1 引言

    進入21世紀以來，產(chǎn)品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，它是為了滿足制造企業(yè)對產(chǎn)品生命周期管理的需求而產(chǎn)生的一種新的管理模式。PLM的核心是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有序、設(shè)計過程的優(yōu)化和資源的共享，是支持快速產(chǎn)品開發(fā)過程的協(xié)同管理的一個集成協(xié)同框架。在航空制造企業(yè)中，產(chǎn)品的工藝設(shè)計涉及多團隊、多部門、多領(lǐng)域的參與合作，需要建立面向PLM的協(xié)同工藝設(shè)計模式，并行工作。同時要求工藝信息系統(tǒng)能夠克服時間、空間等限制，形成一個便于群體相互協(xié)同工作的共同工作空間，使異地多部門人員能夠并行協(xié)同地完成工藝信息處理，對于實現(xiàn)快速工藝準備，縮短產(chǎn)品研制周期具有重要意義。

2 面向PLM的協(xié)同工藝分析

    目前我國航空制造企業(yè)已大量采用CAPP系統(tǒng)進行工藝過程設(shè)計與管理，對提高企業(yè)的工藝設(shè)計效率和管理水平起到了重要的促進作用，但是在應(yīng)用中主要關(guān)注于離散的單元工藝設(shè)計工作，對整個工藝生命周期的協(xié)同工作研究不夠，極大地限制了采用CAPP系統(tǒng)對工作效率提升的效果。面向PLM的協(xié)同工藝設(shè)計的理念把傳統(tǒng)CAPP系統(tǒng)的功能擴展到基于計算機支持協(xié)同工作的信息、過程和管理集成平臺的高度。本文以某航空制造企業(yè)實際需求為背景，分析和總結(jié)了其工藝工作的特點，包括：

    ①產(chǎn)品制造工藝種類多，涵蓋機加、數(shù)控、裝配、熱表、噴漆等各種冷熱加工。

    ②工藝設(shè)計涉及多團隊、多部門、多領(lǐng)域的參與合作，需要建立協(xié)同的設(shè)計模式，并行工作。

    ③產(chǎn)品工藝更改頻繁，強調(diào)完善的版次管理。

    該企業(yè)的工藝設(shè)計包括裝配工藝和機加工藝這兩種主制工藝，整個編制過程中涉及主制單位和多個協(xié)作單位的并行協(xié)作。工藝處的主管工藝員根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計部門的設(shè)計數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品分解成各個零部件，制定分單位目錄和工藝分工路線。根據(jù)分單位目錄和工藝分工路線將工藝設(shè)計任務(wù)下發(fā)到各分廠（主制單位）的車間工藝室進行具體工藝規(guī)程編制（主制工藝）。在主制工藝規(guī)程編制過程中，主制單位根據(jù)車間級產(chǎn)品工藝工作計劃來制定包含協(xié)作工序在內(nèi)的工藝路線。主制單位負責(zé)工序內(nèi)容的詳細定義。企業(yè)內(nèi)部各術(shù)語定義包括：

    ①車間級產(chǎn)品工藝工作計劃：車間工藝負責(zé)人對分配到本車間的零組件進行工藝編制、校對任務(wù)的分配。

    ②主制單位和主制工藝：工藝編制任務(wù)的承接單位以及任務(wù)的發(fā)起單位，其編制的工藝稱為主制工藝。

    ③協(xié)作單位和協(xié)作工序：在主制工藝編制過程中，會涉及到本車間無法完成的任務(wù)，需要其他工藝部門協(xié)作完成時，主制單位發(fā)出協(xié)作任務(wù)，收到任務(wù)的部門成為協(xié)作單位。協(xié)作單位編制的工藝稱為協(xié)作工序。

    ④擴編工藝：若協(xié)作工序內(nèi)容較為復(fù)雜，例如光學(xué)鍍膜、旋壓、布線等，需形成一本獨立的工藝規(guī)程，稱之為擴編工藝。

    在主制工藝規(guī)程完成校對之后，各個協(xié)作單位根據(jù)主制工藝規(guī)程編制各自的協(xié)作工序，并在本部門內(nèi)完成獨立審批。若需要專用工裝，主制工藝員應(yīng)編制專用工裝申請單并提交到工裝設(shè)計部門以完成工裝申請的審批；若有數(shù)控加工工序，則需數(shù)控程序編制部門完成數(shù)控工序的編制審批。當(dāng)各個協(xié)作工序、專用工裝申請、數(shù)控工序?qū)徟�完成后，進行主制工藝規(guī)程合并（將協(xié)作工序裝訂到主制工藝規(guī)程中）。合并后的主制工藝規(guī)程繼續(xù)進行后續(xù)的審批流程。協(xié)同工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

    圖1 協(xié)同工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程

3 面向PLM的協(xié)同工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)開發(fā)

    該企業(yè)的生產(chǎn)模式為多型號研制、小批量生產(chǎn)，隨著多型號任務(wù)的并行開展，迫切要求實現(xiàn)產(chǎn)品的快速研制。其傳統(tǒng)的并行協(xié)作過程是通過人為通知、協(xié)調(diào)、紙質(zhì)裝訂來實現(xiàn)的。要求采用新的工藝設(shè)計模式和制造方式，建立適應(yīng)于產(chǎn)品快速研制的協(xié)同計算機輔助工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)(Collaborative Computer Aided Process Planning，C-CAPP)。C-CAPP系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)是基于西北工業(yè)大學(xué)的CAPPFramework 2007（下文簡稱CAPPFramework）軟件和西門子的Teamcenter 8（下文簡稱TC）軟件，CAPPFramework作為工藝規(guī)程的編制工具，依靠TC的統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)和人員管理及工作流管理實現(xiàn)整個工藝系統(tǒng)及相關(guān)部門的業(yè)務(wù)流程協(xié)同。C-CAPP系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

    圖2 基于TC與CAPPFramework的C-CAPP系統(tǒng)架構(gòu)

    C-CAPP系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共分為三層：數(shù)據(jù)層、協(xié)同平臺層和系統(tǒng)應(yīng)用層。整個系統(tǒng)功能建立在異構(gòu)分布式的計算機硬件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和分布式關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上。協(xié)同平臺層是系統(tǒng)實現(xiàn)工藝設(shè)計協(xié)同工作的關(guān)鍵，通過平臺中的數(shù)據(jù)交換與協(xié)同、工作流系統(tǒng)、協(xié)同服務(wù)等功能，采用XML格式設(shè)計編寫CAPPFramework啟動接口文件和工藝信息文件，以實現(xiàn)CAPPFramework與TC的集成。用戶只需對系統(tǒng)應(yīng)用層操作就完成工藝設(shè)計、管理以及相應(yīng)的協(xié)同工作。其主要邏輯處理體現(xiàn)在協(xié)同平臺層和系統(tǒng)應(yīng)用層，包含以下功能。

    3.1 工藝設(shè)計

    選用CAPPFramework進行工藝規(guī)程文件的編制。在TC中選擇正確版本零件，并建立相應(yīng)工藝節(jié)點（用于歸屬工藝規(guī)程文件和工藝規(guī)程數(shù)據(jù)），以此啟動CAPPFramework進行工藝規(guī)程文件編制。將生成的工藝文件(*.cxp、*.xml、*.pdf)提交到TC中。支持企業(yè)各工藝類型（機加工藝、裝配工藝、協(xié)作工序）工藝設(shè)計以及工藝更改工作。使用專用代號分別標(biāo)識工藝路線卡中的協(xié)作工序、擴編工藝和數(shù)控工序，以實現(xiàn)協(xié)同工藝設(shè)計。

    3.2 工藝編制協(xié)同

    工藝編制協(xié)同功能主要包括協(xié)同工作流管理和協(xié)同服務(wù)。協(xié)同工作流管理包括用戶權(quán)限與角色管理、工藝任務(wù)分配與管理、工藝工作流的分析與建模和工藝工作流管理。C-CAPP系統(tǒng)綜合利用TC的工作流管理功能和CAPPFramework工藝編制功能，實現(xiàn)主制單位與各個協(xié)作單位并行有效的編制完成工藝規(guī)程，同時也實現(xiàn)各個協(xié)作單位之間的工作并行。通過分析該企業(yè)工藝規(guī)程編制與審批的總體流程，系統(tǒng)能夠提供的協(xié)同服務(wù)主要包括：主制工藝與協(xié)作工序、擴編工藝的編制協(xié)同；主制工藝與專用工裝申請、設(shè)計的編制協(xié)同；主制工藝與數(shù)控加工工序的編制協(xié)同；工藝文件合并、XML文件提交等。協(xié)同工藝編制與審批總體流程如圖3所示。

    圖3 協(xié)同工藝編制與審批總體流程

    ①主制工藝與協(xié)作工序、擴編工藝的編制協(xié)同

    主制單位用CAPPFramework編制完成主制工藝規(guī)程后提交給TC走審批流程，在工藝校對節(jié)點后新建協(xié)作工序及相應(yīng)流程。協(xié)作工序、擴編工藝編制者通過TC接收到相應(yīng)任務(wù)，完成編制審批后提交協(xié)作工藝信息(*.xml)到TC。協(xié)作工序走協(xié)作工序編制審批流程，擴編工藝走主制工藝編制審批流程。

    主制單位將已完成審批、簽名的協(xié)作工序與主制工藝合并形成一份完整的工藝規(guī)程，并提交完整的工藝信息(*.xm1、*.cxp)給TC，繼續(xù)走審批流程。擴編工藝不與相應(yīng)的主制工藝合并，獨立形成一份完整工藝規(guī)程。實現(xiàn)主制工藝與協(xié)作工序、擴編工藝的編制協(xié)同。

    ②主制工藝與專用工裝申請、設(shè)計的協(xié)同

    在工藝編制的過程中如果有特殊工裝的申請，將在CAPPFramework中填寫工裝申請單，同時需要保存為獨立的CXP文檔。通過TC發(fā)起工裝申請單審批流程，工裝設(shè)計部門完成審批，將記錄工裝申請單信息的CXP、XML文件存入TC中。接著啟動專用工裝設(shè)計流程。實現(xiàn)了主制工藝編制與專用工裝申請、設(shè)計的協(xié)同。

    ③主制工藝與數(shù)控加工工序的編制協(xié)同

    在工藝編制的過程中如果有數(shù)控加工工序，數(shù)控單位接受任務(wù)后啟動數(shù)控加工工藝編制與審批流程并完成審批，最終執(zhí)行與主制工藝合并，實現(xiàn)主制工藝編制與數(shù)控工序編制的協(xié)同。

    3.3 工藝信息管理

    工藝信息管理的目標(biāo)是實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)和各種工藝文件的有效管理，為工藝設(shè)計系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)的有機集成，提供統(tǒng)一有效的產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)管理工具，以保證工藝數(shù)據(jù)的唯一性、實時性、有效性和安全性。主要包括信息模型管理、工藝設(shè)計數(shù)據(jù)管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、集成接口管理以及工藝資源管理。實現(xiàn)對工藝工作過程的管理與控制。本文詳細介紹協(xié)同工藝設(shè)計數(shù)據(jù)的管理，如圖4所示，其主要的管理有下面幾方面：

    圖4 協(xié)同工藝設(shè)計數(shù)據(jù)的管理

    ①工藝文檔存儲

    工藝文檔作為一個整體對象在TC中進行管理。工藝文檔作為一個整體存儲在TC數(shù)據(jù)庫中，在PDM的版本管理的控制下經(jīng)歷文檔版本管理和全生命周期管理。工藝文檔中同時包含了零件工序圖信息。

    ②結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲

    CAPPFramework生成的產(chǎn)品工藝中包含設(shè)備、刀具、工裝等企業(yè)中其他應(yīng)用軟件系統(tǒng)比如ERP、MES系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對企業(yè)信息集成提供便利，CAPPFramework將這些結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自動寫入XML文件，并提交給TC保存。它們以關(guān)系數(shù)據(jù)的形式存儲在TC數(shù)據(jù)庫中，并以唯一的索引與對應(yīng)工藝文檔相聯(lián)系，以方便系統(tǒng)查詢和被其他集成應(yīng)用系統(tǒng)所讀取。

4 C-CAPP系統(tǒng)應(yīng)用

    目前該企業(yè)已完成C-CAPP系統(tǒng)的全面部署和應(yīng)用，覆蓋了其所有車間工藝部門、主管工藝部門以及其它業(yè)務(wù)相關(guān)部門。

    工藝員需要進行工藝規(guī)程編制和審批時，首先需要登錄TC并找到需要完成的工藝編制任務(wù)，點擊工藝編制菜單，通過已定制的XML接口文件自動啟動CAPPFramework進行工藝規(guī)程編制，最后在TC中完成工藝規(guī)程的審批。C-CAPP系統(tǒng)內(nèi)部集成交互文件包含的主要內(nèi)容如表1所示。

    表1 系統(tǒng)內(nèi)部集成交互XML文件的主要內(nèi)容

5 結(jié)束語

    本文針對某航空制造企業(yè)工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程特點以及需求現(xiàn)狀，提出了面向PLM的協(xié)同工藝設(shè)計與管理方法。以CAPPFramework與TC集成開發(fā)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了協(xié)同工藝設(shè)計與管理系統(tǒng)(C-CAPP)，對協(xié)同工藝設(shè)計涉及的關(guān)鍵流程與工藝設(shè)計數(shù)據(jù)管理進行了詳細論述。實現(xiàn)了主制工藝與協(xié)作工序、專用工裝申請以及數(shù)控工序的并行協(xié)同編制。

    通過在該企業(yè)進行全面實施和技術(shù)應(yīng)用，為工藝系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計提供了有效的工具和平臺，有效解決了工藝協(xié)同的問題，從整體上縮短了產(chǎn)品研制周期，顯示了很好的應(yīng)用效果。

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本文標(biāo)題：面向PLM的協(xié)同工藝設(shè)計與管理技術(shù)研究與應(yīng)用

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