模具制造业PDM技术的应用

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模具制造业PDM技术的应用
1 前言
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1 c2 g+ r3 x; c. H- q# g7 oPDM(ProductDataManagement，简称PDM)是一门管理所有与产品相关的信息(包括电子文档、数字化文件、数据库记录等)和所有与产品相关的过程(包括审批／发放过程、工程更改过程等)的技术，它是一门集数据库的数据管理能力、网络通讯能力与过程控制能力于一体的工程数据管理综合技术。

. m9 y7 A* U. E, a$ i- \随着国际产业结构调整和转移的趋势日益强劲，工业发达国家正在将大批的传统产业向发展中国家转移，其转移的重点就是制造业，我国制造业的发展正面临一个难得的机遇。为此，科技部在原攻关计划制造业信息化工程项目的基础上，整合863计划和攻关计划有关的科技资源，组织实施制造业信息化关键技术研究及应用示范工程，以期大幅度提高我国制造业的技术创新能力和国际竞争力，实现制造业产业结构的优化和升级，以信息化带动工业化，用高新技术改造传统产业，实现我国制造业的跨跃式发展。

改革开放20多年来，我国已成为使用各类模具的大国。深圳的模具制造业经过不懈的努力，已从最初以作坊式为主的低水平制造发展成为深圳市的支柱产业，进而成为全国模具制造业的领头羊。国家大力推行制造业信息化技术，为进一步提升深圳模具企业的技术水平，保持深圳模具在全国的领先地位带来了新的机遇。本文结合作者对深圳模具企业(只针对塑胶模具企业，下同)调研过程中了解的模具制造业生产模式的特点及对信息化的需求，探讨面向模具制造的PDM技术应用。
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2 PDM系统的主要应用功能

PDM系统包含的主要应用功能有：文档控制、产品结构与配置管理、工作流与过程管理、项目管理、信息分类与检索、应用系统集成、变更控制等，它提供产品设计、制造和技术支持服务所需的大量数据跟踪与存储功能，进而控制产品信息的处理和使用，管理产品的开发过程，见图1。

' C" g5 D5 {. q: a% }" o) Y- nPDM不仅可以有效地将概念设计、工程分析、详细设计、工艺流程设计、制造、销售、维护，直至产品报废的整个生命周期与产品相关的数据予以定义、组织和管理，使产品数据在整个生命周期内保持一致、最新、共享及安全，同时，还为CAx／DFx应用提供统一的集成运行平台，是连接CAD／CAPP／CAM系统、MIS系统、MRPII／ERP、车间管理与控制系统的桥梁与纽带。通过PDM系统的有效实施与管理，可及时提供给设计人员正确的产品数据，避免繁琐的数据查找，提高设计效率；保证产品设计的详细数据能有序存取，提高设计数据的再利用率，减少重复劳动；有效控制工程更改，决策人员可以方便地进行设计审查；可以进行产品设计过程控制，提供并行设计的协同工作环境；有利于整个产品开发过程的系统集成(包括供应商、MRPII、销售、支持与维修服务等)。

0 c4 Y+ H0 U* E8 ]; _+ ^8 ~7 j3 模具制造业生产模式的特点和趋势

3．1模具制造业生产模式的特点
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( Y+ H+ F, Z! L+ f! k: c, |模具是特定产品零件生产用的专用工装，如塑胶模是用于把塑性材料加工成大批的、统一形状的部件。在现代工业生产中，60％-90％的工业产品需要使用模具加工技术，模具工业已经成为工业发展的基础。在新产品层出不穷的今天，许多产品的开发和生产都依赖于模具生产。根据国际生产技术协会的预测，21世纪机械制造工业零件粗加工的75％，精加工的50％都需要通过模具来完成，其中汽车、电器、通信、石化、建筑等行业最为突出?1I。如何在保证模具质量的前提下，以最低的成本和最短的周期，将模具提交给用户，是当前模具业追求的主要目标。模具制造业生产模式的特点和趋势归纳起来，有如下几点：
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(1)为典型的单品单样个别接单生产。模具订单是陆续随机到达的，且定单数量呈季节性变化。

4 l6 w  }1 u1 q  K7 o3 [/ B% n(2)几乎每一个定单都有其特殊性，从产品订货决策到制造的全过程中，每一套模具都具有一定的独立性，企业需要针对每一份订单编制相应的生产进度计划。而且，在模具开发的不同阶段，要对生产进度计划由粗到细多次进行制定和修改。

  \+ G6 {$ E: L5 _7 o(3)每副模具都必须进行创造性的设计。由于不同产品在外观、结构及成型工艺上的特殊性，需要对每副模具进行个别设计。因此模具设计常分为制件工艺分析与设计，模具总体方案设计，总体结构设计，施工图设计四个阶段。在模具的开发过程中，设计所占的时间相当长，约达到整个开发周期的1／3。

(4)模具质量管理是由用户参与的多层次质量管理系统。在模具报价与合同订单的签订时，企业就需要与用户协商确定产品图，以及有关的技术要求；在进行模具结构设计、详细设计、工艺设计等阶段中，企业均需要与用户进行协调；在最终产品的验收过程中，企业还需要用户的大力合作。
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(5)尽管在现代模具生产中采用了先进的高效、高精机床和自动化生产技术，全面采用了标准和通用零、部件，但是，模具型腔、型芯表面精饰加工(如：抛光、研磨等)，模具钳工与装配仍然依赖技术工人的手工劳动，其工作量将占模具总工作量(按工时计)的25％-45％。因此，制造工艺规范化成为了控制模具合理化生产的技术基础。

: p/ d  a- U- \1 k3．2模县制造业生产模式的发展趋势

模具作为一种高附加值的技术密集产品，它的技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标。随着当代先进制造技术的发展，模具制造模式也呈现出了如下发展趋势：

1 Y, x* G1 n: @2 _(1)由于模具CAD／CAM技术已发展成为一项比较成熟的共性技术，近年来模具CAD／CAM技术的硬件与软件价格已降低到中小企业普遍可以接受的程度，特别是微机的普及应用，更为广大模具企业普及模具CAD／CAM技术创造了良好的条件，因此，模具企业应用CAD／CAM技术进行模具设计与制造已成为必然。
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# T3 j" `5 j( Q. ~8 B; A(2)选用优质钢材和相应的表面处理技术来提高模具的寿命已越来越受到企业的重视。
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1 _9 r* R3 `7 N; F* ]4 W(3)制造商要求通过减少物理样机，提高产品质量来降低成本并加速产品上市，这种需求在模具制造业中尤为突出。因此在模具CAD／CAM技术中集成数字化分析技术，获得完善的CAD／CAB／CAM解决方案，是目前的一个重要发展方向。
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2 n- D( ^: O; \(4)CAD／CAM技术的普及和层次的提高，以及数据库技术、计算机网络技术的发展，为模具企业实现并行设计与制造创造了条件，成为企业有效缩短模具开发周期、降低模具开发风险的有利武器。
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4 模具制造业应用PDM技术的总体目标

7 W: g' \, X& p% k0 E# p. M模具制造业应用PDM技术的总体目标应包括

(1)产品信息的完整性、规范化管理。
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8 K) E) K+ z: j: gPDM系统管理的产品信息将涉及到模具设计、工艺、制造、经营和服务等各部门，实施PDM系统应充分考虑上述各部门的要求，并提供必要的信息共享环境。同时，通过实施产品配置管理，实现企业内部产品信息的一致性、唯一性、完整性和科学性。

(2)工作流程的科学性和灵活性管理。
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) ]! g; z+ C9 \6 i  H+ Y由于模具企业接订单的特殊性，以及模具设计、制造的个性化需求，使得模具产品在整个生命周期中的工作流程呈现出多回路的特性。因此，PDM系统的实施应兼顾高效畅通和方便更改，以实现流程优化再造。

(3)有效的项目管理。
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模具企业的生产管理是典型的按照单一定单实施的项目管理，每一副模具从接单、设计到生产、测试都体现出其独立性，都需要专门的项目负责人对人员进行管理，需要制订专门的设计方案、设计特定的工艺、组织特定的生产过程。因此，在PDM系统的实施中，是否实现有效的项目管理是决定PDM系统成功与否的关键。
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$ X+ p% f; o7 q  u(4)CAD／CAM／CAE的全面集成。

2 p2 a% ?( P: U5 e由于模具企业应用CAD／CAM／CAE技术进行模具设计与制造已成为必然，因此，应使PDM系统成为全面集成CAD／CAM／CAE技术的平台，以保证企业中相关项目的任何人在任何地点、任意时候都可以得到所需要的正确的、唯一的产品信息，避免因人工参与的中间环节信息处理错误而导致产品信息的混乱。
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* Z2 _2 l/ W' H- p(5)并行工程的要求。

模具制造过程中多回路的工作流程特性，使得应用并行工程成为有效提高产品开发效益，增强企业竞争能力的有力工具。并行工程的实现要求PDM系统具有支持异构的计算机环境，提供单一的产品数据源，可实施过程的管理与监控，以及支持虚拟产品开发等功能。

: s% s; p7 |7 g& m4 j(6)协同环境的适应。
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. i0 e3 l  ?3 J4 m" [3 R模具企业实施PDM管理时还应充分考虑所应用的系统与外部协同环境相适应，尤其是大型企业采用分布式数据库时，应保证异构环境下的数据通讯，以及数据传输的实时性要求。同时，PDM系统的计算机网络应具有可扩展性和开放性。
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7 D* u+ H5 D6 {. S) Z8 N# A5 模具制造业应用PDM系统的数据模型
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5．1 人员数据模型
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人员数据模型包括人员组织、角色设定以及角色权限设定3部分。

根据模具企业组织模具开发的模式不同，其人员组织各不相同，概括起来不外乎如下3种类型：

(1)传统企业型：即按照专业划分配备人员，各部门的工作性质单一，工作人员较为固定，工作流程以串行为主，见图2。

' ?( l$ l6 Y7 @0 u3 n: F% R8 c(2)动态型：即产品开发按照项目组织人员，每一组人员中包括完成某一特定模具开发所需要的所有设计、工艺、生产、管理、售后服务人员。随着项目转型，人员也相对变化。工作流程在组内以串行为主，对企业则以并行为主，企业的销售、行政、财务等非生产部门则相对固定。在生产的安排上又可分为按照单一产品完成整个产品的制造；以及集中加工，按产品分组装配两种方式，见图3。

! E6 [6 y$ _4 U( A(3)外协组装型：模具的设计完成后，由oEM供应商组织零部件的生产，模具企业采购标准件及模具零部件并进行组装后出售。这种类型的模具企业人员成本和设备投入相对较小，生产组织灵活，但生产成本相对较高，模具开发的主要人员为设计人员及装配技术工人，见图4。

- h: p7 K! x- K" @6 D1 c虽然不同企业的人员组织不同，但其角色设定及权限设定是大致相同的。因此，当企业的人员组织结构确定之后，即可确定人员数据模型。人员数据模型可用表格描述间，根据图2建立的人员数据表见表1。

5．2产品结构模型
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PDM系统通常用产品结构树描述产品结构，产品结构树由产品装配图和产品零部件明细表产生，产品结构树描述了产品零件信息、装配层次关系、以及装配关系的信息。一般注射模产品结构树见图5。

图5中，第一层为根节点，代表产品；第二层为叶节点，代表组成模具的各个部件；第三层也为叶节点(以下各层均为叶节点)，代表构成各部件的零件或组件。
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上述结构树根据管理的需要还可进一步细分，直至每一零件的毛胚或原材料。
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2 h* }7 r9 ^; U. e- Q* A9 U  P5．3工作流程管理模型
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工作流程管理通常需要定义以下几方面的内容：

3 w3 ?0 c/ D) d  H$ c4 x(1)工作流程的名称和适用范围。
(2)工作流程阶段数量、先后次序及返回的逻辑。
( n& X* _+ \1 Z4 O6 \" d2 P  p(3)对应每一阶段的人员角色和表决模式。
& E( \3 c% Y" C: f. U(4)在每一阶段开始和结束时需要完成的特殊任务。
3 O) o+ H) b6 ^& C0 o(5)在整个工作流程中产品数据版本变化规则。

工作流程管理模型可根据实际工作流程用表格形式对上述内容进行描述。

8 p; t3 h, G+ w4 @$ q* H& s6 模具制造业应用PDM系统的关键技术
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3 z1 p8 s4 b' k! K: |: V* }& t6．1产品配置管理

' O9 G% p2 s, L4 ^由于模具企业单件生产的特点，对产品实施配置管理就显得尤为重要。

# V$ z; ]- q! ^( O产品配置是指按照某一产品内部的所有零件数量、性质及相互关系对产品进行编组。其管理的目标是：

(1)建立产品的整体模型，形象地描述产品全部数据及其相互关系。
(2)建立产品的配置规则，以便给设计、生产及管理部门提供统一的、准确的产品信息。
(3)建立一致的产品材料清单，避免造成返工和浪费。
4 J. u) b! R) [2 \8 K5 w+ g(4)建立产品更改的历史记录--版本管理，以保证在任何时候，相关的任何人都能得到正确的产品版本。

& L% B, c# `" A3 {& t% D1 Y  [4 r4 F% k根据模具的产品结构树及配置规则，即可得到不同配置条件下的产品配置子模型。根据图5得到的产品配置子模型见图6。

" ^; o) F; W) i& d. w6 T0 P- K2 o/ y6．2PDM系统与CAD／CAM／CAE的集成

. g, t" D6 T3 V+ Z) }5 v6．2．1与CAD／CAM集成的几种模式
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(1)封装模式：封装模式是将所有CAD／CAM应用程序进行集成，使不同的应用程序之间能够共享信息，而PDM系统则可以对不同应用程序分别放在数据库中的特征数据以及数据文件进行有效的管理。当PDM系统封装了CAD／CAM／CAE应用程序,即可在PDM系统的图形文件中直接激活相应的CAD／CAM／CAE系统，并在该系统中将相应的图形文件显示为图形。反之，在CAD／CAM／CAE系统中也可直接进入PDM系统，进行相应的数据管理操作，但不允许PDM系统管理文件内部的数据，如特征、参数和装配数据等。一般，封装模式用于PDM系统与二维CAD软件的集成，自动化程度较低，但实施工作量较少，容易实现。

(2)接口模式：接口模式通过编制接口程序破译产品内部的相互关系，从而能够根据CAD装配文件中的装配树自动生成PDM中的产品结构树，并能从PDM的产品结构树中提取最新的产品结构关系，去修改CAD中的装配文件，使两者保持异步一致。因此，采用标准数据接口建立PDM的产品配置与多种CAD软件的装配结构之间的联系，可实现多种CAD软件共享同一产品结构，但数据必须具有统一的数据结构。接口模式的自动化程度更高，PDM系统与CAD系统之间能自动交换文件内部数据。在CAD菜单中具有某些PDM的功能，在PDM菜单中也具有某些CAD的功能。一般，接口模式用于PDM系统与三维CAD软件的集成。但接口模式的开发工作量大，对人员的要求高，且系统的维护工作还需要人工处理。
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(3)集成模式：集成模式中PDM系统对所有类型的信息都提供了全自动的双向相关交换，包括产品数据、特征数据和面向应用的数据。采用集成模式可制定统一的产品数据之间的结构关系，只要其中之一的关系发生变化，另一个随之发生改变，在CAD环境中能使用所有PDM功能，始终保持CAD的产品装配关系和PDM的产品结构树同步一致。一般，集成模式用于PDM和CAD的紧密集成，只有软件供应商才能够提供这种模式。对企业而言，其开发工作量最少，使用最方便。但对实施单位(软件供应商)而言，要花费很长时间，还要投人大量精力开发用户界面。开发的费用也较高。
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6．2．2PDM系统与CAE的集成

由于CAE软件主要产生对具体零件的分析计算结果，因此可采用封装模式实现集成。同时通过定义在PDM系统中对CAE分析计算结果的管理规则，实施对CAE数据的管理。集成的结果是在PDM系统中能够随时激活CAE软件，能够识别CAE文件类型，并在CAE环境下和PDM系统交换信息，完成存、取、删、改、查等操作。

/ j* w, y% H# n( w. N5 A4 e% Y& y6、2．3模具制造业集成模式的选择
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综合上述各种集成模式的应用环境以及优缺点，结合模具制造业生产模式的特点，PDM与CAD／CAM的集成一般选择接口模式较为合适。事实上，在目前已经实施PDM管理的企业中，大多采用了接口模式。一些PDM的软件供应商甚至提前做好了PDM与目前市场上较通用的三维CAD软件的接口，如SMARTEAM与ug、PRo／E的集成等。
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6．3并行工程的实现
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并行工程是指在进行上游环节工作的同时，尽可能考虑下游环境的工作，通过产品数据的统一管理，并行地进行产品设计、工艺设计、生产准备、测试准备等工作，以最大限度地减少产品开发周期，降低开发成本。
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$ t! C  V; l& J/ P( t5 q2 x实现并行工程必须依靠PDM技术。PDM的数据集成和管理功能能够提供单一的产品数据源，可保证在并行工作中产品数据的正确、唯一性；PDM对过程的管理与监控，可保证并行工程的有效进行；PDM对虚拟产品开发的支持，可及时实现企业内部、企业外部的信息交流，有效降低开发风险。如何在保证模具质量的前提下，以最低的成本和最短的周期，将模具提交给用户，是当前模具业追求的主要目标。因此，在模具制造业中实现并行工程，无疑是一种明智的选择。