PDM主要功能与并行工程

一个典型的PDM系统的体系结构可分为四层,用户界面层、功能模块及开发工具层、框架核心层和系统支持层。如图2.1,整个PDM系统和相应数据库系统都建立在操作系统和网络系统的平台

1.1PDM体系结构
    一个典型的PDM系统的体系结构可分为四层,用户界面层、功能模块及开发工具层、框架核心层和系统支持层。如图2.1,整个PDM系统和相应数据库系统都建立在操作系统和网络系统的平台上,同时与CAD、CAPP、MIS、MRPⅡ等系统共同构成一个大型信息管理系统,有效地对各类信息进行合理、正确和安全的管理。
 
图2.1PDM系统体系结构
 
    (1)用户界面层:向用户提供交互式的图形界面,包括图视化的浏览器、各种菜单、对话框的等。通过图视化用户界面,用户可以直观方便地完成管理整个系统中各种对象的操作,它是PDM系统中最上层。

    (2)功能模块和开发工具层:根据管理目的,PDM系统提供给用户的基本功能的应该有:电子仓库和文档管理、工作流管理、工程变更管理、产品结构及配置管理等。

    (3)框架核心层:提供实现PDM各种功能的核心结构和框架,屏蔽异构操作系统、网络、数据库的特性,实现对数据的透明化操作。

    (4)系统支持层:以关系数据库系统为PDM的支持平台,通过关系数据库提供的数据操作功能支持PDM系统对象在数据的管理。
 

    清软英泰PDM系统覆盖了产品生命周期内的全部信息,为企业提供了一种宏观管理和控制所有与产品相关的信息的机制。一个完整的PDM系统至少包括以下基本功能模块:电子仓库与文档管理(Data Vault Management)、工作流(Workflow Management)和项目管理(Projectand Program Management)、产品结构管理(Product Structure Management)。在所有功能模块中,电子仓库处于核心基础地位,为工作流管理、产品结构管理等模块提供统一的数据存储、查询和共享等服务。它们之间关系如图2.2表示。
 
图2.2PDM基本功能模块关系



 
1.2电子仓库与文档管理
1.2.1电子仓库概念
    电子仓库无疑是清软英泰PDM系统中最基本、最核心的功能,是实现PDM系统中其他相关功能的基础。所谓电子仓库(Data Vault),就是在PDM中为实现某种特定数据存储机制的元数据(管理数据的数据)库及其管理系统。它保存了所有与产品相关的物理数据和文件的元数据,以及指向这些数据的指针。如图2.3所示。
 
图2.3电子仓库
 
    电子仓库的类型有三种:集中式、分布式与虚拟式。集中式电子仓库是将物理数据集中于中心服务器上进行管理,元数据库与存放物理数据纪录的数据库及存放物理文件的文件系统和目录位于同一台计算机上,数据的唯一性得到保证,安全性好。但由于网上用户均需通过远程登录来获取数据,故速度慢,效率低。
 
    分布式电子仓库具有文件系统分布与电子仓库之间互连的特点。同一个电子仓库对应于多个分布在不同计算机上的文件系统和目录;同一个物理数据库可以对应多个不同的电子仓库,并且它们之间元数据共享。这样,在分布式环境中电子仓库与电子仓库之间,以及电子仓库与用户之间能直接进行数据操作,用户无需进行远程登录。
 
    虚拟式电子仓库式在分布式电子仓库的基础上,不仅做到文件系统分布,而且做到元数据库与物理数据库的分布,即只有一个面向全企业的虚拟电子仓库,而实际元数据却分布在多个物理电子仓库中。虚拟的元数据管理与分布式文件管理的实现,使得用户能透明地访问全企业的产品信息,而不用考虑用户或数据的物理位置。
 
1.2.2文档管理

    (1)文档管理的对象
    在产品的整个生命周期中与产品相关的信息是多种多样的。它们包括:设计任务书、二维图纸、三维模型、技术文件、各种工艺文件、合同文本、技术手册等。这些文档分属不同的部门,具有动静态特性。设计部门中的设计规范、标准、技术参数文件等是在设计过程中保持不变的静态文档,而在设计设计过程中生成的零部件二维图纸、三维模型、技术文件、测试报告等属动态文档;工艺部门中,静态的工艺文档包括标准化的工艺数据、工艺规程,而动态工艺文档是指零部件在生产工艺规划过程、装配工艺规划过程中产生的工艺卡、工序卡、刀位文件等。这些动静态文件都是文档管理的对象。按照文档种类进行划分,可以将文档分为文本文件、数据文件、图形文件、图像文件、表格文件。见下表2.1。
 
 
    (2)文档管理的功能
    1)浏览与导航:可按对象属性进行文档查询,即可根据文档的类型、名称、状态、所属的项目、创建日期、所有者等属性进行查询,也可查询该文档描述的零部件情况。可以利用编辑器打开文件,并在权限许可的范围内直接进行修改。
 
    2)分类归档:提供按照不同类型的文档进行分类查询、分类归档,一方面缩短了信息查询的时间,另一方面使得相关产品信息的描述更直观、更清晰。
 
    3)版本管理:在产品设计过程中,经常存在设计修改及产品变型的情况。设计修改将引起材料明细表的改变,进而影响工艺规划,还会带来制造方面的一系列的变化。在这种情况下,如果保证数据的一致性是非常重要的问题。版本管理将文档的每一次变化设置为不同的版本,保证在特定的时间阶段对应特定有效的的数据。
 
    4)安全控制:安全控制是文档管理最关键的要求,文档管理要求能控制数据创建、修改、存储和访问。PDM通过对不同的用户设置不同的操作权限,使得他们在规定的权限下处理规定范围内的文件,保证文档不被非法盗用和修改,从而保证文件在计算机中的安全。同时,将共享的文档放置在共享电子仓库中。此外,还提供定期数据备份的功能。




 
1.3工作流与项目管理
1.3.1概念
    电子仓库实现了对产品数据的管理,工作流与项目管理则是为了实现开发过程管理与控制。工作流和项目管理是定义和控制数据流动的基本过程,管理数据流向,以及在项目生命周期内跟踪所有事物和数据的活动。依据管理范围,工作流和项目管理可分为小范围的设计审批流程管理和涵盖产品整个生命周期的产品开发过程管理。
 
    工作流和项目管理内容包括:工作流管理、项目(任务)管理与历史信息管理。工作流管理是定义并管理产品设计和制造流程,即管理企业产品开发流程模型。不同的企业其业务流程不相同,即使是同一个企业内,不同部门或不同产品其业务流程也可能不同。因此工作流模型必须具有很好的灵活性,方便创建、修改和查询,以适应各个企业自身的组织、经营、管理风格。
 
    项目(任务)管理是针对某个项目(产品)进行任务和资源分派。项目管理必须考虑三个方面因素:其一是工作流模型,即产品开发流程。流程的每个阶段应该对应有特定的任务;其二是资源模型,包括用户、用户组、角色与应用程序等:最后是数据模型,即工作流中涉及到的数据对象类型;依据产品特点进行任务、资源和数据的优化组合是项目管理主要内容。
 
    历史信息管理是管理各项任务的完成情况及其过程记录,便于将来查询。在产品研究开发过程中,往往设定一些阶段性的节点,并归档该阶段相关数据,以便检查各项变更的记录,了解项目演变的情况。
 
1.3.2清软英泰PDM功能

    工作流和项目管理的功能包括三个方面。
    其一,工作流程定义和管理:定义产品开发和数据审批流程,分配流程的用户。在长期的生产实践中,每个企业都形成了自己的产品开发研制工作流程。一般说,新产品首先需要分析市场需求,提出可行性报告,然后是初步设计、样机生产、新产品鉴定等阶段。通过鉴定以后,才能开始定型,批量生产。初步设计阶段,又可细分为原理设计、方案设计、结构设计、审查、工艺设计等阶段。每个阶段都对应有特定任务,要求达到既定目标。
 
    传统的产品开发流程是串行式的,往往是装配设计完了以后才能进行零件设计,零件设计完成以后才能进行工艺设计。设计中的错误只有到样机装配时才能发现。通过工作流程定义和优化,可以在计算机中建立一个并行的工作流程环境。设计人员完成初步设计可以马上提交给所有审查人员,工艺人员也可同时对零件进行工艺分析。一个并行设计的例子是如图2.4b的审批会签流程。在传统的审批流程中(图2.4a),图档在某一时刻只能被一个审批者审查,其他审批者只能排队等待。如果由于某种外部原因,某个审批者未能按时完成工作,整个流程会被耽误:图2.4b的并行审查模式大大改善了这种情况,提高设计效率。
 
 
 
    其二,项目管理:根据项目特点和计划,围绕项目合理组织人员,管理分配所需的各种资源和数据。一个项目的执行涉及到多个组织和人员,图2.5给出了围绕项目进行任务、角色、用户、工具、数据等各种资源分配情况。首先,针对项目要求确定各个阶段的任务,用户分组并定义角色,然后建立用户与角色之间关系。针对角色规定用户职责与权限。

 

    最后定义每个角色应该使用的应用工具及操作的数据类型。工作流程中涉及到各种人员,他们在过程中充当不同角色,被授予的权限也是不同的。例如,只有项目主管才具有修改设计文件的权利:审查人员只能浏览设计文件,附加审查意见而不能修改设计文件;打印人员权限最小,对图纸仅有浏览的权利。项目管理以角色为中心规定工作权限与工作职责,在一定的规则约束下协同工作。
 
    其三,一个严密的管理体系应当能保证每个重要数据都是可跟踪的(Traceability)。企业管理实际也要求用户应有权察看图档操作历史纪录,图档修改历史纪录,任务执行情况和工作进度等信息。此外,还应方便地进行用户登录信息,有关用户操作信息,项目的创建、修改和应用程序执行等信息的查询和统计。
 



 
1.4产品结构与配置管理
    产品结构与配置管理包括产品结构管理和产品配置管理两部分。基本功能应包括:自动产生产品明细表;产品明细表的多视图;产品文档的查询;系列化产品结构的视图管理;与制造资源计划(MRPII)或企业资源计划(ERP)的集成、支持规则驱动配置等。
 
1.4.1产品结构管理
    设计生产活动是以产品为中心组织的,与此相对应所有设计生产数据也是以产品为单位组织的。一个产品由部件组成,一个部件又是由零件按照特定的装配关系组装起来的。由此形成了分层树状结构,称为产品结构树。产品结构管理主要指产品结构层次关系管理,及管理零部件基本属性。每个零件、部件对象都有自己的属性,如零部件的标识号、名称、版本号、数量、材料、类型(自制件还是外购件)、创建的时间日期、设计者、审核人等等。零部件有了属性,就可以按照单个或多个属性进行单独或组合查询。
 
    另外,通过建立零件与部件间的关联关系可以建立产品的层次关系。产品结构树在任务的执行过程中不断被丰富,各个节点存放有设计任务书、产品图纸、工艺规程、计算说明书、工装图档等技术文档,便于不同需求的用户快速访问。用户可以根据产品类型、子类型、产品、部件、组件、零件等来定义和修改产品结构树,并将产品结构数据存放到数据库中。图2.6给出了一个产品结构及零部件属性的示例,表示了零部件之间的层次关系和每个节点的属性。
 
图2.6产品结构树层次关系
 
    产品结构树完整地定义了产品所有零部件设计信息,从所有零部件属性中就可以得到完整的产品明细表(BOM)。在企业中,不同部门需要的产品信息是不同的。产品BOM信息在其生命周期的不同阶段也具有不同内容,形成了产品结构的多视图。如产品在生产阶段是按零件类型如轴类、箱体类等不同类型组织生产的,这时的BOM是制造视图:产品在计划部门BOM则表达了哪些是标准件,哪些是外购件,需要什么材料,归哪个车间生产,此时是BOM计划视图。从任何一个视图应该能访问到产品的所有数据,而且应保证不同视图的BOM表的一致性。
 
1.4.2产品配置管理
    特定条件下的产品结构称为配置,其中条件成为配置条件,各种不同配置条件形成产品结构的不同配置,称为产品结构的配置管理。PDM系统通过有效性和配置规则对系列化产品的不同配置进行管理。
 
    有效性分为两种:结构有效性和版本有效性。结构有效性指的是某种零部件在某个具体装配中是否被选用,数量是多少,而版本有效性指的是对零部件不同版本的选择。产品配置规则也分为两种:结构配置规则和可替换件配置规则。结构配置规则与结构有效性类似,控制的都是零部件在某个具体产品的数量:可替换件配置规则控制的是可替换件组中零件的选择。配置规则是由事先定义的配置参数经过逻辑组合而得到,用户可以通过选择配置变量的取值得到同一产品的不同配置。图2.7表示了电冰箱系列产品的不同配置的例子。
 
图2.7电冰箱不同配置



 
1.5并行工程概念与特点
    越来越多企业配备了CAD、CAPP、CAM等应用系统,产品设计周期缩短和设计质量的提高为企业带来了显著的经济效益。然而,技术进步与管理水平提高并没有同步进行。虽然企业开发手段采用了计算机辅助技术,但在产品开发模式仍沿用传统模式的情况下,CAX系统仅仅起到绘图工具的作用。逐渐人们认识到,企业的信息化进程必须超越简单的技术层面,在产品开发思想、模式及管理手段上引入新思维。近几年出现的产品设计并行工程思想是企业适应激烈市场竞争的有力手段。
 
    在讨论并行工程之前,首先分析一下传统的产品开发模式的特点。长期以来,产品开发过程是一个类似流水线的串行过程,即所谓的“各部门抛接”的方式。表现为以部门为单位,产品设计总是从一个部门递交给下一个部门,各个部门对产品数据根据各自的需要进行修改。部门的专业人员彼此孤立开来,信息不畅,难以交流。前一个环节任务完成之后才能开始下一个工作环节的作业。
 
    鉴于人工管理的方便,各环节作业在空间和时间上不能有重叠。比如在设计环节还没完成好的情况下,工艺设计环节的人员没有办法得到设计文档的副本。即使得到了文档副本,由于文档仍处在不断修改中,在缺少技术手段前提下,它的每一次修改产生的变化不可能及时传递到工艺人员那里。
 
    这种不一致最终会导致设计与其工艺的脱节。图2.8表示了传统的串行设计过程及其反馈。显然,这种设计方法使得设计人员不能在产品的早期设计阶段就考虑后继阶段的可制造性、可装配性、工艺性等多种因素。如果在后继阶段出现问题而返回到设计阶段的话,从图中可以看出,反馈的跨度大,修改的工作量大,造成产品开发周期长,开发成本高。
 
图2.8串行设计过程
 
    图2.9的统计数据表明,占实际成本3%的概念设计阶段确定了70%的产品总成本。从中可以得出结论:产品的概念设计和开发阶段决定了产品大部分成本,而概念和开发阶段本身只占产品开发成本的极少一部分。因此人们认识到,在产品周期尽可能早的阶段做出正确决定对整个产品的生命周期、成本有极大的影响,此时对产品的修改只发生很小的修改费用。
 
图2.9产品开发各阶段对成本影响
 
    并行工程(Concurrent Engineering,简称CE)就是把新产品的概念设计、性能描述、开发、制造和维护等过程融合起来,在产品开发初期就综合考虑产品的可制造性、可维护性、可测试性。它的目标是,提高新产品开发全过程(包括设计、工艺、制造、销售服务等)中的质量,降低新产品整个生命周期中的成本(包括产品设计、工艺、制造、发送乃至产品报废等),缩短产品研制开发周期(包括减少设计反复,降低设计生产准备、制造及投放市场的时间)。
 
    并行工程思想从全局优化角度出发,对产品整个开发过程进行集成管理和控制。并行工程要求企业产品开发队伍组织,既不能按传统的部门划分,也不是按专业分工,而是以产品为核心,组织多学科产品开发小组(Team Work),把人、管理、技术三方面结合起来,在企业异构的计算机环境中,网络数据库支撑下,运用多种应用工具协同完成一个具体产品的设计任务。
 
    有关文献将并行工程的特点概括为4个“C”:并行性(Concurrence):产品和工艺过程设计在同一时间框架内平行进行。约束性(Constraints):将过程约束引入产品设计,简化制作、运送和装配,降低成本。协调性(Coordination);协调产品设计过程,获得成本、质量和交货时间的最佳匹配。一致性(Consensus):产品和过程设计的重大决策,建立在全组成员意见一致的基础上。图2.10是基于并行工程思想的产品开发流程图。
 
图2.10并行开发过程
 
    作为现代制造技术的发展方向,并行工程日益受到各国工业界和学术界的高度重视。经过近十年的发展,并行工程的方法和技术逐渐在国外的航空、计算机、汽车、电子等行业获得成功应用,取得了显著的效益。例如在80年代中期,惠普公司建立的一套程序在5年内使其产品质量提高了1倍。我国863主题也把并行工程列为重要的研究课题之一。




 
1.6实现并行工程关键技术
    并行工程思想对企业传统管理策略提出了新的挑战。为了适应并行工程的并行性、集成性及信息共享特点,企业必须采取多种有效措施,建立新的并行化协调工作环境。实施并行工程强调两个方面:一是基于专家小组(Team Work)的并行管理方法;二是在计算机坏境中建立并行设计方法。
 
    前一种方法针对企业组织与管理手段,要求企业各机构部门按照并行工程的要求做出调整,打破传统以部门为单位,行政分割的管理制度。围绕产品组建由多部门,多学科专家参与的产品开发小组,同时企业相关管理人员、管理制度和管理手段相应调整。这是并行工程中非技术层面的,但却是非常重要的一个方面。
 
    后一种方法是并行工程中技术层面的方面,强调将各个领域知识构成的专家系统、产品数据库和CAX应用系统有机集成起来,通过设计过程的有效组织、管理和控制,提供技术手段保证设计过程的并行化,协调冲突、共享产品信息。帮助设计人员在早期设计阶段综合考虑到产品生命周期中的功能、可制造性、可维护性等因素,力求使产品设计与其他相关过程互相匹配一致,提高产品设计的一次通过率。
 
    实施并行工程的关键技术有:
    (1)建立企业分布式环境。采用计算机网络进行相互通讯与资源共享。各个部门人员在各自计算机上独立工作。每台计算机可以有自己的面向对象工程数据库,也可以访问其他计算机上资源请求帮助或提供咨询,网络共享开放式数据库。
 
    (2)统一的产品数据模型。使产品数据模型成为各个部门人员交流和理解的共同语言,实现产品数据描述的完整性、‘统一性和一致性,从根本上保证工程数据一体化。产品数据模型为不同领域人员之间实现信息共享和交换创造了条件。
 
    (3)开放式平台。它是系统与外界进行信息交流的基础。实现多介质信息处理,人机界面友好,具有的多媒体功能使各个部门信息交流更加直接和形象生动。
 
    (4)智能过程控制。系统应具有调度各设计进程并协调设计冲突的能力,控制各个用户对产品数据的操作权限,系统应使小组参加人员感知其他人对产品数据做出的修改,当设计人员对产品数据作修改时,修改结果也应通知所有相关人员。这其中就存在产品数据修改并发控制和协调冲突的问题。系统还应对设计进行评估,指出存在的问题,提出应能达到的改进目标。
 

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