面向航空发动机模具的PDM应用实施

http://www.paper.edu.cn面向航空发动机模具的PDM应用实施∗郭永辉，莫蓉(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072)E-mail：[e-mail]摘要：针对我国航空发动机模具的特点及其在设计、生产中存在的问题进行分析，研究了基于PDM系统的构建和应用，对系统的数据和流程管理方法进行了详细的阐述，并给出了应用实例。关键词：PDM；模具；应用实施1．引言航空发动机模具是发动机生产中重要而特殊的工艺装备，其设计和制造过程占整个发动机设计制造周期的30％，对发动机的制造质量、生产周期、制造成本产生直接影响，并且具有结构形状复杂、种类多、批量小、设计制造质量要求高的特点。因此如何提高模具的设计、制造质量，缩短其设计制造周期是当前必须尽快解决的重大瓶颈问题。国外发动机公司在发动机的并行设计过程中，在产品设计阶段就展开了模具设计活动，进行可制造性分析，从而大大缩短了产品的生产准备周期。另外，在发动机主模型技术、性能仿真、多学科设计和快速原型仿制方面广泛采用数字化技术，采取并行设计团队的形式开发新产品，采用PDM管理发动机全生命周期内的产品数据和流程，取得显著效益。]1[]2[与国外模具设计相比，我国的模具设计主要存在以下问题：(1)数字化模型的管理不规范：目前虽然采用了CAD/CAM系统，但是从产品零件模型到模具设计模型、制造模型的管理，基本上处于用户自己的文件管理下，没有统一在PDM下进行模型管理，造成模型的数据各自管理，各自使用，即“信息孤岛”问题；(2)设计过程不规范：模具设计依赖于设计经验，缺乏对模具设计经验的总结与提炼，设计流程没有详细分析和优化；(3)缺乏模具设计分析工具：现有的模具设计大多数凭借已有的知识，没有采用仿真工具对模具设计质量进行分析；(4)缺乏设计过程的并行性和协同性：目前的设计基本上是串行设计，未形成基于并行设计的项目团队的组织模式，产品模型的签署、发布、更改流程尚未统一在PDM管理下进行有效优化。因此，本文针对PDM环境下模具的协同设计与制造问题，研究了以主模型为核心的模型管理方法，对航空发动机模具的数据管理和模具设计制造流程的建模、优化与管理方法进行了探索和研究。∗本文受航空科学基金（05H53080）资助1http://www.paper.edu.cn2．PDM应用实施整体框架PDM系统管理所有与产品相关信息，包括产品规范、电子文件、CAD文档、扫描图像、1http://www.paper.edu.cn审批信息等；还管理与规范跟产品相关的过程，包括工作流程、图纸审批与发放、工程更改等，从而实现基于单一数据源的产品全生命周期的数据管理与共享。虽然PDM软件的功能越来越丰富，但目前企业实施PDM还是主要集中在其基本功能上，包括文档管理、人员组织管理、产品结构与配置管理、工作流程管理以及应用集成与封装等。TeamcenterEngineering是EDS公司提供的基于WEB的完整的协同产品解决方案，是包含众多复杂模块的软件包。通过对其系统功能和层次结构的分析和研究，可以分为四层，如图1所示：图1PDM系统整体框架其中系统服务层为以TCP/IP协议为主的各种异构网络环境提供支持；核心服务层提供面向对象的数据模型的描述与实现，以及各种应用接口和技术服务；应用服务层实现PDM的各种功能，包括：文档管理、产品配置、工作流管理及项目管理等；系统集成层则实现了与其他系统的集成，并可进行二次开发。本项目根据企业具体情况，采用Oracle数据库作为数据库管理平台，并对相应的软硬件系统进行相应的配置。3．航空发动机模具的数据管理3.1人员组织管理模型人员组织管理模型也称为组织-角色-权限模型，它规定了PDM实施范围中的人员组织、角色、操作权限及操作命令表，是设置PDM工作环境的基础。]3[本项目中的工作组包括综合办公室、质量控制室、技术部和生产部，角色分为设计员、工艺员、项目主管、主任及技术工人。根据不同的角色和项目，设置其相应的操作权限，以保证数据的有效性和安全性。PDM中的角色定义还可以根据实际需要进行相应的调整，一个成员也可以同时拥有多个角色。3.2产品数据组织PDM实施的目的就是为了对产品在设计生产过程中的数据进行科学有效的管理，从而实现“在正确的时间把正确的数据传递给正确的人。”PDM中的数据包括所有与产品相关的数据和设计、生产、支持产品的过程。这些数据定义不同，经常存在许多版本，有多重关系2http://www.paper.edu.cn和语义。要对产品数据进行组织，就要建立产品数据组织的模型。采用产品结构树作为数据组织和管理的框架，是PDM系统数据组织的主要方式。产品设计的过程，也就是产品结构生成的过程。通常通过产品结构树对产品结构进行描述管理。在产品结构树中，零部件按照它们的装配关系组织起来，用户将产品定义数据与零部件关联起来，最终形成对产品结构的完整描述。通过产品的结构关系保证产品数据的逻辑关联性。在产品设计过程中，随着任务的分解细化，产品结构树在不断生长。将设计过程中的信息进行提炼，从而形成完整的产品结构树。产品结构管理模型如图2所示：图2产品结构管理模型航空发动机模具设计加工过程涉及的信息数据数量巨大、种类繁多，包括生产任务信息、叶片产品模型、叶片毛坯、工艺流程、模具文件、工装目录、质量记录、产品交付单等，其格式有文本、图片、表格、二维和三维CAD文件等]。某航空发动机叶片模具的产品结构树模型如图3所示，图4为在Teamcenter中建立的本产品的产品结构树。另外，通过相应的权限控制，实现对模具相关数据的分类管理，项目组成员对需要的文件的可以快速检索、浏览及批注，而不必关心文件的具体物理位置。4[以后的改进和改型设计都可以在已有的产品模型和配置基础上进行，从而充分利用已有知识，缩短研制周期。图3某航空发动机叶片模具的产品结构模型3http://www.paper.edu.cn图4叶片模具在Teamcenter中的产品结构树4．模具设计与制造的流程管理流程管理的目标是实现对产品设计和修改过程的相关数据进行跟踪与控制，是PDM系统的重要基本功能之一。Teamcenter提供的流程管理包括工作流管理、更改管理和新产品开发的管理。流程管理涉及到许多部门和人员，还受到传统工作习惯的影响，因此，在流程管理的实施过程中，首先要对流程进行详细分析，建立合理的数据发放模型，实现对数据的提交与修改、管理和监督、文档的分布控制、自动通知等，还要对已有流程进行评估优化，剔除其中的冗余环节，确保数据流向的正确性和高效性。流程管理是指某对象在一定的规则约束下从一种状态向另一种状态转化的过程，即从不确定的状态变为确定的状态。为了进行有效的流程管理，必须建立一个结构化的过程模型，来描述个过程步骤在逻辑上的串、并行关系。因此，必须首先确定相关的过程步骤，并将它们抽象成基本的任务单元，通过对这些基本单元的有机连接来构建不同的产品开发过程，比如设计、审批流程、更改流程等。把每一个过程步骤与功能对象也要与执行或接受这项任务的用户、组、角色相关联，从而建立流程模板。系统的流程管理模型主要包含5个方面：（1）流程名称及适用范围；（2）流程中工作阶段的数量，先后次序及返回逻辑；（3）每个工作对应阶段的人员、角色、表决模式；（4）在每个工作阶段开始或结束时需要完成的特殊任务；（5）流程中每个工作阶段所对应的版本变化规则。在Teamcenter中，流程管理的目标对象可以是文档或零部件。文档包括任务书、表格、设计文档标准等，零部件是数字化模型，包括图形、图像等。建立流程模板后，指定每一步骤的具体执行人，提交对象进入流程，流程开始执行。当对象处于流程中时，其他用户不能对文件进行编辑修改，可以查看其目前所处的步骤和状态，包括提交、等待审查及已发布，用不同颜色和形状的图标表示。当流程结束，文件发布后，任何用户对文件只能浏览。图5是在Teamcenter中对工装设计申请和模具设计流程的并行管理图：4http://www.paper.edu.cn图5工装设计申请和模具设计流程上图的流程中包括编制工艺规范子流程、模具设计子流程、工装设计申请子流程等三个并行的子流程，利用多个并行流程同时进行工作，解决手工方式串行的问题。5．结束语本文针对某航空发动机叶片模具的设计、生产，在Teamcenter的基础上构建了数据管理体系和应用实施方法，并详细论述了产品结构管理和工作流程管理的实施过程，实现了基于单一数据源的数据组织、管理和控制，保证了数据的有效性和高效性，缩短了研制周期。参考文献[1]童秉枢，李建明.产品数据管理(PDM)技术[M].北京：清华大学出版社，2000.[2]庞士宗，肖平阳等.产品数据管理(PDM)[M].北京：机械工业出版社，2001.[3]万立，关卫林，熊体凡等.PDM权限管理模型的研究与实现[J].机械与电子.2004.11[4]白永红,王泽玉,邱晞．飞机制造企业PDM的组织和实施[J]．航空制造技术,2004,6:87~91-6-http://www.paper.edu.cnApplicationandimplementofPDMforAeroengineMouldGUOYong-huiMORong(ThekeyLaboratoryofContemporaryDesignandintegratedManufacturingTechnology,MinistryofEducation,NorthwesternPolytechnicUniversity,ShanXiXian710072China)AbstractInordertosolvetheproblemsoftheaeroenginemouldinitsdesignandmanufacturingprocess,thesystemarchitectureandapplicationbasedonthePDMsystemisstudied.Thenthedocumentmanagementandtheworkflowmanagementispressedindetail.Aninstanceaboutitisillustratedatlast.Keywords:PDM；mould；applicationandimplement作者简介：郭永辉(1982-)，男，山东莱阳人，西北工业大学机电学院，硕士研究生，主要研究方向：PDM/CAPP/信息化工程技术；E-mail：[e-mail]莫蓉(1957-)，女，湖南常德人，西北工业大学机电学院，教授，博士生导师,主要研究方向：协同设计/PDM/CAD/CAM。-6-