基于PDM 的多学科协同研发平台研究

作者：天津大学 李传学 汪波

欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 摘要：本文以产品数据管理(PDM)为核心，以网络技术为基础，通过建立CAD/CAE/CAPP/CAM集成系统，建立了基于PDM 的多学科协同研发平台。该协同研发平台可提供企业级协同工作环境，实现CAD/CAE/CAPP/CAM 系统的无缝集成及彼此间的信息交换和共享；并管理产品的全部信息，以数字化方式统一产品的全生命周期过程。 关键词：PDM，多学科，协同 1 前言 随着计算机技术的迅速发展，在工程领域，工程设计、分析及优化等技术已产生全面变革，用计算机取代人可以完成产品开发过程中的绘图、计算、分析和例程管理等工作，从而明显提高了产品的开发效率。然而，由于学科的融合度较低，各类设计及分析更多地表现为单一学科软件的使用，其相互集成亦是以软件接口形式实现的所谓数据集成。此外，传统意义上的CAD/CAE/CAM 技术主要关注的是产品零部件的质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制造过程控制软件或工具，达到设计和制造高质量零部件的目的，但是，用这种方法只能完成的产品零部件的优化，对系统级的优化却显得无能为力。 针对这些不足，目前计算机辅助设计更多地强调基于多体系统复杂机械产品的系统动态设计、基于多学科协同集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域统一建模、可重用数字化功能样机设计分析的方法研究与开发，并逐步形成相关技术和平台工具；在设计管理方面，产品数据管理(PDM)向产品全生命周期拓展，已形成产品全生命周期管理技术（PLM）。可以说，多学科、多领域的融合渗透是当前计算机辅助产品开发技术发展的主线。 信息技术、网络技术的发展，把PDM 作为支持协同研发的使能技术，已经成为产品协同研发的研究热点。本文以PDM 为核心， 以网络技术为基础， 通过建立CAD/CAE/CAPP/CAM，把并行工程的理念贯穿到产品的设计、工艺和制造过程中，建立了基于PDM 的多学科协同研发平台。通过本文所建立的基于PDM 的多学科协同研发平台，技术人员可以在统一环境中完成产品的协同研发、多学科优化与制造，从而缩短产品研制周期，提高产品质量、降低研制成本，实现了产品设计和开发数字化、产品全生命周期过程管理数字化以及信息交互数字化。 2 基于PDM 的多学科协同研发平台的总体设计方案 PDM 是一门管理所有产品相关信息和过程的技术。它以网络和分布式数据库技术为支撑，采用面向对象的建模方法，能够管理产品全生命周期内的所有数据和所有产品相关过程，提供了一个企业范围内的产品研发和制造的并行化的协作环境。通过在PDM 系统上建立多学科协同工作环境，可以在分布、异构的计算机网络环境下，借助于虚拟现实技术，得到一个虚拟的共享环境，利用计算机支持用户之间的交互和数据共享，并支持多学科专家的协同工作，从而可以大大提高工作效率，缩短设计周期。 本文所研究的基于PDM 的多学科协同研发平台以网络技术和计算机技术为基础，建立了一个建模/仿真与多学科协同研发的数字化集成平台，这是一个CAD/CAE 协同研发/分析/仿真的多学科融合的开放性应用开发平台；并以PDM 为核心，完成企业产品研发制造的全过程管理，同时实现子系统CAD/CAE/CAPP/CAM 的之间的无缝集成。 基于PDM 的多学科协同研发平台的主要功能如下： 1） 可系统地提供企业级协同工作的网络环境以及基于网络浏览器的统一用户界面； 2） 能够实现不同设计阶段的多学科优化设计、协同研发和仿真，使每个技术人员对设计的改变都能立即反映到其他人的软件环境中，从而实现了CAD/CAE 的同步协同； 3） 能够实现数字化工艺设计，并可自动生成数控机床NC 代码； 4） 可以通过PDM 管理产品的全部信息，以数字化方式统一产品的全生命周期过程，从而完成对数字化产品的数据定义和管理。 5） 为用户提供了专业研发辅助系统的开发平台，使用户可根据自己的需求，开发集成其专用研发程序。 3 系统体系结构及其关键技术 基于PDM 的多学科协同研发平台的主要子系统包括：PDM 系统、CAD 系统、CAE系统、CAPP 系统、CAM 系统、建模/仿真与多学科协同研发平台、以及专业研发辅助系统开发平台。在本节中，将对系统的体系结构及其关键技术进行详细论述。 3.1 PDM 系统 PDM 系统是该协同研发平台的核心，管理产品的全部信息，完成产品研发制造的全过程管理。PDM 系统能够将逻辑上孤立的各CaxCAX 信息孤岛集成起来，利用计算机系统控制整个产品开发的过程，协调组织和规范管理（如设计、审批、制造、数据修改、工作流定义以及产品发布等过程事件），利用数据库技术使产品相关的数据以及相关过程的数据在其整个生命周期内保持保持一致性、最新性和安全性，并作为其它工具的集成平台与工作环境。 PDM 系统应当完成的主要功能有：数据保存和文件管理；产品结构管理；过程／工作流管理；分类及检索；计划／项目管理。 3.2 CAD 系统 计算机辅助设计（CAD）在产品开发和协同研发中应用最为广泛。在该系统中可实现产品的整机、部件及零件的全三维设计，并建立相应的数字化样机CAD 模型，实现部件和整机的虚拟装配、运动机构仿真、全面装配干涉检查分析、空间分析、拆装模拟分析等。建立数字化技术体系 ，包括三维数据技术体系、数字化标准体系、三维标准件库、企业标准零部件库、材料库和实施数字化设计的标准规范。 3.3 CAE 系统 CAE 系统实现产品零部件以及整机的有限元分析，并建立相应的数字化样机分析模型，实现产品静/动强度、刚度、疲劳、冲击、运动学、动力学、温度效应、电磁等分析以及CAD/CAE 的互操作技术。该系统涉及多个学科，应用过程中，除了企业自有的分析软件之外，同时需要用到多种商业仿真软件，如何建立一个统一的CAE 仿真分析平台是该系统研究的重点和难点，该平台具有统一的界面风格，能够集成所用到的所有仿真分析软件，能够与CAD 系统实现双向参数互导，具有良好的开放性，通过定制，可以帮助企业实现设计分析经验和规范的集成与管理，从而实现企业智力资产的管理和重用。 3.4 建模/仿真与多学科协同研发平台 企业的研发是一个复杂的系统工程，随着计算机辅助开发技术的发展，仅为研究人员提供一个独立的设计计算、分析工具已不能满足使用需求。因此，如何整合这些相关的技术资源，为企业提供一个各学科协同工作的网络环境，提升企业技术创新能力，是必须要解决的问题。 建模、仿真与多学科协同研发平台是一个多学科融合的开放性应用开发平台。该平台是利用计算机技术、网络技术、通信技术、多媒体技术与人机交互技术，将时间上分离、空间上分布、工作上又相互依赖的多个协作成员及其活动有机地组织起来，以共同完成某一项任务的分布式计算环境。 在该平台环境下，设计人员能够直接读入各种CAD 软件的零件模型，并在统一环境中实现任意模型的装配和CAE 分析。此外，通过整合相同或不同CAD 软件模型数据，形成统一的CAD 模型库，该模型库保留了CAD 中的全部设计参数，并可以通过连接技术实现与CAE 软件之间的数据共享，使对设计的任意改变都能立即反映到所有相关技术人员的软件环境中，从而实现了CAD/CAE 的同步协同。 同时，该平台还具有整合及管理企业软硬件计算资源、研发流程的集成与管理、知识封装与管理、智能化的多学科优化设计、多层次设计协同等功能。 3.5 专业研发辅助系统开发平台 基于PDM的多学科协同研发平台应该是一个可针对不同企业的多学科融合的研发平台，因此，必须为用户提供专业研发辅助系统的开发平台，使用户可根据自己的需求，开发出专用研发程序。 3.6 CAPP 系统 CAPP 系统可实现数字化工艺设计，以及与材料库、设备库、工艺数据库、典型工艺库、工装和量具的集成。 3.7 CAM 系统 CAM 系统可利用CAD 系统提供的三维CAD 模型以及CAPP 系统提供的工艺文件，直接生成数控机床NC 代码。 4 基于PDM 的多学科协同研发平台的技术特点 如上所述，本文所研究的基于PDM 的多学科协同研发平台是以网络为基础，以数据库为平台，将CAD/CAE/ CAPP/CAM/ PDM 等计算机技术全面应用到产品的设计、制造、管理和售后服务等环节，能够实现不同阶段的多学科优化设计、协同研发、仿真、制造、产品维护等全生命周期的过程管理和应用，每个阶段信息承上启下，形成高效率的产品研发模式。 基于PDM 的多学科协同研发平台能够实现企业产品研发制造的全过程管理，使不同地点的管理人员、不同学科的设计分析人员、生产人员和用户能够同步或异步地参与到设计工作当中，不同学科的设计分析人员能够进行信息交流和共享，达到互相协调，使企业实现从概念设计到制造全过程的现代化产品开发环境。并且，该系统能够统一管理设计文件，进行从总体设计开始，到初步设计、装配设计和详细设计全过程的人员、信息、流程、软硬件的综合管理，保证了数据的一致性和时效性。该协同研发平台的主要技术特点如下所述： 1) 以PDM 为核心，实现了产品从投标——预研——设计——制造——交付——培训——维护——报废全生命周期的过程管理； 2) 实现了产品的虚拟制造。产品的虚拟制造依靠数字建模、仿真技术和虚拟现实技术在企业范围内模拟各层次的系统与加工过程，在计算机上将产品“制造”出来。其目的是在产品设计阶段，借助建模与仿真技术及时并行地模拟出产品的未来制造过程、以及产品全生命周期的各种活动对产品设计的影响，预测、检测和评价产品的可制造性等； 3) 建立了产品开发的数字化过程。在先进的产品开发技术环境和平台上实现对产品零、部件精确的三维数字化定义和描述，它包括结构设计、部件和整机的数字化虚拟装配、工程分析和仿真、工艺设计以及数控加工的仿真、分析和加工代码生成等，全过程以主模型技术为主线，初步实现了虚拟设计和制造技术； 4) 实现了多学科协同集成框架的优化设计，并完成网络环境下的产品协同研发。 在统一环境中实现任意CAD 模型装配和CAE 分析，同时，任何CAD 和CAE 技术人员对设计的改变都被立即反映到其他人的软件环境中，从而实现了设计——仿真的同步协同； 5) CAD 模型到CAE 分析模型的全自动无缝连接技术。解决了CAD 到CAE 的全自动无缝链接技术，使得仿真变得容易、方便、快捷和准确； 6) 产品的虚拟仿真设计环境和管理系统。产品开发人员可以利用虚拟仿真设计，以丰富企业的智力资源，为将来实际产品的设计制造做更多的研究和知识积累； 7) 提供了专业研发辅助系统的开发平台，使用户可根据不同的需求，开发出专用研发程序。 5 平台实例 随着企业CAD、CAE、CAPP 及PDM 技术应用的日益深入，为了进一步提高企业研发水平、缩短研发周期，提升企业创新能力，建立一个统一的基于C4P 的多学科协同研发平台已迫在眉睫。 一个具备上述所有功能的完整的解决方案正在逐渐形成，即ANSYS Workbench/FIPER/PDM（可以是Teamcenter、Winchill、ENOVIA 等PDM 产品中的任意一种）解决方案，在该方案中一共包括三个子平台，即：ANSYS Workbench——技术集成子平台、FIPER——流程集成子平台、PDM——数据管理子平台，三个子平台通过相互接口形成一个统一的能够实现研发技术集成、研发流程集成、项目管理、研发数据管理、计算资源管理、智力资产管理等功能的真正意义上的协同研发平台。 但是，由于各企业实际情况不尽相同，企业对平台功能要求和侧重点也不完全相同，平台定制实施对平台的成功应用起着关键性的作用，所以企业在平台实施中，对合作伙伴的选择，也是一个至关重要的问题。 6 结论 文章以PDM 为核心，以网络技术为基础，通过建立CAD/CAE/CAPP/CAM，建立了基于PDM 的多学科协同研发平台。该协同研发平台为技术人员提供了协同工作的网络环境，完成了CAD/CAE/CAPP/CAM 等子系统的无缝集成及彼此间的信息交换和共享，并且能够管理产品的全部信息，实现了产品设计和开发数字化、产品全生命周期过程管理数字化以及信息交互数字化。 本文所提出的基于PDM 的多学科协同研发平台的建立，可以缩短产品的研制周期，提高产品质量、降低研制成本，加快企业产品的制造进度，丰富产品设计和分析工作的技术手段。本文的研究工作，有利于推动计算机辅助产品开发、管理技术的发展，并能够产生一定的经济效益和社会效益。 [参考文献] [1] Li Y L,etal.Design and implementation of a process-oriented intelligent collaborative product design system [J].Computers in Industry,2004,53:205～229. 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/30/2006)