和文档(成品文件、工程函件、设计变更单等)两类。两种数据类型在Windchill系统中都有其文件属性、文件版本以及生命周期状态等信息。其中,CAD文件属性信息如表1所示,生命周期状态信息如图7所示。

表1 CAD文件属性信息

CAD文件属性信息

CAD文件生命周期状态信息

图7 CAD文件生命周期状态信息

    3.3.3 设备设计流程管理

    设备设计流程管理包括生命周期和工作流管理、权限管理。

    (1)生命周期和工作流管理

    生命周期是指设备的整个设计历程。工作流是将任务按照一定的关系规划并控制,提供系统引导执行的工作过程。通过生命周期和工作流的结合,可以组织预定业务流程进行工作。

    Windchill系统通过工作流管理器来设计复杂的工作流程,如三维模型校审流程、变更流程、借阅流程等。在Windchill中我们可以随时查看流程的执行状况和历史处理过程。

    通过建立规范化的三维模型校审流程,可以对设计过程进行追溯,有效保证了设备模型的设计质量。三维模型校审流程如图8所示。

三维模型校审流程

图8 三维模型校审流程

    (2)权限管理

    权限管理在设计管理中起着非常重要的作用,Windchill系统能够将庞大的用户组群与AD域账号直接集成,无需逐个分配权限。针对Windchill用户的设计授权是通过策略管理器建立权限域,对其进行角色授权、产品授权、文件夹授权、文件类型授权、文件状态授权以及文件可操作授权等。对产品库或特定文件夹配置权限域,可以完成该产品库或特定文件夹的权限配置。对权限域嵌套配置可以使权限相互叠加或覆盖,形成灵活有效的权限管理。

    3.4 与其它设计工具和信息系统的集成

    核电设备j维协同设计平台具有良好的扩展性,可与AutoCAD、Office等设计工具无缝集成,还可以与设计院现有的信息系统对接。该平台提供参考文档在设计文档管理系统(DDMS)的查询链接,设计人员可以通过该链接直接访问与设计有关的设计资料,同时也实现了与设计院现有的设计流程管理系统(DPMS)集成,编校审批流程的具体操作过程在DPMS中进行,三维协同设计平台提交基础的数据,并可获取文件在DPMS中流转的最终状态。

4 结论

    核电设备三维协同设计平台实现了设备数字化和模型化设计以及设计过程中的数据、流程、工具、人员的集成和协同,并按照程序形成了设备三维设计的工作流程和过程控制,解决了原来图纸文档混乱无法集中、查找困难无法共享、知识重用性不高、数据不安全容易失密等问题,有利于设计质量、效率和能力的持续提高以及团队协作效率的提升。该平台满足了核电设备设计业务需求,提升了中广核设计院的设备设计能力。同时在进人工业4.0时代中,该平台为公司提供了数字化转型的重要工具。

责任编辑:程玥
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