1 引言

    航空發動機模具是發動機生產中重要而特殊的工藝裝備，其設計和制造過程占整個發動機設計制造周期的30%，對發動機的制造質量、生產周期、制造成本產生直接影響，并且具有結構形狀復雜、種類多、批量小、設計制造質量要求高的特點。因此如何提高模具的設計、制造質量，縮短其設計制造周期是當前必須盡快解決的重大瓶頸問題。

    國外發動機公司在發動機的并行設計過程中，在產品設計階段就展開了模具設計活動，進行可制造性分析，從而大大縮短了產品的生產準備周期。另外，在發動機主模型技術、性能仿真、多學科設計和快速原型仿制方面廣泛采用數字化技術，采取并行設計團隊的形式開發新產品，采用PDM管理發動機全生命周期內的產品數據和流程，取得顯著效益。

    與國外模具設計相比，我國的模具設計主要存在以下問題：

    (1)數字化模型的管理不規范：目前雖然采用了CAD/CAM系統，但是從產品零件模型到模具設計模型、制造模型的管理，基本上處于用戶自己的文件管理下，沒有統一在PDM下進行模型管理，造成模型的數據各自管理，各自使用，即“信息孤島”問題；

    (2)設計過程不規范：模具設計依賴于設計經驗，缺乏對模具設計經驗的總結與提煉，設計流程沒有詳細分析和優化；

    (3)缺乏模具設計分析工具：現有的模具設計大多數憑借已有的知識，沒有采用仿真工具對模具設計質量進行分析；

    (4)缺乏設計過程的并行性和協同性：目前的設計基本上是串行設計，未形成基于并行設計的項目團隊的組織模式，產品模型的簽署、發布、更改流程尚未統一在PDM管理下進行有效優化。

    因此，本文針對PDM環境下模具的協同設計與制造問題，研究了以主模型為核心的模型管理方法，對航空發動機模具的數據管理和模具設計制造流程的建模、優化與管理方法進行了探索和研究。

2 PDM應用實施整體框架

    PDM系統管理所有與產品相關信息，包括產品規范、電子文件、CAD文檔、掃描圖像、審批信息等；還管理與規范跟產品相關的過程，包括工作流程、圖紙審批與發放、工程更改等，從而實現基于單一數據源的產品全生命周期的數據管理與共享。雖然PDM軟件的功能越來越豐富，但目前企業實施PDM還是主要集中在其基本功能上，包括文檔管理、人員組織管理、產品結構與配置管理、工作流程管理以及應用集成與封裝等。

    Teamcenter Engineering是基于WEB的完整的協同產品解決方案，是包含眾多復雜模塊的軟件包。通過對其系統功能和層次結構的分析和研究，可以分為四層，如圖1所示：

圖1 PDM系統整體框架

    其中系統服務層為以TCP/IP協議為主的各種異構網絡環境提供支持；核心服務層提供面向對象的數據模型的描述與實現，以及各種應用接口和技術服務；應用服務層實現PDM的各種功能，包括：文檔管理、產品配置、工作流管理及項目管理等；系統集成層則實現了與其他系統的集成，并可進行二次開發。

    本項目根據企業具體情況，采用Oracle數據庫作為數據庫管理平臺，并對相應的軟硬件系統進行相應的配置。

3 航空發動機模具的數據管理

    3.1 人員組織管理模型

    人員組織管理模型也稱為組織一角色一權限模型，它規定了PDM實施范圍中的人員組織、角色、操作權限及操作命令表，是設置PDM工作環境的基礎。

    本項目中的工作組包括綜合辦公室、質量控制室、技術部和生產部，角色分為設計員、工藝員、項目主管、主任及技術工人。根據不同的角色和項目，設置其相應的操作權限，以保證數據的有效性和安全性。PDM中的角色定義還可以根據實際需要進行相應的調整，一個成員也可以同時擁有多個角色。

    3.2 產品數據組織

    PDM實施的目的就是為了對產品在設計生產過程中的數據進行科學有效的管理，從而實現“在正確的時間把正確的數據傳遞給正確的人。”PDM中的數據包括所有與產品相關的數據和設計、生產、支持產品的過程。這些數據定義不同，經常存在許多版本，有多重關系和語義。要對產品數據進行組織，就要建立產品數據組織的模型。采用產品結構樹作為數據組織和管理的框架，是PDM系統數據組織的主要方式。

    產品設計的過程，也就是產品結構生成的過程。通常通過產品結構樹對產品結構進行描述管理。在產品結構樹中，零部件按照它們的裝配關系組織起來，用戶將產品定義數據與零部件關聯起來，最終形成對產品結構的完整描述。通過產品的結構關系保證產品數據的邏輯關聯性。

    在產品設計過程中，隨著任務的分解細化，產品結構樹在不斷生長。將設計過程中的信息進行提煉，從而形成完整的產品結構樹。產品結構管理模型如圖2所示：

圖2 產品結構管理模型

    航空發動機模具設計加工過程涉及的信息數據數量巨大、種類繁多，包括生產任務信息、葉片產品模型、葉片毛坯、工藝流程、模具文件、工裝目錄、質量記錄、產品交付單等，其格式有文本、圖片、表格、二維和三維CAD文件等。某航空發動機葉片模具的產品結構樹模型如圖3所示，圖4為在Teamcenter中建立的本產品的產品結構樹。另外，通過相應的權限控制，實現對模具相關數據的分類管理，項目組成員對需要的文件的可以快速檢索、瀏覽及批注，而不必關心文件的具體物理位置。

圖3 某航空發動機葉片模具的產品結構模型

圖4 葉片模具在Teamcenter中的產品結構樹

    以后的改進和改型設計都可以在已有的產品模型和配置基礎上進行，從而充分利用已有知識，縮短研制周期。

4 模具設計與制造的流程管理

    流程管理的目標是實現對產品設計和修改過程的相關數據進行跟蹤與控制，是PDM系統的重要基本功能之一。Teamcenter提供的流程管理包括工作流管理、更改管理和新產品開發的管理。流程管理涉及到許多部門和人員，還受到傳統工作習慣的影響，因此，在流程管理的實施過程中，首先要對流程進行詳細分析，建立合理的數據發放模型，實現對數據的提交與修改、管理和監督、文檔的分布控制、自動通知等，還要對已有流程進行評估優化，剔除其中的冗余環節，確保數據流向的正確性和高效性。

    流程管理是指某對象在一定的規則約束下從一種狀態向另一種狀態轉化的過程，即從不確定的狀態變為確定的狀態。為了進行有效的流程管理，必須建立一個結構化的過程模型，來描述個過程步驟在邏輯上的串、并行關系。因此，必須首先確定相關的過程步驟，并將它們抽象成基本的任務單元，通過對這些基本單元的有機連接來構建不同的產品開發過程，比如設計、審批流程、更改流程等。把每一個過程步驟與功能對象也要與執行或接受這項任務的用戶、組、角色相關聯，從而建立流程模板。系統的流程管理模型主要包含5個方面：(1)流程名稱及適用范圍；(2)流程中工作階段的數量，先后次序及返回邏輯；(3)每個工作對應階段的人員、角色、表決模式；(4)在每個工作階段開始或結束時需要完成的特殊任務；(5)流程中每個工作階段所對應的版本變化規則。

    在Teamcenter中，流程管理的目標對象可以是文檔或零部件。文檔包括任務書、表格、設計文檔標準等，零部件是數字化模型，包括圖形、圖像等。建立流程模板后，指定每一步驟的具體執行人，提交對象進入流程，流程開始執行。當對象處于流程中時，其他用戶不能對文件進行編輯修改，可以查看其目前所處的步驟和狀態，包括提交、等待審查及己發布，用不同顏色和形狀的圖標表示。當流程結束，文件發布后，任何用戶對文件只能瀏覽。圖5是在Teamcenter中對工裝設計申請和模具設計流程的并行管理圖：

圖5 工裝設計申請和模具設計流程

    上圖的流程中包括編制工藝規范子流程、模具設計子流程、工裝設計申請子流程等三個并行的子流程，利用多個并行流程同時進行工作，解決手工方式串行的問題。

5 結束語

    本文針對某航空發動機葉片模具的設計、生產，在Teamcenter的基礎上構建了數據管理體系和應用實施方法，并詳細論述了產品結構管理和工作流程管理的實施過程，實現了基于單一數據源的數據組織、管理和控制，保證了數據的有效性和高效性，縮短了研制周期。

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本文標題：面向航空發動機模具的PDM應用實施

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