机械产品数字化管理技术探析

李长海，肖 洋

(1.安徽省第一轻工业学校，安徽 蚌埠 233000；
2.广州城建技工学校，广州 510900)

机械设计与制造过程中数字化设计可以极大地缩短机械产品研发周期，提高机械产品生产效率。但是在机械产品数字化设计使用的各种建模软件，如CAD、CAE和CAPP等软件之间相互独立，其文档格式与存储方式都存在一定的差异性，给数据信息管理与数据共享造成一定的困难[1-3]。因此，为了提高机械产品数字化管理技术与效率，衍生出产品数据管理技术(Product Data Management，PDM)实现不同建模软件之间的信息管理。

PDM是基于基础信息软件和应用软件之间的框架系统，可以集中管理机械产品研发过程中的相关数据，为工作人员提供一些便捷、高效和协同的工作环境[4-5]，在实现机械产品数据信息高效管理的同时，实现产品数据信息的交互共享，可以提高机械产品的研发效率。随着PDM技术应用范围的逐渐扩大与发展，PDM技术功能更加完善与强大。目前，PDM管理系统可以实现各种机械建模软件中的产品信息、产品数据等管理与交互[6]。

1.1 机械产品数字化管理技术发展的必要性

随着机械设计数字化的发展，各种计算机建模软件在机械设计与制造过程中得到了广泛的应用与发展，但是不同计算机软件之间数据与文档格式互不兼容，机械产品数据无法实现有效的沟通与交流，影响整个机械设计与产品研发效率。另一方面，机械生产企业对于机械产品文档和数据管理技术相对较为落后，缺乏高效的管理手段与技术处理大量机械产品数据，机械产品及其相关文档的安全性与保密性存在一定的问题。

针对以上问题，提出了PDM管理技术，实现对机械产品数据和研发过程的高效、科学、安全管理，将机械产品设计过程中的相关数据和研发过程进行集中管理，在企业内部生产环境中构建一个并行化、可协同的生产环境，成为机械产品设计与研发各个部门之间信息交流和共享的纽带[7]。

1.2 PDM定义与发展

1.2.1 PDM定义

产品数据管理技术是管理所有机械产品及其产品相关信息和过程的技术，主要包括两部分，一是管理相关机械产品零部件信息、装配信息、建模文件、物料清单和审核信息等；
二是管理所有产品相关研发过程，如零部件加工工序、工作标准、工艺流程和产品变更过程等。

1.2.2 发展历程和特点

PDM技术发展主要划分为3个阶段，发展历程与特点如下。

1)配合CAD软件的PDM系统。PDM系统始于20世纪80年代初，在这一阶段CAD得到了广泛的应用与发展，CAD广泛应用的同时也带来了较多的数据管理信息，因此对电子数据存储与管理方式提出了更高的需求。因此，针对CAD软件推出了第一代PDM管理系统，为CAD软件生成的相关数据和文档信息提供“电子绘图仓库”的功能，但是存在系统集成能力和开放程度较低等缺点。

2)专业PDM系统。通过对早期PDM系统功能的不断扩展，形成一种更加专业化的PDM产品，如SDRC公司研发的Metaphase。专业PDM系统出现许多新功能模块，如对机械产品生命周期内各种形式的产品数据管理能力，对机械产品结构和配置管理提供查询功能，同时提高了PDM系统的信息集成功能。

3)PDM标准化发展阶段。在1997年，PMG组织发布了PDM系统标准草案，成为PDM操作系统的第一个国际标准，主要由IBM、SDRC、PTC等多个公司参与制定。主要针对PDM系统功能、逻辑模型及人机交互操作等提出相关标准，为后期PDM系统多元化发展奠定了基础。

2.1 基本结构

一个典型的PDM系统体系主要包括用户界面层、功能模块及开发工具层、框架核心层和系统支持层(图1)。PDM系统同时与CAD、CAPP、MIS等软件共同构建一个大型机械产品数据信息管理系统，对各项机械产品信息进行合理、安全和高效的管理与运用。

图1 PDM系统体系基本结构

1)用户界面层。为操作用户提供交互式图形操作屏幕，主要包括可视化浏览器和各种操作菜单等，用户可以方便、直观地完成各项操作，属于PDM系统的最顶层。

2)功能模块及开发工具层。为操作用户提供电子仓库和文档数据管理、工作流管理和产品结构配置等功能。

3)框架核心层。为用户提供实现PDM系统各项核心功能和框架，屏蔽异常操作系统，实现机械产品数据透明化操作与管理。

4)系统支持层。以关系数据库系统为PDM提供支持平台，通过关系数据库提供的相关数据支持PDM系统对机械产品的数据管理。

2.2 主要功能

2.2.1 电子仓库与文档数据管理

随着传统串行机械产品开发模式向集成化和并行化机械产品开发方式发展，生产部门文档管理方式无法适应现代机械产品发展的需求，对于分布在不同地点、具有不同格式的数据文档进行高效管理需要解决以下问题。

1)分布式、多用户、多类型文档管理。

2)满足工业发展中不同文档查询方式。机械产品在开发过程中会产生大量的文档、数据和图纸，新产品的研发80%会建立在旧产品的基础上，因此，快速从大量前期设计图纸中搜查所需的产品管理信息和数据是亟待解决的问题。

3)数据文档共享及安全传输问题。在进行机械产品研发过程中，需要多个设计人员与部门协同办公，需要将机械设计产品相关资料与数据在计算机网络进行共享，因此要求在机械产品设计与制造过程中在保证文档、数据权限允许范围内随时可以将正确的文档等相关资料传输至设计人员手中，实现数据共享。因此，数据安全性与保密性是机械产品中面临的主要问题。

2.2.2 机械产品流/设计过程管理

在进行机械产品研发过程中，机械设计的主要活动是创建、绘制和更改机械设计数据，如在相关建模软件进行机械产品开发过程中甚至要经历上百次的修改，在修改过程中需要不同的机械设计人员进行修改、浏览、检查和审批，在修改过程中，不仅是对原有数据与文档进行修改，需要参考多个文档及相关数据。PDM系统将机械产品设计过程及工作流管理功能通过对机械产品研发过程进行分析，抽取在机械产品设计过程中的基本任务单元，通过这些基本任务单元来构造不同机械产品的开发过程，如设计检查、评审、修改和审批等工作。任务单元描述模型基本过程如图2所示。

图2 任务单元的描述模型基本原理

2.2.3 机械产品生命周期(工作流)管理

PDM系统的生命周期管理模块管理机械产品数据的动态定义过程。机械产品生命周期管理主要包括保留、跟踪机械产品从概念设计、产品建模、生产制造、修改直到停止生产的整个生产过程的历史记录。机械设计及管理人员可以对机械产品设计中的各项处理步骤来构造或者更改机械产品设计流程。

2.2.4 集成开发接口

由于各种机械生产企业在工作流程与管理模式中存在较大的差异，用户需求也具有一定的多样性，因此，目前没有一种PDM系统适应所有机械生产企业的发展需求，这就要求PDM系统具有强大的客户化及二次开发能力。目前，大多数PDM系统都可以提供二次工具开发软件，相关机械设计人员可以利用工具包针对企业具体生产情况与用户需求定制相关管理工作。

PDM为产品数据管理，主要用于管理产品信息和产品过程管理，如零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等，以及所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术。本研究以机械产品为研究对象，基于数字化机械产品开发特点，系统论述了PDM系统在机械产品生产与管理中的应用，研究表明，基于PDM可以提高机械产品生产效率，有利于对机械产品的全生命周期进行管理，对于文档、图纸、数据的高效利用及机械设计与制造流程规范化具有一定的推动意义。