工藝設計與管理的數字化是制造企業“甩圖紙”的核心內容之一。隨著制造業企業越來越多地采用三維CAD進行產品設計，基于三維產品模型工藝規劃已經成為企業的迫切需求。基于三維產品模型的工藝應用對提升企業工藝、制造質量，提高企業產品的工藝創新能力、縮短產品研制周期，以及提高市場應變能力具有重要意義。
哈飛公司工藝設計應用背景及新需求
2004年，哈飛公司開始應用二維CAPP進行工藝設計，并在傳統的以二維圖紙的型號工藝設計中發揮了重要作用。在二維工藝設計中，工藝設計的表達通過大量文字描述和一些靜態視圖來完成，這種表達方式對于以二維圖紙作為制造依據的型號來說，仍然是比較方便快捷的工藝設計方式，并能清晰表達出工藝設計意圖。
近幾年，由于在大飛機等新型號的研制中，設計環節全面采用了MBD技術，即通過三維模型表達設計意圖，在三維模型上標注尺寸、定義公差、注釋加工信息等，取消傳統的二維圖樣。二維CAPP已無法適應這些型號研制需求，二維CAPP面對MBD技術暴露出來的主要不足是無法利用已有的三維產品模型的成果和三維產品模型表達能力強、形象直觀的優勢，尤其是對裝配工藝規劃，由于裝配工藝自身特點，通過語言和靜態圖形描述很難完成準確的裝配工藝規劃的表達，而裝配工藝又恰恰是產品形成的最后工藝環節，其工藝作用和指導意義不言而喻。基于上述原因，新型號基于三維產品模型的工藝規劃與設計已成為制約企業整體工藝質量和效率的瓶頸，需求非常緊迫。
2010年，哈飛應某廠所聯合研制的新型號應用需求，實施了基于Windchill開發的企業級PDM系統，滿足了某型號相關各業務部門數據協同管理、制造構型管理(PBOM/MBOM管理)、工裝數據管理、集中數據管理（工程數據集/制造數據集/檢驗數據集/內部文件等）、系統集成（二維CAPP集成/MES集成/MPM集成）等方面的實際需要。為了應對MBD技術對工藝設計與管理帶來的挑戰，迫切需要建立基于MBD環境的三維工藝系統，以確保在工藝設計與管理等環節有效利用MBD模型，實現三維可視化環境下的工藝設計與管理。經過多方論證，哈飛于2012年底決定引入PTC的三維工藝設計組件windchill MPMlink，并基于現有的windchill系統進行功能擴展，開發三維工藝設計與管理系統，以滿足飛機設計工藝一體化管理的需要。
三維工藝設計核心需求包括：
(1)基于現有的企業級PDM系統的單一數據源，實現基于MBD的三維工藝規劃、三維工藝詳細設計、三維工藝指令創建，將三維MBD技術通過一體化管理平臺在全企業范圍內貫徹；
(2)實現三維工藝設計的結構化管理，并對工藝資源進行統一管理，實現三維設計數據、工藝設計結構化數據、工藝仿真數據、工藝資源的一體化管理；
(3)擴充原有的PBOM和MBOM管理功能，實現三維PBOM/MBOM管理；
(4)實現設計制造更改的一體化，支持全局更改過程控制，確保設計更改能夠在制造端得到及時貫徹。
(5)建立工藝設計知識庫，對標準工藝規程和量具、夾具等工藝資源集中管理，并能夠與設計數據、工藝設計結果等進行有效的關聯，實現設計、工藝、工藝資源管理的一體化；
(6)實現三維工藝信息及設計數據向生產車間的打包發布，包括三維可視化工藝指令創建、制造數據打包處理等，使車間人員方便、快捷地獲取和瀏覽所需的制造數據。
基于PDM的一體化三維工藝設計系統的總體方案
由于哈飛公司企業級PDM系統以PTC公司的Windchill PDMLink模塊作為基礎平臺，而三維CAPP系統以PTC公司的Windchill MPMLink模塊作為基礎平臺，因此工藝設計與產品設計能夠實現更好地實現一體化銜接。三維CAPP系統僅作為三維AO/FO的編制工具，通過它編制的AO/ FO文件既包含以文字形式表達的結構化工藝基本信息，同時又包含三維裝配動畫、三維工序中間模型、CAD簡圖、圖片等實體文件，這些結構信息和實體文件都是在PDM系統進行統一管理。同時三維工藝數據通過與數字化生產制造執行系統的集成接口，可以發布到數字化生產制造執行系統中，車間生產現場的工人可以通過數字化生產制造執行系統的三維可視化瀏覽功能，瀏覽三維工藝指令，指導操作。
三維工藝設計與企業PDM系統的一體化整合過程包括：
(1)當設計更改/PBOM等發生更改時，PDM系統能夠白動提示相應工藝文件編制人員，由編制人員決定是否對工藝文件進行更改。
(2)編制人員可從PDM系統直接啟動工藝編輯環境，進行工藝設計和編輯工作。
(3)工藝編輯環境利用PDM系統的用戶身份信息，直接利用PDM系統權限設置信息進行安全控制。
(4)工藝編輯環境直接利用PDM系統管理的PBOM/MBOM相關信息及三維設計模型/工藝模型等產品數據進行工藝設計工作。
(5)在工藝編輯環境中可直接打開PDM系統中的PBOM/MBOM產品結構，基于PBOM/MBOM產品結構節點啟動相應的工藝設計工作，建立的工藝文件自動與PBOM/MBOM產品結構相應節點建立關聯關系。
(6)工藝編輯環境直接利用PDM系統中的工序、工藝資源等業務對象模型進行數據的組織和存儲。
(7)基于工藝編輯環境產生的工藝設計結果直接保存至PDM系統進行管理，需要編輯和修改時直接從PDM系統調用數據在工藝編輯器中打開。
Windchill系統能對設計信息和工藝數據進行統一存儲和管理，當設計數據發生更改時，能自動傳播至工藝環節，提醒進行相關工藝數據更改，或與設計數據進行同步，實現設計制造數據的一體化管理。設計制造數據一體化管理過程見圖1。
圖1 設計制造數據的一體化管理過程圖
基于PDM平臺的一體化工藝設計環境的優點包括：
(1)單一的編制入口，所有工藝編制人員通過統一的入口登錄系統進行工藝文件的編制和修改，并且三維工藝系統集成于PDM中，實現與PDM無縫對接。
(2)工藝文件采用標準化和對象化管理方式，工藝文件的管理顆粒度可以達到工序級。
(3)工藝資源對象化管理，通過統一資源庫的建立和對接，使工藝編制在用到工藝資源時，只需要調用統一的工藝資源庫中的工藝資源，使得工藝文件更加規范化和標準化。
(4)工藝規程中加入三維數模和動畫，工藝展現更加直觀，有助于幫助下游的生產和制造等部門更好的理解零組件的裝配和制造過程。
三維工藝設計系統核心功能
1.三維工藝文件編制和輸出
(1)通過“內容”與“展現”分離的工藝文件編輯環境，實現三維AO、FO方便、快捷地設計、預覽與輸出。
(2)工藝文件編制過程中，其工序對象可關聯技術文件、數控程序、生產說明書、典型工藝規程、電子展開、供應狀態、工裝數模等數據。
(3)內嵌工藝知識庫，包括“工程圖符”與“常用術語”。支持尺寸公差、形位公差等工藝特殊符號的編輯、輸入與輸出。
(4)提供工藝文件的輸出與預覽功能，在預覽時可動態獲取輕量化三維模型、裝配動面生成可交互的工藝文件。
(5)系統支持從PDM系統中獲取已經存在的EBOM/PBOM/MBOM/TBOM中的三維設計模型/工藝模型/工裝模型輕量化模型和本地上傳輕量化模型兩種方式進行中間模型設計和批注，裝配動畫制作等工藝設計工作。
(6)在上傳工藝簡圖時支持各種格式的圖片以粘帖的方式從本地插入三維工藝文件中。
(7)在工藝編輯和展示環境中，實現工序與工序簡圖、工序動畫的自動關聯。
(8)在PDM平臺中，利用PDM平臺的既有工作流，對工藝規程進行校對、審核、批準等簽署工作。
(9)支持對工藝規程的新建、檢出、檢入、修訂、刪除等操作，并可進行工藝規程對象的更改管理、版本控制和屬性擴展定制，支持對工藝文件設計結果的有效性進行控制。
2.與應用工具的集成
(1)通過與三維裝配動畫設計工具(3DVia Composer)、工藝簡圖設計工具(AutoCAD、CATIA)、三維可視化工具的封裝集成，在工藝編輯環境可直接瀏覽三維裝配動畫文件、工藝簡圖及三維可視化文件，建立工序對象與對應動畫場景的關聯關系，并能根據各工序裝配的零組件自動設置AO中的參裝零組件列表。
(2)利用三維輕量化工具標準功能實現三維模型中設計、工藝、檢驗信息的抓取（如結構樹、MBD模型、三維標注等），并可直接基于輕量化模型進行測量和標注。
(3)工序設計過程中，可以清楚了解每個工序下參裝零、部件的裝配情況，并可以利用可視化工具提供功能進行旋轉、剖切、添加尺寸標注、制作裝配動畫。
3.工藝資源管理
工藝資源按照使用地方不同，分為公共工藝資源庫和個人資源庫。公共資源庫分為工藝資源庫和工藝知識庫。工藝資源庫管理資源包括車間、工序名稱、工裝、刀具、工具、量具、設備、材料、工藝常用語。工藝知識庫包括典型工藝、工藝模板、工序模板、工藝技術標準。個人資源庫包括工藝模板、工序模板、個人常用語。
工藝資源間的約束關系包括：(1)車間包含不同設備，設備對應多種刀量具及工裝；(2)設備也隱形決定了可加工材料（規格、材質）；(3)材料對應特定的典型工藝（熱表處理）；(4)工序名稱與車間和設備有相應的約束關系。
工藝資源的管理和應用要求：
(1)利用Windchill MPMLink標準功能建立統一的工藝知識和資源數據庫，實現以結構化的數據管理方式將工藝設計過程中使用到的工藝標準、規范、設備、工裝、材料等信息有序的關聯管理起來，實現基于編碼對工藝資源進行唯一標識，并能在工藝資源庫中詳細描述它們之間的依存和約束關系；(2)在工藝資源庫中對工藝模板進行管理，通過在工藝模板中預先定義工序、工藝資源等信息，確保后續工藝規程設計中能夠直接重用模板中信息；(3)實現工藝編輯環境與工藝資源庫的一體化整合，使得工藝工程師在工藝設計過程中，可以直接調用工藝資源對象進行引用；(4)支持兩種形式的工藝資源引用：整本工藝規程的引用和工序級別的引用，在引用工藝資源過程中能夠建立工藝資源與工藝規程對象或工序對象之間的關聯關系。
4.工藝數據的結構化
Windchill系統的三維工藝管理功能不僅支持AO/FO的結構化管理，還支持工藝文件編制過程中所用到的工藝資源的結構化管理（圖2）。
圖2 工藝數據結構化管理
通過三維工藝管理功能，AO、FO中包括的工序/工步、工藝資源等信息作為單獨對象在三維工藝管理中進行有效組織，并建立了關聯關系，最終形成錯綜復雜的工藝信息網絡樹。型號生產現場需要用到的AO/FO等工藝文件將通過三維工藝管理提供的工藝匯總能力，獲取系統中存儲的相應工藝信息，生成滿足特定業務需要的工藝文件格式，工藝文件格式可由用戶自由定義，從而可有效保證三維工藝管理中存儲的工藝信息和生產現場采用的工藝文件間的一致性。
5.三維工藝數據向生產現場的發布
在PDM系統與數字化生產制造執行系統之間，AO/FO的結構化信息是以XML格式進行交換，三維CAPP編制完成后，便會在PDM系統中創建工藝規程文件和接口所需的XML文件，PDM中工藝規程新增或更改發布后，PDM通過Webservices將結構化工藝信息、工藝發布結果及相關文件（包括三維動畫、可視化工藝模型、二維工藝簡圖等）URL的鏈接信息傳遞至數字化生產制造執行系統。在生產現場制造過程中，操作者能夠方便快捷的查看工藝發布結果、3D工藝標注信息和拆裝模擬動畫，在直觀的數據環境下進行零件制造和裝配工作。
結束語
目前，哈飛公司基于PDM的一體化三維工藝設計系統已經在新型號上線應用，通過該系統的應用，改變了傳統二維工藝設計與工藝數據管理的理念，實現了新型號設計制造更改過程的一體化、三維工藝數據的結構化、工序和資源的標準化管理。同時，通過PDM系統與數字化生產制造執行系統的集成應用，使三維工藝數據能夠及時、快速、有效地發布到生產現場，指導車間工人順暢完成裝配制造工作。
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本文標題：基于PDM的一體化三維工藝設計
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