1 引言
进入21世纪以来，产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)技术得到了迅速发展，它是为了满足制造企业对产品生命周期管理的需求而产生的一种新的管理模式。PLM的核心是产品数据的有序、设计过程的优化和资源的共享，是支持快速产品开发过程的协同管理的一个集成协同框架。在航空制造企业中，产品的工艺设计涉及多团队、多部门、多领域的参与合作，需要建立面向PLM的协同工艺设计模式，并行工作。同时要求工艺信息系统能够克服时间、空间等限制，形成一个便于群体相互协同工作的共同工作空间，使异地多部门人员能够并行协同地完成工艺信息处理，对于实现快速工艺准备，缩短产品研制周期具有重要意义。
2 面向PLM的协同工艺分析
目前我国航空制造企业已大量采用CAPP系统进行工艺过程设计与管理，对提高企业的工艺设计效率和管理水平起到了重要的促进作用，但是在应用中主要关注于离散的单元工艺设计工作，对整个工艺生命周期的协同工作研究不够，极大地限制了采用CAPP系统对工作效率提升的效果。面向PLM的协同工艺设计的理念把传统CAPP系统的功能扩展到基于计算机支持协同工作的信息、过程和管理集成平台的高度。本文以某航空制造企业实际需求为背景，分析和总结了其工艺工作的特点，包括：
①产品制造工艺种类多，涵盖机加、数控、装配、热表、喷漆等各种冷热加工。
②工艺设计涉及多团队、多部门、多领域的参与合作，需要建立协同的设计模式，并行工作。
③产品工艺更改频繁，强调完善的版次管理。
该企业的工艺设计包括装配工艺和机加工艺这两种主制工艺，整个编制过程中涉及主制单位和多个协作单位的并行协作。工艺处的主管工艺员根据产品设计部门的设计数据，将产品分解成各个零部件，制定分单位目录和工艺分工路线。根据分单位目录和工艺分工路线将工艺设计任务下发到各分厂（主制单位）的车间工艺室进行具体工艺规程编制（主制工艺）。在主制工艺规程编制过程中，主制单位根据车间级产品工艺工作计划来制定包含协作工序在内的工艺路线。主制单位负责工序内容的详细定义。企业内部各术语定义包括：
①车间级产品工艺工作计划：车间工艺负责人对分配到本车间的零组件进行工艺编制、校对任务的分配。
②主制单位和主制工艺：工艺编制任务的承接单位以及任务的发起单位，其编制的工艺称为主制工艺。
③协作单位和协作工序：在主制工艺编制过程中，会涉及到本车间无法完成的任务，需要其他工艺部门协作完成时，主制单位发出协作任务，收到任务的部门成为协作单位。协作单位编制的工艺称为协作工序。
④扩编工艺：若协作工序内容较为复杂，例如光学镀膜、旋压、布线等，需形成一本独立的工艺规程，称之为扩编工艺。
在主制工艺规程完成校对之后，各个协作单位根据主制工艺规程编制各自的协作工序，并在本部门内完成独立审批。若需要专用工装，主制工艺员应编制专用工装申请单并提交到工装设计部门以完成工装申请的审批；若有数控加工工序，则需数控程序编制部门完成数控工序的编制审批。当各个协作工序、专用工装申请、数控工序审批完成后，进行主制工艺规程合并（将协作工序装订到主制工艺规程中）。合并后的主制工艺规程继续进行后续的审批流程。协同工艺设计业务流程如图1所示。
图1 协同工艺设计业务流程
3 面向PLM的协同工艺设计与管理系统开发
该企业的生产模式为多型号研制、小批量生产，随着多型号任务的并行开展，迫切要求实现产品的快速研制。其传统的并行协作过程是通过人为通知、协调、纸质装订来实现的。要求采用新的工艺设计模式和制造方式，建立适应于产品快速研制的协同计算机辅助工艺设计与管理系统(Collaborative Computer Aided Process Planning，C-CAPP)。C-CAPP系统的设计与开发是基于西北工业大学的CAPPFramework 2007（下文简称CAPPFramework）软件和西门子的Teamcenter 8（下文简称TC）软件，CAPPFramework作为工艺规程的编制工具，依靠TC的统一产品数据和人员管理及工作流管理实现整个工艺系统及相关部门的业务流程协同。C-CAPP系统体系架构如图2所示。
图2 基于TC与CAPPFramework的C-CAPP系统架构
C-CAPP系统的体系结构共分为三层：数据层、协同平台层和系统应用层。整个系统功能建立在异构分布式的计算机硬件环境、网络环境和分布式关系数据库的基础上。协同平台层是系统实现工艺设计协同工作的关键，通过平台中的数据交换与协同、工作流系统、协同服务等功能，采用XML格式设计编写CAPPFramework启动接口文件和工艺信息文件，以实现CAPPFramework与TC的集成。用户只需对系统应用层操作就完成工艺设计、管理以及相应的协同工作。其主要逻辑处理体现在协同平台层和系统应用层，包含以下功能。
3.1 工艺设计
选用CAPPFramework进行工艺规程文件的编制。在TC中选择正确版本零件，并建立相应工艺节点（用于归属工艺规程文件和工艺规程数据），以此启动CAPPFramework进行工艺规程文件编制。将生成的工艺文件(*.cxp、*.xml、*.pdf)提交到TC中。支持企业各工艺类型（机加工艺、装配工艺、协作工序）工艺设计以及工艺更改工作。使用专用代号分别标识工艺路线卡中的协作工序、扩编工艺和数控工序，以实现协同工艺设计。
3.2 工艺编制协同
工艺编制协同功能主要包括协同工作流管理和协同服务。协同工作流管理包括用户权限与角色管理、工艺任务分配与管理、工艺工作流的分析与建模和工艺工作流管理。C-CAPP系统综合利用TC的工作流管理功能和CAPPFramework工艺编制功能，实现主制单位与各个协作单位并行有效的编制完成工艺规程，同时也实现各个协作单位之间的工作并行。通过分析该企业工艺规程编制与审批的总体流程，系统能够提供的协同服务主要包括：主制工艺与协作工序、扩编工艺的编制协同；主制工艺与专用工装申请、设计的编制协同；主制工艺与数控加工工序的编制协同；工艺文件合并、XML文件提交等。协同工艺编制与审批总体流程如图3所示。
图3 协同工艺编制与审批总体流程
①主制工艺与协作工序、扩编工艺的编制协同
主制单位用CAPPFramework编制完成主制工艺规程后提交给TC走审批流程，在工艺校对节点后新建协作工序及相应流程。协作工序、扩编工艺编制者通过TC接收到相应任务，完成编制审批后提交协作工艺信息(*.xml)到TC。协作工序走协作工序编制审批流程，扩编工艺走主制工艺编制审批流程。
主制单位将已完成审批、签名的协作工序与主制工艺合并形成一份完整的工艺规程，并提交完整的工艺信息(*.xm1、*.cxp)给TC，继续走审批流程。扩编工艺不与相应的主制工艺合并，独立形成一份完整工艺规程。实现主制工艺与协作工序、扩编工艺的编制协同。
②主制工艺与专用工装申请、设计的协同
在工艺编制的过程中如果有特殊工装的申请，将在CAPPFramework中填写工装申请单，同时需要保存为独立的CXP文档。通过TC发起工装申请单审批流程，工装设计部门完成审批，将记录工装申请单信息的CXP、XML文件存入TC中。接着启动专用工装设计流程。实现了主制工艺编制与专用工装申请、设计的协同。
③主制工艺与数控加工工序的编制协同
在工艺编制的过程中如果有数控加工工序，数控单位接受任务后启动数控加工工艺编制与审批流程并完成审批，最终执行与主制工艺合并，实现主制工艺编制与数控工序编制的协同。
3.3 工艺信息管理
工艺信息管理的目标是实现工艺数据和各种工艺文件的有效管理，为工艺设计系统与相关系统的有机集成，提供统一有效的产品工艺数据管理工具，以保证工艺数据的唯一性、实时性、有效性和安全性。主要包括信息模型管理、工艺设计数据管理、产品结构管理、集成接口管理以及工艺资源管理。实现对工艺工作过程的管理与控制。本文详细介绍协同工艺设计数据的管理，如图4所示，其主要的管理有下面几方面：
图4 协同工艺设计数据的管理
①工艺文档存储
工艺文档作为一个整体对象在TC中进行管理。工艺文档作为一个整体存储在TC数据库中，在PDM的版本管理的控制下经历文档版本管理和全生命周期管理。工艺文档中同时包含了零件工序图信息。
②结构化数据存储
CAPPFramework生成的产品工艺中包含设备、刀具、工装等企业中其他应用软件系统比如ERP、MES系统需要的数据。这些数据对企业信息集成提供便利，CAPPFramework将这些结构化数据自动写入XML文件，并提交给TC保存。它们以关系数据的形式存储在TC数据库中，并以唯一的索引与对应工艺文档相联系，以方便系统查询和被其他集成应用系统所读取。
4 C-CAPP系统应用
目前该企业已完成C-CAPP系统的全面部署和应用，覆盖了其所有车间工艺部门、主管工艺部门以及其它业务相关部门。
工艺员需要进行工艺规程编制和审批时，首先需要登录TC并找到需要完成的工艺编制任务，点击工艺编制菜单，通过已定制的XML接口文件自动启动CAPPFramework进行工艺规程编制，最后在TC中完成工艺规程的审批。C-CAPP系统内部集成交互文件包含的主要内容如表1所示。
表1 系统内部集成交互XML文件的主要内容
5 结束语
本文针对某航空制造企业工艺设计业务流程特点以及需求现状，提出了面向PLM的协同工艺设计与管理方法。以CAPPFramework与TC集成开发为基础，构建了协同工艺设计与管理系统(C-CAPP)，对协同工艺设计涉及的关键流程与工艺设计数据管理进行了详细论述。实现了主制工艺与协作工序、专用工装申请以及数控工序的并行协同编制。
通过在该企业进行全面实施和技术应用，为工艺系统的协同设计提供了有效的工具和平台，有效解决了工艺协同的问题，从整体上缩短了产品研制周期，显示了很好的应用效果。
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