模具制造業PDM技術的應用
1 前言
PDM(Product Data Management，簡稱PDM)是一門管理所有與產品相關的信息(包括電子文檔、數字化文件、數據庫記錄等)和所有與產品相關的過程(包括審批／發放過程、工程更改過程等)的技術，它是一門集數據庫的數據管理能力、網絡通訊能力與過程控制能力于一體的工程數據管理綜合技術。
隨著國際產業結構調整和轉移的趨勢日益強勁，工業發達國家正在將大批的傳統產業向發展中國家轉移，其轉移的重點就是制造業，我國制造業的發展正面臨一個難得的機遇。為此，科技部在原攻關計劃制造業信息化工程項目的基礎上，整合863計劃和攻關計劃有關的科技資源，組織實施制造業信息化關鍵技術研究及應用示范工程，以期大幅度提高我國制造業的技術創新能力和國際競爭力，實現制造業產業結構的優化和升級，以信息化帶動工業化，用高新技術改造傳統產業，實現我國制造業的跨躍式發展。
隨著國際產業結構調整和轉移的趨勢日益強勁，工業發達國家正在將大批的傳統產業向發展中國家轉移，其轉移的重點就是制造業，我國制造業的發展正面臨一個難得的機遇。為此，科技部在原攻關計劃制造業信息化工程項目的基礎上，整合863計劃和攻關計劃有關的科技資源，組織實施制造業信息化關鍵技術研究及應用示范工程，以期大幅度提高我國制造業的技術創新能力和國際競爭力，實現制造業產業結構的優化和升級，以信息化帶動工業化，用高新技術改造傳統產業，實現我國制造業的跨躍式發展。
改革開放20多年來，我國已成為使用各類模具的大國。深圳的模具制造業經過不懈的努力，已從最初以作坊式為主的低水平制造發展成為深圳市的支柱產業，進而成為全國模具制造業的領頭羊。國家大力推行制造業信息化技術，為進一步提升深圳模具企業的技術水平，保持深圳模具在全國的領先地位帶來了新的機遇。本文結合作者對深圳模具企業(只針對塑膠模具企業，下同)調研過程中了解的模具制造業生產模式的特點及對信息化的需求，探討面向模具制造的PDM技術應用。
2 PDM系統的主要應用功能
PDM系統包含的主要應用功能有：文檔控制、產品結構與配置管理、工作流與過程管理、項目管理、信息分類與檢索、應用系統集成、變更控制等，它提供產品設計、制造和技術支持服務所需的大量數據跟蹤與存儲功能，進而控制產品信息的處理和使用，管理產品的開發過程，見圖1。
2 PDM系統的主要應用功能
PDM系統包含的主要應用功能有：文檔控制、產品結構與配置管理、工作流與過程管理、項目管理、信息分類與檢索、應用系統集成、變更控制等，它提供產品設計、制造和技術支持服務所需的大量數據跟蹤與存儲功能，進而控制產品信息的處理和使用，管理產品的開發過程，見圖1。
PDM不僅可以有效地將概念設計、工程分析、詳細設計、工藝流程設計、制造、銷售、維護，直至產品報廢的整個生命周期與產品相關的數據予以定義、組織和管理，使產品數據在整個生命周期內保持一致、最新、共享及安全，同時，還為CAx／DFx應用提供統一的集成運行平臺，是連接CAD／CAPP／CAM系統、MIS系統、MRPII／ERP、車間管理與控制系統的橋梁與紐帶。通過PDM系統的有效實施與管理，可及時提供給設計人員正確的產品數據，避免繁瑣的數據查找，提高設計效率；保證產品設計的詳細數據能有序存取，提高設計數據的再利用率，減少重復勞動；有效控制工程更改，決策人員可以方便地進行設計審查；可以進行產品設計過程控制，提供并行設計的協同工作環境；有利于整個產品開發過程的系統集成(包括供應商、MRPII、銷售、支持與維修服務等)。
3 模具制造業生產模式的特點和趨勢
3．1 模具制造業生產模式的特點
模具是特定產品零件生產用的專用工裝，如塑膠模是用于把塑性材料加工成大批的、統一形狀的部件。在現代工業生產中，60％—90％的工業產品需要使用模具加工技術，模具工業已經成為工業發展的基礎。在新產品層出不窮的今天，許多產品的開發和生產都依賴于模具生產。根據國際生產技術協會的預測，21世紀機械制造工業零件粗加工的75％，精加工的50％都需要通過模具來完成，其中汽車、電器、通信、石化、建筑等行業最為突出?1I。如何在保證模具質量的前提下，以最低的成本和最短的周期，將模具提交給用戶，是當前模具業追求的主要目標。模具制造業生產模式的特點和趨勢歸納起來，有如下幾點：
模具是特定產品零件生產用的專用工裝，如塑膠模是用于把塑性材料加工成大批的、統一形狀的部件。在現代工業生產中，60％—90％的工業產品需要使用模具加工技術，模具工業已經成為工業發展的基礎。在新產品層出不窮的今天，許多產品的開發和生產都依賴于模具生產。根據國際生產技術協會的預測，21世紀機械制造工業零件粗加工的75％，精加工的50％都需要通過模具來完成，其中汽車、電器、通信、石化、建筑等行業最為突出?1I。如何在保證模具質量的前提下，以最低的成本和最短的周期，將模具提交給用戶，是當前模具業追求的主要目標。模具制造業生產模式的特點和趨勢歸納起來，有如下幾點：
(1)為典型的單品單樣個別接單生產。模具訂單是陸續隨機到達的，且定單數量呈季節性變化。
(2)幾乎每一個定單都有其特殊性，從產品訂貨決策到制造的全過程中，每一套模具都具有一定的獨立性，企業需要針對每一份訂單編制相應的生產進度計劃。而且，在模具開發的不同階段，要對生產進度計劃由粗到細多次進行制定和修改。
(3)每副模具都必須進行創造性的設計。由于不同產品在外觀、結構及成型工藝上的特殊性，需要對每副模具進行個別設計。因此模具設計常分為制件工藝分析與設計，模具總體方案設計，總體結構設計，施工圖設計四個階段。在模具的開發過程中，設計所占的時間相當長，約達到整個開發周期的1／3。
(4)模具質量管理是由用戶參與的多層次質量管理系統。在模具報價與合同訂單的簽訂時，企業就需要與用戶協商確定產品圖，以及有關的技術要求；在進行模具結構設計、詳細設計、工藝設計等階段中，企業均需要與用戶進行協調；在最終產品的驗收過程中，企業還需要用戶的大力合作。
(5)盡管在現代模具生產中采用了先進的高效、高精機床和自動化生產技術，全面采用了標準和通用零、部件，但是，模具型腔、型芯表面精飾加工(如：拋光、研磨等)，模具鉗工與裝配仍然依賴技術工人的手工勞動，其工作量將占模具總工作量(按工時計)的25％—45％。因此，制造工藝規范化成為了控制模具合理化生產的技術基礎。
(2)幾乎每一個定單都有其特殊性，從產品訂貨決策到制造的全過程中，每一套模具都具有一定的獨立性，企業需要針對每一份訂單編制相應的生產進度計劃。而且，在模具開發的不同階段，要對生產進度計劃由粗到細多次進行制定和修改。
(3)每副模具都必須進行創造性的設計。由于不同產品在外觀、結構及成型工藝上的特殊性，需要對每副模具進行個別設計。因此模具設計常分為制件工藝分析與設計，模具總體方案設計，總體結構設計，施工圖設計四個階段。在模具的開發過程中，設計所占的時間相當長，約達到整個開發周期的1／3。
(4)模具質量管理是由用戶參與的多層次質量管理系統。在模具報價與合同訂單的簽訂時，企業就需要與用戶協商確定產品圖，以及有關的技術要求；在進行模具結構設計、詳細設計、工藝設計等階段中，企業均需要與用戶進行協調；在最終產品的驗收過程中，企業還需要用戶的大力合作。
(5)盡管在現代模具生產中采用了先進的高效、高精機床和自動化生產技術，全面采用了標準和通用零、部件，但是，模具型腔、型芯表面精飾加工(如：拋光、研磨等)，模具鉗工與裝配仍然依賴技術工人的手工勞動，其工作量將占模具總工作量(按工時計)的25％—45％。因此，制造工藝規范化成為了控制模具合理化生產的技術基礎。
3．2 模縣制造業生產模式的發展趨勢
模具作為一種高附加值的技術密集產品，它的技術水平已經成為衡量一個國家制造業水平的重要評價指標。隨著當代先進制造技術的發展，模具制造模式也呈現出了如下發展趨勢：
模具作為一種高附加值的技術密集產品，它的技術水平已經成為衡量一個國家制造業水平的重要評價指標。隨著當代先進制造技術的發展，模具制造模式也呈現出了如下發展趨勢：
(1)由于模具CAD／CAM技術已發展成為一項比較成熟的共性技術，近年來模具CAD／CAM技術的硬件與軟件價格已降低到中小企業普遍可以接受的程度，特別是微機的普及應用，更為廣大模具企業普及模具CAD／CAM技術創造了良好的條件，因此，模具企業應用CAD／CAM技術進行模具設計與制造已成為必然。
(2)選用優質鋼材和相應的表面處理技術來提高模具的壽命已越來越受到企業的重視。
(3)制造商要求通過減少物理樣機，提高產品質量來降低成本并加速產品上市，這種需求在模具制造業中尤為突出。因此在模具CAD／CAM技術中集成數字化分析技術，獲得完善的CAD／CAB／CAM解決方案，是目前的一個重要發展方向。
(4)CAD／CAM技術的普及和層次的提高，以及數據庫技術、計算機網絡技術的發展，為模具企業實現并行設計與制造創造了條件，成為企業有效縮短模具開發周期、降低模具開發風險的有利武器。
(2)選用優質鋼材和相應的表面處理技術來提高模具的壽命已越來越受到企業的重視。
(3)制造商要求通過減少物理樣機，提高產品質量來降低成本并加速產品上市，這種需求在模具制造業中尤為突出。因此在模具CAD／CAM技術中集成數字化分析技術，獲得完善的CAD／CAB／CAM解決方案，是目前的一個重要發展方向。
(4)CAD／CAM技術的普及和層次的提高，以及數據庫技術、計算機網絡技術的發展，為模具企業實現并行設計與制造創造了條件，成為企業有效縮短模具開發周期、降低模具開發風險的有利武器。
4 模具制造業應用PDM技術的總體目標
模具制造業應用PDM技術的總體目標應包括
(1)產品信息的完整性、規范化管理。
PDM系統管理的產品信息將涉及到模具設計、工藝、制造、經營和服務等各部門，實施PDM系統應充分考慮上述各部門的要求，并提供必要的信息共享環境。同時，通過實施產品配置管理，實現企業內部產品信息的一致性、唯一性、完整性和科學性。
PDM系統管理的產品信息將涉及到模具設計、工藝、制造、經營和服務等各部門，實施PDM系統應充分考慮上述各部門的要求，并提供必要的信息共享環境。同時，通過實施產品配置管理，實現企業內部產品信息的一致性、唯一性、完整性和科學性。
(2)工作流程的科學性和靈活性管理。
由于模具企業接訂單的特殊性，以及模具設計、制造的個性化需求，使得模具產品在整個生命周期中的工作流程呈現出多回路的特性。因此，PDM系統的實施應兼顧高效暢通和方便更改，以實現流程優化再造。
由于模具企業接訂單的特殊性，以及模具設計、制造的個性化需求，使得模具產品在整個生命周期中的工作流程呈現出多回路的特性。因此，PDM系統的實施應兼顧高效暢通和方便更改，以實現流程優化再造。
(3)有效的項目管理。
模具企業的生產管理是典型的按照單一定單實施的項目管理，每一副模具從接單、設計到生產、測試都體現出其獨立性，都需要專門的項目負責人對人員進行管理，需要制訂專門的設計方案、設計特定的工藝、組織特定的生產過程。因此，在PDM系統的實施中，是否實現有效的項目管理是決定PDM系統成功與否的關鍵。
(4)CAD／CAM／CAE的全面集成。
由于模具企業應用CAD／CAM／CAE技術進行模具設計與制造已成為必然，因此，應使PDM系統成為全面集成CAD／CAM／CAE技術的平臺，以保證企業中相關項目的任何人在任何地點、任意時候都可以得到所需要的正確的、唯一的產品信息，避免因人工參與的中間環節信息處理錯誤而導致產品信息的混亂。
模具企業的生產管理是典型的按照單一定單實施的項目管理，每一副模具從接單、設計到生產、測試都體現出其獨立性，都需要專門的項目負責人對人員進行管理，需要制訂專門的設計方案、設計特定的工藝、組織特定的生產過程。因此，在PDM系統的實施中，是否實現有效的項目管理是決定PDM系統成功與否的關鍵。
(4)CAD／CAM／CAE的全面集成。
由于模具企業應用CAD／CAM／CAE技術進行模具設計與制造已成為必然，因此，應使PDM系統成為全面集成CAD／CAM／CAE技術的平臺，以保證企業中相關項目的任何人在任何地點、任意時候都可以得到所需要的正確的、唯一的產品信息，避免因人工參與的中間環節信息處理錯誤而導致產品信息的混亂。
(5)并行工程的要求。
模具制造過程中多回路的工作流程特性，使得應用并行工程成為有效提高產品開發效益，增強企業競爭能力的有力工具。并行工程的實現要求PDM系統具有支持異構的計算機環境，提供單一的產品數據源，可實施過程的管理與監控，以及支持虛擬產品開發等功能。
模具制造過程中多回路的工作流程特性，使得應用并行工程成為有效提高產品開發效益，增強企業競爭能力的有力工具。并行工程的實現要求PDM系統具有支持異構的計算機環境，提供單一的產品數據源，可實施過程的管理與監控，以及支持虛擬產品開發等功能。
(6)協同環境的適應。
模具企業實施PDM管理時還應充分考慮所應用的系統與外部協同環境相適應，尤其是大型企業采用分布式數據庫時，應保證異構環境下的數據通訊，以及數據傳輸的實時性要求。同時，PDM系統的計算機網絡應具有可擴展性和開放性。
模具企業實施PDM管理時還應充分考慮所應用的系統與外部協同環境相適應，尤其是大型企業采用分布式數據庫時，應保證異構環境下的數據通訊，以及數據傳輸的實時性要求。同時，PDM系統的計算機網絡應具有可擴展性和開放性。
5 模具制造業應用PDM系統的數據模型
5．1 人員數據模型
人員數據模型包括人員組織、角色設定以及角色權限設定3部分。
人員數據模型包括人員組織、角色設定以及角色權限設定3部分。
根據模具企業組織模具開發的模式不同，其人員組織各不相同，概括起來不外乎如下3種類型：
(1)傳統企業型：即按照專業劃分配備人員，各部門的工作性質單一，工作人員較為固定，工作流程以串行為主，見圖2。
(1)傳統企業型：即按照專業劃分配備人員，各部門的工作性質單一，工作人員較為固定，工作流程以串行為主，見圖2。
(2)動態型：即產品開發按照項目組織人員，每一組人員中包括完成某一特定模具開發所需要的所有設計、工藝、生產、管理、售后服務人員。隨著項目轉型，人員也相對變化。工作流程在組內以串行為主，對企業則以并行為主，企業的銷售、行政、財務等非生產部門則相對固定。在生產的安排上又可分為按照單一產品完成整個產品的制造；以及集中加工，按產品分組裝配兩種方式，見圖3。
(3)外協組裝型：模具的設計完成后，由oEM供應商組織零部件的生產，模具企業采購標準件及模具零部件并進行組裝后出售。這種類型的模具企業人員成本和設備投入相對較小，生產組織靈活，但生產成本相對較高，模具開發的主要人員為設計人員及裝配技術工人，見圖4。
雖然不同企業的人員組織不同，但其角色設定及權限設定是大致相同的。因此，當企業的人員組織結構確定之后，即可確定人員數據模型。人員數據模型可用表格描述間，根據圖2建立的人員數據表見表1。
5．2 產品結構模型
PDM系統通常用產品結構樹描述產品結構，產品結構樹由產品裝配圖和產品零部件明細表產生，產品結構樹描述了產品零件信息、裝配層次關系、以及裝配關系的信息。一般注射模產品結構樹見圖5。
PDM系統通常用產品結構樹描述產品結構，產品結構樹由產品裝配圖和產品零部件明細表產生，產品結構樹描述了產品零件信息、裝配層次關系、以及裝配關系的信息。一般注射模產品結構樹見圖5。
圖5中，第一層為根節點，代表產品；第二層為葉節點，代表組成模具的各個部件；第三層也為葉節點(以下各層均為葉節點)，代表構成各部件的零件或組件。
上述結構樹根據管理的需要還可進一步細分，直至每一零件的毛胚或原材料。
5．3 工作流程管理模型
工作流程管理通常需要定義以下幾方面的內容：
工作流程管理通常需要定義以下幾方面的內容：
(1)工作流程的名稱和適用范圍。
(2)工作流程階段數量、先后次序及返回的邏輯。
(3)對應每一階段的人員角色和表決模式。
(4)在每一階段開始和結束時需要完成的特殊任務。
(5)在整個工作流程中產品數據版本變化規則。
(2)工作流程階段數量、先后次序及返回的邏輯。
(3)對應每一階段的人員角色和表決模式。
(4)在每一階段開始和結束時需要完成的特殊任務。
(5)在整個工作流程中產品數據版本變化規則。
工作流程管理模型可根據實際工作流程用表格形式對上述內容進行描述。
6 模具制造業應用PDM系統的關鍵技術
6．1 產品配置管理
由于模具企業單件生產的特點，對產品實施配置管理就顯得尤為重要。
產品配置是指按照某一產品內部的所有零件數量、性質及相互關系對產品進行編組。其管理的目標是：
由于模具企業單件生產的特點，對產品實施配置管理就顯得尤為重要。
產品配置是指按照某一產品內部的所有零件數量、性質及相互關系對產品進行編組。其管理的目標是：
(1)建立產品的整體模型，形象地描述產品全部數據及其相互關系。
(2)建立產品的配置規則，以便給設計、生產及管理部門提供統一的、準確的產品信息。
(3)建立一致的產品材料清單，避免造成返工和浪費。
(4)建立產品更改的歷史記錄——版本管理，以保證在任何時候，相關的任何人都能得到正確的產品版本。
(2)建立產品的配置規則，以便給設計、生產及管理部門提供統一的、準確的產品信息。
(3)建立一致的產品材料清單，避免造成返工和浪費。
(4)建立產品更改的歷史記錄——版本管理，以保證在任何時候，相關的任何人都能得到正確的產品版本。
根據模具的產品結構樹及配置規則，即可得到不同配置條件下的產品配置子模型。根據圖5得到的產品配置子模型見圖6。
6．2 PDM系統與CAD／CAM／CAE的集成
6．2．1 與CAD／CAM集成的幾種模式
(1)封裝模式：封裝模式是將所有CAD／CAM應用程序進行集成，使不同的應用程序之間能夠共享信息，而PDM系統則可以對不同應用程序分別放在數據庫中的特征數據以及數據文件進行有效的管理。當PDM系統封裝了CAD／CAM／CAE應用程序,即可在PDM系統的圖形文件中直接激活相應的CAD／CAM／CAE系統，并在該系統中將相應的圖形文件顯示為圖形。反之，在CAD／CAM／CAE系統中也可直接進入PDM系統，進行相應的數據管理操作，但不允許PDM系統管理文件內部的數據，如特征、參數和裝配數據等。一般，封裝模式用于PDM系統與二維CAD軟件的集成，自動化程度較低，但實施工作量較少，容易實現。
(2)接口模式：接口模式通過編制接口程序破譯產品內部的相互關系，從而能夠根據CAD裝配文件中的裝配樹自動生成PDM中的產品結構樹，并能從PDM的產品結構樹中提取最新的產品結構關系，去修改CAD中的裝配文件，使兩者保持異步一致。因此，采用標準數據接口建立PDM的產品配置與多種CAD軟件的裝配結構之間的聯系，可實現多種CAD軟件共享同一產品結構，但數據必須具有統一的數據結構。接口模式的自動化程度更高，PDM系統與CAD系統之間能自動交換文件內部數據。在CAD菜單中具有某些PDM的功能，在PDM菜單中也具有某些CAD的功能。一般，接口模式用于PDM系統與三維CAD軟件的集成。但接口模式的開發工作量大，對人員的要求高，且系統的維護工作還需要人工處理。
(2)接口模式：接口模式通過編制接口程序破譯產品內部的相互關系，從而能夠根據CAD裝配文件中的裝配樹自動生成PDM中的產品結構樹，并能從PDM的產品結構樹中提取最新的產品結構關系，去修改CAD中的裝配文件，使兩者保持異步一致。因此，采用標準數據接口建立PDM的產品配置與多種CAD軟件的裝配結構之間的聯系，可實現多種CAD軟件共享同一產品結構，但數據必須具有統一的數據結構。接口模式的自動化程度更高，PDM系統與CAD系統之間能自動交換文件內部數據。在CAD菜單中具有某些PDM的功能，在PDM菜單中也具有某些CAD的功能。一般，接口模式用于PDM系統與三維CAD軟件的集成。但接口模式的開發工作量大，對人員的要求高，且系統的維護工作還需要人工處理。
(3)集成模式：集成模式中PDM系統對所有類型的信息都提供了全自動的雙向相關交換，包括產品數據、特征數據和面向應用的數據。采用集成模式可制定統一的產品數據之間的結構關系，只要其中之一的關系發生變化，另一個隨之發生改變，在CAD環境中能使用所有PDM功能，始終保持CAD的產品裝配關系和PDM的產品結構樹同步一致。一般，集成模式用于PDM和CAD的緊密集成，只有軟件供應商才能夠提供這種模式。對企業而言，其開發工作量最少，使用最方便。但對實施單位(軟件供應商)而言，要花費很長時間，還要投人大量精力開發用戶界面。開發的費用也較高。
6．2．2 PDM系統與CAE的集成
由于CAE軟件主要產生對具體零件的分析計算結果，因此可采用封裝模式實現集成。同時通過定義在PDM系統中對CAE分析計算結果的管理規則，實施對CAE數據的管理。集成的結果是在PDM系統中能夠隨時激活CAE軟件，能夠識別CAE文件類型，并在CAE環境下和PDM系統交換信息，完成存、取、刪、改、查等操作。
由于CAE軟件主要產生對具體零件的分析計算結果，因此可采用封裝模式實現集成。同時通過定義在PDM系統中對CAE分析計算結果的管理規則，實施對CAE數據的管理。集成的結果是在PDM系統中能夠隨時激活CAE軟件，能夠識別CAE文件類型，并在CAE環境下和PDM系統交換信息，完成存、取、刪、改、查等操作。
6、2．3 模具制造業集成模式的選擇
綜合上述各種集成模式的應用環境以及優缺點，結合模具制造業生產模式的特點，PDM與CAD／CAM的集成一般選擇接口模式較為合適。事實上，在目前已經實施PDM管理的企業中，大多采用了接口模式。一些PDM的軟件供應商甚至提前做好了PDM與目前市場上較通用的三維CAD軟件的接口，如SMARTEAM與UG、PRo／E的集成等。
6．3 并行工程的實現
并行工程是指在進行上游環節工作的同時，盡可能考慮下游環境的工作，通過產品數據的統一管理，并行地進行產品設計、工藝設計、生產準備、測試準備等工作，以最大限度地減少產品開發周期，降低開發成本。
綜合上述各種集成模式的應用環境以及優缺點，結合模具制造業生產模式的特點，PDM與CAD／CAM的集成一般選擇接口模式較為合適。事實上，在目前已經實施PDM管理的企業中，大多采用了接口模式。一些PDM的軟件供應商甚至提前做好了PDM與目前市場上較通用的三維CAD軟件的接口，如SMARTEAM與UG、PRo／E的集成等。
6．3 并行工程的實現
并行工程是指在進行上游環節工作的同時，盡可能考慮下游環境的工作，通過產品數據的統一管理，并行地進行產品設計、工藝設計、生產準備、測試準備等工作，以最大限度地減少產品開發周期，降低開發成本。
實現并行工程必須依靠PDM技術。PDM的數據集成和管理功能能夠提供單一的產品數據源，可保證在并行工作中產品數據的正確、唯一性；PDM對過程的管理與監控，可保證并行工程的有效進行；PDM對虛擬產品開發的支持，可及時實現企業內部、企業外部的信息交流，有效降低開發風險。 如何在保證模具質量的前提下，以最低的成本和最短的周期，將模具提交給用戶，是當前模具業追求的主要目標。因此，在模具制造業中實現并行工程，無疑是一種明智的選擇。
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