PDM在航空企业中的探索与应用

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欢迎访问e展厅 展厅 3 PDM/PLM/CAPP展厅 图文档管理系统, CAPP... 1 前言 进入21世纪，信息化与经济全球化的相互交织，推动着世界航空产业分工深化和经济结构调整，影响着全球航空工业的走势，重塑全球竞争新的格局。加快信息化发展，已经成为世界各国航空企业的共同选择。其中，产品数据管理(Product Data Management，PDM）是当今信息技术研究与应用领域的重要技术之一，并在国内外航空企业获得了较为广泛的应用。今天国外领先的航空企业都在矢志不渝地推动该项技术的应用，由此获得的投资回报令人鼓舞。据美国CIMdata公司调查，全球PDM软件和服务市场年增长率以30%的速度递增，稳占了信息技术应用领域的“头把交椅”。 通过数十年的发展，PDM技术已经取得了长足的进步，涵盖范围从产品开发、设计拓展到采购、生产、售后服务等业务流程并向全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM）方向发展，同时在PDM应用过程中更强调协同工作管理和企业应用集成，更注重对企业工程资源库的构建和应用，对企业流程起到了重组和优化。今天的PDM技术适应了信息时代广义的企业协同开发、并行工程、跨企业协作等方面的要求，在国内外的航空、航天、机械、电子等领域获得了较为广泛的应用。 因此，研究PDM 技术在航空企业应用模式，推进该项技术在我国航空发动机制造企业实现全面应用，利用PDM技术优势，实现企业内及企业之间的资源有效管理、共享和优势互补，成为我国航空发动机制造企业信息化发展过程中的重要研究课题。 2 PDM在国内外航空企业应用分析 2.1 PDM在国外航空企业应用分析 PDM在国外航空企业应用起步较早。上世纪八十年代，该项技术在国外航空企业已经开展应用，经历了系统 单项应用、系统集成到产品协同研制和全生命周期管理。目前，国际上主要先进的航空制造企业，依托PDM平台形成完整的产品研发体系，基本完成了产品从传统的研制模式到数字化研制模式的转变，在世界航空工业内形成设计、制造与市场的全球化。 (1) 形成完善的企业内部多学科协同环境 目前，国外航空制造企业基于PDM系统在实现与CAD/CAM/CAPP/CAE等应用软件集成基础上，进一步实现了与项目管理、ERP和MRO等系统集成，涵盖了产品研制全生命周期的各项活动，包括数字化设计、数字化制造、数字化装配和数字化试验，达到专业业务间数据集成和业务流程集成与资源共享，形成了较为完善的企业内部多专业协同研制环境。从部件数字化设计发展到数字化样机。波音公司在上世纪九十年代初，在研制777飞机的过程中就全面采用数字化技术，实现全机零部件百分之百的三维数字化建模并进行产品的数字化预装配；在研制787飞机的过程中，制定一整套严格的模式、制度、方法、规范和各种手册，供全体参研人员遵循并使用，建立了完整的数字样机，使有关产品的数据畅通而准确地由研制的上游向制造下游流动，各专业之间数据快速而准确地交换，真正实现了产品协同设计与制造，保证了787飞机如期下线。 (2) 数据管理向产品全生命周期拓展并注重数据的全局共享 国外航空企业依托PDM，在实现对产品设计数据管理的基础上，正向产品设计前端的项目管理、制造过程的工艺、加工仿真和制造后端的装配与维护等环节发展，逐步拓展到产品全生命周期管理。对产品研制数据集中、统一、分类管理，实现以电子数据作为技术状态管理的主体，实现数据的有效管理和全局共享。洛克希德?马丁在F-35战斗机项目上，将详细设计、数字样机、生产计划、工艺规程、加工仿真和维修服务等阶段的产品数据存放在一个公共的数据平台上（UGS公司的Teamcenter系统），统一管理设计BOM、制造BOM、装配BOM和维修BOM， 最终按照美国国防部的要求，完成了“一个型号，三种版本”，即常规型号（空军）、航母型号（海军）、短道起飞（海军陆战队），其互换性达到80%，并实现了F-35设计周期缩短35％。 (3) 从企业内部的协同工作发展到全球性协同 当前国外先进航空企业利用PDM在打通企业内部部门壁垒，实现数据积累、共享和产品协同研制的渠道基础上，将该项技术应用到参与型号研制的上下游客户及供应商环节，实现全球性协同。空客公司（Airbus）在A380型号研制上，搭建了一套PRIMES（Product Related Information Management Enterprise System）平台，保障Airbus位于法国、英国、德国和西班牙的四家子公司及分布于15个不同地区人员参与型号研制，实现了研制周期比A340缩短25%，成本减少50%，利润增加10%，确保了A380的研制成功。 综上所述，国际上先进的航空企业能够将PDM技术与企业的制造技术和管理技术相融合，并广泛应用于产品全生命周期设计制造活动、企业的全局优化运行与管理等方面，形成了较为成熟的PDM应用模式，使得企业取得了巨大的经济效益和社会效益。但是，随着信息化技术的不断发展以及企业需求的不断提高，PDM技术还将进一步发展和提高，应用到更加广泛的领域。 2.2 我国航空发动机行业PDM应用现状分析 PDM在我国航空发动机企业特别是制造企业应用整体起步相对较晚，目前处于小规模应用阶段，尚未形成完整的应用体系和规模效益。 (1) 打通PDM基础技术并向企业级应用迈进 在“十五”后两年，我国航空发动机企业，开展了PDM部分关键技术研究和应用探索并进行了应用验证。主要针对型号设计工作，对PDM进行了一定的二次开发工作，定义了人员组织模型、多种工作流程、数据集、零部件/各类文件等的属性，定义了在PDM系统中的工作规范以及各种工作模板，初步搭建起可支持产品数字化设计的平台，将部分型号的设计数据（3D模型、2D CAD图纸、各类技术文件）纳入到PDM系统中，建立了部分型号部件或整机的EBOM结构，为PDM大规模的工程应用打下了基础。 进入“十一五”后，PDM在我国航空发动机企业应用广度和深度上发展较快，形成一定的规模并在跨地域型号研制协同上有所探索和应用。目前，设计单位在掌握了数据管理、流程管理、产品配置管理等基本功能基础上，PDM与CAD集成应用取得较好的效果用，在多个新一代航空发动机上实现数字化设计并尝试数字样机的实现；制造企业将PDM初步实现与CAM/CAPP等软件集成应用，将工艺数据纳入系统管理，开始尝试与MES集成，推进工艺数据在制造过程中的应用。各单位的软件客户端点数配置基本在500个点以上，可以说已进入小规模应用阶段，企业级的PDM跨出重要的应用一步。 (2) PDM应用面对的主要问题 PDM在我国航空发动机制造业应用，特别是近十年来信息技术发展较快，但同国际上先进的航空企业相比，我们的应用规模、水平等方面仍存在较大的差距，不能有效支持企业技术自主创新和产品的设计开发，不能全面满足新一代航空发动机研制需求。主要表现在以下方面： 1) 企业内多学科协同设计平台还未形成：CAD、CAE、CAPP、CAM技术已经获得广泛应用，但尚未与PDM实现全面集成，基本处于“孤岛”，各学科专业各自为政，缺乏从协同的角度对产品进行数字化定义的有效方法，造成学科之间的协同性差，学科之间的模型信息共享程度差，上下游信息传递困难，工作效率低。 2) 跨专业协同存在壁垒：企业内部协同工作较弱，工艺、工装、生产制造管理方面之间的协同性较差，产品制造过程管理不灵活，企业不能及时评估产品设计和配置对制造过程的影响，导致成本提高和交货期延长。 3) 多厂所异地并行协同工作流程：航空发动机研制具有的多厂所联合研制特点，使得整体研制流程跨越多个企业，基于并行工程的流程管理和协同工作模式没有有效的协同管理规范进行约束。 4) 跨企业异地协同困难，信息沟通缺乏协调统一的应用系统、管理规范，尚未建立起行之有效的信息资源共享机制，影响多企业协同工作的效率。 3 PDM在航空发动机制造业中发展应用研究 3.1 PDM在航空发动机制造业中应用趋势分析 (1) 形成以PDM为基础的工程技术协同工作环境 在企业内，将单项数字化设计制造技术（CAD、CAE、CAPP、CAM等）的应用，根据企业流程，与产品研制流程进行整体规划，实现CAD、CAPP、CAE 等集成的应用，建立企业内以PDM为基础的工程技术协同工作平台。PDM系统可以将与产品有关的信息统一管理起来，按信息的不同用途进行分类管理，为产品设计、工艺设计、制造等专业提供各自所需的工程数据和工作流程的自动化管理，缩短了设计技术准备周期，提高了设计数据向工艺、生产传递的准确性和效率，加强了信息约束和反馈能力，支持产品的并行开发模式。从而实现企业内各专业间“无缝”协作，有机地集成在一起，实现信息共享和集成，还充分考虑人在企业中的作用，实现人、组织、经营管理和技术的集成，以及产品全生命周期中信息流和物流的集成优化，使企业由信息集成发展到过程集成，以取得更明显的效益。 (2) 与其它应用系统集成应用 随着信息化技术在企业应用深度不断的增加和企业发展需要，企业需要的是全局信息的集成系统，既包括设计、工艺部门的信息，又包括人、财、物、产、供、销部门的信息，企业各个职能部门都必须共享和访问与产品模型相关的信息，并且能够尽早和经常共享这些信息，只有这样企业才能合理配置企业资源、计划、物料等，抓住产品研制的机会。PDM将与ERP、MES、MRO等系统集成，形成横贯整个企业的异构系统和数据源，朝着企业全局信息集成的方向发展。PDM为ERP、MES、MRO等系统提供统一的产品BOM数据，保证了数据的有效性和一致性为系统间数据集成、流程集成奠定了基础。 (3) 跨地域的厂所型号研制协同应用 在中航工业的“大集团”战略指导下，今后新机研制的任务不可能封闭在一厂一所进行，异地协同设计制造条件下产品数据的管理是我们必须面对和解决的问题。由于新一代航空发动机采用的新技术、新工艺较多，产品生产定型前，设计、工艺变数较大，数据更改、发放频繁。目前厂所之间基于传统信息和数据传递方式缓慢，设计数据数模无法贯穿制造过程，工艺、工装设计过程，数据重构工作量大、设计周期长、质量不易保证。严重影响了产品制造质量的稳定性和型号的顺利研制。为实现厂所紧密合作快速解决技术协调问题、信息的高效反馈和数据传递的准确性，需要建立基于PDM的厂所间协同平台，变革企业间信息交互手段，实现以电子数据为主的数据快速传递和发放，杜绝因数据版本不统一，造成的研制周期和成本的增加，保障重点型号按期交付。 3.2 PDM在航空发动机制造业中应用模式 面对我国新一代航空发动机研制对信息技术的要求，借鉴PDM技术在国外航空行业成功应用经验和我国航空发动机行业特点以及Siemens的Teamcenter软件在数据管理、系统集成、流程管理等方面的优势，本文提出航空发动机制造业PDM系统架构： 1)应用层:产品设计制造关联，基于产品成熟度的协同设计制造、基于EBOM到PBOM、MBOM的转化；快速工艺设计，与设计紧密集合将产品设计数据应用到工艺过程，集成CAX软件实现工艺设计，工艺数据管理要细，能够被下游制造环节应用语指导；多专业部门的业务协作，支持穿行或并行流程，适应科研产品生产管理模式的多变性和灵活性。 2)功能层:通过设计数据管理应用引擎、工艺设计管理应用引擎、异地协同服务器提供所有的PDM功能，包括文档管理、产品结构管理、业务流程管理、工艺编制、工艺数据管理、工艺资源管理、工艺规程及文件输出等。所有应用子系统之间通过PDM XML对不同类形、结构和形态的数据进行操作访问。PDM应用开发和数据接口，主要为其它企业数据系统如ERP或MES等提供数据交换接口和各种介面的开发工具，各层系统架构都支持J2EE企业环境标准，为用户界面的客户化提供了有效的标准开发环境。 3)资源层:支持PDM直接与操作系统和数据库进行交互操作，为应用层提供可靠的和高效能的数据存取、对象管理、文本搜索等基本功能。另一方支撑企业制造资源库的构建和集成其它资源库。 3.3 PDM在航空发动机制造业中应用重点 (1) 厂所协同应用 基于PDM构建跨地域的协同工作平台包括以下几个方面： 设计制造异地工作流程的管理和控制：制造企业与设计单位协同工作流程主要包括：设计数据发放、工程变更、、制造信息反馈与交流等。 分布式产品数据共享：通过建立产品信息共享和重用中的单一数据源的规范化定义和分布存储的管理机制与方法，构建逻辑与物理的映射机制及其支持环境，实现型号产品数据版次的控制和管理，有效地支持并行工程的实施。 建立多厂所联合协同研制的协同机制：研究包括各成员的角色、任务、职责、关系、并行工程组织形式、开发团队组织与管理机制、协同研制的各种规章制度和工作规范等。 厂所协同可视化工具：提供可视化工具、网络会议等多种协同工具，实现异地信息的协调，提高工作效率，降低研制成本。 (2) 产品工艺数字化设计应用 基于PDM系统工艺设计是在发动机设计部门产品数据信息的基础上，在PDM和CAPP集成的协同环境中，由不同的工艺人员协同完成发动机零部件生产准备阶段几乎所有的工艺技术工作的流程，主要应用如下： 1)工艺路线规划：面向发动机产品，工艺规划人员基于PDM系统，根据设计部门提供的EBOM，进行产品结构工艺性审查和分解，综合企业各部门的制造资源，进行产品工艺路线规划，最终将设计单位发放的产品EBOM转化成含有工艺路线信息的PBOM向生产车间发放。 2)工艺任务分工：在PDM系统主要定义各类工艺任务，并进行任务分解，确定工艺编制、校对、审核、审批人员及工作完成时间，启动工艺任务分工流程将工艺设计任务下发给不同的车间，对过程和完成情况进行监控。 3)工艺快速设计：基于PDM/CAPP集成环境，工艺人员主要基于知识和规则等进行工艺规程编制，进行典型工艺检索查询，实现基于典型工艺的快速设计，材料定额编制以及各种工艺信息的查询。 4)工艺仿真：基于PDM/系统，工艺人员利用专业仿真软件，进行包括数控加工、锻造、铸造、焊接、装配等为主的制造工艺仿真，进行计算机模拟仿真分析，为各零部件的制造提供优化的工艺设计工具及集成化的工作环境，提高制造效率、质量。 (3)产品工装数字化设计应用 基于PDM系统工装设计是在在发动机工艺设计部门工艺规程信息的基础上，从PDM系统获取零件的三维/二维模型、零件工艺规程信息、工装目录、工装派制单及其它相关技术文件，工装数字化设计与制造系统完成工装的设计制造阶段各种技术工作，最终生产出合格的工装，进入工装库，或者转给制造车间。 1)工艺工装并行与快速工装设计：改进传统工装研制流程，在PDM平台支持下，建立支持发动机工装与产品、工艺并行数字化协同设计/制造工作模式与流程，实现基于PDM的并行数字化工装设计。 根据PDM提供的MBOM，主要接收工装设计制造任务，制定工装的设计计划和制造任务执行计划； 根据工装制造计划，从工装设计制造数据管理得到工装设计信息，编排工装制造工艺、NC程序等。 应用CAD和CAE系统进行基于知识的工装快速设计，设计结果由PDM系统进行管理，应用CAPP系统进行基于知识的工装制造工艺快速设计，工艺设计结果由PDM系统进行管理。 应用MES系统对工装的制造过程进行管理，实现工装制造的现场管理和在制品管理，制造完成后交给产品零部件车间或临时保存到工装库房。 2)在工装设计/制造中全面应用三维数字化设计与制造：开发与完善基于知识的发动机工装智能化设计系统，将知识工程与CAx集成系统有机结合为一体，形成高效的设计工具，在发动机工装设计制造中全面推行数字化技术，形成工装的快速设计能力。 3)工装三维数字化仿真技术：根据工装与结构部件之间的协调关系，开展发动机工装装配建模、工艺指令生成和装配路径优化技术研究，应用三维工艺仿真验证系统，实现发动机装配工装与结构部件、装配工艺的三维仿真验证，优化装配工装安装和检测过程，提高装配工装精度，降低装配工装制造和维护成本。 4 结论 当前，数字化制造技术发展日益加快，已成为提高企业竞争力的重要手段，并使航空发动机的设计、制造技术和方法发生巨大变革，开创了全新的航空发动机设计制造模式。而PDM技术在这种变革中起了巨大的作用，在从设计到制造的整个产品开发过程中，产品数据管理已成为其中至关重要的一环，特别在先进航空制造企业中受到了广泛的重视，并且得到了普遍和深入的应用，取得了明显的效果。PDM最终必定会成为支持跨企业的整个产品生命周期的产品开发支撑平台，适应信息时代产品开发由单一企业自主开发向广义企业或虚拟企业异地协同开发、制造和管理转变的要求，保障型号顺利研制，推进企业又好又快发展。 [参考文献] [1] 祁国宁 (译).制造企业的产品数据管理—理论、概念与策略.机械工业出版社,2000. 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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) (1/25/2011)