王 斌 徐克林

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中小機(jī)電設(shè)備企業(yè)PDM系統(tǒng)研究

王 斌 徐克林

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院工業(yè)工程所 上海 200092)

企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)信息集成平臺PDM系統(tǒng)對企業(yè)信息集成有著關(guān)鍵性的意義。針對中小機(jī)電設(shè)備的企業(yè)自身以及機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品的特殊性要求，運用系統(tǒng)分析和基于工業(yè)過程的流程優(yōu)化等工業(yè)工程分析方法，對PDM進(jìn)行了專項分析和設(shè)計，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類、整理關(guān)聯(lián)，以便實現(xiàn)統(tǒng)一配置產(chǎn)品機(jī)型、管理文檔和優(yōu)化工序工藝設(shè)計，從而實現(xiàn)縮短研發(fā)和轉(zhuǎn)產(chǎn)周期，提升生產(chǎn)效率和提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)維護(hù)的穩(wěn)定性以及滿足較短的變更需求。

關(guān)鍵詞 PDM 機(jī)電設(shè)備企業(yè) 系統(tǒng)分析方法 流程分析法 企業(yè)信息集成

在企業(yè)的信息集成過程中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Product Data Management)可以被視作是一個基本的集成框架，圍繞產(chǎn)品進(jìn)行與產(chǎn)品相關(guān)的各類軟件和數(shù)據(jù)分析。而CAD、CAM、CAPP、MRP、3D、2D文檔、原料和材料信息等，作為對象被分別集成和涵蓋了進(jìn)來。軟件可以通過應(yīng)用接口和封裝等方式完成集成，而產(chǎn)品數(shù)據(jù)則通過PDM系統(tǒng)直接錄入和維護(hù)。通過這種方式，使得分布在不同地域和歸屬于不同業(yè)務(wù)單元的部門能夠同時分享關(guān)于產(chǎn)品的各種信息，工作在同一個高度集成、協(xié)作和共享的信息平臺上。一個完善、高效的PDM系統(tǒng)對于提高企業(yè)信息交互效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)和投放市場的周期有著極為重要的意義。

由于中小機(jī)電設(shè)備企業(yè)受到企業(yè)規(guī)模和行業(yè)特性的限制，要想生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品并牢固地占領(lǐng)市場就必須縮短產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)周期、提高更新?lián)Q代速率。但機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集程度高、加工層次多、零件品種多及規(guī)格雜等特點又限制了縮短周期和加快更新的實現(xiàn)。況且該類型企業(yè)多以民營和私營為主，企業(yè)規(guī)模和投資有限，大多數(shù)仍然沿用傳統(tǒng)的管理模式和獨立的數(shù)據(jù)存儲，信息既沒有充分集成，產(chǎn)品數(shù)據(jù)也無法實現(xiàn)在各部共享。即便有些企業(yè)采用了PDM系統(tǒng)進(jìn)行管理，但產(chǎn)品的復(fù)雜性和高額的管理成本也阻礙了PDM系統(tǒng)的充分使用和與其他管理系統(tǒng)的接駁。

通過分析機(jī)電設(shè)備企業(yè)的特性以及產(chǎn)品零件屬性，結(jié)合企業(yè)配置情況和生產(chǎn)流程，實際建立產(chǎn)品基本數(shù)據(jù)庫。通過PDM系統(tǒng)的整合，重新整理產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、數(shù)據(jù)維護(hù)和工程變更等工作流程，從而優(yōu)化了管理流程，完善了產(chǎn)品生命周期管理，達(dá)到提升企業(yè)核心競爭力的目的。

1 現(xiàn)行PDM系統(tǒng)分析

機(jī)電設(shè)備企業(yè)基本屬于離散制造型企業(yè)，多以生產(chǎn)專用設(shè)備為主，定制化程度較高。產(chǎn)品的多樣化、零部件類型的不同以及工程變更頻繁給設(shè)計人員數(shù)據(jù)維護(hù)和生產(chǎn)計劃人員安排生產(chǎn)造成了一定的難度，且產(chǎn)品非標(biāo)程度高，對設(shè)計者和生產(chǎn)人員的經(jīng)驗依賴性較強(qiáng)。

企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)平臺種類多樣，多見于Solid-Works、CAXA、Auto-CAD、Pro-E、UG和Catia。企業(yè)多數(shù)沒有自己的服務(wù)器，以企業(yè)內(nèi)局域網(wǎng)搭建信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。企業(yè)對PDM資金的投入也有限。基于以上各種原因，PDM系統(tǒng)很難與開發(fā)軟件集成，更難與ERP系統(tǒng)或者其他管理系統(tǒng)集成。大多數(shù)均只能實現(xiàn)面向圖文檔的管理。

1.1 企業(yè)信息關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程分析

產(chǎn)品專用性強(qiáng)且生命周期較短，多數(shù)機(jī)電設(shè)備企業(yè)無法建立完善的企業(yè)信息集成，企業(yè)內(nèi)部信息流轉(zhuǎn)多以獨立數(shù)據(jù)的方式存在。對于沒有系統(tǒng)支持或僅限于PDM支持的企業(yè)來說，內(nèi)部信息的關(guān)聯(lián)基本只能通過圍繞訂單和計劃需求來進(jìn)行。依據(jù)訂單和計劃需求的詳情，設(shè)計部門匹配相應(yīng)的零件明細(xì)物料清單(BOM)，提交計劃、采購、生產(chǎn)等各部門，并由計劃部門拆分，統(tǒng)一調(diào)配到各個職責(zé)部門，生成相應(yīng)的采購和生產(chǎn)任務(wù)清單，從而避免了過多的工程變更對生產(chǎn)效率所造成的影響。部分企業(yè)擁有相對穩(wěn)定的產(chǎn)品，則通過提交生產(chǎn)計劃和工程變更需求到采購和生產(chǎn)部門來完成生產(chǎn)任務(wù)和實現(xiàn)信息流轉(zhuǎn)。

通過分析管理模塊的U/C 矩陣，可以發(fā)現(xiàn)各業(yè)務(wù)流程之間數(shù)據(jù)的使用情況和不同模塊間的數(shù)據(jù)交互情況。進(jìn)而從信息關(guān)聯(lián)和業(yè)務(wù)流程的角度，更加強(qiáng)調(diào)了前期技術(shù)準(zhǔn)備對于后步生產(chǎn)執(zhí)行有著效率是否高效、數(shù)據(jù)是否可以直接被利用的重要意義，如圖1所示。

圖1 管理模塊的U/C矩陣

1.2 PDM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹

機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品零件類型相對固定，主要可以分為機(jī)械加工零件、機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件、氣動零部件、電氣組件。因此很多PDM系統(tǒng)便直接將PDM結(jié)構(gòu)框架定義為三或四個層級，即產(chǎn)品層、組件層、零件層和材料層。再通過零部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就建立了PDM系統(tǒng)中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PDM零件分層

在實際操作過程中，還可能會對有分件的零件層進(jìn)行細(xì)分。用于存放一級部件所需要的非標(biāo)、通用、外制的零部件以及外購的元器件，且把一些外購的用于成品總裝階段的標(biāo)準(zhǔn)件打包放入一個總成之中，如“電氣總成”，這樣更便于集中管理。尤其是針對不同成品時，一級BOM就相對簡單，只需修改電氣總成中的個別配置就可以了。

現(xiàn)行的PDM系統(tǒng)很少會考慮計劃或調(diào)度人員在編譯生產(chǎn)計劃時面對的成百上千種零件。多數(shù)PDM系統(tǒng)僅僅提供的是產(chǎn)品零件的基本屬性和BOM ，只有在ERP層級的系統(tǒng)才會考慮實際生產(chǎn)的需求和操作性。但大多數(shù)ERP也是依據(jù)工單下放加工或是采購任務(wù)，沒有考慮產(chǎn)品的特性和同一類型加工零件的批處理需求。

2 PDM系統(tǒng)需求和數(shù)據(jù)分析

2.1 PDM系統(tǒng)需求

通常來說，基本的PDM常分為三個層次，即面向CAD為中心的圖文檔管理、以配置為中心的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理和工作流程管理。

PDM首先應(yīng)滿足CAD數(shù)據(jù)錄入、編輯和維護(hù)的需求，要使其成為企業(yè)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)來源。目前很多機(jī)電設(shè)備企業(yè)受制于信息化集成的缺失，絕大多數(shù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)或者以電子數(shù)據(jù)的方式存放在個人電腦中，或者用紙質(zhì)文檔的方式流轉(zhuǎn)于工廠的各個生產(chǎn)部門中。查詢速度慢而且方式單一，文檔的狀態(tài)以及版本無法有效控制，從而影響了圖紙的發(fā)放、共享和合理利用。而機(jī)電設(shè)備又不同于其它通用設(shè)備或產(chǎn)品，有著更新需求頻繁、產(chǎn)品生命周期較短及零件數(shù)據(jù)龐雜等特點，同時還需要保留完善的歷史數(shù)據(jù)，以滿足設(shè)備的售后和后期的維護(hù)需求。這就意味著機(jī)電設(shè)備的PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)該既能夠滿足時時查找、更新、替換等需求，又能夠充分地保留歷史數(shù)據(jù)，且能夠適應(yīng)不同的開發(fā)系統(tǒng)，從而保證該系統(tǒng)在不同企業(yè)中的通用性。

PDM系統(tǒng)不能作為信息孤島存在于企業(yè)的信息集成建設(shè)中，與其他CAPP、CAM系統(tǒng)的集成以及面向工業(yè)過程和流程優(yōu)化的考慮，也是PDM系統(tǒng)需求的重要來源。在實際設(shè)計和生產(chǎn)過程中，往往系列化產(chǎn)品的零件有著相互借用的關(guān)系，在原來的零件基礎(chǔ)上加以調(diào)整和修改就變成了目前所需的零件。如果僅僅是零件CAD文檔的借用，則意味著依然還需要重新編譯工藝文件，所以考慮將產(chǎn)品的工藝信息數(shù)據(jù)維護(hù)在PDM系統(tǒng)中，使工藝信息管理作為PDM的組成部分，借用零件的同時也借用了工藝數(shù)據(jù)，加快了零件投入生產(chǎn)的效率。中小企業(yè)規(guī)模受限、信息集成化程度低，往往一個部門要承擔(dān)多種職能責(zé)任，且沒有完善的信息系統(tǒng)扶持以及統(tǒng)一的計劃管理，這樣就會導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)在各個部門流轉(zhuǎn)的過程中經(jīng)常出現(xiàn)滯后、混淆、不準(zhǔn)確等各種問題。所以PDM的輸出數(shù)據(jù)流向應(yīng)準(zhǔn)確的流向各職能部門并排除干擾因素，為使用者提供一個清晰的、可靠的可以迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ魅蝿?wù)的數(shù)據(jù)來源。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品雖然零件龐雜、種類繁多，但也并不是完全沒有規(guī)律可循，PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析包括：

(1)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)相對固定。

(2)組成設(shè)備的零件類型相對固定。

(3)大量使用標(biāo)準(zhǔn)零部件。

(4)加工零件的工序較短，工藝數(shù)據(jù)較為簡單。

相對應(yīng)的就是：

(1)產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以建立功能組件模塊，用功能來定義各個模塊。不僅有利于產(chǎn)品BOM的創(chuàng)建，也有利于產(chǎn)品設(shè)計歷史數(shù)據(jù)的積累和傳承。

(2)建立工序和工藝信息數(shù)據(jù)庫，通過工藝來對零件進(jìn)行再次分類。這不僅有利于工序工藝的生產(chǎn)安排，同時也為CAPP 集成創(chuàng)造條件、提供數(shù)據(jù)，并成為CAPP基礎(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)，協(xié)助生產(chǎn)工序和工藝安排。

(3)建立完整的標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計調(diào)用生成BOM的同時，就可以實現(xiàn)與SCM(供應(yīng)鏈管理)系統(tǒng)無縫銜接，并從實際生產(chǎn)零件清單中剔除，減少零件數(shù)據(jù)的混淆。

(4)由于零件工序較短，工藝相對簡單，使得設(shè)計人員在對零件按工藝類型進(jìn)行分類后，依據(jù)以往經(jīng)驗就可以制定出零件的基本工藝和工序。將零件的工藝和工序信息作為PDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容，在維護(hù)零件的同時實現(xiàn)了維護(hù)基礎(chǔ)工藝和工序的作用，也為CAPP提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段再對特殊工藝和現(xiàn)狀無法滿足的工藝和工序進(jìn)行調(diào)整就可以了。這樣就可以大幅地提升零件生產(chǎn)的準(zhǔn)備周期，減輕工藝工程師的工作負(fù)擔(dān)。

2.2.2 PDM系統(tǒng)的適用性

既然是面向中小機(jī)電設(shè)備企業(yè)的PDM系統(tǒng)，那么該系統(tǒng)應(yīng)該具有以下適用性：

(1)兼容多種開發(fā)平臺。

(2)適用于多數(shù)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

(3)操作簡便，易于上手。

(4)能融合不同類型的工作流程管理。

(5)適用和維護(hù)成本低廉。

(6)運轉(zhuǎn)高效，對產(chǎn)品變化不敏感。

2.2.3 零件按流程走向分類

1)任務(wù)訂單流程

機(jī)電設(shè)備企業(yè)基本都是采用訂單生產(chǎn)的計劃模式，如圖3所示。

圖3 機(jī)電企業(yè)生產(chǎn)流程框圖

2)零件按流程走向再分類

依據(jù)零件的來源以及工藝類型，將其細(xì)分作為零件的基礎(chǔ)屬性存儲于PDM系統(tǒng)中，成為PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一部分，如圖4所示。

圖4 零件按流程走向分類

在PDM系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的時候，這些零件就以批量數(shù)據(jù)的形式直接流向下一級部門進(jìn)行處理，從而減少了SCM、CAPP的處理數(shù)據(jù)，也避免了需求數(shù)據(jù)在傳輸過程中的混淆。

2.2.4 PDM數(shù)據(jù)管理

在PDM系統(tǒng)中建立按來源和工藝類型劃分的基礎(chǔ)零件庫，憑借以往經(jīng)驗性數(shù)據(jù)和生產(chǎn)實際工藝要求完善該零件庫的信息，由設(shè)計部門不定期的接受生產(chǎn)最新反饋，更新和維護(hù)零件庫中現(xiàn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。銷售部門接收訂單，如果是常規(guī)產(chǎn)品，則不通過設(shè)計部門就可以從PDM中直接提取基礎(chǔ)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。如若有特殊選型和定制要求，則由設(shè)計部門重新配置有變動的部別BOM，并可通過項目號或訂單批次予以標(biāo)識，從而將其與常規(guī)產(chǎn)品區(qū)分。由于圖紙在生產(chǎn)現(xiàn)場流轉(zhuǎn)，當(dāng)設(shè)計部門提出工程變更需求時，應(yīng)在提交工程變更通知和更新圖紙給生產(chǎn)部門的同時，完成PDM系統(tǒng)內(nèi)零件的版本升級和BOM更新工作，如圖5所示。

圖5 零件分類管理框圖

3 面向工業(yè)過程和流程優(yōu)化的PDM設(shè)計

3.1 原系統(tǒng)的問題

綜合以上分析，可以將原PDM系統(tǒng)的問題整理如下:

(1)系統(tǒng)偏重與CAD的集成，忽視了生產(chǎn)和制造環(huán)節(jié)在產(chǎn)品層的需求。

(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層級簡單，偏重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹建立。

(3)工程變更操作復(fù)雜，時效性差。

(4)輸出信息龐雜，操作者需要二次篩選。

(5)沒有考慮工藝信息維護(hù)。

(6)操作復(fù)雜，用戶和企業(yè)針對性差。

3.2 新系統(tǒng)的目標(biāo)

(1)可以偏輕與CAD集成，但是需要重視零件基礎(chǔ)信息的維護(hù)，譬如2D、3D文檔、材料屬性等。

(2)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層上依據(jù)零件的加工和生產(chǎn)特性進(jìn)行細(xì)分，為完善生產(chǎn)工藝和加快制造準(zhǔn)備流程提供便利。

(3)簡化工程變更操作，區(qū)分變更類型，特殊變更只針對于本批次訂單的，直接提交生產(chǎn)，普通變更由設(shè)計部門自行維護(hù)。

(4)提前篩選信息(PDM輸出數(shù)據(jù)時只提供作業(yè)單元需求的信息)。

(5)添加基礎(chǔ)的工藝信息，為CAPP信息輸入或生產(chǎn)安排提供基礎(chǔ)生產(chǎn)信息。

(6)簡化操作，針對機(jī)電設(shè)備企業(yè)產(chǎn)品特性提前處理PDM數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)同一工藝的零件批量處理，減少計劃和調(diào)度人員的作業(yè)量。

3.3 新系統(tǒng)的邏輯模式

基于原PDM系統(tǒng)邏輯模式，設(shè)計部門依據(jù)訂單需求，判定是否需要設(shè)計更改。如果需要，則在完成設(shè)計變更后存檔零件設(shè)計數(shù)據(jù)，并變更從基礎(chǔ)零件庫中篩選出所需的零件，配置更新設(shè)計產(chǎn)品BOM并存檔；如果不需要設(shè)計更改，則直接調(diào)用現(xiàn)有產(chǎn)品BOM和零件圖紙數(shù)據(jù)等。由于新系統(tǒng)添加了基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，并對零件進(jìn)行了重新細(xì)分，則在已存檔的數(shù)據(jù)中添加了新的輸出通道。設(shè)計部門在提交或是使用部門在提取產(chǎn)品數(shù)據(jù)時可直接進(jìn)入這條按相似工藝和類別區(qū)分的零件數(shù)據(jù)通道，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

此外，新系統(tǒng)在文檔管理中，各文檔通過主鍵(零件號或編號)關(guān)聯(lián)，對不同區(qū)域的文檔管理設(shè)置相應(yīng)的讀取和修改權(quán)限，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔和保存。各區(qū)域文檔之間既保持相對獨立，又保證高效關(guān)聯(lián)，為創(chuàng)建和數(shù)據(jù)維護(hù)，提供了清晰、通暢的邏輯框架。

4 網(wǎng)路搭建

目前中小企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)配置水平依然普遍較低，多數(shù)僅能集中在文檔共享和打印共享的層面。雖然已經(jīng)意識到數(shù)據(jù)庫以及流程的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的必要性，但專業(yè)技術(shù)人員的欠缺、投入資金的限制和后期維護(hù)的保障都成為了向更高層面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的限制因素。

基于目前中小企業(yè)網(wǎng)絡(luò)配置的現(xiàn)狀，還是將PDM系統(tǒng)構(gòu)建在局域內(nèi)網(wǎng)的基礎(chǔ)上。因為局域內(nèi)網(wǎng)不僅訪問速度快，數(shù)據(jù)交換效率高，而且相對穩(wěn)定和易于維護(hù)，如圖6所示。

圖6 中小企業(yè)局域內(nèi)網(wǎng)拓?fù)鋱D

5 某機(jī)電設(shè)備企業(yè)PDM實施方案舉例

某企業(yè)PDM的數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖7所示。

圖7 某企業(yè)PDM的數(shù)據(jù)庫設(shè)計框圖

該機(jī)電設(shè)備企業(yè)規(guī)模中等，主要生產(chǎn)系列型機(jī)電設(shè)備。產(chǎn)品中零件的沿用性較高，且設(shè)備功能結(jié)構(gòu)明確，企業(yè)也擁有完整的銷售、設(shè)計、采購、加工、售后等組成部門。但產(chǎn)品為迎合快速發(fā)展的市場，設(shè)備交貨期受市場需求被進(jìn)一步壓縮，行業(yè)中該種機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品的生命周期短，一般只有1年半左右。產(chǎn)品零件龐雜，來源廣泛，僅機(jī)械組裝零件單臺設(shè)備就有2 000余種，且設(shè)備選型豐富、客戶需求多樣，給生產(chǎn)加工提出了不小的難題。

企業(yè)沒有完整的PDM和ERP系統(tǒng)，生產(chǎn)和設(shè)計部門沿用傳統(tǒng)紙質(zhì)工作流程，效率低下，容易出錯?？紤]到使用現(xiàn)成的PDM和ERP系統(tǒng)在短期內(nèi)實現(xiàn)信息系統(tǒng)的大面積集成很可能會影響到設(shè)計和生產(chǎn)進(jìn)度。特依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計和生產(chǎn)模式，建立了一套基于Access數(shù)據(jù)庫軟件通過使用SQL和VBA語言編程實現(xiàn)的PDM系統(tǒng)。

6 結(jié)語

以上提出了一種針對中小型機(jī)電設(shè)備企業(yè)和產(chǎn)品特性的PDM實現(xiàn)方法。通過對基礎(chǔ)零件數(shù)據(jù)按來源和工藝細(xì)分，并添加基礎(chǔ)工藝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了PDM輸出數(shù)據(jù)的精確指向性，減少了數(shù)據(jù)混淆，直接流向采購和生產(chǎn)單元，從而加快了采購和產(chǎn)品的制造周期，簡化了工作流程，降低了作業(yè)負(fù)荷，最終提升企業(yè)以及產(chǎn)品的市場競爭力。

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