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支持快速产品设计的PDM应用研究
2006-10-26 10:49:23  作者:  来源:《CAD/CAM与制造业信息化》 2005-02

在各种新技术快速发展的今天,知识的更新速度超过以往的任何时候。快速响应市场的需求,准确把握客户的需求,以最好的产品一次性满足客户的需求是对产品设计制造企业最大的挑战。快速的处理大量复杂的信息必须借鉴信息化手段,也正是信息技术的巨大进步使我们借鉴已有的经验、模拟产品的生产制造过程成为可能。PDM作为技术信息化的集成平台,充分利用其管理的庞大的技术信息功能,设计师在设计的同时即能够得到工艺、制造和客户需求方面的信息,无疑会提高产品设计的一次性成功率,达到快速设计产品的目的。

    一、快速产品设计以各种新技术应用为前提

  快速产品设计作为一种现代的设计思想,运用现代先进的管理思想和信息技术结合起来加速产品开发设计过程。他以PDM(Product Data Management)的数据管理为平台,集成三维CAD、CAPP和CAM应用,运用RPM(Rapid Prototyping Manufacturing)技术,让设计师在设计过程中,广泛地参照已有的定型产品和成功的设计经验,互动产品的可制造性、可装配性、可测试性信息,减少设计过程中不必要的返工,力争产品一次性设计成功。

  快速产品设计的实现以产品数据管理PDM为基础。PDM是一种帮助工程师和其他人员管理产品数据和产品设计过程的工具,它确保跟踪设计、制造过程所需的大量数据和信息,并由此支持和维护产品。PDM包含工程数据管理EDM(Engineering Data Management)、文档管理DM(Document Management)、产品信息管理PIM(Product Information Management)、技术数据管理TDM(Technical Data Management)、技术信息管理TIM(Technical Information Management)、图像信息管理IM(Image Management)、工作流管理WM(Workflow Management)、项目管理PM(Project Management)、配置管理CM(Configure Management)等。PDM是一种基于数据库的软件技术,是集成管理所有与产品相关的信息和相关过程的数据平台。换句话说,PDM是一种信息管理框架,通过这个框架,集成了所有产品设计的各个应用软件。

  三维CAD技术是目前高速成长企业普遍采用的技术手段。三维CAD技术涵盖了产品概念设计,零件造型,组件装配,渲染,力学模型,结构分析,数控加工等一系列活动,结合Top-Down设计方法和数据管理系统,实现优化设计和协同设计。利用三维CAD图形功能,设计师可在计算机屏幕上模拟出所设计产品的外形状态,在设计之初就对产品进行优化,不但可使产品具有优越的品质、最低的消耗和最漂亮的外观,而且在新产品试投产前,就可以对其制造过程中的结构、加工、装配、装饰和动态特征做到恰如其分的分析和检验,从而提高了产品设计的一次成功性[1]。

  快速原型技术RPM是以离散/堆积原理为基本特征,将零件的电子模型按一定方式离散,成为可以加工的离散面、离散线、离散点,而后采用多种手段,将这些离散面、离散线和离散点堆积成零件的整体形状。这种工艺不需要专用工具,工艺规划简单,制造速度比传统的方法快得多[2]。在设计过程中引入快速原型技术将进一步直观体现设计实物,从而形成感官上的触觉,进而对设计结果进行验证。原形RP(Rapid Prototyping)对与供应商和客户沟通更是有利的工具,它可以避免对图纸信息理解的不一致。模具用户和供应商之间可以用RP(Rapid Prototyping)进行沟通和确认,可以加速模具设计进程及迅速确定模具制造工艺,避免因理解误差造成的修模、返工乃至失败的风险。原形即首版的制作,已成为国外产品开发中不可或缺的程序,也成为供应商争夺订单的有力工具[3]。采用RP技术制造新产品的概念模型,用于展示产品的整体概念、立体形态和布局结构、结构检查、装配干涉检查、静、动力学实验,原形具有与产品相同的特征和性能,实现了产品的快速制造,将快速原形制造技术引入产品的设计过程中,大大缩短了产品的开发设计周期。

    二、应用模式

    支持快速产品设计的PDM应用模式如图所示(图1)。从图中看出,整个设计过程(包含设计、工艺、制造、客户需求)的数据交互中心是PDM,各个设计单元与PDM是适时在线的。PDM将设计的最初信息同时对各个部门发布,工艺、制造、客户需求提出反馈信息,设计部门根据反馈信息及时修改设计结果,完成后通过PDM再发布新的设计结果。经过这一系列的高速发布——反馈环节,使设计的一次性成功率显著提高。

    在各个软件系统的选型和建设上,PDM要具备先进的管理思想和足够的成熟度,因为其管理的是企业生存发展的技术数据信息,必须选择已商品化的PDM软件。实施PDM,要注重引入先进的技术管理思想,促进技术管理能力的提升。三维CAD、CAPP软件目前成熟的较多,选择的范围相对较大,作为应用软件,主要是满足企业的产品开发功能需求,注重和相关软件的集成效果。



图1 快速产品设计方法框图

    三、关键技术

    1.三维产品数字化

    三维产品数字化是使设计信息能够快速准确传递和复制使用的前提。在概念设计阶段,设计师在头脑中构想的产品影像可以通过三维造型软件描述出来,首先确定其功能结构和外观,然后通过详细设计,结合相关的设计标准和加工工艺手段,绘制可用于加工的设计结果。

    三维产品数字化后,工艺和制造及客户在接受设计成果时,有了直观的产品感受,直接使用CAE(Computer Aided Engineering)技术,进行有限元分析及机构的运动学和动力学分析,使用VM(Virtual Manufacturing)技术进行制造模拟,对设计结果进行验证,从而加速产品的设计过程。目前先进的制造和加工技术CAD/CAM(Computer Aided Manufacturing)、RPM都需要产品的三维设计数据。

     2.系统的集成

    (1)三维CAD与PDM的集成

    三维CAD软件与PDM之间的集成可以通过二次开发实现,也有成熟的接口模块可购买。如Smarteam自带API开发工具。UG用一个内嵌的模块SmartUG,用于和Smarteam之间进行集成,设计师在UG软件界面下,可以直接登录PDM系统,管理零件、工程图和装配体,进行协同工作。Winchill和Pro/e之间则实现了无缝集成。

    (2)CAPP与PDM的集成

    计算机辅助工艺CAPP(Computer Aided Process Planning)与PDM的集成一般根据CAPP软件的特点而分为两种方式:①数据库集成方式②中间件方式。第一种方式侧重于CAPP本身的工艺规程是以产品零件为对象存放在数据库中记录,第二种方法侧重于CAPP产生的工艺规程是以文件方式存放的。

    CAPP与PDM集成的主要内容有:设计信息集成,企业资源管理器集成,文档集成,权限和工作流集成等。

    (3)CAD/CAM的信息集成

    CAM主要使用零件在三维设计完成后生成的NC加工程序,它有专门的标准和编码规则。在和PDM集成过程中,主要需要注意三维数据在进入PDM系统之后,确保零件三维模型、结构关系、二维图档、工作文档、处理文档等相关信息的关联关系,以支持设计信息被修改后,相关信息的自动更正。

    3.信息安全

    快速产品设计的实现以计算机技术和网络通讯技术为依托的。设计、工艺、制造和客户需求一般是各个工作小组在异地采用了各种客户端来完成的,信息的交互中心是PDM。信息安全的一个要求就是协调各个工作用户发布信息、接受信息和修改信息,保证整个工作组的每个用户能够在共享的环境下协同工作,共同完成产品设计任务。

    信息安全的另外一个要求是信息状态转移安全,保证信息传输过程不发生信息缺失,以及流入正确的对象,信息不被威权篡改,同一信息在异地不会出现显示差异。

    四、支持快速设计的PDM应用举例

    第四石油机械厂从1985年开始以SUN工作站和Pro/e软件建立三维产品数字化平台,2000年和华工开目合作建立CAPP软件系统,2001年和清华同方合作,建立了PDM系统,2003年以局域网为依托建立了DNC网络,将CAD、CAPP、CAM以PDM为中心集成起来,加快产品设计开发速度。

    (1)三维产品数据以设计为源头,贯穿工艺、制造和客户服务全过程; 设计人员建立了5000米快速钻机的三维数字模型,如图2,PDM系统用户即可对该产品有直观的感受。分析工程师依据模型进行关键部件的受力分析和运动分析,如图3,反馈分析结果,设计师对模型作修正后再发布新版本的数字模型。在这个阶段,工艺、制造和客户等部门也会通过PDM浏览模型并反馈意见。



图2 数字模型

图3 应力分析

    根据最终的设计结果,PDM会产生出设计BOM和制造BOM,将设计结果在制造过程中进行实际验证。实践证明,由于这种方式给了相关参与人员全面的感受和交互的平台,整个的设计过程相当流畅,产品一次性开发成功率极高。

    (2)以PDM权限管理为依托,实现了设计、工艺、制造信息的集中管理和全面共享,保障信息安全。PDM的用户管理、权限管理和安全日志管理模块以用户名为对象,将系统中的各项信息记录同样以对象管理,并以版本支持修改,而对象被修改时会被系统自动锁定。通过命名管道的方式实现数据记录在网络上的传输,确保数据安全。

    (3)结合PDM系统的项目管理功能,将产品设计活动作为设计项目进行管理,通过任务分解,建立各分任务的负责人和工作计划。设置项目监督人员,协调项目中的资源配置,促进团队协作。项目完成关闭后,可以对整个项目进行评估。

    2004年,仅以三个月的时间,第四石油机械厂即成功开发了180吨电驱动海洋钻修成套设备、4000米电驱动模块钻机和5000米快速钻机。

    五、结束语

    以快速产品设计为目标,运用PDM的数据管理功能,集成相关应用系统,形成 设计、工艺、制造、客户需求的快速交互,实现技术信息的及时发布和信息反馈,联动相关资源。在市场竞争日益激烈的情况下,这种应用模式必将提高制造企业响应客户需求的速度,从而增强企业核心竞争力。随着信息技术和安全技术的发展,未来可进一步拓展PDM的协同功能,利用Internet,实现虚拟设计团队和虚拟工厂,为企业建立全球的快速设计和生产制造体系。

作者系第四石油机械厂   长江大学机械工程学院  许昊
      长江大学机械工程学院  杜镰

 



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