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面向PLM的工艺准备方案
第二章面向PLM的工艺准备方案
2.1PLM技术概述
2.1.1PLM的定义
CIMData认为PLM是一种战略性的业务模式，它应用一系列相互一致的业务解决方案，支持产品信息在全企业和产品生命周期内（从概念到生命周期结束）的创建、管理、分发和使用，它集成了员工、流程和信息等要素。
图1是CIMData提出的PLM模型图。
从图中可以看出其观点是，PLM的重点依然是传统的PDM加上ProgramManagement（过程管理）。
CIMData认为，任何工业企业的产品生命周期都由三个基本的紧密交织在一起的生命周期组成，它们是:
产品定义生命周期、产品生产生命周期和运作支持生命周期。
产品定义生命周期开始于最初的客户需求和产品概念，结束于产品报废和现场服务支持，研究的对象是作为智力资源的产品，包含产品如何设计、制造和服务等信息；产品生产生命周期与产品生产和发运等企业活动有关，管理的对象是物理意义上的产品；运作支持生命周期则主要指对企业运作所需的基础设施、人力、财务和制造资源的统一监控和调配。
图2-1PLM模型
2.1.2PLM研究应用历史
PLM的概念虽然最近才被正式提出，但PLM技术最早出现于20世纪80年代初期，至今，大概经历了如下的发展阶段。
（1）早期以图档管理为核心的PDM
20世纪80年代初，CAD/CAE/CAM等设计自动化工具已经得到广泛应用，工程师们在享受设计高效率的同时，也不得不面对信息迅速增加所带来的信息查找问题，电子数据的存储和获取的新方法需求变得越来越迫切。
产品数据管理（PDM）应运而生。
各CAD厂家配合自己CAD软件推出了第一代PDM产品，目标主要是解决大量电子数据的存储和管理问题，提供维护“点子数据仓库”的功能。
这个时期，人们的一个普遍的观念就是“产品就是图纸，产品数据管理就是图档管理”。
后来逐渐扩展到产品开发中的三个主要领域:
设计图纸和电子文档的管理、材料报表（BOM）的管理以及与工程文档的集成、工程变更请求/指令的跟踪与管理，即现在所指的产品数据管理（PDM,ProductDataManagement）。
（2）专业化的PDM
很快，许多新功能被添加到PDM中，并且出现了许多解决产品开发过程中特定问题的综合应用，比如，产品变更控制和产品配置，PDM开始走向专业化的道路。
同时，PDM数据管理的范围超越设计职能界限，开始覆盖制造等产品生命周期阶段。
到20世纪90年代中期，PDM已经具备对产品生命周期内各种形式的产品数据的管理能力、对产品结构与配置的管理、对电子数据的发布和更改的控制以及基于成组技术的零件分类管理与查询等。
同时，软件的集成能力和开放程度也有较大的提高，少数优秀的PDM产品可以真正实现企业级的信息集成和过程集成。
PDM已经形成产业，在商业上获得了巨大的成功。
与此同时，PDM技术在标准化方面也迈出了崭新的一步。
1997年2月，OMG组织公布了PDMEnabler标准草案，为新一代标准化PDM产品的发展奠定了基础。
（3）集成了协同商务的PDM
20世纪90年中期以后，企业经营全球化趋势以及基于Internet的电子商务的兴起，对PDM开发和使用产生深远影响。
新的协同和电子商务技术的出现大大促进了分布在地理不同位置上的团队成员之间实时、同步的开展工作。
企业的业务模式也随之发生着悄然的变化，“大而全”的传统企业开始转而注意自己的核心竞争业务，而将非核心的业务外包出去，整个产品价值链通过企业与业务合作伙伴的商务协同来达到利润最大化。
这一时期有代表性的PDM思想是协同产品商务（CPC,CollaborativeProductCommerce），相应的代表产品包括PTC公第二章面向PLM的工艺准备方案司的Windchill和MatrixOne公司的eMatrix。
（4）以产品创新为焦点的PDM
进入21世纪，企业之间的竞争更加激烈，客户对产品的个性化要求越来越高。
越来越多的成功企业开始意识到企业真正的生命力在于新产品的创新能力。
随着web技术的日益成熟，企业竞争热点从产品的成本、质量和上市时间转向能够快速响应市场变化的产品创新。
将产品生命周期的所有数据收集并有效的组织起来，通过提供一个统一的入口让产品开发工程师随时能够共享、访问并重复利用这些企业财富，在短时间内开发出高质量的满足用户个性要求的产品成为众多企业追求的目标。
20世纪90年代末出现的协同产品定义管理（cPDM,collaborativeProductDefinitionManagement）进一步演化为产品全生命周期管理（PLM。
ProductLifecycleManagement），并成为企业参与全球竞争的一种战略性方法。
现代PLM/PDM的最新思想和理念，实际上都是对PDM的扩展，PDM仍然是核心。
它们的出发点都是为了实现企业内部和企业之间的信息集成和业务系统，最终使企业在产品的创新和推向市场的速度方面获得竞争优势。
同时，它们又各有侧重。
CPC更多强调商务上的协同；cPDM更多地从企业协同运作角度来考虑问题；PLM则更多强调产品本身，产品创新是它的驱动力。
如图所示:
流程的覆盖程度
图2-2PDM到CPC，再到PLM的发展
2.1.3PLM技术的优势及发展
产品生命周期管理PLM自提出以来，便迅速成为制造业关注的焦点。
PLM结合电子商务技术与协同技术,将产品开发流程与SCM、CRM、ERP等系统进行集成,将孤岛式流程管理转变成集成化的一体管理,实现从概念设计、产品设计、产品生产、产品维护到管理信息的全面数字化；实现企业知识价值的提升与知识共享管理,产品开发与业务流程的优化,从而全面提升企业生产效率,降低产品生命周期管理的成本,以提升企业的市场竞争力。
目前,PLM软件主要应用于那些产品结构复杂、设计周期长、设计工作量大的大、中型企业。
应用行业主要分布在交通运输、航空航天、电子、机械等行业。
对于中小型企业则主要应用实施了PLM系统中某些独立的模块如图文档管理、产品结构管理等。
总体上,我国企业应用PLM软件己经取得了一定的效果,对于企业提高研发效率,实现研发过程的协同工作,缩短产品上市周期,降低产品成本起到了较大的作用。
根据e-works的统计,中国企业应用PLM的主要功能的效果如图所示。
图2一3国内PLM系统应用效果
PLM的研究正在从基本概念、体系扩展到面向企业生命周期整体解决方案的技术和实施方法上,希望为企业提供支持产品全生命周期协同运作的支撑环境和功能、提供标准化的实现技术和实施方法。
因此,与整体解决方案相关的技术和应用,将成为PLM近阶段的研究重点,主要包括企业基础信息框架、统一产品模型、单一数据源、基于研胎b的产品入口,以及PLM标准与规范体系。
2.2工艺准备在产品生命周期中的重要性
工艺准备的基本目的是从企业的实际情况出发,在工艺上采用最经济、最有效的制造方式与方法，为生产出满足用户要求的产品做好准备工作。
工艺准备产品全生命周期管理的关键环节。
一个产品的功能和成本水平在产品的设计阶段己基本确定，设计不合理引起的产品技术和经济性方面的问题是用生产过程中的质量控制和成本控制措施无法挽回的。
如图所示，消耗成本仅占产品开发总成本18%的设计阶段（概念设计到工艺设计）对产品最终价值的影响程度达90%，而消耗了80%以上开发成本的生产和维护阶段对产品最终价值的影响程度不足10%。
为此，在产品设计的早期阶段对产品的全生命周期所涉及的因素进行考虑，对产品的工艺性与可制造性进行综合评价，就显得十分必要。
产品价值/成本曲线
现代企业的生产过程组织中，工艺准备技术文件与生产过程需要紧密联系，充分考虑当前制造资源约束和车间实际工况的工艺准备可以将优化成熟的制造过程传递给车间，提高车间生产效率和产品质量。
工艺准备工作中的工艺整顿及工艺总结工作对于产品的研发也起到了很好的推进作用。
工艺知识积累及工艺标准化、参数化一方面可以改进成品的工艺方案，另一方面对新产品工艺研究起到参考作用。
2.3PLM中的项目管理研究
项目管理是PLM系统的主要功能模块，它是对系统的项目组织进行管理。
包括项目自身的定义、修改以及与项目相关的信息，如状态、组织等信息的管理。
项目管理的内容应该包括项目和任务的描述、开发阶段的状态、项目人员的组成和角色分配、项目开发流程、项目时间管理、项目费用管理、资源管理和自动组织开发过程等。
2.3.1PLM中的项目管理技术
项目管理作为PLM系统中的一个重要功能，与专业的项目管理系统相比较有它自身的一些特点:
（1）不同于传统的项目管理只注重于产品的研发设计阶段，而忽视了产品的其他阶段，如客户需求阶段、产品制造和使用阶段等；
（2）传统的项目管理多为静态的规划，虽然目前在项目管理与工作流管理集成方面有很多研究，但主要集中在项目任务的执行方面，并没有实现客户的参与，包括为客户提供项目进度状态信息、客户反馈信息等，PLM系统的项目管理需要进行项目活动状态的监视，并实时地将完成计划情况进行反馈；
（3）PLM系统的项目管理应该从整体上考虑问题。
对项目三要素（资源、进度、质量）的控制，需要考虑在产品全生命周期范围内最优，而不是产品生命周期某个阶段最优；
（4）需要将项目管理信息、过程管理信息以及产品数据模型信息集成起来，从而不仅能够对项目文档进行管理，而且能够执行进度计划管理、任务跟踪和资源调配。
PLM系统中产品结构管理模块、工作流和过程管理模块、用户管理模块、变更管理模块和协同工作平台可以用来支持PLM系统进行项目管理，但如何将这几个模块的功能集成起来建立项目管理模型，是本节的研究重点。
首先，对这几个模块如何支持PLM系统进行项目管理作简要分析。
（1）产品结构管理。
PLM系统一般采用视图控制法来对某个产品结构的各种不同划分方法进行管理和描述，产品结构视图可以按照项目任务的具体需求来定义，也可以反映项目里程碑对产品结构信息的要求。
（2）工作流与过程管理。
PLM系统的工作流与过程管理提供一个控制并行工作流程的计算机环境。
利用PLM图示化的工作流编辑器，可以在PLM系统中建立符合各企业习惯的并行的工作流程。
根据项目任务的结构特点可以利用工作流与过程管理模块为任务数据对象建立相关的串行或并行流程。
当任务中的数据对象被赋予流程后，流程用于控制该数据对象的流转过程，工作流与过程控制根据各环节的操作自动将文档推到下一环节。
如果任务有相关数据对象被赋予了流程，只有当所有被赋予流程的数据对象走完相应的流程后，该任务才能提交，继续下一步的项目任务节点。
（3）用户管理。
PLM系统对系统用户的个人信息进行管理，项目负责人利用这些信息，可以针对一个既定的项目组织一个完整的集成产品研发团队。
（4）变更管理。
PLM系统的变更管理是建立在工作流与过程管理基础上的，第二章面向PLM的工艺准备方案通过工程变更流程控制整个变更过程。
项目任务在执行过程中如果发生延期或资源冲突，可以通过变更管理来对任务进行重新编排。
（5）协同工作平台。
PLM系统提供协作笔记本、团队数据库、团队讨论板、团队论坛和即时消息等支持协同工作的工具。
在项目立项之后的整个管理阶段中，用户会需要与项目中其他分配有任务的人员交流项目信息，这时可以利用PLM的协同工作工具进行多用户的即时通信。
2.3.2PLM系统的项目数据模型
面向对象技术是20世纪90年代计算机领域中广泛应用的技术，是一种软件开发方法，也可作为建立系统的一种基础结构。
面向对象是将对象中的数据结构和行为进行紧密结合的系统组织策略。
描述对象、类及其关系的静态数据结构的对象模型，应用链接、关联建立对象、类的联系，具有聚合、概括、继承的建模特性。
按照项目管理的基本理论，项目可以被定义为目标活动在特定环境和限制条件（通常是时间和资源）下，将某种形式的输入转变为某种形式的输出的活动。
PLM系统项目对象应该包括与所开发项目相关联的所有信息入口，如图所示。
图2-4项目对象与PLM系统其他对象的联系
为有效的实施一个项目，需要执行项目规划、制定进度计划、过程监视和分析等步骤。
在项目规划阶段，需要利用任务对象和过程对象的实例来确定项目的结构，将一个项目划分成一些相对独立的、小规模的任务单元。
一个项目由n个任务组成，一个任务可从属于m个项目。
在任务与过程之间存在着一个1:
1的联系，每个任务对应于一个过程对象。
其它与项目存在联系的管理对象还有项目组、项目经理、用户和日历。
日历确定分配给任务的资源的日程安排和任务本身的排定方式。
根据任务的资源消耗可以计算任务的费用。
项目与业务对象文件夹、零件基本记录、文档基本记录、工程图纸基本记录和模型基本记录之间的联系，一方面被用来对项目的数据进行管理，另一方面被用来管理在一些成功实施的项目中形成的结果和产品数据。
过程对象在PLM系统的项目管理中有重要作用[131。
图2-5说明了过程对象与PLM系统其他对象之间的关系。
通常，为了执行某个项目活动，需要相应的软件工具，所以一个活动可以跟一个确定的相关应用软件相关联。
这样，根据对象活动参数可以直接启动相应的软件工具，同时，项目负责人也可以确定哪些项目数据该用哪些应用软件来建立。
每一个过程可以与一个过程组相关联，该过程组由任意数量的、不同角色的PLM系统用户组成。
项目、过程、活动和PLM系统用户等对象也可以与一个项目日历相关联，以便了解项目、过程和活动的进展情况并将实际的进度与目标进度进行比较。
将PLM系统用户与项目日历对象相关联以后，就可以向PLM系统用户分配各种不同的任务而不会发生时间上的冲突。
图2-5过程对象与PLM其它对象之间关系
通过上面对PLM系统中项目相关对象之间联系的分析，图2-6描述了PLM项目管理中具体对象的定义，PLM系统可以利用它进行交互式的项目建模。
所有计划以及按照项目日历计算出来的进度和时间消耗等被作为属性内容，同时还被动态的显示出来。
实际的开始时间和结束时间以及消耗的信息取自管理对象活动和过程。
对各种重要的对象属性进行自动的分析，可以在任何时候提交关于项目状态的报告。
在管理对象活动中，执行者与确定的角色相关联，同时，其中还包括了确定的成本核算价格。
利用这个数据，可以在项目执行的每一个阶段计算出实际的人工成本。
图2-6PLM项目相关对象定义
以上分析的项目数据模型是PLM系统进行项目管理的基础，有助于对项目的进展情况进行透明的监控。
由于能够持续不断地采集到关于项目进度、资源消耗和成本等方面的信息，并将计划数据与实际数据进行比较，因此为项目的成功实施打下了良好的基础，大幅度地缩短了项目的执行时间，降低项目的成本，提高项目的质量。
2.3.3PLM系统的项目管理模型
根据前面两节对PLM中项目管理技术分析以及建立的项目数据模型，可以给出如图2-7所示的PLM系统项目管理模型，该模型说明了PLM系统是用怎样的方式将项目模型、过程模型和产品结构模型集成在一起，从而进行有效的产品开发项目管理的。
项目的任务结构在一定程度上是产品结构的反映，定义子任务的主要依据是详细的产品结构图，每处理完一个任务就得到了产品开发过程中的一个阶段成果。
项目过程控制是以项目任务分解为纵轴、任务工作流程为横轴的项目工作过程。
可以通过工作流管理模块为每一个任务在逻辑上规定一个处理的顺序，即项目中每个任务对应工作流中的一个结点。
每个任务所对应的过程由一个开发团队完成，并且有自己的日历。
可以根据需要给团队成员分配相应的活动，而成员能否接受分配的任务取决于其个人的日历。
在对项目进行任务分解时，还可以根据任务的需要分配相应的资源。
由一个工作步骤或者一项活动形成的结果，可以作为另一个工作流的某个工作步骤的基础。
当一个任务的工作流程结束以后，在产品模型中就增加了一个新的零部件，这样，产品结构随着项目的进展变得越来越完整，当项目结束时便得到了完整的产品数据。
通过该模型，PLM可以将一个产品开发项目及其有关的数据结构化为一个面向对象的项目模型，利用该模型，可以确保对项目进行全面的监视和控制。
图2-7PLM系统项目管理模型
2.4面向PLM的工艺准备整体解决方案
为了适应产品客户化的要求，离散型制造企业必须转向大规模定制生产方式，以产品为中心进行全球协作。
产品工艺准备的影响已经扩大到产品全生命周期，围绕产品全生命周期管理进行工艺准备工作的协作是产品创新的必要手段。
PLM技术为工艺准备的协同工作指明了方向，将工艺准备在相关工艺部门的工作扩展到产品全生命周期的协同工作，从而满足产品全生命周期各阶段对工艺信息的不同需求，准确及时地提供相关工艺信息及决策知识。
具体的说，PLM技术对工艺准备管理系统主要提供以下需求:
（1）支持产品全生命周期各个阶段协同工作的能力；
（2）支持产品全生命周期各个阶段知识驱动与数据校验的能力；
（3）支持产品全生命周期的所有领域知识共享与交换的能力；
（4）支持产品全生命周期的全局资源优化与配置的能力。
作者认为，面向PLM的工艺准备是面向产品全生命周期的协同工作，支持知识管理和资源优化的工艺技术准备管理。
其内涵就是秉承“以产品为核心”的思想，将计算机辅助的工作模式由“人机交互”升级为“人人交互”的协同工作方式，实现面向产品全生命周期的工艺准备工作，促进产品创新，缩短产品周期，实现企业价值的最大化。
2.4.1基于PM的工艺准备方法
制造企业的研发管理一般可以理解为以下三大管理流程:
新产品开发流程、研发项目管理流程和配置管理的流程。
通过PLM系统可以实现这些流程。
工艺准备是产品研发管理流程中的一个关键环节，通过2。
3节对PLM中的项目管理研究，本文提出采用研发项目管理流程来实现对产品工艺准备工作的结构化管理。
与企业一般的营运活动比较，项目性的工作有下列特征。
（1）独立的目标:
企业耗费大量资源激活某一项目，通常是为了达成特定的策略目标。
（2）完成时限:
为了达到预期的效果，项目目标必须在一定时间内完成。
（3）需要各部门协助:
产品研发项目通常不是单一部门能独立完成的，通常在项目进行的过程中，出现临时性的支持需求。
（4）跨部门沟通与协调:
通常在展开工作项目之后，会将任务分配给各部门执行，这些工作可能由各部门同时进行。
（5）知识与经验的积累:
在项目执行的过程中，企业会遇到许多以前未曾发生过的问题，这些问题的解决代表企业创造新的知识以及经验，这些宝贵的知识与经验的收集、分享与再运用就十分重要。
结合PLM中的项目管理特点以及产品工艺准备工作程序，并且考虑工艺准备与产品设计、产品制造之间的相互制约，作者提出了如图2-8所示的工艺准备项目管理模型。
图2-8产品工艺准备项目管理模型
在该模型中，产品工艺准备项目管理的任务流程是按照阶段划分的，项目的每个阶段，工作的内容、项目团队与成员、涉及的资源均有所不同，详细说明如表2-2所示。
工艺调研和工艺审查需要相关工艺人员在产品设计阶段就介入工作，类似地在采购阶段，为了并行的工作，需要工艺准备项目未结束之前就要提供材料定额、专用设备和工装等需求。
工艺总结是工艺准备工作重要的一环，直接关系到企业产品工艺水平，工艺总结工作分布在工艺准备工作的各个阶段，同时工艺总结的结果应用效果也直接反映到工艺准备各个阶段。
车间生产组织过程是一个十分复杂的动态过程，除了协调不同部门、人员、机器、物料、工具等资源，还要协调好外部协作的问题。
车间控制在协调加工过程中机器和工具资源时，最重要的参考资料就是工艺规程中的工序路线，因此工艺规程设计考虑车间的动态情况就十分必要。
表2-2工艺准备任务详细说明
2。
4。
2基于PM的工艺准备整体解决方案
在产品从需求收集、概念设计、初步设计、原型设计、详细设计、工艺规划、工艺设计、采购、生产、维护到回收或废弃的整个产品全生命周期过程中，有客户、分销商、供应商和合作伙伴的参与，同时涉及PLM中的不同的企业信息化管理软件，如CAD,CAPP,CAM,CAE,PDM,ERP,MES,CRM和SCM等信息系统。
从工艺准备的角度全面考察产品全生命周期管理过程中协同工作，在工艺准备项目管理模型的基础上，本文提出了如图2-9所示的面向PLM的工艺准备协同工作解决方案。
该方案的指导思想是基于PLM系统建立协同工艺准备工作团队，利用PLM中的项目管理技术控制整个工艺准备过程。
工艺准备工作团队分布在产品生命周期的各个阶段，对应于不同的阶段，PLM平台集成了特定的信息系统。
在产品设计阶段应用CAE,CAD系统进行产品概念设计、原型设计和详细设计，在产品工艺规划阶段，采用CAPP系统进行详细的工艺规程设计，产品的制造阶段，运用SCM制定采购计划，利用MES,ERP系统实施车间管理，产品服务阶段，CRM系统管理产品维护、回收等过程及信息。
工艺准备的相关过程和信息均体现在这些信息系统的运用过程中，通过PLM系统的协同技术实现了工艺准备过程和信息满足产品生命周期各个阶段的需要。
图2-9面向PLM的工艺准备解决方案
2.5本章小结
本章概括了PLM技术，包括其定义、研究应用历史、技术优势及发展趋势，分析了PLM中的项目管理技术特点，并对PLM系统的项目数据模型和管理模型进行了深入研究，综合产品工艺准备业务需求，提出了基于PM的工艺准备管理策略，进而建立了面向PLM的工艺准备管理解决方案，为实现面向PLM的工艺准备系统指明了方向。
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