关键词：PLM、MBOM、CAPP、三维模型、结构化工艺。

1 前言
      随着信息技术的发展,工艺设计也得到了长足的进步。目前计算机辅助工艺设计软件CAPP已被先进制造企业广泛采用，对工艺的设计、管理、重用等起到了非常积极的效果。传统的工艺设计主要是基于设计生成的二维图纸进行的，生成的工艺文件也主要是以纸质的形式下发到生产部门。目前先进的制造企业已经开始无纸化工艺设计，工艺不再是基于二维图纸，而是基于设计发放的三维模型进行，这就对设计和工艺提出了新的挑战。从设计角度，要求以前在二维图纸上标注的设计信息，都要在三维模型中予以体现，它需要一个三维标注规范，同时一些产品制造信息也需要从三维模型中获得。从制造角度，向生产系统的工艺发布，也不能是纸质发布，而是需要结构化的工艺信息，能够被ERP、MES等系统直接使用，避免不必要的数据转换。本文描述如何通过PLM平台管理设计、工艺和制造全过程，实现基于三维模型的设计制造一体化。

2 三维工艺的基础
      工艺与产品设计有着密不可分的关系，工艺设计的输入主要来自于产品设计，因此设计发放是工艺设计的起点。近年来，随着并行工程概念的引入，工艺介入产品设计的过程也被大大提前，形成设计还没有完成，工艺就已经开始工作，设计过程向工艺开放，工艺反过来向设计反馈设计是否可制造，这样一种工作方式大大缩短了产品研制周期。为了支持设计与工艺的并行过程，需要一种协同平台，支持单一数据源，实现从设计到工艺以及全生命周期的数据和过程管理，这种平台就是PLM系统。PLM平台的应用，极大地提升了工艺管理的能力，使得工艺能够及时、有效地获得产品设计信息，并基于设计信息(包括3D模型、2D图纸以及技术要求等)，快速生成结构的工艺信息，将工艺设计从传统的基于二维图纸向基于三维模型的方向迈进，并且也对设计提出了新的要求和挑战。

      2.1 工艺对设计的要求
      工艺从设计获得的信息包括：EBOM(工程物料清单)、3D模型、2D图纸、以及技术文件，此外还会包括制造资源及标准，供应商等信息，以前这些信息主要是靠纸质形式传递的。新的工艺设计平台要求无纸化工艺设计，这些信息都需要通过BOM和3D模型进行传递，因此在通过MCAD工具进行3D建模时，需要将这些信息创建在模型中，如材料、加工要求等信息都必须在设计时予以考虑，将这些信息保存在模型中。通过MCAD与PLM系统的接口，系统会自动从模型中抽取这些信息，并将其关联在BOM上。工艺人员通过BOM获取零件的相关信息，开展工艺设计，最终将工艺设计结果保存到PLM系统，并于BOM进行关联。

      2.2 MBD的定义
      MBD(Model based Definition)是基于模型的定义的英文缩写。其核心含义是3D模型作为向制造发布的有效数据，成为单一的产品定义主数据。该数据需要通过PLM系统进行管理，制造部门的用户可以通过PLM系统访问CAD模型信息、可视化信息以及其它与模型相关的信息，从根本上去除了对二维图纸的依赖。

      2.3 平台支撑

      工艺设计的基础是设计发放，设计发放的主要内容是EBOM。EBOM的建立有以下几种方式：
      1)直接在PDM系统中创建BOM。
      通过PDM提供的产品结构编辑工具，交互式地建立产品结构，形成EBOM，该方式主要用于创建产品结构的顶层BOM。
      2)通过模板批量导入创建BOM
      通常PDM系统都会提供数据导入模板，用户根据该模板填加相应的数据，然后通过系统导入程序，在PDM系统中生成EBOM。该方式主要用于已有数据的导入。
      3)通过MCAD系统创建EBOM
      在使用MCAD工具进行设计时，会在MCAD中建立三维模型结构。通过MCAD与PDM的接口，可以直接复制模型结构到PDM系统中，形成EBOM。

      3.2 MBOM的生成

      在设计发放之前开始创建mBOM，直接从eBOM创建mBOM，维护它们之间的相关性，并将MBOM置于正式的技术状态管理之下。从EBOM转换成MBOM包含如下功能：
      l 应用 3D 环境实现设计可视化
      l 为对等的制造部件创建不同的部件编号
      l 添加为方便制造的虚拟子装配
      l 移除工程部件
      l 移动 mBOM 的部件
      l 重新分割零部件数量
      l 添加制造或装运过程中所需部件和消耗品
      l 分配部件至工厂
      l 为同一工厂或多家工厂定义灵活多样的有效 mBOM
      l 可视化显示BOM间零部件匹配错误
      一体化的设计制造平台能够提供EBOM-〉MBOM的转换工具，工艺人员利用该工具，交互视的进行操作，完成BOM的转换工作。其特点是直接基于EBOM开展工作，不需要数据在不同的应用工具间导入/导出。在完成BOM的转换后，转换工具应当能够进行不同BOM之间的比较，确认两个BOM的符合性，如果不符合，能够高亮显示其差异。下图是BOM转换工具的一个界面示意，左边是EBOM，右边是MBOM，下面是两个BOM比较结果。

3.3 制造资源管理
 

      PLM平台应当提供工艺资源管理功能，用户可以定义多种资源，包括：加工设备、刀具、加工材料、技能、标准、工艺能力等。在定义工艺资源时，可以对工艺资源进行分类，将相同类别的工艺资源组合在一起，便于工艺资源的查找和使用，也可以按车间、工厂等不同的加工地点，定义工艺资源，这样添加和修改资源非常方便，并且工艺资源一旦定义，即可被所有工艺人员使用，便于工艺资源的维护。下图是工艺资源分类与组织的一个示意。

      3.4 编制工艺计划

      PLM提供了基于3D模型进行工艺设计的平台，用户可以在工艺设计中随时访问3D模型信息，采用图示化的方式标识工艺加工过程。由于工艺规程是与3D模型相关联的，因此在工艺编制过程中，可以随时调用可视化工具打开所需的可视化模型，通过编辑可视化模型生成工序图，并可以制作装配工艺动画，将生成的动画关联到相应装配工艺上，供操作人员观看。该方式的最大优点在于，不需要脱离PLM平台就可以编制工艺规程，直接使用设计数据进行工艺编制，避免了数据交换带来的数据不一致。
     
      3.5 一体化的工艺变更
      基于PLM的工艺管理解决方案的优势能够得到最大体现的地方在于对于变更的快速响应。

      如图所示，在该解决方案当中，eBOM、mBOM、装配工艺、加工工艺以及各种制造过程中所使用的资源，都是在一套数据模型与数据库中的，不是依据任何导入、导出机制关联在一起的。有着一体化的数据模型与一体化的业务流程，常常为企业所诟病的、脱节的工艺变更覆盖范围问题也就可以迎刃而解。当一个从设计发起的设计变更发出时，可以很容易地判定在mBOM中会发生哪些更改以及在装配工艺与加工工艺当中会发生哪些更改，再加上与3D的可视化完全集成在一起，这就使得制造工程师能够有效地判定更改的涉及范围并快速地作出相应的回应。
     
      3.6 生成动态工艺指令

      与传统的CAPP编制工艺规程不同，基于PLM的三维工艺编制不是所见即所得的方式，而是结构化的编制工艺规程，并将这些个工艺对象(如工序、工艺资源等)通过数据库进行关联保存。当需要生成工艺规程或工序卡片时，系统将其动态发布，生成指定格式的工艺规程。该工艺规程除了可以与传统的纸质工艺格式一样外，还可以发布成WEB格式的工艺，真正实现无纸化工艺设计。而WEB格式的工艺，可以直接将三维模型的可视化信息包含在工序中，工艺人员可以通过工序交互式的查询设计信息，以及直接在三维可视化模型上标注的工艺信息。此外，还可以基于MBOM生成装配动画，将其链接在工序中，当需要时，可以直接点击，查看装配或拆装的动画展示。 
 

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