基于产品生命周期管理的PDM概述

【导读】
2.1PDM 的主要内容 2.1.1PDM 的主要功能 PDM系统用来管理和存储产品的设计数据、生产数据以及支持数据,其功能主要包括 电子仓库与图文档管理 、产品配置管理、工作流程管理、 分类检

2.1PDM的主要内容
 
2.1.1PDM的主要功能
 
       PDM系统用来管理和存储产品的设计数据、生产数据以及支持数据,其功能主要包括电子仓库与图文档管理、产品配置管理、工作流程管理、分类检索管理以及项目管理等。
 
 
1.电子仓库

       作为PDM的核心,它保存了管理数据以及指向描述产品的相关信息的物理数据和文件的指针,提供了一种安全的数据存取控制机制,并允许用户透明地访问产品的相关信息。它具备的功能有:文件的检入/检出;按属性搜索机制;动态浏览/导航能力;分布式文件管理/分布式数据仓库;安全机制(记录锁定、域锁定)。
 
 
2.图文档管理

       在产品生命周期中,以图档或文件形式存在的产品相关信息统称为图文档。PDM管理的图文档对象是产品整个生命周期包含的全部图文档,它可分为六类,如表2.1所示。PDM把上述各种图文档分为以下五种模型类型进行管理,如表2.2所示。
表2.1PDM管理的图文档类型


表2.2图文档管理模型类型


图文档管理体系结构如图2.1所示,它的主要功能以下四个模块:

图2.1图文档管理体系结构
 
 
       (1)图文档信息定义与编辑模块。提供图文档信息的配置功能,并根据用户定义的信息完成图档基本信息的录入与编辑。
 
 
       (2)图文档入库与出库模块。将图档基本信息与图档文件相关联,实现图文档的入库,并将指定的图档检出在客户端后进行修改等各种操作。
 
 
       (3)图档浏览模块。提供支持DWG、DXF、DOC等多种格式文件的浏览、缩放和平移等功能。
 
 
       (4)图档标注模块。提供快速、方便的批注功能,批注实体多样化。提供自主选取批注工具、自主定义批注图层、自主选择颜色和批注文件名,支持批注文件独立存在,在批注过程中允许返回操作。
 
 
3.产品结构与配置管理
 
       产品结构与配置管理(Product Structureand Configuration Management)是以电子仓库为底层支持,以材料清单为其组织核心,把定义最终产品的所有工程数据和图文档联系起来,实现产品数据的组织、控制和管理,并在一定目标或规则约束下为用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述。
 
 
4.工作流程管理
 
       工作流程管理主要是对所有与产品开发过程和工程更改过程相关的事件和活动进行定义、执行、跟踪和控制。产品开发过程可分解成基本任务单元,为构造不同产品开发过程,如设计评审、工程更改等,需要对产品开发过程进行分析,从中提取一些基本任务单元。工作流程管理的原则是:以设计对象为中心对其工作流程、所提交产品数据的版本和修改权限控制进行定义。
 
 
       工作流和过程管理能够根据所定义的工作流程、工作人员和工作权限及时准确地通知到每个用户,当用户成功登录PDM系统后,根据自己的任务信息表,清楚地知道自己要完成的工作和相关的工作内容。
 
 
       同时,相关人员能够进行工作流程的追踪与查询,随时了解相关流程的进展情况。在整个产品设计过程中,产品的设计和每一次的更改都通过历史版本记录并保存下来,工程人员可以随时根据记录查询以前的工作,以便进行更好地设计。流程管理一般有以下两种:
 
 
(1)审批流程管理

       它是对每项任务进行不同级别的审批过程的控制。在审批过程中,通过审批任务的自动驱动和跟踪,能为产品从设计到完成提供一种闭环的审批信息反馈的环境。
 
 
(2)更改流程管理

       它是对完成设计的文件进行更改所用的一种控制过程。更改过程管理相当复杂,一个简单的设计更改可能会设计很多部门的工作,它的主要功能有:建立工程更改单,找出工程更改所影响的设计和制造部门,提出工程更改的原因,确定工程更改的有效性(时间、批/架次号),收集与工程更改有关的资料,进行审批、发放,对工程更改的版本进行管理。更改流程管理实质上是审批流程管理的一个特例,其管理模式同审批流程管理。
 
 
5.应用封装与集成
 
       PDM系统作为一个企业级应用集成平台,从集成对象上需要考虑PDM在以下三个方面的集成:
 
1)与外部应用软件的集成。

       实现与外部应用软件的集成有多种方式:对于一般软件实现封装,即通过点击相应格式文件就可以激活应用系统,如Word、多媒体等;对于需要与PDM系统实现简单交互操作的软件,可以通过PDM提供的二次开发工具和API开发相应的接口完成;还可以充分利用软件厂商提供的相关程序,如应用接口或连接驱动等,实现应用软件与PDM间的接口或紧密集成。
 
 
(2)异构PDM间的集成。

       可以通过标准的应用开发接口进行二次开发,实现异构PDM系统间信息共享。
 
 
(3)与其它平台软件的集成。

       为在不同应用软件之间实现数据共享及其数据的统一管理,PDM系统与其它平台软件(如ERP等)主要是基于CORBA技术标准,以BOM为核心,以封装实现应用软件与PDM集成,这一过程还需完成数据库与应用软件以及各应用软件间的信息集成,信息集成的内容有:零部件几何与拓补信息、CAX各类电子图档、产品结构配置信息、工作流及相关审批信息等所有与产品形成相关的信息。
 
 
2.1.2PDM的体系结构
 
PDM系统采用面向对象的设计方法,并建立在分布式数据库技术和网络技术的基础上,它的结构大致可分为以下四个层次,如图2.2所示:

图2.2PDM的一般体系结构
 

(1)用户层。

       为PDM系统用户提供一个人机交互的界面,用户拥有的权限不同,所得到的界面的功能单元就不同,这使得PDM系统只展现该用户权限范围内的产品信息,以便用户有效处理和完成自己的任务和工作。
 

(2)应用功能层。

       由调用PDM基础服务的一组程序组成,可以划分为一系列功能模块,能够完成一定的应用功能。PDM的大部分任务和工作由这一层的图文档管理模块、产品结构与配置管理模块和工作流管理模块完成。系统集成工具也包含在这一层里,主要是实现PDM系统与CAX、MIS、ERP等系统的集成。
 
 
(3)应用服务层。

       作为连接应用功能层与系统服务层的桥梁,它的功能有:向上协调应用功能层各功能模块间的相互关系,并为其提供一系列基本服务;向下处理应用功能层对数据库、网络的访问;为应用软件提供API接口,以实现软件集成,这一层减少了它的上下层之间的关联,使功能模块的开发过程变得更加简单,系统的开放性得到了提升。
 
 
(4)系统服务层。

       为系统提供支撑环境,包括异构分布的操作系统、数据库、网络与通讯协议等。上述这种体系结构使得PDM系统具备良好的开放性:
 
 
       (1)支持PDM系统在多种基础环境运行。由于基于这种体系结构的PDM系统有专门协调应用功能层与系统服务层间信息交流的应用服务层,我们只需开发编写支持底层各种操作系统、数据库、网络环境的API接口程序,就能实现PDM系统在多种环境下运行;
 
 
       (2)应用功能层为便于PDM系统功能的扩展提供了专门的系统集成和开发工具,方便用户进行PDM系统与其它应用软件集成和二次开发。用户可以根据实际需求开发出所需的功能模块,采用的面向对象的技术使得开发人员的工作量大量减少;
 
 
       (3)基于C/S结构和分布式数据库技术的体系结构,使得PDM在企业的实施由某一单位、某一部门,最终推广到整个企业,并且,系统功能模块可由用户根据企业不同单位、部门的实际需求加以选择。
 
 
2.2产品生命周期建模
 
2.2.1产品的分类
 
       产品的分类方法很多。文中的产品分类依照产品的创新和改进程度进行划分为以下三类,如图2.3所示,每一类产品的生命周期及其所涉及的业务活动、组织人员和资源等呈现出差异。

图2.3产品的分类
 

(1)全新产品。

       它是科学技术的新创造和新发明,根据新理论、新技术等研究成果研制而成的产品,如第一台空调的问世。从它的概念形成理论,再到实现,从样机试制到大规模生产,需要提供大量的人力、物力和财力,且它的周期很长,因此,一般企业的产品不属于这一分类。由上图可知,该类产品占据全部产品的比例较少,仅10%。
 
 
(2)换代产品。


       与全新产品相比较而言,它保持设计原理基本不变,部分运用新技术、新材料提高与改善产品的外观、功能、性能等。如变频空调相对普通空调就是此类产品。
 
 
(3)变型产品。

       此类产品多受客户需求与企业技术影响,通过运用技术措施改进老产品的性能、外观所产生的产品,如变频空调有不同型号规格。这类产品是大多企业设计生产的对象,由图可知,它在整个产品的设计制造中占有绝对大额的比例。
 
 
2.2.2产品生命周期阶段划分
 
       本课题研究的产品生命周期是针对制造企业而言,而制造企业产品的设计与制造绝大多数属于变型产品这一范畴。因此,研究这类产品的生命周期及其所涉及组织、信息、过程等,能够较为真实地反映制造企业各部门的信息交流与业务流程。下面我们对这类产品的生命周期划分问题进行讨论。
 
 
       产品的生命周期也存在多种划分方法。本课题中的产品生命周期与市场营销学中的定义不同,根据产品演化过程将产品生命周期划分为以下五个阶段,如图2.4所示,每个阶段都具有不同的组织人员、业务流程和相关的数据信息。

图2.4产品生命周期阶段划分
 
 
(1)产品需求阶段。

       企业需要对市场需求、客户需求进行调查与分析,确定产品的基本功能、性能、使用环境等。
 
 
(2)产品概念设计阶段。

       设计工程师根据工程设计知识、已有经验和市场需求构思产品的主要功能、应用的技术,基本原理、基本装配结构及其可制造、可装配、可维修的基本信息。
 
 
(3)产品设计阶段。

       在概念设计的基础上给出完整的产品开发方案,包括产品配置、零部件几何形状、尺寸、精度及其相互间的约束关系。在这个阶段,设计工程师利用CAD系统构建产品几何模型,并将其细化为部件和零件。
 
 
(4)产品制造阶段。

       经过这个阶段的生产准备、工艺、加工、装配等过程,产品的物理形态就此形成。包括生产准备、供应、加工、外协、装配等过程,是产品在物理上形成的阶段。这个阶段,管理工程师根据产品设计方案确定物料需求,完成相应的原材料采购计划、自制件加工计划和零部件外协计划的制定。
 
 
       管理人员分解以上各种计划,优化调度配置制造资源,进行加工装配等一系列活动。质量控制人员检验原材料、自制件和外协件。在这个阶段,主导性企业的工作主要是完成部分零件的加工和最终产品的装配,大部分零部件与标准件等由合作伙伴和供应商供应。
 
 
(5)产品服务阶段。

       它是从物理产品形成到产品报废为止的时间跨度。在这个阶段服务工程师对产品进行测试,交付用户使用;对于需要维修的产品,维修人员能够及时进行产品维修。
 
 
2.2.3产品生命周期模型主要内容
 
        1.产品生命周期模型概述模型作为一种事物的抽象,有助于人们对事物的理解。产品的模型是对产品的功能、技术、形状、制造等信息的抽象描述与理解。它反应的是产品信息的概况。它随着CAD技术的发展而诞生,当前,它的应用及其建模技术随着先进制造技术的发展成为了产品协同设计开发的关键技术,应用的领域也从CAD/CAM集成拓展到了整个产品的设计、制造与服务的数字化系统。
 
 
       产品生命周期模型是一个综合性的信息模型,是产品信息的一种结构化描述,将产品如何被设计、制造、操作、使用、服务,然后报废和处理进行定义和描述,其内容涵盖产品生命周期中的产品组成、内容以及相关的过程、资源和组织等信息。其目的是实现产品生命周期中各个领域、各个阶段、不同人员之间的信息交互和共享。产品生命周期模型具有以下三点特征:
 
 
       (1)它是一个共享信息模型,面向整个产品开发活动与过程,为这些活动和过程间进行数据交换和共享提供了一个统一的信息模型。它并不向具体的应用和过程保存和提供所有的数据,而只包含产品生命周期过程中需要共享和协作的那部分信息。
 
 
       (2)它是一个综合模型,产品生命周期各阶段的相关过程、数据、组织、资源分配等信息以及这些信息间的相互关联需要进行定义和描述。因此,它是一个多视图的模型,描述的是产品生命周期不同侧面的信息,视图间的关联和映射关系可以反映产品生命周期中的信息关联情况。
 
 
       (3)它是一个不断演化的模型,是产品演化过程的产物。产品演化本身的不断生长和进化,产品生命周期模型势必会不断生长和进化。与产品演化过程相对应,产品生命周期模型的演进也可以分为需求分析阶段、概念设计阶段、产品设计阶段、产品制造阶段、产品服务阶段。每个阶段的模型包含的活动、产生的相关数据,涉及人员和部门的信息都不尽相同。
 
 
       2.产品生命周期建模技术目前产品模型的种类分为三类:面向几何的产品信息模型、面向特征的产品信息模型、集成产品信息模型。我们可以发现产品模型及相应建模技术经历了由简单、局部、仅具备单一功能到复杂、整体、能够覆盖整个产品生命周期内各种活动的发展过程:
 
 
       (1)面向几何的产品信息模型。产品几何模型主要由线框、面、实体和混合模型表示,经历了二维图形、三维线框、表面模型和实体模型的发展过程。这一模型只能表示产品的几何构成,无法表达非几何信息,因此,无法在次获取产品开发过程中需要的工程信息。
 
 
 
       (2)面向特征的产品信息模型。20世纪80年代后期出现了基于特征的产品信息模型,它结合了几何信息与非几何信息,能够解决面向几何的产品信息模型的弊端。但它仍然存在一些问题:缺乏与几何体、形状特征等之间的联系导致产品信息关联性差;特征定义一致性差导致特征识别难;未对产品生命周期的各个阶段进行统一描述等。
 
 
       (3)集成产品信息模型。为解决CAX集成化中数据共享和一致性、产品信息的不完整性等问题,产品信息集成模型于20世纪90年代后期被提出,它通过广义特征概念包含了产品生命周期内各种特征信息。在此期间,面向对象技术发挥着重要作用。
 
 
       (4)特征建模方法和面向对象方法相结合使得产品建模技术取得了长足的发展,模型的应用范围从工程技术领域扩展到经营管理领域。运用面向对象技术,将产品或者零部件作为对象,便可对其进行描述,再将产品生命周期各个阶段需要的产品信息作为对象属性,亦可进行描述,这样,产品的对象模型就可以集成工程、管理、生产、供应、销售和服务数据,按照产品的生命周期阶段进行产品的信息管理,保证企业各部门与外协企业实现共享一致的产品信息,并且建立了产品生命周期各阶段的数据视图,使相关人员获得需要的数据。
 
 
       产品的对象模型使得不同的组织人员在同一个对象上获得所需的销售、工程、制造和服务等数据;模型中对象之间通过关系描述进行关联。综上所述,产品生命周期建模就是基于对象生命演化与发展联系各阶段、各领域所需要的产品数据,集成分散独立的模型,形成逻辑上统一的产品数据源。产品生命周期建模是产品建模技术发展的必然趋势。信息技术的不断发展也为产品集成建模技术的发展提供支持。
 
 
3.产品生命周期建模的主要任务产品生命周期建模的主要任务是为解决以下技术问题,主要有以下几点:
 
       (1)如何获取与表达客户需求,如产品概念、基本功能、使用空间等;
 

       (2)如何获取与表达产品工程设计信息,如产品工作原理、功能、概念、几何、制造性和维护性等;
 

       (3)如何获取与表达产品制造信息,如工艺,制造资源、材料等;
 

       (4)如何获取与表达产品质量信息,如加工精度、加工误差、加工质量等;
 

       (5)如何获取与表达产品制造相关的管理信息,如生产计划、客户订单、原材料销售、采购等;
 

       (6)如何获取与表达产品使用和维护信息,如使用记录、磨损、维护记录、修复与报废处理记录等。
 

       (7)如何建立产品生命周期各阶段产品信息的联系,如将维修可行性与产品工程设计方案相联系等。
 
 
2.2.4产品生命周期模型的建立
 
1.产品生命周期模型的体系结构
 
       产品生命周期模型的体系结构如图2.5所示,产品生命周期建模根据其所涉及的要素分为以下四个层次:
 
(1)组织要素。

       对产品数据的各种操作需要各类组织人员(如设计工程师、工艺设计师,维修人员等)的参与,产品生命周期模型必须满足全部用户获取和操作产品数据的要求。在制造企业中,所有人员是按组织结构获得组织角色,承担相应职责和完成规定任务。因此,产品生命周期模型框架应该能够描述组织要素。组织视图模型的建立用以描述各类角色对产品信息的需求、获取方式和操作权限等。
 
 
(2)应用要素。

       它是当前制造企业完成数据处理的各类信息系统,如设计人员利用CAD系统构建产品几何模型、工艺工程师运用CAPP系统编制工艺规程等,所以,产品生命周期应该包含这些要素,通过信息系统的描述,用户就知道能够对产品数据进行访问与处理的所有信息系统。
 
 
(3)产品数据要素。

       它作为产品生命周期建模和管理的核心,按照不同的编码格式,对数据进行物理存储。
 
 
(4)概念要素。

       它是对具体物理数据和联系的抽象表达,包括产品数据对象设计及、产品数据分类、对象关系和管理的原则等。它建立抽象数据和物理数据间的映射,形成产品生命周期的元模型。明确各层次要素间的映射机制,有利于运用信息技术实现在分布式制造环境下对产品相关数据进行存储、管理、访问等操作。
 
 
       产品生命周期建模的宗旨就是确定产品生命周期中各类数据的内在联系,运用演变的思想将各阶段产品模型进行集成其,当前建模的主要方法是采用面向对象技术,在基本模型上添加其它所有数据对象,同时确定各组织人员的访问权限实现,在这个基础上,我们可以建立物理上分布、逻辑上集中的统一产品数据源。

图2.5产品生命周期模型的体系结构
 


2.产品生命周期各阶段建模
 
       按照2.2.2节对产品生命周期划分的阶段,需要建立的阶段模型有:产品需求模型、概念模型、设计模型、制造模型和服务支持模型,同时需要有机地实现这些模型之间的转换与集成。
 

       我们常常用产品结构树表示产品的组成关系,它在产品生命周期的不同阶段,不同的生产部门,其结构不尽相同。如图2.6所示,通过组织和描述产品相关的各种数据、文档并将它们与相应的节点进行关联就生成了的产品生命周期各阶段模型:
 

图2.6产品生命周期各阶段模型
 

(1)产品需求模型。

       它可以获取和表达客户对目标产品的期望,使得产品信息从客户的角度转向到设计者的角度。产品需求分析模型的建立应有三个层次:首先,客户需求信息的获取;其次,客户需求信息的表达;最后,对客户需求信息进行分析。通过多种方式和客户进行交流后,分析归纳已获的客户信息,构建产品基本性能指标树,反映了客户的基本需求和期望。
 
(2)概念模型。

       在概念设计阶段,概念模型与功能模型共同组成产品信息模型。首先,专业人员运用相关技术,将产品基本性能指标树映射为产品功能树,如客户要求计算机能获取外部信息,则映射成计算机要具备上网功能。然后,将产品功能树的每一个节点映射成一个或多个实现该功能的零部件,如实现上网功能的部件有网卡、网线等,这样就实现了产品需求模型转化为概念模型。
 
 
(3)工程设计模型。

       在工程设计阶段,设计人员综合考虑产品变型、设计约束和资源限制等因素,根据概念模型,利用多种手段,如分析、计算、实验和仿真等,得到产品的通用结构。
 
 
       在此结构中,每一个节点与相关的数据、图档和文档建立了关联,如材料、CAD文件、设计说明书、分析报告、工作空间、工作精度和试验数据等,形成以产品结构为中心的工程设计模型。它是产品生命周期信息模型的核心模型,是建立产品制造模型和服务支持阶段模型的基础,对设计BOM(Bill Of Materials)进行重构或增加形成后续阶段模型,如产品制造阶段的采购模型、制造模型和装配模型也由它转化而来。
 
(4)服务支持模型。

       它指与产品的销售、运输、安装、调试、使用、维护和维修,以及产品回收过程相关的技术文档和信息。其模型有产品销售模型、产品服务模型和产品回收模型。
 
 
       产品服务支持模型包含产品的销售信息、装拆顺序、安装要求与说明、使用说明、故障诊断、维护与维修信息、备件信息和材料回收等信息,它们以各种电子文档、图档和多媒体文件形式关联着相应的BOM。产品服务支持模型的核心包括销售BOM、服务BOM和回收BOM,它们也是由设计BOM转化而来。
 

3.产品生命周期模型集成框架
 
       为建立物理上分散、但逻辑上唯一的数据源,使得产品生命周期各阶段间存在联系,需要对产品模型进行集成。集成产品模型则展现了产品信息从开始的需求模型发展成最终的服务支持模型这一产品模型动态演变关系。
 
 
       产品模型的集成能够降低数据量、制造复杂性与维护产品生命周期中数据的一致性。集成产品模型由于数据源唯一,保证了数据的不一致性。同时,利用信息技术,集成产品模型可以使得各组织人员方便地获取所需信息。
 
 
       集成产品模型保持了物理对象之间和信息对象之间的多元关系,并能控制数据处理过程。产品生命周期集成模型有利于企业实现产品的快速开发,减少由于变化造成的返工与资源浪费。
 
 
       如图2.7所示,产品生命周期模型集成框架结构分为三层:应用层、服务层和数据层。应用层有需求代理、概念代理、设计代理、制造代理和服务代理这五个应用代理,分别对应产品生命周期模型的五个子模型。这五个代理运行于Applet容器和应用程序客户端容器之上,每一个代理存在以下两种数据访问方式:
 

       (1)不基于Web的J2EE应用。它需要在客户端运行应用客户端软件,由于设计代理和制造代理在局域网类就可完成,因此只需编写相应的应用程序。
 

       (2)基于Web的J2EE应用。浏览器将Web页面和小程序(Applet)下载到客户端,需求代理、概念代理和服务代理属于这类应用,这些代理的设计使用Applet来编写。
 

       在上述信息集成框架中,信息资源在物理上是分散的,存储形式多种多样,由一个虚拟的管理中心进行管理,能够方便地进行各种信息交换。

图2.7产品生命周期模型集成框架结构
 


2.3基于产品生命周期的PDM系统的内涵
 
       基于产品全生命周期的PDM系统作为传统PDM概念与内涵的深化与扩展,它立足于产品整个生命周期,使得传统PDM模型对数据与过程的管理范围由原来的设计阶段、制造阶段向前延伸至需求阶段、向后延伸至服务阶段;通过记录并追踪产品生命周期的数据和过程,使得企业资源在新产品的设计与开发中得到重复利用,并且支持产品生命周期各阶段和企业间的业务协同和数据集成,能有效提高企业的核心竞争力。
 
 
2.4本章小结
 
       本章首先分析传统PDM的主要功能与体系结构;然后对产品生命周期阶段的划分、产品生命周期模型的体系结构与产品生命周期阶段模型的建立进行了深入的研究;最后阐述了基于产品生命周期的PDM系统这一概念,为下一章基于产品全生命周期的PDM系统功能模块的设计及其体系结构的构建做基础。
 
 

  • 2018-10-08 10:16
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