隨著數字化設計與制造技術的廣泛應用，三維CAD/CAM 技術日益普及。在產品研發部門，大都實現了三維產品設計，在生產制造現場也大量采用了自動化數控設備。然而，工藝規劃設計部門的工藝設計手段仍然還是主要基于二維圖紙，上游三維設計數據和設計意圖不能得到有效的傳遞和充分的利用。二維圖紙傳遞到生產現場，制造人員不得不基于二維圖樣重新解讀設計意圖，影響產品的研制周期及質量。傳統二維工藝設計已經成為了產品三維協同研制的短板和瓶頸。本文研究了基于PDM 系統的三維工藝設計和管理，為產品一體化協同研制提供思路和方法。
一、三維工藝設計與管理系統框架
隨著三維數字化設計技術在產品研制中的普及，基于PDM 的三維產品設計數據管理及技術狀態控制也得到深入的應用。在PDM 系統中，以產品結構樹（EBOM）為核心的產品數據組織和管理模式也得到廣泛的認可。然而，當前大多PDM 系統管理的產品數據主要為設計數據，工藝設計主要在獨立的工藝設計系統中開展，工藝數據也大都在工藝設計系統中管理。這就給一體化的產品協同研制和統一的產品研制數據管理帶來不少的麻煩。由設計更改產生的數據一致性問題，往往導致產品的技術狀態控制復雜度增加，甚至有時出現失控的狀態。
利用PTC 公司的PDM 系統Windchill，實現設計、工藝數據的統一管理，并在此基礎上實現基于模型的三維工藝設計。三維工藝設計與管理系統框架如圖1 所示。
圖1 基于PDM 的三維工藝設計與管理系統框架
二、基于PBOM 的工藝數據管理
1. PBOM 創建
設計部門在PDM 系統中產生產品結構樹EBOM，并基于EBOM 實現設計數據的組織和管理。工藝部門需要從工藝的角度，按照工藝分工和工藝資源的組織將EBOM 轉換為工藝結構樹PBOM，PBOM 的創建示意圖如圖2 所示。
工藝規劃員利用PDM 系統提供的三維可視化環境，通過復制、粘貼等方式直接利用設計零組件對應的三維模型重構生成部件初始PBOM 結構。在初始PBOM 基礎上，通過以下操作方式，形成最終的PBOM 結構。
(1) 按照外協件、外購件、成品件、工藝組合件等工藝類型，調整PBOM 結構。
(2) 重新分割零部件數量。
(3) 添加為方便制造的虛擬子裝配。
(4) 添加制造或裝運過程中所需部件和消耗品。
(5) 依據其它工藝意圖調整PBOM 結構。
圖2 PBOM 的創建示意圖
PBOM 可視化編制界面如圖3 所示。將EBOM 重構生成PBOM 以后，需要在PDM 系統中建立EBOM 和PBOM的內部數據關聯關系。工藝工程師能夠直接依據PBOM 查看到零件設計時產生的三維模型及基本的設計屬性信息，對于PBOM 表中無對應的設計零件，需要在PBOM 相應節點的屬性上明確標識。
圖3 PBOM 可視化編制界面
基于EBOM 與PBOM 的內部關聯關系， 實現兩個BOM 之間的符合性對比分析，檢查EBOM 中所有零組件項和數目是否在PBOM 存在，并在界面中用不同的符號標識差異之處，避免EBOM 到PBOM 重構過程中人為的失誤。EBOM 和PBOM 的可視化比對界面如圖4 所示。
圖4 EBOM 和PBOM 的可視化比對
2. 基于PBOM 的數據關聯管理
基于PBOM，需要添加工藝制造所需的屬性信息，例如工藝路線、材料定額及工藝參數等數據，最終構建滿足工藝制造需要的工藝結構樹，并以該結構樹為核心組織相關工藝信息。基于PBOM 的工藝數據管理，如圖5 所示，為與零部件相關的工藝規劃、工序/ 工步、三維工藝模型、動畫、工藝資源（車間部門、工裝、夾具、設備和輔料）、工藝文件、工藝任務和工藝更改對象等相關的工藝數據都能與對應PBOM 節點進行可視化的關聯管理。
圖5 基于PBOM 的工藝數據管理
在工藝設計的過程中需要用到資源，包括廠房、機床、刀量具、型架和工人技能等，都將在系統中進行管理。建立工藝資源的分層、分類結構，構建統一的工藝資源基礎數據庫。建立工藝資源與其它工藝信息對象（例如工序、工步對象）之間的關聯關系，并對工藝資源和工序/ 工步之間關聯關系的約束進行管理。工藝資源管理示意圖如圖6 所示。
3.PBOM 審簽
PBOM 的產品結構和相關屬性信息可以在PDM 系統進行電子審簽和分發。PBOM 審簽分發流程圖如圖7 所示。
工藝設計人員通過系統可以方便過濾出一個產品中負責工藝設計的零組件列表，接著開始工藝規程等工藝文件的編制工作。工藝審簽和分發示意圖如圖8 所示。
通過上述的過程，可以取消原來紙質零組件工藝分工表的審簽發放方式，改用基于PDM 平臺的PBOM 審簽和任務發放。
4.PBOM 更改
當EBOM 結構和關聯的設計模型產生設計變更，需要將變更信息傳遞到PBOM。由于EBOM 與PBOM 內部相互關聯，通過PDM 系統的工藝計劃瀏覽器，在PBOM 上將突出顯示與設計變更節點相關的工藝節點。工藝規劃員可以據此判斷PBOM 是否需要更改。如果需要更改，需要進行PBOM 變更審簽和分發，變更審簽流程與PBOM 審簽流程類似。PBOM 更改后，依據工藝需要，進行后續的工藝設計變更。
三、三維工藝設計
當PBOM 審簽完成并分發后，車間工藝設計員在自己的任務列表中，接收到一個工藝設計具體任務。工藝員打開具體任務，可以看到需要進行工藝設計的三維模型，可以利用CAD 輕量化工具對模型進行瀏覽、測量，以消化理解設計意圖，方便進行工藝設計方案的確定。
1. 機加工藝設計
車間工藝員在工藝計劃瀏覽器中，進行具體工藝的設計，如圖9 所示。基于PBOM 創建工藝計劃，為工藝計劃添加工序，并且為每道工序確定具體操作的三維模型、工藝設計的具體描述、所需要的工藝資源（機床、卡具、材料、刀具、輔助材料和技能工人等）和工時定額等。
圖9 機加工藝設計示意圖
通過工藝規程編輯器進行詳細工藝設計。如圖10 所示，工藝員可以在工藝規程編輯器中使用標準工藝，實現工藝設計的重用，也可以將某個工藝計劃保存為標準工藝。
圖10 詳細工藝設計示意圖
2. 裝配工藝設計
針對裝配工藝，在工藝規劃瀏覽器中直接定義工藝，利用CAD 輕量化工具查看相關模型，初步確定工藝方案，將裝配模型、資源和文檔等分配給具體工序，如圖11 所示。
圖11 裝配工藝設計示意圖
生成裝配工藝卡片，完成裝配動畫的設計，并把裝配動畫設計結果嵌入到裝配工藝卡中，如圖12 所示。
圖12 裝配工藝卡編制
現場作業工人可以直接點擊激活裝配插圖，完成裝配動畫的播放，快速了解整個裝配過程。
3. 工藝輸出
利用PDM 系統的模版管理功能，對工藝規程和工藝卡片模板進行管理。當工藝設計完成后，可以將工藝數據按照特定模版發布為PDF 格式文件。
按照用戶配套工藝文件表格定制要求，定制用戶需要的各種表格。工藝模板如圖13 所示，PBOM 上掛接的所有零部件按照表格格式輸出工藝需要的各種文件。包括標準件表、機加件表、鈑金件表、鑄造件表、鍛造件表、電纜表、管路表、復合材料表和裝配件表等。
圖13 工藝模板示意圖
由于所有工藝數據均以結構化數據或者文件的形式存在PDM 系統中，針對不同類型的工藝輸出需求，PDM 支持均可以按照模板生成相關的規程或者工藝報表，如圖14所示。
圖14 工藝規程及報表輸出示意圖
針對采用全三維設計的型號工藝，根據制造廠的三維工藝卡片輸出要求構建三維工藝卡片輸出模板，包括機加工、裝配、數控、鈑金、焊接、鍛造、電裝和熱表等，用于現場無紙化應用。
針對三維工藝規程，同時可以輸出制造要求的二維工藝規程，并可打印下發。
針對工藝報表輸出，可以在工藝文件通過批準后，一次性輸出相關報表，并關聯在PBOM 節點上，同工藝文件一起執行批次管理。報表的種類及格式需要滿足制造廠的工藝報表種類要求，如外購件匯總表、鑄鍛件匯總表、工藝狀態表、工藝分工表、熱處理/ 表面處理/ 關重件零件清單和材料統計表等。
四、結語
基于PDM 的三維工藝設計與管理，有利于實現一體化產品設計和工藝設計，保證設計工藝一體化管理，保證設計工藝數據的一致性和關聯性。
通過PDM 系統與ERP 及MES 的集成，將三維工程圖、工藝規程通過鏈接的方式傳遞至MES 中，實現車間現場的生產指令、PMI 信息的全數字量傳遞，實現三維工藝信息的生產現場應用、外廠加工與試驗應用能力，最終提高產品質量和生產效率。
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本文標題：基于PDM的三維工藝設計與管理
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