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。。
作者：陈金文 孙慧丽 徐凯文 | 来源：e-works
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。
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：
图2 总体业务框架
04、 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。
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