基于PLM 的葉片工藝設(shè)計過程分析與研究

胡志達，吉衛(wèi)喜，張 勁

(1.江南大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122;2.歐俊信息有限公司，上海 200433)

0 引言

PLM(Product Lifecycle Management)作為當(dāng)今企業(yè)實現(xiàn)設(shè)計、制造、管理信息一體化的重要技術(shù)，是為滿足制造業(yè)對產(chǎn)品生命周期信息管理需求而提出的一種新的管理模式［1］。它主要對企業(yè)中與產(chǎn)品相關(guān)的信息(包括產(chǎn)品規(guī)范、電子文檔、CAD 文件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、存取權(quán)限等)和過程(包括工作流程的定義與管理、審批/發(fā)放流程、工程更改流程等)進行管理。

工藝設(shè)計是產(chǎn)品生命周期的重要組成部分，是連接設(shè)計與制造的橋梁，包括工藝設(shè)計方法與工藝設(shè)計過程管理;企業(yè)多數(shù)重視設(shè)計方法而忽視了工藝設(shè)計過程管理。對工藝文件繁多、工藝路線復(fù)雜、設(shè)計周期較長的產(chǎn)品(如葉片、箱體等)，很容易造成工藝文件簽審流程混亂、簽審信息不正確;流程進度不明確，因此，過程管理顯得尤為重要。本文結(jié)合某葉片制造企業(yè)在工藝設(shè)計過程中出現(xiàn)的具體問題，在分析研究企業(yè)工藝設(shè)計流程基礎(chǔ)上，構(gòu)建流程模型，運用PLM 軟件實現(xiàn)對工藝設(shè)計過程的管理。

1 企業(yè)需求分析

葉片是渦輪機、汽輪機、壓氣機等設(shè)備的關(guān)鍵零件，其制造企業(yè)多為多品種、小批量生產(chǎn)模式［2］，決定了產(chǎn)品類型更換頻繁，要求制造企業(yè)在保障質(zhì)量的基礎(chǔ)上快速響應(yīng)市場，提高工藝設(shè)計效率，按時投產(chǎn)、按期交貨。由于葉片為非規(guī)則零件，種類繁多、加工精度要求高、工藝設(shè)計過程復(fù)雜，不僅要求有先進的工藝設(shè)計方法、豐富的設(shè)計經(jīng)驗，還要求有先進的管理技術(shù)、管理水平。隨著CAD/CAPP 技術(shù)發(fā)展，以及多年設(shè)計經(jīng)驗積累，該企業(yè)設(shè)計方法顯著提高，但是在過程管理方面面臨以下問題:①實際工作中，管理層已經(jīng)制定合理的設(shè)計流程，由于工藝文件簽審流程繁多，造成文件簽審混亂，即出現(xiàn)“兩層皮”現(xiàn)象;②文件簽審過程中，由于采用人工簽審方式，文件簽審信息與實際簽審人不符現(xiàn)象不可避免，即“文實不符”，出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，無法明確責(zé)任;③設(shè)計進度不明確，計劃與實際進度相偏離。

1.1 PLM 功能概述

PLM 系統(tǒng)遍歷從產(chǎn)品概念到報廢整個過程，實現(xiàn)問題可追溯，設(shè)計進度實時監(jiān)控。其體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，PLM 系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)，管理設(shè)計過程中的相關(guān)技術(shù)文件、工作流程、權(quán)限控制、系統(tǒng)集成等內(nèi)容，為用戶提供數(shù)據(jù)共享平臺，為企業(yè)實現(xiàn)信息化、集成化提供前提條件。

圖1 PLM 體系結(jié)構(gòu)

在流程管理方面，PLM 提供適合多數(shù)企業(yè)可配置的工作流管理模塊，用戶可根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀自定義工作流程模板，固化流程;結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)文檔管理與簽審流程無縫集成［3］。

1.2 葉片工藝設(shè)計任務(wù)

葉片工藝設(shè)計任務(wù)主要是指工藝文件的編制、簽審，較之其他產(chǎn)品更為復(fù)雜。該葉片廠技術(shù)中心包括:鍛件開發(fā)部、葉片開發(fā)部。前者負(fù)責(zé)熱加工，包括:鍛造、熱處理、表面處理等。后者負(fù)責(zé)機加工，包括:銑削、磨削、特種加工(線切割、電火花加工等)、釬焊、拋光處理等。由此可知，一類產(chǎn)品工藝包含幾十道工序，需要完成多種類型工藝文件編制任務(wù)。工藝路線復(fù)雜，設(shè)計周期較長，技術(shù)產(chǎn)物繁多。為了實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)可追溯、設(shè)計進度實時跟蹤，引進PLM 是企業(yè)的迫切需求。

因此，基于PLM 的葉片工藝設(shè)計過程研究是十分必要的，也是企業(yè)實現(xiàn)與ERP、MES 等其他系統(tǒng)集成的前提條件，實現(xiàn)企業(yè)信息化的關(guān)鍵所在［4］。

2 葉片工藝設(shè)計流程分析

2.1 工作流技術(shù)與工藝設(shè)計流程分析

工作流技術(shù)主要針對日常工作中具有固定程序的活動而提出［5］，是PLM 管理中的關(guān)鍵技術(shù)。其主要目的是將一個具體工作分解成多個任務(wù)，通過一定規(guī)則和過程，實現(xiàn)任務(wù)的執(zhí)行和跟蹤、責(zé)任的可追溯性。對企業(yè)而言，完成產(chǎn)品或者零部件工藝設(shè)計，可將設(shè)計對象按照企業(yè)組織結(jié)構(gòu)劃分為部門任務(wù)，再進一步劃分為任務(wù)元，即具體工藝員所要執(zhí)行的任務(wù)。

在PLM 系統(tǒng)中，每個任務(wù)都有與之相關(guān)的創(chuàng)建者、審核者和執(zhí)行者，都有以任務(wù)的生成、審核、分派、執(zhí)行、提交以及歸檔為流程的生命周期。根據(jù)任務(wù)(如機加工工藝規(guī)程編制)指派系統(tǒng)中的流程模板，選定合適人員完成流程中某個節(jié)點任務(wù)。因此，在定義流程模型之前首先要分析優(yōu)化企業(yè)工藝設(shè)計流程(以機加工為例)。如圖2 所示，葉片工藝設(shè)計流程。

從圖2 可知，市場部獲得客戶資料后，將資料移交至兩部門負(fù)責(zé)人審查，根據(jù)企業(yè)現(xiàn)階段加工設(shè)備、加工技術(shù)，判斷是否可行。這中間必然要考慮兩部門工藝需求，即會有一個冷熱交接過程，從而保證整個產(chǎn)品工藝可行性。

圖2 葉片工藝設(shè)計流程

由于該企業(yè)主要負(fù)責(zé)加工，葉片的設(shè)計參數(shù)由客戶提供。開發(fā)部計劃人員將任務(wù)分發(fā)至主管工藝員，工藝員根據(jù)客戶提供的參數(shù)，進行產(chǎn)品造型;技術(shù)部門為防止造型錯誤、提高造型準(zhǔn)確度，往往交由兩個工藝員參與造型，包括一位主管工藝員，一位程序員;程序員負(fù)責(zé)數(shù)控加工程序編制，因此也必須了解葉片相關(guān)信息。創(chuàng)建臨時造型I，臨時造型II，之后交由專職校對員對兩造型進行檢查比對，無誤后確定正式造型。

當(dāng)產(chǎn)品造型確定后，編制相關(guān)工藝文件，主要包括工藝方案、工藝規(guī)程、工裝明細(xì)、加工程序等文件。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、批準(zhǔn)后，將設(shè)計好的工藝文件下發(fā)車間進行新產(chǎn)品試制，如果在加工過程中發(fā)現(xiàn)技術(shù)問題，這時還要對工藝細(xì)節(jié)做適當(dāng)修改，待整個產(chǎn)品加工生產(chǎn)完之后，將已修改的工藝文件歸檔，提升版次(如從1.00升至2.00)，作為產(chǎn)品正式加工的指導(dǎo)性文件。

客戶設(shè)計信息向制造信息轉(zhuǎn)化過程中，傳遞介質(zhì)是各種工藝文件;為保證信息的準(zhǔn)確性，結(jié)合產(chǎn)品全生命周期各種信息(質(zhì)檢、售后、生產(chǎn)等)，考慮加工過程實際情況，必須經(jīng)過各級部門負(fù)責(zé)人審批，作為正式文件下發(fā)［6］。因此針對每一個工藝文件需要走相應(yīng)簽審流程。

2.2 流程模型研究與構(gòu)建

為保證實際流程在系統(tǒng)中實現(xiàn)，必須將連續(xù)的抽象的流程具體化、離散化。在流程設(shè)計上采用“自頂而下(Top-Down)逐層細(xì)化”設(shè)計思路。從宏觀上分析，整個工藝設(shè)計流程(主流程)可以劃為:客戶資料交接、冷熱交接、產(chǎn)品造型、工藝設(shè)計和工藝變更等多個父節(jié)點，如圖3 所示。依據(jù)父節(jié)點將工藝設(shè)計過程分為相應(yīng)幾個階段，父節(jié)點之間存在依存關(guān)系，前一節(jié)點輸出信息作為后一節(jié)點的輸入信息，即串行結(jié)構(gòu);各種工藝文件編制規(guī)范保證文件編制的可行性、準(zhǔn)確性;企業(yè)設(shè)備、人員技術(shù)狀況作為節(jié)點任務(wù)的支持條件;每個階段均有相應(yīng)的技術(shù)文件，作為該父節(jié)點的目標(biāo)輸出。

圖3 葉片工藝設(shè)計流程模型

從微觀角度看，各父節(jié)點內(nèi)部包括一個或多個子流程，子流程由多個子節(jié)點構(gòu)成，如編制、校對、審核、會簽和批準(zhǔn)等。各子節(jié)點在邏輯上的關(guān)系呈現(xiàn)多樣化:串行、串行反饋、并行。

以產(chǎn)品造型父節(jié)點為例，該父節(jié)點只有產(chǎn)品造型簽審子流程，如圖4 所示，工藝人員創(chuàng)建葉片造型I、造型II 之后，交由相關(guān)人員簽審，無論哪一節(jié)點拒絕，任務(wù)將回退到造型節(jié)點，否則將順利發(fā)布，生成正式造型;而對于工藝設(shè)計父節(jié)點而言，包括鍛造工藝規(guī)程簽審子流程、機加工工藝規(guī)程簽審子流程、工裝簽審子流程等。同一父節(jié)點中的多個子流程之間在邏輯上是“與”關(guān)系，即:只有所有子流程完成，該父節(jié)點任務(wù)才判斷為完成，并轉(zhuǎn)至下一父節(jié)點。

圖4 產(chǎn)品造型簽審子流程

系統(tǒng)中每個子流程中均有“開始”“完成”節(jié)點，表示任務(wù)流程的起始、結(jié)束。針對工藝文件(或任務(wù))指派流程模板，并對流程中各節(jié)點指派人員。在子流程中設(shè)置“發(fā)布”節(jié)點，對流程中業(yè)務(wù)對象添加狀態(tài)。處于發(fā)布狀態(tài)的業(yè)務(wù)對象所有用戶不再具有更改權(quán)限，如果需要對業(yè)務(wù)對象進行更改或者重新發(fā)起流程，需要將狀態(tài)刪除或升版，這樣結(jié)合權(quán)限管理實現(xiàn)了圖文檔管理以及文檔變更管理。

對于有特殊要求的業(yè)務(wù)對象在設(shè)計流程時需要判斷該對象是否滿足所需的基本條件，設(shè)計流程時需要考慮設(shè)計分支路線，即:“True”路線，“False”路線，由系統(tǒng)內(nèi)自動判斷條件。以工藝規(guī)程更改流程為例，在工藝規(guī)程修改完之后，需要標(biāo)明文件中的更改內(nèi)容，而包含變更內(nèi)容的文件是工藝更改通知單，其中既有變更原因，如客戶資料更改、工藝路線更改;還包含變更類型、變更的具體內(nèi)容。因此，在對更改之后的工藝規(guī)程發(fā)起流程時，必須將工藝更改通知單附加到工藝規(guī)程，兩者一起走變更流程。工藝變更簽審子流程如圖5 所示，系統(tǒng)自動判斷，如果存在更改通知單，將執(zhí)行“True”支路，否則執(zhí)行“False”支路。在“False”支路中設(shè)置一“DO”(執(zhí)行)節(jié)點，該節(jié)點負(fù)責(zé)添加更改通知，任意簽審節(jié)點拒絕后，文件退回到編制節(jié)點，要求工藝員修改。

基于上述流程研究，在流程底層節(jié)點上，保留責(zé)任人信息以及任務(wù)執(zhí)行時間，任務(wù)執(zhí)行信息依附流程存在，并通過屬性映射機制實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電子簽名［7］。

上述分析核心思想是以節(jié)點的形式將整個工藝設(shè)計相關(guān)過程分解為多個離散的子流程，逐層細(xì)化;每個父節(jié)點為一個設(shè)計階段，產(chǎn)生一個或多個交付物。如果在后續(xù)過程中發(fā)現(xiàn)前一個任務(wù)的交付物存在問題，回退給該任務(wù)的主要負(fù)責(zé)人，重新編制，并走相應(yīng)流程。避免了整個設(shè)計過程變更，僅需針對其中問題交付物作修整即可，在實現(xiàn)流程跟蹤管理的同時較好地實現(xiàn)工藝的并行設(shè)計。

圖5 工藝變更簽審子流程

2.3 系統(tǒng)功能描述與實現(xiàn)

權(quán)限管理功能:按照企業(yè)組織結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建多個工作組(Workgroup)，包含若干用戶(User);針對不同部門用戶指派增刪改查權(quán)限;系統(tǒng)中，對象所有權(quán)歸屬創(chuàng)建者，其他用戶無刪除權(quán)限;流程發(fā)起者可以是對象創(chuàng)建者，也可指派其他用戶。指派用戶后，只有被指派者能執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，避免他人代替執(zhí)行。

流程可視化功能:用戶通過可視化工具，可直觀地查看任務(wù)簽審進度。為計劃員編制計劃分配任務(wù)提供依據(jù)，均衡主管工藝員的工作壓力。系統(tǒng)中，流程節(jié)點黃色表示任務(wù)正在執(zhí)行，綠色表示已經(jīng)執(zhí)行，灰色代表尚未執(zhí)行。如圖6 所示。

電子簽名功能:采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，針對流程節(jié)點定義相關(guān)屬性，用戶執(zhí)行任務(wù)過程，即是添加屬性值的過程。屬性映射機制將節(jié)點中的簽審信息(簽審人員、簽審時間、文檔信息)傳遞到技術(shù)文檔對應(yīng)的屬性中。屬性映射需要與文檔模板結(jié)合使用。系統(tǒng)上線之前，定義帶有屬性的技術(shù)文件模板，如Office 中自定義相關(guān)屬性、編寫屬性映射代碼;CAD 文檔中創(chuàng)建塊(Block)，定義塊屬性。用戶在系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行簽審，確保簽審信息一致性，避免“文實不符”。系統(tǒng)中用戶工作界面如圖6 所示。

圖6 工藝變更簽審流程實現(xiàn)及用戶使用界面

3 結(jié)束語

將實際生產(chǎn)活動中連續(xù)抽象的流程離散化是能否在PLM 系統(tǒng)中實現(xiàn)的關(guān)鍵。文章運用PLM 流程管理理念與方法，并結(jié)合具體PLM 軟件流程設(shè)計模塊，提出了“自頂向下，逐層細(xì)化”的流程分析方法，為流程在系統(tǒng)中實現(xiàn)提供了理論依據(jù)，并在系統(tǒng)實施中證明該方法可行性。在此基礎(chǔ)上，圍繞企業(yè)在工藝設(shè)計過程中具體問題，提出相應(yīng)解決方案，提高了工藝簽審效率，保證了簽審信息準(zhǔn)確性、一致性，使企業(yè)管理更加科學(xué)化、信息化、系統(tǒng)化，為即將開展的結(jié)構(gòu)化工藝做好準(zhǔn)備。

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