PDM的多模式集成CAPP系统

在分析PDM的功能和特点的基础上结合其具体应用背景讨论基于PDM的系统集成框架提出基于PDM的多模式集成CAPP系统的体系结构并介绍其实现方法。通过该方法建立的CAPP系统不仅可实现对工

摘要:对基于PDM的多模式集成CAPP系统进行研究。在分析PDM的功能和特点的基础上结合其具体应用背景讨论基于PDM的系统集成框架提出基于PDM的多模式集成CAPP系统的体系结构并介绍其实现方法。通过该方法建立的CAPP系统不仅可实现对工艺设计过程的管理而且可以实现各个单元系统的无缝结合为并行工程的实施提供了可能。

    从1965年Nibel首先提出CAPP概念到今天,CAPP已经由早期简单的检索式系统发展到智能化的CAPP专家系统。同时,CAD/CAM等单元技术也在高速发展。但在企业应用实践中,设计与制造“孤岛”现象仍然存在,大量的工程设计和制造信息无法共享与传递。因此CAPP系统的研究与开发应面向企业多样性的产品对象,结合使用各种工艺设计方法,以制造资源为背景,充分发挥并行设计的作用,走集成化CAPP发展的道路。
 
    PDM技术的兴起为产品的开发和制造提供了一个并行协作的环境。基于PDM平台的CAPP可以充分利用PDM的强大功能,实现工艺设计过程控制以及与其他应用系统的集成。




 
1 基于PDM的集成框架
    在产品开发的过程中,需要使用多种CAx工具,实时处理变化的数据信息。但是,不同的CAx系统有着不同的数据和行为,数据难以共享,过程难以并行。这就要求有一个能对各个单元系统集成的应用集成框架,实现信息、功能和过程的集成。
 
    PDM技术是在数据库基础上发展起来的数据管理技术。它能有效地将产品数据从概念设计、计算分析、详细设计、工艺流程设计、加工制造、销售维护至产品消亡整个生命周期内及其各阶段的相关数据,按照一定的数学模式加以定义、组织和管理,使产品数据在整个生命周期内保持一致、共享及安全。
 
    PDM以网络和分布式数据库技术为基础,在保证产品数据源的单一性、产品数据的安全性和完整性的前提下,通过中性接口。提供了对各种异构环境的支持,同时又通过面向对象的方法为用户定制或二次开发提供了开发工具或接口。
 
    作为信息集成平台。PDM系统能够方便地实现各种应用程序的封装。在PDM集成平台下,各个单元系统不再直接进行数据信息交换,它们共享一个统一的数据库。对数据库的操作都是在PDM系统的屏蔽之下。由于共享一个统一的数据库。CAPP和其它单元系统之间的数据交换可以不再依赖于开发专用接口,只需要通过PDM对共享数据库进行操作。CAPP的设计对象可以从数据库中CAD系统产生的产品结构树中获得,经过CAPP系统工艺规划,将工艺BOM存入PDM数据库中,以供工艺设计和生产管理用。基于PDM的集成框架如图1所示。
 
图1 基于PDM的集成框架
 
    在集成系统中。PDM为产品数据及过程管理、并行化设计、CAD/CAPP/CAM等单元系统的集成提供了必要的支撑环境。其主要功能包括:

    ①提供产品相关信息及权限控制;

    ②提供产品相关信息的统一管理;

    ③提供对各个应用工具的封装;

    ④对企业组织和工作流程的管理。




 
2 基于PDM的多模式集成CAPP系统的实现
2.1 CAPP系统体系结构
    CAPP系统体系结构的设计原则源于制造业应用的需求。CAPP系统体系结构的研究是结合现代化计算机技术的特点对工艺规划过程本身的更高层次的组织和抽象。它强调共性,不只是针对一个或几个具体的CAPP系统。而是力图建立通用的能够适应大多数应用环境的系统框架。目前,关于CAPP体系结构的研究都是针对特定的设计对象或制造环境而进行的,普遍缺乏通用性和开放性。采用PDM作为系统集成的框架确定的CAPP体系结构图如图2所示。
 
图2 基于PDM的CAPP系统的体系结构
 
    在这个体系结构中。共分为6个层次:底层开发环境、集成框架层、核心层、功能实体层、模块集层和应用系统层。

    ①底层开发环境层包括了操作系统、数据库管理系统、网络环境和其它支撑软件。

    ②集成框架层是指PDM支撑环境,PDM不仅提供对工艺设计结果及资源的统一管理,而且实现了对工艺设计过程的管理与控制,而且对CAPP与CAD/CAM的集成提供了支持。

    ③核心层包括了产品信息模型、工艺决策模型、工艺设计过程模型、DFM评价模型、制造资源模型和组织信息模型,它是系统设计和运行的基础与保障。

    ④功能实体层把工艺设计中的功能实体分为通用功能实体、部分通用功能实体和专用功能实体。通用功能实体不用修改可直接应用于不同CAPP系统,部分通用功能实体经过较少的改动即可应用于不同的CAPP系统。

    ⑤模块集层包含了由所有功能实体最终所形成的模块单元(构件),它们具有较高的信息内聚性,便于软件的继承和重用。

    ⑥应用系统层是通过不同的软件模块拼装后形成不同的应用系统,如:检索式CAPP系统、派生式CAPP系统、创成式CAPP系统等。实践表明,无论是检索式、派生式、还是创成式,单一模式的CAPP系统己经不能满足企业的要求。因此需要根据CAPP各模式的特长,开发多模式的、集成的CAPP系统。


2.2 系统分析与设计
    多模式下的CAPP系统集成了多种工艺设计方法,它可根据产品的不同类型采用适合的设计方法。进行工艺规程设计。其工作流程是:CAPP系统通过PDM系统从CAD系统获得零件信息。然后将零件与实例库中的零件进行比较,找出相似的零件。并自动对标准工艺进行增、删、改,形成该零件的工艺规程。
 
    如果没有匹配的实例零件,可以采用创成的方式,形成零件的新工艺。对于生成的工艺文件,可利用系统提供的各种交互式工具进行编辑修改。最终的工艺文件置于PDM系统下。进行数据的统一管理。同时,工艺评价系统对新工艺进行评价。在达到一定指数后可成为新的实例工艺保存入实例库,以实现实例库的扩充。
 
    机械零件工艺设计过程是一个复杂的过程,其推理策略、工艺知识的种类和形式随着零件类别和加工环境的不同而产生很大差异。然而不同的零件。其设计过程大致是一样的,将机械零件的工艺设计过程分解为以下几类子任务:零件信息获取、实例推理、加工方法推理、加工方法选择、机床选择、刀具选择、切削参数确定、定位面选择、工装选取、夹紧方案设计、工序排序、工序尺寸计算、工序图绘制、工艺卡片模板定制等。
 
    各个子任务由不同的功能构件完成。功能构件是独立、可重用和可互操作的软件单元。它是在开放分布式环境里组装、分布、移动和维护的基本单位,对它的设想来自硬件IC(integrated circuit,集成电路),来自不同厂商的IC可以组合起来形成具有一定功能的模块,支持灵活的即插即用功能。软件构件可以看作是软件IC。可以方便地插入到各应用系统中工作。
 
    采用功能构件的组合构造的CAPP系统,缩短了CAPP系统的开发周期,使系统很快就可发挥效益。在该系统中,功能构件由一个或多个模块构成。在模块化和软件重用的思想指导下,将CAPP模块划分为通用模块、半通用模块和专用模块。通用模块不依赖具体的PDM软件,如工艺卡片模板定制等;半通用模块是指模块的分解与PDM无关。只是由于PDM软件平台提供的实现形式不同而导致语句级上的差别,如工艺数据库的构造和管理;专用模块则完全依赖PDM的具体实现,如工作流程的实现。
 
    在产品开发的各个阶段,都以产品为最终研究对象,但由于各自研究内容不同,采用了不同的产品信息模型。正是这种各异的产品信息模型导致各个单元系统之间难以进行数据转换,造成前文所述的“孤岛”现象。因此,采用特征建模技术产生一个为所有产品开发环节均能共享的产品信息模型。该产品信息模型不仅仅包括工艺信息,还包括设计、制造、销售等信息,它存在于产品的整个生命周期,能为产品开发的各个阶段所接受。基于该产品信息模型下的集成系统能够方便地实现各个单元系统信息共享和交换。
 
    制造资源为各种工艺决策、生产调度、FMS系统提供具体数据。不同的企业。其制造资源各不相同。即使同一企业。在不同的生产阶段,其制造资源也不完全相同。为适应资源的动态变化。提出建立资源管理子系统。通过对制造资源的重排、重复利用和元素的更新。可以实现以较低的重组成本快速地调整制造过程的功能。在该子系统中建立制造资源模型。该模型信息为工艺决策、生产调度、FMS系统所共享。
 
    经过分析,将资源模型分为静态和动态两个属性。静态属性是与设备的具体使用无关的属性。它包括设备的加工特征、管理特征、控制特征等;动态特征是指车间调度和具体使用对设备产生的影响,包括设备的状态特征和适时状态等。两种属性分别存在于不同的数据库中。
 
    模型的后台支持库采用两层结构。第1层为广义制造资源;第2层为本地制造资源。通过资源配置工具实现资源从广义制造资源向本地制造资源的配置,对于本企业一些特殊的资源,可利用系统提供的交互式工具进行编辑与修改。依据本地制造资源,CAPP系统进行工艺决策,从而使系统能够快速响应资源的变化,满足快速重组系统的要求。
 
    基于PDM平台的CAPP系统是建立在被PDM封装的网络和分布式数据库环境上,它采用模块化的设计思想,将整个工艺设计任务分解为功能相对独立的功能构件,通过不同功能构件的组装,实现工艺设计系统的快速重组。

 
2.3 与PDM系统集成
    CAPP是设计信息向制造信息转换的中枢环节。它不仅从设计部门获取产品设计信息,而且向后续过程提供加工、管理、检测、调度等信息。作为系统集成的框架,PDM需要对CAPP系统生成的工艺文件进行有效的管理。因此。有必要建立工艺信息管理模型。在该模型下,工艺信息保存在工艺文件里,而该工艺文件置于PDM系统的管理之下。同时,需要在PDM系统的产品结构管理信息模型中增加零件工艺文档类,以建立零件和工艺文件的关联。这样。当其它单元系统查询IBM中的零件及相应的工艺文档类时,就可以查询到该零件的工艺文件。
 
    CAPP与PDM的集成不仅仅限于数据上的集成,它要求更高层次上的集成—功能集成。在PDM系统中可以调用CAPP的一些功能,即在PDM系统中对CAPP程序发出指令,对工艺数据和工艺设计流程进行管理。因此。需要对CAPP系统进行“封装”,即把对象的属性和操作方法同时封装在定义的对象中,用操作集描述可见的模块外部接口,用户“看不到”对象的内部结构和对象的操作方法,但可以通过调用操作使用对象,充分体现了信息隐蔽原则。“封装”使数据和操作有了统一的模型界面,提供了逻辑独立的能力。




 
3 结束语
    CAPP系统与PDM在信息、过程、功能上的集成,使CAPP系统不仅可以实现对工艺设计过程的管理。而且可以实现各个单元系统的无缝结合,为并行工程的实施提供了可能。基于该模式下的CAPP系统,大大减少了重复工作,提高了工作效率。减少了制造成本。可以预见。随着PDM技术的发展,建立在PDM平台上的CAPP系统必将成为一个发展趋势。
 

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