基于PLM的协同CAPP系统设计

    产品生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)是为满足制造业对产品生命周期信息管理的需求而产生的一种新的管理模式，使每个相关人员在产品的全部生命周期内互相协同地对产品开发、制造、销售进行管理。

    本章研究基于PLM的协同CAPP系统设计，实现工艺设计产品全生命周期协同，使现代工艺设计适应分散网络化环境的敏捷化竞争，提高企业的竞争力。
 
1．1系统结构
    C／S结构的优点是能充分发挥客户端计算机的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。对应的优点就是客户端响应速度快。

    在建立协同CAPP的体系结构后，笔者进行了CAPP的功能业务设计，采用基于PLM的协同CAPP功能框架，实现PLM和CAPP的融合。首先，CAPP成了PLM的一个子系统。

    其次，工艺对象和PLM中的产品、零件、文档对象一样，成了PLM统一管理的对象，不像以前工艺数据由CAPP系统管理。再者，协同平台、流程管理等成为PLM和CAPP公用的基础设施，支撑PLM和CAPP的企业业务。
 
    最后，不同角色用户可以在产品设计、工艺设计、车间管理等工作区上快速切换，有效完成产品设计、工艺设计和车间管理的协作。基于PLM的协同CAPP主要包括：

(1)    协同平台建立
    PLM主要特征是通过一致的数据访问模型将不同商务和工程应用数据集成，使PLM用户得以协同地工作。PLM的体系结构支持产品整个生命周期所有活动的协同，协同的数据处理使商务应用和资源的相关信息前后贯穿，消除产品活动中产生的各种数据形成信息“孤岛"。

    从而为参与协同工艺设计的人员提供协同工作的平台，共同参与工艺方案的设计。各人员通过协同平台进行交流、设计，从而为工艺方案的制订提供客观条件。
 
(2)协同数据管理
    CAPP的工艺过程设计是企业各部门产品信息交汇的重要环节，企业生产管理和计划调度等部门必须依赖CAPP系统的输出信息。PLM是用来管理所有与产品相关信息和所有与产品相关过程的技术。

    在整个企业中PLM是整个企业信息的集成平台，各种应用系统都通过不同的方式集成到该平台上，使得企业各部门的所有产品相关数据得以高度的集成和共享。
 
    CAPP的输出信息作为企业信息化的基础信息也必然要通过PLM平台来集成起来；在协同工艺设计过程中，还需要从生产管理系统中获取生产数据，因此需要以PLM的统一数据模型为基础建立协同CAPP与其他系统之间的信息协同。
 
(3)协同工艺设计流程管理
    工艺设计过程管理的基本任务是对各项工艺任务进行计划、组织和控制，使之按一定的原则、程序和方法协调有效地进行。协同的工艺设计流程管理要充分考虑协同的因素，通过合理的过程建模、流程管理与控制保证协同工作流程的畅通。

    PLM进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品设计流程，所有的信息组织和资源管理都是围绕产品设计展开的。PLM系统的工作流管理，可以使企业实现业务过程集成、业务过程自动化，能够满足协同工艺设计的需求。
 
1．2协同数据管理
    为了有效的开展协同工作，需要对工艺设计过程中涉及到的工艺数据进行统一管理，．分析数据的类型，以有效的方式进行组织和存储。
 
1．2．1数据分析
   工艺设计中涉及的工艺数据有工艺卡片(工艺流程过程卡、作业指导书等)、数控程序文件、典型工艺文件、工装图纸、工艺标准文件(编号规则、设计要求等)等，对于生产协同CAPP，还有资源状态看板产生的资源动态数据文件，以及协同设计过程产生的通信文件等。
 
    通过分析上述的工艺数据，可知工艺数据静态与动态并存、图文并茂，资源种类庞杂，类型定义千差万别，数据量非常大，除了简单的结构化数据外，还有复杂的非结构化数据及其复杂的联系。

    其中数控程序文件、工装图纸、工艺标准文件、通信文件，由于不涉及文件内容的查询，可作为单独的文件进行管理，通过文件名的方式进行查询；对于工艺卡片、典型工艺文件、资源动态数据文件不仅需要通过名称查询，还需要通过文件内容(工时、材料等)查询，因此数据的管理要通过格式化的方式，文件的名称、内容存储于格式化数据管理工具(数据库、XML文件等)中，通过对工艺卡片中的内容进行查询汇总，实现工时、材料等数据的汇总；通过对典型工艺文件的内容进行查询引用，可以帮助工艺人员进行工艺设计，减轻工艺设计的难度。通过查询资源动态数据文件的内容，可以了解相关资源的状态，从而为制订正确有效的工艺方案提供依据。
 
1．2．2数据组织
    PLM架构下的CAPP数据管理，不仅能实现工艺数据的动态创建，对工艺数据之间的关系也能很好地处理，还可以实现资源统一调配，解决了工艺数据和PLM的资源信息一致性问题。根据以上的数据分析，通过工艺BOM树、工艺资源库等形式组织生产协同CAPP的工艺数据。
 
(1)工艺BOM树
    工艺人员在PLM系统存在的设计BOM的基础上对产品结构和物料的属性进行调整，生成工艺BOM树。在对设计BOM进行结构调整时，应该识别中间件、虚拟件和外协件等，然后进行拆分合并节点操作，建立工艺BOM树结构。

    在工艺BOM树的基础上，采用结构化的数据管理方法在工艺BOM树节点上建立属性和数据集子节点，通过属性描述其所用的设备、工装、工时、工位、工种等信息；通过数据集管理工程图、工序图、NC程序、装配图、作业指导书等。通过这种结构化的方法把产品零部件、工艺规程、资源、车间工位等信息有机的集成在一个统一的数据模型中。

    这种结构化方法同时用于对工厂、车间、工作中心、工位等信息的管理，其中每个节点的属性描述了各自包含的资源信息(设备、工种等)，这样还可以通过工位设备等信息与产品零部件、工艺方案相关联，从而形成一个贯穿企业所有产品、过程和资源的结构化数据体系，满足从不同角度查询访问各种数据的需求。
 
(2)工艺资源库
    面向生产的协同CAPP的工艺资源库与其他CAPP系统的工艺资源库不同，包括传统意义上的静态工艺资源库和资源状态看板产生的动态工艺资源库两部分内容。静态工艺资源数据包括：典型工艺文件、工艺标准文件(编号规则、设计要求等)、工装信息等，动态工艺资源数据包括动态资源信息文件。
 
    在建立工艺资源库时，通过使资源在PLM中的表达结构化，便于把资源数据转化为文件输出，反之也可导入到资源库中。同时便于在设计工艺BOM树时，利用资源查询工具去搜索查找资源，找到合适的资源便引用到相应的工艺规程里。
 
    采用PLM统一数据建模，并在数据模型工具中进行属性关联绑定设置，可以在PLM系统中通过预先绑定关系，对资源数据进行浏览和使用，数据的查询和过滤操作可以在底层自动实现；通过实现工艺自定义控件，供PLM系统开发人员直接使用，从而实现工艺资源的共享，也为系统提供二次开发接。
 
1．2．3数据存储
    对工艺数据的管理主要分为工艺数据元模型定制、系统管理、工艺数据维护和工艺数据集成4大模块，实现工艺对象的创建、工艺数据的维护以及工艺数据的共享。
 
    数据模型定制操作，实质上是维护类的元模型信息，通过数据模型定制工具实现对工艺对象类、工艺对象属性以及与PLM系统其它数据类的关系进行动态定制，动态创建和修改数据表。

    对元模型的定制为以后维护数据以及数据共享提供了条件。采用多粒度划分的方法：数据类与数据分离、计量单位组和单位数据分离等，这样有利于信息的获取和表达以及数据的及时反馈。

    在数据存储方面采用文件服务器、数据库和XML文件形式。对于非结构化的数据，通过文件服务器存储，例如工装图纸、工艺标准文件(编号规则、设计要求等)、数控程序文件、通信文件等文档资料；对于结构化的数据，采用数据库和XML文件两种方式存储，典型工艺文件等结构化数据，采用关系数据库存储；资源动态数据文件、工艺卡片(工艺流程过程卡、作业指导书等)等结构化数据采用XML文件存储。以XML为其内容载体，有利于用户在结构化工艺设计过程中方便地引用工艺数据，并且便于各个系统间调用工艺数据，有利于系统集成。

 
1．3工艺流程管理
    目前的CAPP系统从局部工艺编制的效率来说虽然有一定提高，但因缺少对工艺设计过程监控和调度，管理人员很难全面掌握工艺设计过程的节点状态和任务分工信息，整个工艺准备周期的效率受到了很大的影响。
 
    企业对CAPP的要求己不再是单纯的工艺卡片的编制，而是一个集任务管理、工艺设计、审批及会签管理、版本及发放管理、文档管理等功能于一体的复杂的设计和管理体系。

    协同工艺设计系统就是应用工作流技术实施工艺工作流程管理，满足企业对CAPP系统的进一步需求。因此，向计算机支持的协同工艺设计系统的方向发展是CAPP系统完善的必然趋势。
 
    工艺流程管理有三大要素：工艺任务，数据信息(工作流控制数据，工作流状态数据，工作流相关数据)，工艺人员组织和权限。
 
    (1)工艺设计过程是由一系列工艺任务构成的，整个设计过程可以表示为一个工艺任务流，工艺任务是可以分解的；其中既有普通的工艺设计流程、工艺更改流程、打印流程等，同时由于参与的人员涉及多个部门，需要各个部门人员的协调工作，因此工作流程相对复杂，这个过程中，需要有完善的工作流程管理系统进行监控和定制。
 
    (2)工艺设计过程中要处理到各种各样的设计信息，包括工艺支持数据、设计数据和设计过程数据。这些信息是由设计过程中的不同任务来处理的， 任务的实质就是设计过程中的各种信息清晰化、完整化；
 
    (3)工艺设计过程中，不同的任务要求由不同的工艺人员来执行。各工艺人员在组织结构中隶属于不同的层次，为了保证工艺数据的完整性和一致性，需要对参与设计过程的工艺人员进行适当的权限管理。
 
    在工作流管理方面，为了提高工作流管理的互操作性，工作流管理联盟(Workflow Management Coalition，WFMC)(《WFMC TC00-1 003．Issue Jan-1 995Workflow Management Reference Model[S]》)提出了工作流管理的参考模型：

    工作流参考模型源于对一般工作流系统结构的分析，由四个组件和五个接口组成。这四个组件分别为：
    (1)过程定义工具(建模工具)负责工作流程的定义，将给出过程模型的形式化输出，在运行时期提供给工作流引擎解释。

    (2)工作流执行服务工作流管理系统的核心，使用一个或多个工作流引擎，为过程实例和活动提供运行环境，负责解释和激活过程定义，并与过程定义中所需的外部资源进行交互。

    (3)管理监视工具监控和管理工作流的执行情况，分析、监测和调整流程状态。

    (4)工作流客户应用在工作流执行时，用来和客户端用户交互的软件组件。
 
    工作流程管理模块是PLM系统的核心功能之一，可以作为企业信息集成的使能工具。根据WFMC的工作流管理系统参考模型，工艺工作流程管理主要涉及到工作流操作者管理、工作流模型定义、工作流模型的实例化和工作流的执行与监控四个方面。
 
    工作流操作者管理，即如何在CAPP应用系统中，在组织机构上管理工艺人员，对参与设计过程的工艺人员进行适当的权限管理；工作流模型定义，即定义工艺任务在工艺设计过程中所经过步骤的模式，如通常的工艺设计步骤： 设计(编制校对-审核-批准-会签；工作流模型的实例化，即为工作流引擎的驱动提供工艺设计任务实例，并为其选择工作流模型，配置管理任务所处理的信息，就是工作流模型实例化的过程。

    工作流的执行与监控，即按工艺设计任务的工作流模型所指定的步骤执行，逐步完成工艺设计任务，并对工艺设计任务的完成情况进行实时监控。
 
    具体来说，工艺工作流程管理包括工艺分工计划，业务流程的确定，即设计、校对、审核、批准和归档，任务分工管理，工艺规程设计，工艺流程管理等模块。

    在PLM架构下的CAPP框架，通过PLM的工作流程管理，对工艺流程的处理都围绕着工艺任务进行，从任务列表中选择一个任务项(工作项)，得到此任务的详细信息后，完成相应的任务(设计或签审)，然后提交到下一个工作环节。 从而完成整个工艺流程的管理。
 
1．4组织管理
1．4．1管理方式
    PLM提供了面向产品全生命周期的组织结构管理，能够为面向生产的协同CAPP提供从设计到生产以及销售等各阶段人力资源的支持。另外，在组织结构管理中控制每个用户对数据库中每个对象的访问权是不现实的，可以对具有某些共同特征(例如，他们对相同的对象执行同样的功能或作业)的用户群进行授予或拒绝权限的操作。主要通过组、角色、用户等三种形式，对工艺人员进行管理。
 
即：
    组：组是面向项目的用户群。通过仔细定义组，同一组内的所有用户将可访问公用的项目数据池，而不管每个用户执行的实际工作是什么。
角色：角色是面向功能的用户群——他们是必须拥有某些技能和(或)担负某些职责的用户。一般可在许多组中找到相同的角色。因此，角色对于将权限授予所有具有相同技能和(或)职责的用户而不考虑项目时是非常有用的。
 
    用户：具体的人员，包括所有者、批准者、组管理员、系统管理员等。所有者是对象所有者，即最初创建它的用户，但其所有权可在用户之间进行传输。

    通常将附加权限(如删除)授予对象的所有者，而不授予其他用户；批准者是任何在工作流流程中执行签发的用户，这与其角色和组无关；组管理员是具有其所在组的特殊维护权限的用户；系统管理员是作为系统管理组成员的用户。
 
    在实际的工艺人员组织中，通过组建立各级的组织框架，首先建立全生命周期各部门的框架结构，包括产品设计、工艺规划、生产制造、销售、服务等各阶段的部门结构，然后工艺规划部门下建立工艺设计、材料定额、工装设计等各个科室的框架结构，然后按角色职责划分，角色职责大体分为：设计、审核、标准化、会签、批准等，并对其再分别进行授权。
 
1．4．2权限控制
    PLM系统提供了丰富和完善的权限控制，具体分为基于规则权限、基于对象的权限、基于模块／菜单的权限、基于角色的权限等四种方式，即：
基于规则权限(Rule．Based Protection)：基于规则的保护，通过系统管理员定义一系列的条件或者规则来控制谁能访问或者不能访问控制各种对象。

    这些规则是全局的，通过访问管理器(AM：Access Manage)来进行管理。这非常有用，因为大部分时间我们需要不考虑详细的对象数据保护，系统会根据规则自动进行对象保护。
 
    基于对象的权限(Object．Based Protection)：基于对象的保护，使用ACL(Access Control List，访问控制列表)来创建基于对象的权限控制条件。如果想对对象进行扩大和减小访问限制，对象ACL非常有用。

    基于模块／菜单的权限(Module／Menu-Based Protection)：设置具体组和角色对于某模块以及相关菜单的访问权限。该权限具有最高的优先级，不会与基于规则的权限和基于对象的权限进行合并。如果有权限，才会考虑其他授权模式。
 
    基于角色的权限等级：可以为系统角色设置可访问对象的权限等级，控制对特定权限等级对象的访问权限。
 
    通过以上的权限控制，对工艺BOM树进行时效性、安全性和完整性控制，对用户在PLM系统中可以浏览和使用的工艺数据进行管理和限制，不仅方便用户使用工艺数据，避免用户在大量的数据中查找自己需要的资料，也有利于系统的数据安全。
 
1．5本章小结
    本章研究了基于PLM的协同CAPP系统设定，分析了系统的基本内容：协同数据管理、工艺流程管理、组织管理等。在协同数据管理方面，采用了工艺BOM树、工艺资源库等形式组织工艺数据，采用多粒度划分，以文件服务器、数据库和XML文件形式存储工艺文件；在工艺流程管理方面，采用WFMC的流程管理思想，在PLM架构下管理CAPP的工艺流程；在人员组织管理方面，采用组、角色、用户三级形式，通过基于规则权限、基于对象的权限、基于模块／菜单的权限、基于角色的权限控制用户的操作。

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