基于PDM的协同工艺管理系统研究及实现11

一、引言

　　PDM（Product DataManagement，产品数据管理）是一门管理所有产品相关信息和过程的技术。它以网络和分布式数据库技术为支撑，采用面向对象的建模方法，能够管理产品全生命周期内的所有数据和所有产品相关过程，提供了一个企业范围内的产品开发和制造的并行化的协作环境。同时，集成化是CAPP（ComputerAided ProcessPlanning，计算机辅助工艺设计）发展的一个主要方向，开发以PDM为集成平台的CAPP系统已成为当前的研究热点。目前国内企业应用的CAPP产品大部分都将功能局限在设计和输出特定形式工艺文件的范围内，以单机单用户的方式运行，缺乏工艺活动的组织、协调和控制，与CAD、CAM等系统的集成能力较弱，往往需要专用接口，不能满足实时信息交换、工艺文件的网上协同浏览和审签以及工艺数据的跨平台可移植性等功能要求。本文基于PDM建立的协同工艺管理系统，可以充分利用PDM技术为产品开发和制造所提供的并行协作环境以及其他强大功能，实现协同工艺设计、文件数据管理和工作流程的并行。

    二、系统设计需求分析

　　随着企业信息化建设的推进和企业需求的不断提高，要求工艺信息系统能够克服时间、空间、计算机软硬件等障碍，形成一个便于群体相互协同工作的“虚拟同地”的共同工作空间，使得异地多部门人员能够并行协同地完成工艺信息处理。

　　要满足协同工作的需求，实现基于Web的协同工艺管理，目前主要存在以下四个问题：1）传统的工艺信息交换采用专用接口，引起交换接口复杂、繁多，且没有一个统一的解决方案，难以应付日益复杂的应用环境。这就要求有一种在协同环境下存取产品工艺数据的更好的载体和交换机制，实现产品工艺数据描述、存取的标准化和规范化。为实现产品工艺数据内容和其表现形式相分离打下基础；2）现有工艺文件多是基于二维CAD，其表现格式比较符合国内工艺人员的使用习惯。但是不足之处就是必须在客户端安装相关支持软件才可以浏览，而且不利于网上传输和协同浏览，也不大支持网上缩放、浏览二维/三维图形，这对于工艺文档的易读性尤其对数控加工来说是一个缺陷。这就提出了在协同环境下对工艺文件图形化、网络化及易读性的要求；3）由于工艺设计过程中包含许多工艺子流程，这些工艺子流程在信息和时间上存在紧密的相互交错与嵌套，而且各个工艺子流程间存在着嵌套和相互等待。为减少流程中的等待，需要为负责工艺子流程的用户提供能实现同步、异地协同设计以及实现网上电子签名和圈阅等功能；4）文件数据管理功能有限。PDM产品一般都提供了强大的单个信息的查询功能，但是在进行系统的众多信息归类检索方面功能有限。因此需要更加方便的系统信息检索功能，能够对设计过程中产生的基于Web的工艺文件、图形文档文件以及工艺任务进行有效管理和查询。

　　综上所述，在协同环境下，以PDM为平台的工艺管理系统应当是一个基于Web的，具有多种功能的，能够支持异地多部门人员并行协同工作的信息系统。

    三、系统体系结构

图1 基于PDM的协同工艺管理系统总体结构图

　　图1是本系统的体系结构图，共分为三层：数据存取层、应用层和客户层。每一层为其上一层提供所需的服务。操作系统与数据库位于数据层，提供系统功能；通过PDM系统对数据库的封装技术以及其数据、文件、资源管理功能，应用层可以很方便地对数据文件进行存取操作，以实现其工艺协同设计、工艺信息管理等功能；然后把其设计结果即工艺BOM树（包含工艺规程文件）通过客户层的Web界面/Java集成框架（相当于一种特殊形式的IE浏览器）表现出来。其主要逻辑处理实现在于应用层，应用层又分为以下几个模块：

    1． 工艺设计子系统

　　利用其“结构化工艺设计”模块，工艺员无需直接编辑、整理各种类型的工艺卡片，而是在系统中建立相应的工艺节点，并与产品/零件节点相关联。在工艺节点下建立工序节点或者工艺子节点，在工序节点下建立工步节点，形成一个工艺BOM树。所有的工艺信息将通过工艺BOM树的树状结构以及各个节点的属性来表达。工序图的编辑采用“工艺简图编辑”模块调用相应，CAD软件进行编辑，然后也以节点形式挂在工艺BOM树上。查找到要用的工装、设备等资源后，在系统中作为资源节点和相应的树状节点建立资源使用关系。这种工艺信息的树状表达方式简化了工艺员的设计工作。同时，结构化的工艺表达方式便于利用数据库的功能进行搜索、查找和存取。另外，所有的工艺、资源数据以及图形文件等都统一通过PDM的封装层对PDM管理的数据库和文件系统进行存取操作。

    2． 工艺信息管理

　　主要负责工艺知识及工艺图形文档的管理，工艺汇总统计功能以及基于Web的工艺报表的生成等功能的实现。通过上述工艺设计子系统所形成的工艺信息树必须得转化为各种工艺卡片才可用于实际生产。为此得把工艺BOM树上所有相关信息全部按照某种规则输出到XML文件中，其他的系统如ERP等都可以通过“基于XML的数据提取和封装工具”，从这些XML文件中获取相关信息；同时，可以用XSL技术对XML文件进行提取转化为HTML形式的工艺/资源文件。

    3． 工作流管理

　　可用它进行角色和权限管理；进行工作流分析和建模；进行工作任务管理和分配；支持对工艺任务在线设计修改、审签、监控和察看状态功能等，并支持对基于Web的工艺文件的网上圈阅批注和电子签名。

　　从图1可看出，其中产品数据、资源数据等都来自于PDM系统，这样就保证了数据来源的惟一性。并且在同一个PDM平台上，对同样的零件/产品进行工艺设计即共同完成同一个工艺BOM树，这样就可以让PDM平台上所有的拥有权限的人员都可以同步看到，并可利用所提供的工具进行协同操作，也可把工艺BOM树转化输出为HTML形式的工艺/资源文件后，将其作为文件节点挂在工艺BOM树上，这样就可以让网络中的相关人员都可以通过工艺图形文档管理工具很方便地看到即时结果。也就是说任何对本系统的访问都要通过PDM的授权和验证，这就保证了本系统和PDM的紧密集成，从而保证了工艺数据的完整性和一致性。

    四、系统关键技术

　　本系统是基于PDM平台的，PDM产品虽然大都有一个丰富的封装工具集，也有统一的工艺信息模型、产品结构管理系统和安全访问控制机制等等，但这远远不能满足企业对协同工艺的实际需求，为了实现基于PDM的协同工艺管理系统的目标，还必须解决下述关键技术。

    1．基于Web的协同工艺设计

　　基于Web的协同工艺设计是一个知识密集，企业和团队协同工作的面向产品的过程。要实现它就必须搭建一个集成环境使之能够完成网上工艺并行协同编制、工艺知识集成以及制造资源优化配置等功能，其中有些功能PDM平台本身就可以完成或已经有一些基本工具可用，在实际开发过程中应用的技术主要集中于以下两个方面：

    （1）工艺协同设计环境建立

　　在实际工艺编制过程中，虽然协同设计者分处不同部门、不同地域，但由于同在一个PDM平台上工作，他们的设计结果即工艺BOM树，可以随时转化为符合实际使用习惯的Web形式的工艺文件，以便相互阅览，对其访问、编辑等都处于PDM的统一控制下，这就解决了工艺编制的协同工作问题；但是由于各个工艺子流程的嵌套和相互等待现象十分普遍，要实现一种真正意义上的并行与协同，就必须研究主制工艺与辅助工艺、数控程序的并行进行机制，把以前基于纸质的管理模式所造成的串行工作流程转化为并行的。图2描述的是某企业在PDM平台上建立的一个工艺并行协同设计流程。该流程表明：在针对某个零件的工艺设计阶段，工艺信息通过信息预发布方式不断地在毛坯设计、主制工艺设计、辅助工艺设计、数控程序设计及工装设计人员之间流动，每个负责编制工艺人员都可以根据其他工艺人员的反馈信息及时修改设计不合理之处，通过这不断的交流确保设计的一次性成功。

图2 基于PDM的工艺并行协同设计流程

   根据上述流程，基于PDM的工艺协同设计环境应该按如下步骤建立：（1）按照上级工艺部门的工艺流水分配将各类参加的人员组织好，形成集成项目开发工作组，指定项目负责人并由其进行初始化准备工作，并定义好每个人的职责。使组内所有参加工作的人员都清楚每个人的工作任务，同时定义好每个工作人员的操作权限，以及定义设计过程中的状态标志（如准备设计、正在设计、设计完毕）等状态；（2）为了协同工作，还必须定义好标准的数据组织结构，项目负责人按照标准建立工艺BOM树的基本结构对应工艺编制任务的分解，工艺BOM树中的文档和数据包含了各任务子项的任务要求和技术说明等工艺设计内容以及定义成员对各文件夹的操作权限；（3）在协同设计环境中，小组成员以各自的账号及口令登入PDM获取各自的任务信息进行工艺设计工作，并能够对别人的设计成果进行及时预览和意见提交。每个设计人员根据不同设计阶段在同一个工艺BOM树中发布相应的设计版本，其他设计人员可以在这个工艺BOM树中获取对方的设计发布版本后，利用系统提供的功能模块进行审批后递交返回，然后前一个设计部门根据反馈意见及时作出设计调整。

　　这样一来，传统的基于纸质的管理模式所造成的串行工作流程转化为并行的，多部门的工艺人员可以进行协同工作。大大缩短了工艺设计的周期，减少了不少手工工作和返工现象，极大地提高了工作效率。

    （2）基于XML的工艺知识集成和制造资源管理

　　制造企业的知识大致可以分为：手册数据、资源数据、模型数据和决策知识。在工艺设计中，必然涉及到跨部门、跨企业的各类技术人员之间的知识传递、协同和集成。为使这些分散的知识源集成起来为企业所共享，就必须对这些知识或文档进行标准化，以XML为其内容载体，以Web形式的文件或程序开发界面为其表现形式，开发出如图1所示“资源查询/引用”等工具，这样有利于用户在结构化工艺设计过程中方便地引用工艺知识。

　　制造资源是生产过程中所需的各种资源的总称。PDM把产品工艺信息的表达由传统的工艺规程文档演变为系统内部的工艺BOM树表达方式，所有的工艺/工序/资源等都表现为结构化的节点。本系统利用了PDM的资源管理思想，在其资源库模块基础上开发图1中所述的“工艺资源查询/引用”等工具集，在建立制造资源库时，利用JAVA语言编程使资源在PDM中的表达结构化，这样便于把资源数据转化为XML文件输出，反之也可导入到资源库中。在设计工艺BOM树时，可以利用资源查询工具去搜索查找资源，找到合适的，便引用到相应的工艺/工序节点下。

    2．基于XML/XSL的工艺文件输出技术

　　本系统是基于PDM平台的，在工艺编制完后，即形成工艺BOM树后，为使工艺人员能同步异地看到自己或别人的编制结果，正如前面需求分析中所讲，如果工艺文件是基于Web的，就可以很方便地让用户协同浏览。这里采用如图3所示的技术路线来实现基于Web的工艺文件的输出。

　　图3 基于XML的工艺文件生成过程

　　（1）基于XML的产品工艺数据描述

　　XML是一种跨平台、跨语言的标记语言，因此采用XML来描述工艺数据。首先要分析系统工艺信息模型以及工艺BOM树的结构配置原则，然后建立描述产品工艺数据的XML模式文件（PPD_XMLSchema），以实现各个不同系统之间的产品工艺数据集成与交换；在此基础上再在XML1.0规范下采用XML模式文件定义产品工艺数据词汇表和语法规则，建立系统工艺信息模型与这个XML模式文件间的映射关系，以实现工艺信息模型和这个XML模式文件之间相互转化；然后把工艺BOM树按照前述XML模式文件所定规范转化为XML文件输出所有工艺数据信息。

    （2）基于Web的工艺文件模板定制

　　包含产品所有工艺信息的XML文件输出后，由于各企业的使用习惯不同，依照“内容和表现形式相分离”的思想，XML是数据内容，还需要一些模板对这个内容进行修饰使其表现形式更符合用户使用习惯。这里的表现形式即指基于Web的工艺文件，模板指XSL文件。换句话说，就是采用XSL技术将其转换输出HTML格式的工艺文件。鉴于工艺文件表现形式的复杂多样性，应当首先要把工艺文件标准化、规范化，然后再进行相应的定制，完成后还需在配置信息文件里注册，以备动态调用，这样才能建立起图1所示“工艺文件模板库”。

    （3）基于Web的工艺文件的转化输出

　　基于Web的工艺文件输出就是在系统生成工艺文件时，读取配置信息文件中的相关信息，接受传递过来的参数，再应用XSLT技术把XML文件转化为HTML格式的工艺文件。这项技术应用在工艺文件输出时包含以下几个技术细节：

    1） 工艺特殊符号的处理

　　所谓工艺特殊符号就是尺寸公差、行为公差以及一些特殊字符等。本文采用XSL扩展元素/函数技术结合VML（Vector MarkupLanguage，矢量标示语言）技术来解决，首先把这些特殊符号用伪代码描述和存取，然后在显示时把伪代码替代为VML矢量图形输出。

    2） 换行换页的处理

　　这是在工艺文件中经常遇到的问题。本文采用XSL扩展元素/函数结合配置信息文件。也就是说，先在配置文件中注册换行换页信息，比如报表总行数、每行字数等，之后就可以在系统中读取到这些信息并进行相应处理。

    3） 二维/三维图形的处理

　　即如何输出和显示各种二维图形以及三维的产品模型、工厂模型、资源模型等。这里先把这些三维模型转化为JT文件，然后以超链接形式把它们引入到Web形式工艺文件中，再利用JT文件浏览器（Applet形式）浏览。

    3．基于Web的协同工艺管理

　　在PDM系统对信息和文档的管理功能的基础上，在它的搜索引擎的帮助下，开发基于Web的协同环境下的工艺管理工具，以实现更加方便的系统信息检索功能以及灵活的工艺管理功能。主要包含以下几个管理工具：

    1） 协同环境下的工艺图形文档管理器

　　以产品BOM结构为中心组织管理工艺设计结果中的各种格式的图形文档文件，管理他们的属性和版本关系，提供在线检索浏览、标注尺寸及批注、打印等功能。

    2） 协同环境下的工艺流管理器

　　在基于Web的协同环境下，实现对工艺设计人员的角色和权限控制，工作流的分析和建模功能，支持对工艺任务的在线设计修改、审签、监控和察看状态功能等。

    3） 材料消耗和标准工时定额的汇总统计输出

　　可以对这些材料消耗定额、标准工时定额信息根据指定统计查询条件进行统计汇总，以XML文件格式输出，供ERP系统使用，也可以转化成Web形式的汇总统计报表以供浏览使用。

    4．基于Web工艺规程审签

　　一般地讲，工艺文件从开始编制到发放归档，要经过校对、会签和批准等几个流程节点，在这些节点中，不可避免地要把各种意见以某种方式反馈出来，这也就涉及到了对工艺文件批注圈阅的问题。前面讲过，所有的工艺文件报表都是Web形式的，所以就要开发出一个网络圈阅工具，使之能对Web形式的工艺文件进行图示化的批注圈阅。

     同时，在基于Web的工艺文件输出基础上，还要实现网上协同电子签名功能。即在走审批/更改流程时，利用前述工作流管理器把相关操作人员和时间等信息记下来，在工艺文件输出时再读取这些信息并输出到工艺文件中去。具体效果见图5。

    五、系统实例

    图4  基于Web的工艺文件输出及管理实例

　　图4为本系统读取PDM系统中工艺BOM树的相关信息，经过图3所述技术路线生成的工艺文件实例。其中左框架是工艺文件结构树及管理工具，右边是工艺文件显示界面，其中应用特殊符号处理技术、换行换页处理技术和基于Web的二维图显示技术后的工艺文件显示效果也如图4所示。

　　基于Web的工艺规程审签技术的应用如图5所示，在工艺文件浏览的用户交互中选择图4左框架上方的“校核批注”，就进入到如图5所示的工艺规程审批窗口，用户可以在右边框架中的工艺文件上进行基于Web的审批，涉及到如插入文字、划波浪线、画圆、设置透明度及图形大小等等批注操作。限于篇幅其他技术实例不再介绍。

　　图5 基于Web的工艺规程审签技术实例

    六、结束语

　　本文提出了基于PDM的协同工艺管理系统，论述了系统的体系结构及关键技术，详细探讨了工艺协同设计环境的搭建，工艺知识、资源的引用和管理，工艺信息的组织和表达方式，以及协同环境下基于Web的工艺报表的生成和管理。充分利用PDM技术为产品开发和制造所提供的并行协作环境以及其他强大功能，实现协同工艺设计、文件数据管理和工作流程的并行。研究中开发的原型系统是PDM软件产品与CAPP系统基于Web协同的工作过程集成，并在某航空企业进行全面实施和技术的应用，为基于PDM的CAPP二次开发或集成提供了一套新的技术实现方案。

作者系西北工业大学CAPP与制造工程软件研究所周兴科 张振明 田锡天 邹明政 刘小龙