1 引言
進入21世紀以來，產品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)技術得到了迅速發展，它是為了滿足制造企業對產品生命周期管理的需求而產生的一種新的管理模式。PLM的核心是產品數據的有序、設計過程的優化和資源的共享，是支持快速產品開發過程的協同管理的一個集成協同框架。在航空制造企業中，產品的工藝設計涉及多團隊、多部門、多領域的參與合作，需要建立面向PLM的協同工藝設計模式，并行工作。同時要求工藝信息系統能夠克服時間、空間等限制，形成一個便于群體相互協同工作的共同工作空間，使異地多部門人員能夠并行協同地完成工藝信息處理，對于實現快速工藝準備，縮短產品研制周期具有重要意義。
2 面向PLM的協同工藝分析
目前我國航空制造企業已大量采用CAPP系統進行工藝過程設計與管理，對提高企業的工藝設計效率和管理水平起到了重要的促進作用，但是在應用中主要關注于離散的單元工藝設計工作，對整個工藝生命周期的協同工作研究不夠，極大地限制了采用CAPP系統對工作效率提升的效果。面向PLM的協同工藝設計的理念把傳統CAPP系統的功能擴展到基于計算機支持協同工作的信息、過程和管理集成平臺的高度。本文以某航空制造企業實際需求為背景，分析和總結了其工藝工作的特點，包括：
①產品制造工藝種類多，涵蓋機加、數控、裝配、熱表、噴漆等各種冷熱加工。
②工藝設計涉及多團隊、多部門、多領域的參與合作，需要建立協同的設計模式，并行工作。
③產品工藝更改頻繁，強調完善的版次管理。
該企業的工藝設計包括裝配工藝和機加工藝這兩種主制工藝，整個編制過程中涉及主制單位和多個協作單位的并行協作。工藝處的主管工藝員根據產品設計部門的設計數據，將產品分解成各個零部件，制定分單位目錄和工藝分工路線。根據分單位目錄和工藝分工路線將工藝設計任務下發到各分廠（主制單位）的車間工藝室進行具體工藝規程編制（主制工藝）。在主制工藝規程編制過程中，主制單位根據車間級產品工藝工作計劃來制定包含協作工序在內的工藝路線。主制單位負責工序內容的詳細定義。企業內部各術語定義包括：
①車間級產品工藝工作計劃：車間工藝負責人對分配到本車間的零組件進行工藝編制、校對任務的分配。
②主制單位和主制工藝：工藝編制任務的承接單位以及任務的發起單位，其編制的工藝稱為主制工藝。
③協作單位和協作工序：在主制工藝編制過程中，會涉及到本車間無法完成的任務，需要其他工藝部門協作完成時，主制單位發出協作任務，收到任務的部門成為協作單位。協作單位編制的工藝稱為協作工序。
④擴編工藝：若協作工序內容較為復雜，例如光學鍍膜、旋壓、布線等，需形成一本獨立的工藝規程，稱之為擴編工藝。
在主制工藝規程完成校對之后，各個協作單位根據主制工藝規程編制各自的協作工序，并在本部門內完成獨立審批。若需要專用工裝，主制工藝員應編制專用工裝申請單并提交到工裝設計部門以完成工裝申請的審批；若有數控加工工序，則需數控程序編制部門完成數控工序的編制審批。當各個協作工序、專用工裝申請、數控工序審批完成后，進行主制工藝規程合并（將協作工序裝訂到主制工藝規程中）。合并后的主制工藝規程繼續進行后續的審批流程。協同工藝設計業務流程如圖1所示。
圖1 協同工藝設計業務流程
3 面向PLM的協同工藝設計與管理系統開發
該企業的生產模式為多型號研制、小批量生產，隨著多型號任務的并行開展，迫切要求實現產品的快速研制。其傳統的并行協作過程是通過人為通知、協調、紙質裝訂來實現的。要求采用新的工藝設計模式和制造方式，建立適應于產品快速研制的協同計算機輔助工藝設計與管理系統(Collaborative Computer Aided Process Planning，C-CAPP)。C-CAPP系統的設計與開發是基于西北工業大學的CAPPFramework 2007（下文簡稱CAPPFramework）軟件和西門子的Teamcenter 8（下文簡稱TC）軟件，CAPPFramework作為工藝規程的編制工具，依靠TC的統一產品數據和人員管理及工作流管理實現整個工藝系統及相關部門的業務流程協同。C-CAPP系統體系架構如圖2所示。
圖2 基于TC與CAPPFramework的C-CAPP系統架構
C-CAPP系統的體系結構共分為三層：數據層、協同平臺層和系統應用層。整個系統功能建立在異構分布式的計算機硬件環境、網絡環境和分布式關系數據庫的基礎上。協同平臺層是系統實現工藝設計協同工作的關鍵，通過平臺中的數據交換與協同、工作流系統、協同服務等功能，采用XML格式設計編寫CAPPFramework啟動接口文件和工藝信息文件，以實現CAPPFramework與TC的集成。用戶只需對系統應用層操作就完成工藝設計、管理以及相應的協同工作。其主要邏輯處理體現在協同平臺層和系統應用層，包含以下功能。
3.1 工藝設計
選用CAPPFramework進行工藝規程文件的編制。在TC中選擇正確版本零件，并建立相應工藝節點（用于歸屬工藝規程文件和工藝規程數據），以此啟動CAPPFramework進行工藝規程文件編制。將生成的工藝文件(*.cxp、*.xml、*.pdf)提交到TC中。支持企業各工藝類型（機加工藝、裝配工藝、協作工序）工藝設計以及工藝更改工作。使用專用代號分別標識工藝路線卡中的協作工序、擴編工藝和數控工序，以實現協同工藝設計。
3.2 工藝編制協同
工藝編制協同功能主要包括協同工作流管理和協同服務。協同工作流管理包括用戶權限與角色管理、工藝任務分配與管理、工藝工作流的分析與建模和工藝工作流管理。C-CAPP系統綜合利用TC的工作流管理功能和CAPPFramework工藝編制功能，實現主制單位與各個協作單位并行有效的編制完成工藝規程，同時也實現各個協作單位之間的工作并行。通過分析該企業工藝規程編制與審批的總體流程，系統能夠提供的協同服務主要包括：主制工藝與協作工序、擴編工藝的編制協同；主制工藝與專用工裝申請、設計的編制協同；主制工藝與數控加工工序的編制協同；工藝文件合并、XML文件提交等。協同工藝編制與審批總體流程如圖3所示。
圖3 協同工藝編制與審批總體流程
①主制工藝與協作工序、擴編工藝的編制協同
主制單位用CAPPFramework編制完成主制工藝規程后提交給TC走審批流程，在工藝校對節點后新建協作工序及相應流程。協作工序、擴編工藝編制者通過TC接收到相應任務，完成編制審批后提交協作工藝信息(*.xml)到TC。協作工序走協作工序編制審批流程，擴編工藝走主制工藝編制審批流程。
主制單位將已完成審批、簽名的協作工序與主制工藝合并形成一份完整的工藝規程，并提交完整的工藝信息(*.xm1、*.cxp)給TC，繼續走審批流程。擴編工藝不與相應的主制工藝合并，獨立形成一份完整工藝規程。實現主制工藝與協作工序、擴編工藝的編制協同。
②主制工藝與專用工裝申請、設計的協同
在工藝編制的過程中如果有特殊工裝的申請，將在CAPPFramework中填寫工裝申請單，同時需要保存為獨立的CXP文檔。通過TC發起工裝申請單審批流程，工裝設計部門完成審批，將記錄工裝申請單信息的CXP、XML文件存入TC中。接著啟動專用工裝設計流程。實現了主制工藝編制與專用工裝申請、設計的協同。
③主制工藝與數控加工工序的編制協同
在工藝編制的過程中如果有數控加工工序，數控單位接受任務后啟動數控加工工藝編制與審批流程并完成審批，最終執行與主制工藝合并，實現主制工藝編制與數控工序編制的協同。
3.3 工藝信息管理
工藝信息管理的目標是實現工藝數據和各種工藝文件的有效管理，為工藝設計系統與相關系統的有機集成，提供統一有效的產品工藝數據管理工具，以保證工藝數據的唯一性、實時性、有效性和安全性。主要包括信息模型管理、工藝設計數據管理、產品結構管理、集成接口管理以及工藝資源管理。實現對工藝工作過程的管理與控制。本文詳細介紹協同工藝設計數據的管理，如圖4所示，其主要的管理有下面幾方面：
圖4 協同工藝設計數據的管理
①工藝文檔存儲
工藝文檔作為一個整體對象在TC中進行管理。工藝文檔作為一個整體存儲在TC數據庫中，在PDM的版本管理的控制下經歷文檔版本管理和全生命周期管理。工藝文檔中同時包含了零件工序圖信息。
②結構化數據存儲
CAPPFramework生成的產品工藝中包含設備、刀具、工裝等企業中其他應用軟件系統比如ERP、MES系統需要的數據。這些數據對企業信息集成提供便利，CAPPFramework將這些結構化數據自動寫入XML文件，并提交給TC保存。它們以關系數據的形式存儲在TC數據庫中，并以唯一的索引與對應工藝文檔相聯系，以方便系統查詢和被其他集成應用系統所讀取。
4 C-CAPP系統應用
目前該企業已完成C-CAPP系統的全面部署和應用，覆蓋了其所有車間工藝部門、主管工藝部門以及其它業務相關部門。
工藝員需要進行工藝規程編制和審批時，首先需要登錄TC并找到需要完成的工藝編制任務，點擊工藝編制菜單，通過已定制的XML接口文件自動啟動CAPPFramework進行工藝規程編制，最后在TC中完成工藝規程的審批。C-CAPP系統內部集成交互文件包含的主要內容如表1所示。
表1 系統內部集成交互XML文件的主要內容
5 結束語
本文針對某航空制造企業工藝設計業務流程特點以及需求現狀，提出了面向PLM的協同工藝設計與管理方法。以CAPPFramework與TC集成開發為基礎，構建了協同工藝設計與管理系統(C-CAPP)，對協同工藝設計涉及的關鍵流程與工藝設計數據管理進行了詳細論述。實現了主制工藝與協作工序、專用工裝申請以及數控工序的并行協同編制。
通過在該企業進行全面實施和技術應用，為工藝系統的協同設計提供了有效的工具和平臺，有效解決了工藝協同的問題，從整體上縮短了產品研制周期，顯示了很好的應用效果。
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