隨著計算機應用的迅速發展，企業的CAD/CAPP/CAM（以下簡稱“3C”）技術日益成熟，但各個系統彼此之間相互獨立，缺乏有效的信息溝通與協調，形成“信息孤島”，使信息難以共享。這些“孤島”不僅體現在信息資源上，而且還體現在業務流程中。企業的3C系統、PDM系統等通常都是面向不同的部門或業務流程建立的，它們只能用于特定的企業工作流程，因此，跨系統的企業業務流程就會被按照系統功能切分成不同的業務段，造成業務流程“孤島”。隨著信息化建設的逐步發展，不同信息系統之間的集成已成為企業信息化建設中亟待解決的問題。基于PDM平臺的CAD、CAPP、CAM集成技術的研究，為孤立信息系統集成提供了全新的解決方法。它可以通過硬件、軟件、標準和業務流程的結合，實現3C的無縫集成。
1 數字化集成關鍵技術
1.1 產品數據管理(PDM)
PDM(Product Data Management)是對企業全生命周期產品數據、資源與業務流程進行整體優化管理的一種信息技術，是產品數字化制造的技術平臺，是PLM(Product Lifecycle Management)的一部分。它以產品數據為核心，是其它各種軟件工具和分析、管理工作的集成環境與基礎。它能提供一種結構化的方法，有效、有規則地存取、集成、管理、控制產品數據和數據的使用流程。PDM系統的支持技術包括大容量數據存儲、工作量管理、圖形轉換、分布式網絡環境、客戶機/服務器計算機結構、友好的用戶界面、數據管理等。PDM的體系結構可以分為4層，如圖1所示，分別是支撐層、對象層、功能層和用戶界面層。
圖1 PDM體系結構與功能模塊圖
支撐層主要為通用數據庫管理系統、操作系統、軟硬件的支撐環境等，提供對數據管理的最基本功能。
對象層對數據管理層中的產品信息進行結構化的管理，彌補關系數據庫管理的不足。
功能層在對象層的基礎上，根據PDM系統的管理目標，提供相應的功能模塊。
界面層提供交互式的人機界面，使PDM用戶能方便地管理產品數據及其流程。
1.2 計算機輔助設計(CAD)
CAD(Computer Aided Design)技術的應用在產品設計領域已進入三維數字化設計階段，三維數字化設計、制造技術已經全面得到應用。多數制造企業基于NX軟件平臺，三維數字化設計技術在工裝設計系統全面應用，實現模具及復雜夾具全三維數字化設計，為工裝制造提供統一的數據源頭。
1.3 計算機輔助工藝過程設計(CAPP)
CAPP(ComputerAided Process Planning)是利用計算機技術輔助工藝人員設計零件從毛坯到成品的制造方法，是將企業產品設計數據轉換為產品制造數據的一種技術。CAPP系統的應用不僅可以提高工藝規程的設計效率和設計質量，縮短技術準備周期，而且可以保證工藝設計的一致性、規范化，有利于推進工藝的標準化。對CAPP系統進行二次開發，實現CAPP系統的工藝文件基于PDM系統進行管理。
1.4 計算機輔助制造(CAM)
CAM(Computer Aided Manufacturing)是計算機集成制造系統CIMS的核心。CAD中設計結果，經過CAPP工藝編排生產工藝流程后，最終在CAM中進行軌跡生成與仿真，產生數控加工代碼，從而控制數控機床進行加工。可以說，CAD、CAPP的效益最終也是通過CAM體現出來的。CAM可以改善產品設計和品種多變的適應能力，提高加工速度和生產自動化水平，縮短加工準備時間，降低生產成本，提高產品質量和批量生產的勞動率。
2 基于PDM的3C集成模式和關鍵技術
2.1 PDM平臺下3C集成模式
2.1.1 封裝模式
PDM平臺具有對3C的封裝能力，使數據和操作具有統一的模型界面和邏輯的獨立性。封裝性具有從一種應用轉換到另一種應用的功能，并使不同的3C系統之間實現信息共享；同樣，在3C系統中也可以直接進入PDM系統，進行相應的數據管理操作。
封裝模式可以滿足以文件形式生成的所有數據應用系統需求。但不能管理3C文件內部的數據，如特征、參數以及裝配數據等。因此，PDM系統對此類信息，必須應用另2種模式。
2.1.2 程序接口模式
產品設計中的二維圖形軟件不能生成裝配樹，而三維實體造型軟件能夠生成產品的裝配樹，但與PDM中的產品結構樹無關。為了實現PDM中的產品結構樹由3C系統中的裝配樹自動生成，并從PDM提取最新的產品結構關系，去修改3C的裝配文件，保持兩者之間的數據一致性，通過編制接口程序，采用標準的數據信息接口，建立PDM的產品結構與多種CAD軟件之間的聯系。
2.1.3 系統完全集成模式
此模式下，PDM具有對各種類型的信息提供全自動的雙向相關信息的交換，包括產品信息、特性信息、參數和面向應用對象的信息等，用戶在統一定義的系統環境里工作。在3C各個孤島技術系統上能使用所有的PDM功能，并始終保持3C的裝配關系與PDM的產品結構的一致性。
2.2 PDM平臺下3C集成的關鍵技術
2.2.1 數據信息交換技術
采用專用的數據格式文件實現產品信息交換的集成技術；
采用標準數據格式文件實現產品信息交換的集成技術；
以工程數據庫為核心，采用統一的產品模型實現信息交換的集成技術。
2.2.2 多數據庫集成技術
在基于PDM平臺的3C系統中數據特征相當復雜，既有結構化數據信息，又有大量的非結構化數據；既有數據源異構、又有異地分布；還有存在于各個孤島系統的獨立進行設計的數據源。在這些數據源之間既要進行信息的交換與共享，又要保持相對的獨立性和局部完整性。為了實現系統范圍的數據訪問服務，在PDM集成平臺下，設置一個多數據庫集成器(MDBI)來完成。多數據庫集成器是多數據庫集成系統的核心部分，主要支持異地、異構數據庫的集成，實現多數據庫集成系統中模式轉換、語法轉換、語義控制、數據信息的分布收發控制等功能。
多數據庫集成技術包括4種數據結構模式：局部模式，用局部數據庫的原始數據模型表達；輸出模式，由每個局部數據庫向系統提供一種集成所需的輸出模式，描述了局部數據庫參與全局系統的局部數據信息；集成模式，多個輸出模式的有機集成，描述了局部數據庫之間的系統集成關系，及各局部數據庫的輸出模式與其數據操作命令間的映射關系等；外部模式，多數據庫系統直接面向系統外部特定的用戶對象及其應用。
3 基于PDM的集成實現過程
PDM作為3C集成的平臺，一方面要為3C系統提供數據管理與協同工作的環境，同時還要為3C的運行提供支持。CAD系統產生的二位圖紙、三維模型、零部件的基本屬性、產品明細表、產品零部件之間的裝配關系、產品數據版本及狀態等，需要交由PDM系統來管理，而CAD系統也需要從PDM系統中獲取設計任務書、技術參數、原有零部件圖紙、資料以及更改要求等信息。在CAD過程建模模塊中，完成零件結構的設計工作，加入屬性信息并生成設計BOM，同時生成標準化的數據結構（如生成STEP文件），并經過接口進行數據轉換，以關系表的形式將設計信息存儲到PDM系統中。
CAPP系統產生的工藝信息，如工藝路線、工序、工步、工裝夾具要求以及對設計的修改意見等，交由PDM進行管理，而CAPP進行也需要從PDM系統中獲取產品模型信息、原材料信息、設備資源信息。PDM與CAPP集成采用介于接口集成和緊密集成的中間模式，即PDM以接口開發為主，CAPP以組件封裝為主。對于PDM系統，因為企業不能修改其源代碼，所以集成開發時只能利用其提供的接口函數，開發相應的集成模塊；對于CAPP系統的開發，仍以利用接口函數為主，或將CAPP系統的部分功能封裝成組件，供PDM系統開發后的模塊調用。其它系統則通過PDM平臺，可以提取工藝設計信息及工藝文檔信息。CAPP系統和PDM系統的集成方案如圖2所示。
圖2 PDM與CAPP集成
CAM則將其產生的刀軌文件(Cuting Location)、NC代碼（數控代碼）交由PDM管理，同時從PDM系統獲取產品模型信息、工藝信息等。3C集成，要求數控加工程序的生成是以CAPP的工藝設備結果和CAD的零件信息為依據，自動生成具有標準格式的刀軌文件，然后經過適當的后置處理，將刀軌文件轉換成NC加工程序，生成針對具體機床的數控加工代碼，并將輸出的結果存儲到PDM系統中。集成框架如圖3所示。
圖3 基于PDM的3C系統集成框架
在CAM模塊中，從PDM系統提取CAD、CAPP所提供的信息，通過Pro/NC的各種接口函數，將提取的工藝信息自動輸入到Pro/NC的加工模塊中，在Pro/NC的裝配模塊中建立加工設備模型、毛胚模型、夾具模型和刀具模型的基礎上，構建虛擬加工環境，自動完成加工過程仿真，檢查加工過程中的碰撞干涉，提出修改意見。在加工過程仿真無誤以后，輸出刀軌文件，同時在網絡數據庫中讀取每個工序的機床名稱，通過利用針對該機床的配置文件，將刀軌文件轉換成適合機床的NC代碼。
4 企業實施基于PDM系統的集成效果
4.1 實現BOM數據管理和傳輸
BOM(Bill Of Material)稱為產品結構清單，也可稱為產品結構樹。在3C中分別對應設計BOM(EBOM)、工藝BOM(PBOM)和制造BOM(MBOM)。設計BOM是從產品設計角度說明產品的構成；工藝BOM是產品數據經過工藝規劃后的產物，包括機加、沖壓、焊裝、裝配等工藝；而制造BOM是面向生產過程中產品數據的描述方式。一般情況下，制造BOM的結構關系與工藝BOM是一致的，但制造BOM有時還包含大量與制造過程有關的其他信息。3C的集成過程，同時也是BOM數據在3C系統中的傳遞過程，也是從設計BOM到工藝BOM，工藝BOM到制造BOM的數據發布過程。
4.2 實現無紙化流程管理體系
PDM系統根據企業制定的管理規則，對產生、修改和使用產品數據的過程進行協調和控制，使技術文件的評審過程自動有序的工作和流轉，減少了設計過程中修改和重復的次數，提高了設計和制造過程的準確性，大大縮短了產品的開發周期，產生了巨大的經濟效益。
4.3 實現100%工藝管理
從工藝規劃、零件工藝設計到產品工藝過程，包括大量的反復、變更、修改、替換等，PDM系統可以對以上各種工藝文件都進行集中管理，保證了工藝信息的完整性、正確性和唯一性。
4.4 實現單一數據源管理
PDM系統提供的版本管理功能能夠保證所有參加同一項目的員工采用單一數據來工作，并且是及時和最新的數據，確保設計過程數據的一致性，減少設計中重復和更改次數。
4.5 實現工裝資源庫管理
基于PDM的工裝資源管理支持目前企業網絡化、分布式、虛擬化的組織模式，系統具備工裝申請、設計、更改、匯總等數據管理及工裝申請、設計、更改、發放等過程管理，通過對工裝資源庫的網絡化管理，使工裝設計、生產、庫存等信息得到共享，提高了工裝的使用效率。
4.6 實現零組件的三維設計
在產品設計階段，利用數字化技術建立產品零組件的全三維數字模型，進行組件或整機的虛擬裝配、運動機構模擬、管路設計、氣動與強度分析等。在產品制造階段，可直接利用上游設計院所提供的產品三維數字化模型進行工藝規范編制、工裝設計、數控加工編程、加工過程仿真、三坐標測量，減少制造返工風險、降低制造成本、提高發動機質量、縮短產品研制周期。
4.7 實現并行工程，縮短產品研發周期
使產品設計具有高度預見性和預防性的技術稱為“并行工程”或“并行設計”。并行工程通過集成企業的一切資源，使產品開發人員盡早考慮產品生命周期中的所有因素（包括設計、分析、制造、裝配、檢驗、維護、成本和質量等），以達到提高產品質量降低成本，縮短開發周期目的。它的實質就是集成地、并行地設計產品及其零部件和相關各種過程的一種系統方法。并行過程可以大大縮短產品開發和生產準備時間，降低成本，提高質量，保證產品的可靠性和實用性。
4.8 便于企業實施全面質量管理
通過對產品開發周期內引入一組相關審查過程，PDM系統可以建立適應IS09000系列驗證和全面質量管理的環境。
5 面向產品全生命周期的異地數字化設計/制造/管理集成的發展方向
航空發動機研制一直采用以圖紙為制造依據的傳統模式，隨著計算機軟、硬件技術、集成技術的飛速發展，大量新產品型號的研制都已引入二維和三維結合的數字化制造技術。然而無論哪一種研制模式，產品制造依據仍是傳統的二維工程圖紙，設計意圖理解困難、信息傳遞不及時、成本高；而僅包含幾何信息的三維數模在產品設計、工藝設計、工裝設計、數控編程、產品制造及數控檢測等環節中應用效果也不理想，表現為數據傳遞不一致、重復工作量大，不利于提升產品質量，降低加工成本及縮短產品制造周期，因此MBD(Model Based Definition)技術就應運而生了。MBD技術通過集成的三維實體模型來完整表達產品信息，詳細規定了三維實體模型中產品的尺寸、公差標注規則和工藝信息。全面實施基于MBD的數字化設計、制造技術將成為航空制造企業提升整體產品制造水平、縮短制造周期、降低制造成本、提高產品質量、改變傳統研制方法的有效途徑。
貫通MBD技術的全三維工藝設計應用以后，企業還需逐步建立標準零件、加工刀具、切削參數、設備、工裝等資源庫，探索先進數字化制造、數字化檢測及加工仿真技術，實現工藝工裝的并行設計，才能更大限度發揮MBD在制造過程中的技術優勢。隨著MBD技術的進一步加強，企業的集成應用制造技術將得到更大的發展空間。
6 結論
PDM作為3C的集成工作平臺，為3C系統提供數據管理與協同工作的環境，它可以跨越操作系統平臺與應用軟件平臺，實現多平臺的信息集成。基于PDM平臺的集成技術應用與研究，已經促使企業快速實現信息化，為早日實現異地協同制造打下了堅實的基礎。
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本文標題：航空制造企業PDM集成技術應用研究
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