基于PLM的工艺信息管理模型

基于PLM的工艺信息管理模型

3.1工艺信息
    工艺信息是指对产品或零部件进行工艺设计过程中所使用的和所产生的数据。这里，信息不仅包括数据，还包括文字说明和图片等方面的信息。工艺设计涉及的工艺信息多种多样，有反映产品属性的信息，有反映工艺技术条件和装备的信息，有反映加工的工艺路线、过程和步骤的信息，也有反映工艺简图的图形信息，同时各种工艺信息有一定的联系。
 
    工艺信息是从产品设计信息到生产管理信息的中间环节，工艺设计过程是工艺信息不断产生、流转和完善的过程，并由此形成完整的工艺信息流。从内容上来看，工艺信息包含如下四部分：
 
    1)零件信息是工艺信息的源头，包含几何信息、拓扑信息、结构信息等。
 
    2)工艺设计信息工艺设计信息也即通常所说的工艺规程信息，它来源于工艺设计阶段所提供的描述零件表面特征的工艺信息和描述零件装配特征的几何信息，如机械加工工艺过程、装配工艺过程等。
 
    3)工艺管理信息工艺管理信息在工艺设计信息的基础上通过统计、汇总而形成，如材料消耗定额、工时定额等。
 
    4)工艺资源信息工艺资源是工艺设计过程中所需要的材料种类、工艺参数、工艺装备等。从信息内容是否变化来看，工艺信息可以分为静态工艺信息与动态工艺信息两大类。静态工艺信息是指工艺设计过程中一般不发生变化的信息，如工艺资源信息、工艺手册。
 
    动态工艺信息是指在工艺设计过程中需要输入、编辑或产生的信息，以及随制造对象与环境不同而产生的信息，如新零部件的描述信息以及工艺设计信息、工艺管理信息等。根据完整意义上的工艺设计，可以将工艺信息归类为工艺规划信息、零件工艺信息和工艺过程信息。
 
    其中，工艺规划信息和零件工艺信息又可以根据具体企业的产品开发实际进一步细分。图3.1为工艺信息示意图。各类工艺信息的作用如下:
 
    工艺规划信息用于指导企业规划产品的装配和生产准备，通常需要从CAPP/PLM系统输出到MIS/ERP系统。工艺规划信息包括工艺BOM、零部件分工路线、工装设备清单和人工材料消耗汇总等。

    零部件工艺信息描述零部件加工或装配方法与过程的信息，它关注如何合理利用企业已有资源来制造符合设计要求的零件。工艺设计过程信息指与工艺规划信息及零件工艺信息处理过程相关的信息，用于描述工艺规划信息和零件工艺信息的处理流程、状态变迁及版本升级等内容，具体包括工艺文档的状态与版本、处理流程与变更过程等。各类工艺信息关联关系的描述见图3.2。

    工艺规划信息与零件工艺信息相辅相成，一方面工艺规划信息规范并指导零件工艺信息的内容，如通过分工路线定义零件制造部门，这些部门的管理模式与设备状况决定了零件工艺信息的形式与内容；另一方面工艺规划信息又可能来源于零件工艺信息，如基于产品的材料、工时、工装设备等汇总信息都来源于产品中各零部件相关信息。
 
    这种关联是双向的，它随企业采用的工艺设计模式而变化，在自底向上的工艺设计模式中，通常先设计零件工艺信息，经提取并汇总得到部分工艺规划信息；反之，在自顶向下的工艺设计模式中，通常先设计工艺规划信息，并用这些信息来规范和指导零件工艺信息的处理，同时，工艺规划信息也将在零件工艺信息的处理过程中不断丰富与完善。工艺设计过程信息则定义了工艺规划信息和零件工艺信息的处理过程，记录了它们的状态与版本变化历史。
 
3.2工艺信息模型
    工艺信息模型是参数化工艺信息管理实现的基础，是实现产品信息集成与管理的关键，通常在产品设计完成之后才进行工艺设计，一般只进行装配工艺和零件工艺设计，很少考虑产品售后服务方面，诸如使用保养、故障诊断、拆卸维修、回收工艺等内容。
 
    实际上一个产品从需求调研、设计成功到设计工艺、工装，从加工制造到售后服务，其间涉及很多工艺设计与管理方面的工作。根据企业工艺数据的特点，工艺建模可分为以下几种信息模型：
 
1.零件工艺信息模型
    零件是产品的基本组成单元，也是加工的基本单元。一个零件的加工要经过毛坯制造车间、主制车间，辅助车间，检验合格后要送至装配车间。其中辅助车间是根据零件图的工艺要求、技术条件、和技术说明书的指定，依照企业特种工艺分工原则来处理的，可以是热表处理车间、喷涂车间、特种检验车间等，因此零件通常工艺路线为：毛坯车间——主制车间——辅助车间——装配车间。
 
    零件工艺路线上的每一个环节都必须有一份工艺规程，即：毛坯车间有毛坯制造工艺规程；主制车间有详细的零件制造工艺规程，包括根据零件加工过程的要求制定的具体工艺，如机加工艺、铸造工艺、锻造工艺、钣金工艺、焊接工艺等；辅助车间也有相应的工艺规程。
 
    一份工艺规程由一系列有序的工序组成。工序是指加工过程中，同一加工地点、同一设备、同一加工阶段、一次装夹所完成的所有操作。一个工序最多包含一台设备，但由于有的工序装夹是由多个工装共同完成的，因此一个工序中可以有多个夹具。
 
    工序的描述包括：加工前检查，使用设备、夹具、模具，装夹说明，加工技术要求，附注说明等。对于一些数控工序，还有专门的工序操作说明书。由于零件的复杂性，有时一个工序图不能表示清晰，需要多个工序图，特别是对于检验工序。
 
    因此，一个工序可能有多个工序图，在工序过程中，由于材料的特性发生变化，加热表处理改变材料性能，材料的硬度是变化的，工序之间不能用统一的材料信息；对于数控加工，可按照每个工步一个NC文件，这样便于管理。
 
    工步是工序中一把刀具连续加工的操作，所以一个工步中至多包含一把刀具，但可以包含多个量具。由于工步是零件加工的最小单位，所以必须指定具体的加工参数。零件工艺信息模型如图3.3。

2.装配工艺信息模型
    产品装配工艺信息模型结构体现为制造BOM的构建，即以装配树的形式清晰地表明产品的装配结构和装配顺序。产品装配模型中的关键文档是装配工艺规程，是指导装配施工的主要技术文件之一，它规定了产品及部件的装配顺序、装配方法、装配技术要求、检验方法及装配所需设备、工具、时间定额等。
 
    为了便于组织装配流水线，使装配工作有序地进行，装配时将产品分成若干个独立装配地组件或分组件，这些组件或分组件称为装配单元，最先进入装配的零件称为装配基准件，它可以是一个零件，也可以是低一级的装配单元。
 
    任何一个装配单元都有一个或多个装配顺序，每一个装配顺序都有一个装配基准件，装配单元系统图是用来表示产品装配单元的划分及其装配顺序的图。当装配顺序确定后，还要将装配工艺过程划分为若干工序，并确定各个工序的工作内容、所需设备、工夹具及工时定额等。
 
    每一个工序又包含若干工步。单件小批量生产时，工人按装配图和单元系统图进行装配；成批生产时，应根据装配系统图分别制定总装和部装的装配工艺卡片；大批量生产时则需一序一卡。建立产品装配工艺信息模型必须从丰富的设计产品信息模型着手。
 
    产品信息应包括总装图、产品部装图、零件BOM、产品验收条件等。此外还必须考虑企业的现有条件，如工艺装备、车间面积、工人技术水平、时间定额标准等。通过产品信息和企业现有条件分析出产品装配的组织形式、装配单元的划分和装配尺寸链，从而进一步确定产品的装配顺序和装配工艺，产品的装配工艺信息模型见图3.4。

3.服务工艺信息模型
    产品的服务工艺信息模型是指产品的运输、安装、调试、使用、维护和维修过程中所需要的技术文档和信息，具体包括产品及其零部件的主要性能、参数、正常工作状态、可能的故障信息、检测手段和工具、维护措施等信息。
 
    产品的服务工艺信息模型是企业在产品售出后进行客户服务的强有力的信息支持，这些信息的完备与否直接影响客户服务的质量，而对客户的服务和支持质量则是影响顾客的满意度和忠诚度的一个非常重要的因素。
 
    由于现代企业的竞争优势已不仅仅是产品本身，先进的服务手段已成为制胜的关键，因此完善的产品服务工艺信息模型是现代化企业赢得客户得重要保证。产品服务工艺信息模型主要是将设计BOM和制造BOM转化为服务BOM。
 
    设计BOM反映了产品的设计结构，制造BOM反映的是产品得制造装配顺序，而服务BOM不仅反映产品的装配顺序，还要包括安装要求、安装说明、调试说明、使用说明、运行状态信息、故障诊断、维护信息、备件信息等内容。这些信息是以各种形式附着在服务BOM上来体现得。图3.5所示为由服务BOM及相关文档组成的产品服务信息模型。

3.3基于PLM的工艺信息管理模型的建立
    工艺信息管理模型是基于PLM的工艺信息管理系统的基础，是实现产品全生命周期信息集成与管理的关键。信息管理模型说明了企业处理的业务对象中所包含的信息或者说执行具体功能的活动的输入、输出数据以及这些数据之间的逻辑关系。
 
    因此工艺信息管理模型的建立需从两个方面入手：一是分析工艺业务对象实体，二是业务对象实体涉及到的数据模型的定义。数据模型是表示实体类型及实体类型间联系的模型。它可以分为两种类型：概念数据模型和结构数据模型。
 
    (1)概念模型：一种独立于计算机系统的模型。它不涉及信息在系统中的表示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构。概念模型强调语义表达功能，它是现实世界的第一层抽象。

    (2)结构数据模型：直接面向数据库的逻辑结构，是现实世界的第二层抽象。这类模型涉及到计算机系统和数据库管理系统，所以称为“结构数据模型”。结构数据模型包括：数据结构、数据操作和数据完整性约束三部分。它主要有：层次、网状、关系三种模型。
 
3.3.1工艺设计项目管理模型的建立
    结合PLM中的项目管理特点以及产品工艺设计工作程序，并且考虑工艺设计与产品设计、产品制造之间的相互制约，提出了如图3.6所示的工艺设计项目管理模型。在该模型中，产品工艺设计项目管理的任务流程是按照阶段划分的，项目的每个阶段，工作的内容、项目团队与成员、涉及的资源均有所不同。
 
    工艺调研和工艺审查需要相关工艺人员在产品设计阶段就介入工作，类似地在采购阶段，为了并行的工作，需要工艺设计项目未结束之前就要提供材料定额、专用设备和工装等需求。工艺总结是工艺设计工作重要的一环，直接关系到企业产品工艺水平，工艺总结工作分布在工艺设计工作的各个阶段，同时工艺总结的结果应用效果也直接反映到工艺设计各个阶段。
 
    车间生产组织过程是一个十分复杂的动态过程，除了协调不同部门、人员、机器、物料、工具等资源，还要协调好外部协作的问题。车间控制在协调加工过程中机器和工具资源时，最重要的参考资料就是工艺规程中的工序路线，因此工艺规程设计考虑车间的动态情况就十分必要。

3.3.2工艺过程数据分析及数据对象定义
    通过工艺设计项目管理模型，针对模型中分解的任务，对其内容、结果以及支撑数据进行逐一分析。通过分析，可以得出每个阶段的数据可以划分为支撑数据和结果数据，支撑数据是完成任务所需要的数据，结果数据是任务完成后产生的结果。最终每个阶段任务的分析结果如表3.1所示。表中工艺总结任务是面向PLM的工艺设计过程最重要的一环。
 
    从广义上讲，工艺总结即是对与工艺设计工作有关的知识的总结。具体来说，工艺总结包括两个方面的内容，一是跟踪某工艺的现实生产过程，与旧的工艺比较，查看优缺点，最终评价该工艺的成效，一般发生在工艺设计周期的后期阶段；二是工艺设计过程中即时的提取有价值的工艺知识。

    工艺过程数据对象定义如图3.7所示，数据对象分为两大类即支撑数据和结果数据。支撑数据中一些数据对象是工艺设计各项任务的共同依据，如产品特点、生产条件、政策标准等；还有一些数据对象是某项特定任务的执行依据，比如材料特性之于工艺路线设计、典型实例之于工艺规程设计等。
 
    工艺知识是一组特殊的数据对象，它在工艺设计过程中既属于支撑数据，又属于结果数据。按照面向对象方法，工艺知识对象按功能可以分为四种类型：制造对象、工艺对象、资源对象和决策对象，工艺设计过程涉及到的工艺知识对象都可以归纳到其中一个类型下。
 
    每一种具体的对象又可以划分为两个层次：对象层和方法层。对象层包括四个元素：对象类集、对象属性集、对象属性约束集及对象实例集。方法层描述解决问题的操作方法名称、相关对象及关系。

3.3.3基于PLM的工艺信息管理模型的建立
    结合前面工艺过程数据的分析及数据对象的定义，按照数据在工艺设计工作中的作用，工艺过程数据模型划分为三个子模型：工艺基础数据模型、工艺结果数据模型和工艺知识模型。
 
    工艺基础数据模型是对工艺过程中各项任务执行所依据的工艺相关基础理论数据和企业相关标准数据的抽象描述；工艺结果数据模型是工艺设计任务执行产生的结果数据，此处的结果数据是广义上的结果，包括指导生产的数据和管理工艺设计过程的一些信息；工艺知识模型是保证工艺设计过程中快速、高效、全面的获取工艺知识，并将知识运用于实际工艺设计过程的基础。
 
    工艺基础数据模型与工艺结果数据模型的形式相同，工艺结果数据通常是取自工艺基础数据或者是对其的加工结果。工艺基础数据应该是通用性的，而不局限于某一个特定的产品，所以其模型的建立应该是以产品对象为基础单元；而工艺结果数据直接用于指导产品的生产，其模型的组织单元应该是产品加工生产的元件即零件对象。图3.8为基于PLM的工艺信息管理模型。

3.4本章小结
    本章主要分析了工艺信息的基本特征和其包含的内容，建立了符合工程实际的零件工艺信息模型、装配工艺信息模型、服务工艺信息模型；以工艺信息模型为基础，通过对工艺设计项目管理模型的研究和对工艺过程数据分析及数据对象定义，建立了基于PLM的工艺信息管理模型。