产品创新数字化峰会有奖征文火热进行中……
1 前言
轴承是各类机械装备的重要基础零部件，它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的精度、性能、寿命和可靠性起着决定性的作用。在机械产品中，轴承属于高精度产品，不仅需要数学、物理等诸多学科理论的综合支持，而且需要材料科学、热处理技术、精密加工和测量技术、数控技术和有效的数值方法及功能强大的计算机技术等诸多学科为之服务，因此轴承又是一个代表国家科技实力的产品。当今世界轴承强国以欧、美、日为首，经过一百多年的发展，在全球轴承市场的高端产品中占据着绝对的优势。我国现代轴承工业的发展主要在新中国成立以后，经过近六十年的建设和发展、特别是改革开放30年来持续、快速、稳健的发展，我国轴承工业已形成门类齐全、具有相当规模和一定水平的独立产业体系。目前，我国的轴承工业从产业经济规模上已居世界轴承总量的第三位。
PDM是一门用来管理所有与产品相关的信息(即描述产品的各种信息，包括但不限于零部件信息、结构、配置、文档、CAD 文件、权限信息等)和过程(指产品的发放、变更、审批过程和其它的工作流程，包括对这些过程的定义和管理)的技术[1]。它将很好地面向企业的生产组织，加快产品投放市场速度，提高企业的产品质量和工作效率，从而提高产品的核心竞争力。上海某轴承公司选用Siemens公司的PDM产品Teamcenter系统进行产品数据的管理，实现对产品数据的有效管理，解决轴承产品的设计流程的监控和产品图纸的管理的难题，提高企业工艺设计的工作效率和电子文件技术状态控制水平。
2 基于TeamCenter的轴承开发管理的关键技术
基于TeamCenter的轴承开发管理，其目的在于建立轴承从数字化设计与数字化工艺等过程的统一的开发环境，以此环境形成产品设计的快速反应与协调工作平台，支持产品开发项目小组展开并行设计和自顶向下设计，维护数据安全，保持数据以正确的格式和内容、及时传递给有关人员。通过捕捉相关的产品和过程信息，并将这些资源关联到一个通用的产品结构中，有效地执行自动化的、与产品相关的流程。其关键技术如下：
2.1 轴承的数字化数据库与文件系统融合技术
轴承产品开发管理采用Teamcenter系统软件，Teamcenter是Siemens PLM Software的产品数据管理系统,可以将所有的CAD/CAM系统集成起来，按照产品的结构对图形及相关的数据信息进行管理和共享。它能动态地存储和管理CAD模型和图纸等图形文件以及相应的文本信息，同时还能按照它所提供的规则来完成最终的图纸审批入库手续，自动生成BOM(材料清单 Bill of Material)等工作。同时，Teamcenter以关系型数据库Oracle为基础，支持客户机/服务器(C/S)体系结构和服务器/浏览器(B/S)方式，能将不同机器上的数据(工作站，PC等)完成集成在一个逻辑上共同的数据库中，实现了真正的全局数据的集成。
通过采用物理隔断技术组建局域网，以关系型数据库Oracle为基础，摒弃了传统的单纯的数据库技术和单纯的文件系统，采用数据库与文件系统融合的技术对存储轴承相关的结构化的数据信息，进行知识的共享,根据组织结构或数据特性设定不同的文件系统数据卷(Volume)，将不同的文件数据分类纳入管理，同时建立数据库中的元数据与数据文件的关系如下图所示。可以更好存储更多的轴承的型号数据，同时保证数据的安全性，也显著提高了存取数据的速度。
图 数据文件管理方式
在这种产品对象数据的管理模式下，以文件方式在文件系统中的文件就是产品对象的数据集。数据集是反映产品几何特征的信息集合，它包含诸如三维模型、二维图纸和文档等在内的主要内容。通常一个数据集是由一个或多个CAD的模型所组成。另外由MS Office工具或者CAD 工具产生的技术文件同样也是数据集，集中统一地描述说明Item对象或者Document 对象。
在分工组织下将个人产生的数据进行集中管理，使小组其他人员轻易共享数据信息，充分应用和利用已有的数据，同时使数据传递同步且正确。所有存取过程均可有审计记录，并可防止用户对文件同时进行交互修改，使信息的共享透明化、同步化，解决信息取得困难费时的问题。
2.2 基于层次结构的轴承数据模型定义技术
轴承数据模型是描述在整个产品生命周期中获取、共享和重用产品、工艺、资源等企业知识的模型。产品本身可以与制造流程和资源需求一起集成于一个丰富的产品制造环境，和用于再利用企业知识的策略一致，轴承数据模型可以获取产品开发时的数据，对产品的制造过程进行定义，利用企业的制造资源。轴承数据模型中对数据的描述是采用层次模型来描述的。用树形结构表示实体之间联系的模型叫层次模型。对于一个产品对象来说,其制造过程包含了产品信息、工艺知识、和工艺涉及的资源,以及产品-工艺-资源之间的相互关联。
基于层次结构的轴承数据模型定义技术，将轴承涉及产品设计的系统Item的类型分为以下四类，这四类Item构成了产品设计与工艺所需的完整的数据模型：轴承项目(TA2_ProjItem) 用于管理轴承设计的产品信息；产品零部件项(Item) 用于管理轴承零组件：外圈、内圈、保持架等；文档项(TA2_Document) 用于管理轴承的设计任务书、专用技术条件、设计计算书、研究试验大纲和技术经济分析报告；规范项(TA2_DocItem) 用于管理企业的工艺文件、管理规范和标准文档资料等等。
轴承项目基于层次结构的数据组织模型
零部件、文档等对象均关联相对应的数据库，以储存属性数据，属性数据包含版本、版次、状态、名称，预计成本等等，可由用户自行定义扩充。这些属性可做实时判断或实时计算（例如物料号自动依据字段内容产生）或者作为权限管理的依据。系统对于所有数据能设定保留版本数目，在自定义的数目内，可作追踪、调阅，以方便概念的保存。对于零部件相关数据除了对于零部件的定义（如规范、CAD数据、测试文件、工艺数据、BOM数据……）及参考数据加以封包外，更提供完善的版次管理功能,以提高设计过程的可追溯性。
2.3 基于产品结构（BOM）的轴承设计流程
基于产品结构（BOM）的轴承设计流程，在Teacenter系统中建立大类的文件柜，如深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承、推力球轴承、组合轴承等，在文件柜下由项目负责人（任务调度员）建立轴承项目，并添加技术协议，创建设计技术任务书，发起设计技术任务书评审流程，技术负责人签字，设计任务书通过评审，设计人员开始创建设计计算书、研究试验大纲、技术经济分析报告等，在轴承项目的产品图纸文件夹下，创建产品图样（轴承的产品结构及零部件），然后生成轴承目录；在轴承项目下的专用技术条件文件夹下，创建轴承专用技术条件。在轴承项下的工艺文件文件夹下，创建轴承套圈工艺图，创建轴承套圈工艺（轴承工艺目录表、外圈工艺流程卡、内圈工艺流程卡、工夹具明细表、量具专用仪器更换件明细表）、创建保持架工艺图，创建保持架工艺（工序总卡、剪裁条料、落料、成形、冲孔、整形）。
3 系统的架构与实施
3.1 轴承产品开发管理系统的架构
建立了以局域网络为基础的C/S(客户端/服务器)的应用架构。考虑到当前的数据规模和应用情况，将数据库、电子数据仓库（卷）、和系统License合为一台服务器。
产品开发管理系统的架构
硬件服务器配置为：
HP ProLiant DL580 G7(584084-AA1)
CPU类型：4个Xeon X7560 CPU频率，2270MHz， 内存类型：DDRIII 64GB
存储硬盘类型：SATA/SAS 硬盘容量2TB， 网络控制器：1GbE NC375i 多功能4端口
软件环境为：
Siemens PLM系统 Teamceter8.3.2， Siemens CAD系统 NX7.5
关系数据库系统 Oracle11gR2
3.2 轴承产品开发管理系统的实施
3.2.1 组织结构与权限管理
TeamCenter人员模型由三个要素构成：组、角色、用户。
组织结构与权限管理
组：可以是一个项目组，或一个部门，如技术部。组的成员可以是PDM用户或其他的组（即子组）； 角色：每个人都有自己的岗位，每种角色实际对应着一个岗位，类似于职务或职称，用于区别组里成员的不同职责，但又不完全等同于行政级别，有设计、审核、标准化和总工四种； 用户：TeamCenter的用户都属于不同的组，并且有不同的角色，一个用户可以是多个组的成员,扮演多种角色。
为了用户在系统中能进行日常的工作，TeamCenter在系统中建立企业行政组织架构，还可以在系统中建立一些虚拟的组织，进行一些特殊的管理，并且系统可以根据实际的企业行政组织架构的变化进行相应的改变，保持与实际情况的一致。
TeamCenter提供了两种权限控制方式，一种是基于规则的权限控制，另一种是基于对象的权限控制。基于规则的权限控制（rules-based object protection）是指采用针对具有共性的Teamcenter 对象（例如Item、Dataset、Folder等）给具有共性（如同组、角色相同等）的一组用户设置权限。基于对象的权限控制（object-based ACL protection）是指对某个具体的对象设置能够被哪一类（如某一组、某一角色等）或哪一个（如某一个用户）访问者访问。设置基于对象的访问权限的用户必须对该对象有更改的权限
TeamCenter中的资料都按不同的权限存取，权限的类别有：读、写、删、提升、降级、拷贝、更改所有权等。TeamCenter中所有文档的权限设置都可以是三要素和权限类别的任意组合。
对于PDM系统中的数据权限主要有以下几个要求：
1. 相同组（仅指最基层的部门：如设计组、校核组等）的人可以查看本组他人Owner的对象；
2. 项目团队中的人可以查看同项目中其他人Owner的对象；
3. 只有Owner可以修改和编辑对象内容，其他人只有查看权限
4. 流程中，流程对象除在流程中的第一个任务环节可以被owner进行修改编辑外，在其他任务环节均不可被任何人更改；
5. 冻结后的对象均不可被更改；
6. 所有人都可以将对象指定到项目中，但只有项目经理可以将对象移出项目；
7. 所有人都可以复制对象。
3.2.2 产品结构与版本管理
产品结构用于描述一个产品完整信息，除了可以定义产品的结构外（零部件、成件、标准件、工艺和工装），同时也关联了产品的相关信息（如：技术要求、应用标准、分析数据、工艺文件等），在产品生命周期内，通过不同时期产品结构的演变，来记录产品各周期阶段产生的相关数据，保证产品数据的完整性，并对产品开发过程具有完整的可追溯性。
轴承产品结构管理的关键前提是产品结构的生成技术，产品结构可采用NX三维CAD和产品结构管理器来生成：通过NX三维CAD软件与Teamcenter的接口技术，通过Teamcenter环境中的NX界面将轴承装配导入到Teamcenter中，三维模型与二维图纸同时的导入，并自动产生与NX三维CAD软件的装配结构保持一致的产品结构，在结构管理器中设置借用外协外购注释，利用应用开发的BOM汇总功能生成轴承目录。
图
TeamCenter系统中，利用图形化的产品结构编辑界面，通过新建、拖放、拷贝、粘贴等功能，利用数据库现有的零部件构造一个新产品的产品结构。 用NX三维CAD打开产品结构，使用“装配 -> 组件 -> 管理待定组件”命令，定位的新组件，将该部件设置为工作部件或显示部件进行三维和二维的设计，对于重用的零部件进行重命名，修改相应的表达式和属性就可以了，然后完成轴承总图的二维工程图，在结构管理器中设置借用外协外购注释，利用应用开发的BOM汇总功能生成轴承目录。
图
在TeamCenter系统中，以产品结构树信息模型为基础，因此可以方便地查询每个部件所用的零件，也可查询每个零件或部件用在哪几个部件或产品上，并可按不同的格式生成零部件清单和目录等。各种类型的产品结构版本同相关的零部件版本一致，零部件版本变化，其产品结构BOMView 版本跟随变化；有时旧零件是新零件设计的起点，在零件基本形状一致的情况下，不必浪费时间来重新创建零件的基本几何形状。设计师可以通过改变、增加旧零件的特征来创建新零件。但由于旧零件已经处于发布状态，必须在已经发布零件的基础之上重新去创建一个新的设计，建立与原始零件的最新版本的引用关系。相应的，新版本的版本识别号是原始零件的版本号加1。另外，零件或装配体的新版本被创建后，相应的二维详细制图需要重新转化生成。
设置借用外购外协的注释选项，来进行产品设计过程中有关零组件的借用外购外协情况；BOM汇总报表的生成采用runnable接口的run()方法来实现，通过递归的BOM遍历将各类型的Item存放到Vector Childlist中，然后调用SumQuantity()方法，将ItemID相同的项进行合并，生成BOM文件，据此生成轴承目录。
3.2.3 工作流程管理
工作流程管理主要实现产品的各种数据的设计、修改、变更等过程的跟踪与控制，包括工程数据的提交与修改控制，或监视审批、文档的分布控制、自动通知控制等。它主要管理当一个用户对数据进行操作时会发生什么，人与人之间的数据流动以及在一个项目的生命周期内跟踪所有事务和数据的活动。这一模块为产品开发过程的自动管理提供了保证，并支持企业产品开发过程的重组以获得最大的经济效益。
建立工作流程的目的是要规范企业的工作程序，工作流程管理是对已建立的工作流程进行执行、维护、控制工作状态以及对工作历史过程进行监控和记录，使围绕产品开发的各种数据与其相关的过程有机地结合起来。它使在一个产品生命周期中参与“加工产品”的人员都可以在正确的时间、以正确的方式得到正确的任务，从而保证了企业内部工作有计划地进行，是规范企业管理的有力执行工具。产品数据(如任务书、图纸、工艺文件、设计文档等)可以提交给一定的工作流程，对这些数据项在各工作单元中的执行状态，系统也将自动给予统计。典型的工作流程管理是对变更的管理，将变更的申请、审批和修改等一系列活动组建为一工作流程，使变更控制更加有效。典型的工程更改管理可在TC中用下图所示的方式进行：
1. 工程变更发起人提出更改，根据更改要求创建更改通知单；
2. 根据更改通知单内容，设计员对更改的相应文件进行编辑升版，如对产品图纸的3D模型和2D图纸文件进行编辑更新。
3. 根据工程更改审签流程，完成相应的审签任务。
4. 更改单和更改的内容通过审批，审签流程结束，新版本零组件或工艺文档添加发放标识Released，并通知相关人员，工程更改任务完成。
5. 当更改完成后，更改人需要通知借用该件的所有相关人员，然后由其决定是否也需要执行更改：是换号还是更新到最新的版本。
3.2.4 数据查询
在Teamcenter系统中，用户无须了解数据存储的具体地点，而由系统来自动定位。用户可以利用产品描述数据之间的内在关系来检索数据，提高检索效率。对于网络间的信息传递，用户只需利用系统操作菜单来完成。使用户不必关心网络的配置情况和具体的操作系统命令。对于数据的查询提供了多种方式，主要有多条件模糊查询、按照关系扩展和按照装配扩展查询。
用户可以根据任何已知信息对文档进行查询，并且支持带通配符的模糊查询（如：在Windows下，*代表任意多个字符，?表示单个数字字符）。直接根据使用者提供的属性关键字查找符合要求的数据对象，如：根据Item ID或Name查找产品对象，根据Type和Name查找数据对象Dataset等。在Teamcenter中已提供了缺省的多种数据查询方式，并且可以根据用户的需要定制以增加符合用户使用习惯的查询手段。在查询构造器中依据需求自行建立特殊的查询模式如从主表版本属性查找轴承项目：
4 结论
通过Teamcenter系统的应用，建立了轴承产品的结构的可视化，制定了各种电子流程，满足了轴承研制多状态管理的需求，实现了以轴承项目结构为主线对轴承图纸和工艺等电子文件的管理，建立了以PDM系统为核心的轴承产品开发管理平台，保证了图纸文件信息共享和准确、及时地传递。
随着计算机应用的迅速发展，采用计算机辅助技术和先进的信息管理技术是轴承企业进行技术更新改造、提高产品竞争力的必由之路。TeamCenter系统的应用能缩短产品设计周期，减少工程设计修改，加快产品投入市场进度，削减总成本。
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