1 引言
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品各個功能單元組合形式的表達。作為貫穿產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理在整個產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中起到重要作用。
(1)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的核心。①產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的完善是產(chǎn)品設(shè)計的主要目標之一；②對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的修改是產(chǎn)品設(shè)計過程中的主要活動。同時，在許多設(shè)計過程中設(shè)計人員通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)直接將表達設(shè)計結(jié)果的模型文件組織起來。此外，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所表達的產(chǎn)品功能單元之間的關(guān)系本身就是非常重要的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)。
(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為設(shè)計過程中的任務(wù)管理、文檔管理等功能提供了重要視圖。如引言中所述，現(xiàn)代設(shè)計活動往往采用項目化的方式進行管理，其中包括設(shè)計資源、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計人員等方面的管理。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的角度提供了相應(yīng)的操作界面，比如查看零件相關(guān)文檔、為部件分配新的仿真任務(wù)、提出標準件外協(xié)申請等。
(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理模塊是PLM系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口。PLM系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的聯(lián)系主要靠產(chǎn)品物料清單(Bill of Materiel，BOM)的變更與流動，如圖1所示。以企業(yè)資源管理系統(tǒng)(EntERPrise Resource Management，ERP)為例。以設(shè)計BOM(Engineering BOM，EBOM)為依據(jù)，可以產(chǎn)生計劃BOM(Process Plan BOM，PBOM)、制造BOM(Manufacturing BOM，MBOM)，此二者為ERP系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在PLM系統(tǒng)中，BOM的產(chǎn)生主要依賴于產(chǎn)品機構(gòu)管理模塊。
圖1 PLM系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的聯(lián)系
2 企業(yè)PLM系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的需求
不同企業(yè)、組織的設(shè)計任務(wù)不同，具體情況不同，對于PLM系統(tǒng)的需求也不盡相同，系統(tǒng)所服務(wù)的企業(yè)主要特點如下：
(1)規(guī)模相對較小，產(chǎn)品類型相對較少。目標企業(yè)的產(chǎn)品類型相對較少，其設(shè)計對象的產(chǎn)品族特點不明顯，數(shù)據(jù)量并不是很大，企業(yè)人員組織結(jié)構(gòu)比較簡單。
(2)產(chǎn)品生命周期鏈不完整，但關(guān)注點突出。如圖2所示，研究中心主要關(guān)注產(chǎn)品的設(shè)計過程，其樣機的加工過程完全通過外協(xié)外購?fù)瓿�，只需要對外協(xié)廠商的合同執(zhí)行進度進行監(jiān)控。除此之外，需對樣機進行測試以指導(dǎo)下一輪設(shè)計，直至合格。
圖2 產(chǎn)品生命周期
(3)有異地協(xié)同需求，但要求不高。產(chǎn)品研發(fā)制造及售后需要多家單位合作完成，但是初期任務(wù)劃分較為清晰、獨立，不同機構(gòu)之間需要交流，但是在設(shè)計研發(fā)階段，大部分任務(wù)能夠在單個機構(gòu)范圍之內(nèi)完成。
產(chǎn)品采用SolidWorks作為沒計平臺，采用Workgroup PDM進行設(shè)計文檔（包括三維模型文件、圖紙文件）的管理。具體的研發(fā)過程中，該企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理方面面臨的主要問題有：
(1)圖紙管理需要改善。雖然有Workgroup PDM進行設(shè)計文檔的管理，但是還需要明確管理方案，否則不能有效發(fā)揮Workgroup PDM的作用。
(2)Workgroup PDM的產(chǎn)品模型主要集中在產(chǎn)品的幾何模型以及特征模型上，對于產(chǎn)品的其他信息無法有效的描述。除此之外，當前Workgroup PDM無法為其他管理模塊提供視圖。
(3)產(chǎn)品的狀態(tài)缺乏可視化的動態(tài)監(jiān)控。同時缺乏相應(yīng)的報表功能，上級負責人無法直接掌握當前研發(fā)狀況。
綜合考慮企業(yè)實際需求和實施PLM的相關(guān)規(guī)則，決定采用小目標實施PLM，具體到產(chǎn)品管理部分需要滿足以下主要需求：
(1)建立完善的產(chǎn)品信息模型，提供友好的管理界面。
(2)對當前零部件模型、圖紙文件進行規(guī)范化、標準化處理。
(3)為其他管理模塊提供視圖和功能接口。
(4)開發(fā)報表功能，滿足高級負責人決策需求。
3 產(chǎn)品管理系統(tǒng)設(shè)計方案
3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型
企業(yè)模型中的產(chǎn)品信息模型(Product Information Model in EntPrprise Model，PIMEM)是在企業(yè)模型的范圍限定下，根據(jù)一定規(guī)則對產(chǎn)品對象進行抽象的、結(jié)構(gòu)化的表達。確定產(chǎn)品信息模型是完成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的第一步。在PLM系統(tǒng)中，為了保證產(chǎn)品模型的有效性和實用性，采用建模原則主要包括：產(chǎn)品信息模型與過程模型解耦，為過程模型提供功能接口。實際上，產(chǎn)品信息管理與工作流管理相互依托，所以一般產(chǎn)品信息與過程集成的實現(xiàn)方法有兩種，即基于產(chǎn)品的過程控制與獨立于產(chǎn)品的過程控制。這兩種方法各有利弊，(1)考慮到該研究中心流程復(fù)雜多樣，許多流程并不完全圍繞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)執(zhí)行；(2)整個信息系統(tǒng)的設(shè)計、實現(xiàn)過程中有模塊化的需求，所以采用分離模型的方法。
產(chǎn)品信息模型應(yīng)當具備如下特點：準確、完整、清晰，描述方法多樣，具有靈活的可擴展性以及視圖開放性。
根據(jù)該研究中心的實際情況，可以利用四維空間<S，D，T，V>來描述產(chǎn)品的信息模型。四個維度分別為分別為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、表達方法、生命周期以及版本，如表1所示。
表1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型的四個維度
利用四個維度可以快速定位所需要的信息內(nèi)容或者信息索引。例如，要獲取部件m的第n個版本的裝配圖，可以利用參數(shù)<S=m，D=圖樹模型+特征模型，Type=設(shè)計（裝配圖），版本=n>來獲取相應(yīng)的裝配圖索引，通過檢索接口獲得具體的裝配圖文件。此外，通過對參數(shù)進行組合、范圍限定，可以快速得到相應(yīng)的BOM或者報表。值得注意的是，BOM是產(chǎn)品信息模型的主線，其他表示方法的信息內(nèi)容往往依附于BOM之上。
3.2 CAD工具集成與設(shè)計信息獲取方案
CAD軟件是產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要工具，產(chǎn)品設(shè)計信息的產(chǎn)生與獲取離不開CAD工具的支持。在PLM實施過程中，如何集成CAD軟件是一個核心問題。根據(jù)該研究中心的實際情況，主要有兩種集成方案：直接將SolideWorks軟件集成到自主開發(fā)的PLM系統(tǒng)當中（PLM與CAD集成）；通過集成Workgroup PDM系統(tǒng)實現(xiàn)SolidWorks軟件的集成（異構(gòu)PLM系統(tǒng)集成、PLM與CAD集成）。
圖3 直接集成SolidWorks軟件
(1)直接集成SolidWorks軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。PLM服務(wù)端負責產(chǎn)品信息管理、版本控制等功能。PLM客戶端管理本地工作區(qū)內(nèi)的文件、獲取本地產(chǎn)品信息以及與服務(wù)器的同步。一般情況下，PLM系統(tǒng)集成CAD軟件可以分為三個層次：系統(tǒng)封裝、接口交換、功能集成，三個層次集成緊密程度由低到高。系統(tǒng)封裝主要特點PLM系統(tǒng)能夠識別、存儲并管理應(yīng)用工具產(chǎn)生的文件，但是產(chǎn)品的設(shè)計信息只能通過CAD軟件進行瀏覽。接口交換是通過CAD系統(tǒng)的開發(fā)接口實現(xiàn)的。通過相應(yīng)的API文件，PLM系統(tǒng)可以從CAD系統(tǒng)中獲取需要的信息。而功能集成允許PLM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)相互調(diào)用，實現(xiàn)雙向信息共享。
(2)集成Workgroup PDM；如圖4所示，利用Workgroup PDM系統(tǒng)集成SolidWorks軟件。從Workgroup PDM系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品信息。信息獲取的方式共有三種：直接訪問Workgroup PDM服務(wù)器，通過解析服務(wù)器文件系統(tǒng)獲取產(chǎn)品信息；利用Workgroup PDM編程接口獲得產(chǎn)品信息；通過監(jiān)聽Workgroup PDM系統(tǒng)產(chǎn)生的事件獲取產(chǎn)品信息。
圖4 集成Workgroup PDM系統(tǒng)
與(1)相比，(2)充分利用了現(xiàn)有Workgroup PDM功能，減少了系統(tǒng)開發(fā)工作量。同時，由于Workgroup PDM專為SolidWorks軟件設(shè)計，且為同一公司產(chǎn)品，其健壯性要遠遠好于第三方開發(fā)系統(tǒng)。除此之外，Workgroup PDM客戶端能夠以插件的形式在SolidWorks環(huán)境中運行，很大程度上方便了設(shè)計人員的使用。但是這種方案需要考慮異構(gòu)PLM系統(tǒng)信息同步問題，而且整個系統(tǒng)的性能受制于Workgroup PDM系統(tǒng)性能。通過對系統(tǒng)的實施時間和實施需要綜合考慮，(2)更為合理。
3.3 產(chǎn)品設(shè)計管理模式
為了更好的管理產(chǎn)品信息，需要確定產(chǎn)品設(shè)計管理模式。目前制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計管理模式主要有基于產(chǎn)品的管理模式和基于零件的管理模式�；诋a(chǎn)品的管理模式需要對每一個產(chǎn)品的零部件及關(guān)系信息建立單獨的檔案。由于重復(fù)零部件的存在，采用這種管理模式在產(chǎn)品與產(chǎn)品之間會導(dǎo)致重復(fù)設(shè)計與冗余數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。除此之外，實現(xiàn)相似零件查找與相似設(shè)計較為困難。
基于零件的管理使產(chǎn)品能夠共用零部件。解決了重復(fù)設(shè)計與冗余數(shù)據(jù)的問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品快速配置與變形設(shè)計、相似設(shè)計。其實現(xiàn)難點在于零部件與產(chǎn)品對應(yīng)關(guān)系，即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息與產(chǎn)品配置信息的管理。
產(chǎn)品設(shè)計過程所涉及到的零部件大體上可以分為三類：(1)核心零部件，它是產(chǎn)品的關(guān)鍵部分，往往需要進行多次反復(fù)設(shè)計、分析，審批流程嚴格，一般在產(chǎn)品中是獨一無二的；(2)普通零部件，產(chǎn)品不可缺少的部分，但設(shè)計工作量相對較�。�(3)標準件，包括國家標準件、行業(yè)標準件以及自定義標準件，不需要進行專門的設(shè)計。
在實際設(shè)計研究過程中，以某一產(chǎn)品的設(shè)計為目標立項，同時，各個產(chǎn)品中會包含相同的標準件，因此采用混合管理模式。通過自定義的Toolbox建立標準零部件庫以管理標準零部件。
4 系統(tǒng)設(shè)計
整個信息平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其可分為四個層次即：界面層、接口層、功能層和數(shù)據(jù)層，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：
圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)面向?qū)ο蠹夹g(shù)（Object-Oriented Technology）。采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)能夠直觀、自然地描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型中涉及到大量的對象，符合人類思維的特點，易于構(gòu)造平臺。具體表現(xiàn)為平臺設(shè)計過程中采用UML建模工具，平臺開發(fā)采用面向?qū)ο缶幊陶Z言Java等。(2)富因特網(wǎng)應(yīng)用程序(Richlntemet Applications，RIA)。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的過程中，用戶、平臺之間需要大量復(fù)雜的交互行為。這種交互利用傳統(tǒng)的web界面實現(xiàn)比較困難。在平臺開發(fā)過程中采用Flex技術(shù)實現(xiàn)用戶接口，并且利用插件的方式實現(xiàn)多種文檔的在線呈現(xiàn)。(3)消息隊列。主要用于解決與Solidworks Workgroup PDM之間的數(shù)據(jù)獲取問題。(4)XML技術(shù)。—般的PLM系統(tǒng)當中，XML技術(shù)主要用于以下兩個方面：相關(guān)數(shù)據(jù)存儲以及交換（在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用）。在該平臺中兩個方面均有涉及，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)交換，包括定義平臺內(nèi)數(shù)據(jù)交換格式，利用web服務(wù)對異構(gòu)功能模塊的封裝等等。實現(xiàn)系統(tǒng)，如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)界面
5 小結(jié)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理是現(xiàn)代設(shè)計中設(shè)計數(shù)據(jù)管理的重要部分，對于整個PLM系統(tǒng)有重要影響。在PLM系統(tǒng)實施方法論的指導(dǎo)下，根據(jù)某企業(yè)數(shù)據(jù)管理的實際需求，在實踐中完成了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理的需求分析并建立模型，最后利用消息隊列、異構(gòu)系統(tǒng)集成等技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)。
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本文標題：基于PLM的產(chǎn)品信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)
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