基于Teamcenter的设计工艺一体化研发新模式的探索

基于leamcenter的设计工艺一体化研发新模式的探索
李大勇〔，孙波2
(1.北京北方车辆集团有限公司，北京100072$.中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089)
摘要：为了进一步提高设计的工作效率，缩短型号产品开发周期，消除不必要的时间与精力浪费，为实现智能化工厂打下基础，有必要彻底颠覆传统的设计一工艺串行研发模式％通过基于MBD的主模型和单一数据源技术解决了传统二维环境下产品设计信息重用和一致性管理问题，通过基于西门子Team­center搭建的设计工艺一体化协同平台解决了传统设计、工艺非统一平台下的数据管理难、信息共享难、流程贯通难、业务协同难的问题，实现了以设计、工艺一体化平台为基础支撑，以MBD主模型为数据核心，以统一集中为管理要求，以单一数据源为共享前提，以贯通设计、工艺研发流程为业务驱动，以并行协同为工作方式的设计工艺一体化研发模式％
关键词：Teamcenter；MBD主模型；单一数据源；并行协同
中图分类号:TH164文献标志码：A
Research on the New Mode of Design Process Integration Based on Teamcenter
LI Dayong1,SUN Bo2
(1.Beijing North Vehicle Group Co.,Ltd.,Beijing100072,China； 2.Advanced Technology Generalization
Institute of CNGC,Beijing100089,China)
Abstract:In order to further improve the efficiency of northern vehicle design,shorten product development cycle,elim-inateunnecessary wasteoftimeandenergy"andrealizeinteligentplantfoundation"itwasnecessarytocompletelyoverturn the traditional design-process serial R f D model.Solved the problems of product design information reuse and consistency managementintraditionaltwo-dimensionalenvironmentbyusingthe master modelbasedon MBD andsingledatasource technology,through the design process integration collaborative platform based on SIEMENS Teamcenter,the problems weresolvedsuchasdata management"dificultinformationsharing"flow-throughandbusinesscolaborationintraditional designandnon-unifiedprocessplatform.Itwasrealizedthatintegrationofdesignandprocessmode"thatwasbasedonthe integrated platform of design and process,with MBD model as the data core,unified and centralized management require­ment,single data source as the premise of sharing,and integrated design and process R f D process as the business driver, andbasedonconcurren6colaboraion.
Key words:Teamcenter,MBD master model ,single data source ,parallel collaboration
1传统研发模式带来的问题
企业研发逐步实现了型号产品的数字化三维设计,基于PDM（产品数据管理）系统的产品数据管理,工艺依然停留在传统的CAP玖计算机辅助工艺设计）二维环境下的工艺卡片设计、工艺图绘制阶段，产品三维数模和工艺二维卡片的数据异构, PDM与CAPP的系统异构,产生了设计与工艺的信息孤岛与业务隔阂,导致了型号产品研发长期停留在产品设计、数据转换、人工传递、工艺准备的串行、相互独立的模式，主要带来了如下问题％
1）串行的工作模式,工艺只能被动等待设计输入，无法在产品设计阶段有效介入，提前进行产品工艺性审查、工艺方案前期策划等工作,以达到缩短工艺准备周期的目的;同样,设计问题也无法在方案设计或者工程设计阶段提前暴露,导致大量设计问题往往在工艺制造后期才发现，增加了更改的成本％2）产品三维数模、BOM结构数据无法直接被工艺重用于制造过程规划与验证工作，往往需要设计进行大量的二维数据的转换,且在不同工艺专业或制造过程的规划与验证工作中，由于产品信息关注点与工艺信息展示点不同，往往会对产品数据进行多次重构,势必造成不必要时间与精力的浪费,带来了数据丢失、错误和不一致的风险，增加了信息获取与数据正确性维护的成本％
3）理论上型号产品研发应该是工作流程连续,信息实时交互的设计与工艺有机融合，但实际上却被一堵无形的高墙分割为设计、工艺独立部分,导致了流程中断、信息阻隔、环节脱节的设计与工艺业务孤岛，只能采用人工“拋砖过墙”这种高成本、低效率的信息传递方式,导致了设计与工艺之间信息交互困难与滞后,进一步造成了业务间的隔阂,大量无效
16
与重复工作产生。

4）工艺编制仍采用基于二维卡片的传统模式,
缺乏与设计的关联性及直观的三维表现形式，影响
了工艺设计效率、质量，也降低了工艺的可操作、可 指导性；同时，缺少基于数字化样机的虚拟工艺仿真 验证环境，仍然沿袭传统的实物验证模式，无法在制 造前充分验证工艺正确性，将错误和风险留给了制
造环节。

解决这些问题的关键是建立完整的设计工艺制
造一体化架构，通过产品数字化价值链实现对产品 实物价值链中物理对象的虚拟化，提升研发效率和
降低制造成本&1'。

2设计工艺一体化面临的挑战
北京北方车辆集团有限公司打破传统串行模 式,实现设计工艺一体化，需要解决导致旧模式的问
题,并突破向新模式发展的障碍，这势必面临诸多的 挑战。

只有先针对性地解决一系列技术难点，才算
是向着目标的实现迈出了一大步。

主要会面临的三
大挑战如下。

1）产品数模重用与一致性管理的挑战。

第一个挑战就是如何将产品数模确定为研发过 程中产品和工艺、制造信息唯一的载体，去掉中间数 模的降维转化和数据重构的环节，直接应用于多专
业协同设计、多学科仿真分析、制造过程规划、工艺 设计与仿真验证过程；同时，如何有效保证各专业和
各过程使用数模数据的关联一致性和更改同步性的
问题。

2） 设计、工艺一体化平台搭建的挑战。

如何统一由于产品开发和过程规划业务差异而
导致的长期独立的PDM 和CAPP 系统，调和业务 场景的差异，建立统一的工作环境，打通业务流程， 提供全业务所需的应用，集中管理全业务产生数据，
搭建能够支撑设计、工艺一体化研发模式的系统平 台。

3） 数字化工艺设计的挑战。

首先，要从根本上解决产品数模的降维转化问
题，必须颠覆传统的基于卡片的二维工艺，直接重用 产品数模进行数字化工艺设计;其次，匹配产品结构 的结构化表达，工艺信息也应该实现结构化，细化工
艺信息管理颗粒度和便于共享与重用；最后，支撑实
现基于数模的虚拟工艺仿真验证，采用信息代替被
浪费的资源。

3设计工艺一体化实现技术探索
3.1应对挑战的关键技术途径
3. 1. 1 基于Teamcenter 的设计、工艺一体化平台
西门子PLM 系统Teamcenter 是全球领先的 产品全生命周期管理系统。

Teamcenter 采用模块
化的体系架构，符合先进的软件开发思想，统一的数
据库模式，提供产品全生命周期管理的完整功能，包 括企业关注的产品数据与制造过程管理（见图1）。

T eamcenter
1 P 国•盪■ 1
EH3I
系统工程与 需求管理
第蠶工程过程管理
BOM 管理符合性管理
内容与文档
管理
配方、包装与 品牌管理
供应商关系
管理机电一体化 过程管理制造过程 管理仿真过程 管理维护维修 与大修
报告与分析
社区协同
图1 Teamcenter 应用功能模块
1）基于Teamcenter 的设计工艺一体化平台架 构。

采用Teamcenter 作为基础平台「2「3'，提供统一 的数据管理、无缝的业务衔接、实时的信息交互能
力；统一的系统操作界面，整合了设计、工艺业务场 景；配置产品数据管理和制造过程管理相关功能，满
足设计与工艺业务管理需求；通过集成接口，实现与
17
专业工具和外围系统的交互，提供全业务所需应用
服务，架构如图2所示%
A
V
ERP 系统MES 系统
其他系统
J
产品设计与管理A <
工艺设计与管理
A
产品更改
审批
标准化工艺工装资源审批设计/发放规程设计管理/发放
丿
$ $
H 集成接口|「NX 11 MS-Of^r| | 其他Doeument | Teamcenter 客户端操作界面(RiehClient/Thin Client)| Teamcenter | | Teamcenter 制造工艺管理
Teamcenter DB , File Server
图2基于 Teamcenter 的设计、工艺一体化系统架构
2） 多CAD 工具支持（见图3）。

Teamcenter 支
持多CAD 集成和协同设计，例如CATIA 、Pro/E 、
NX, Solid Edge 、Cadence 和 AutoCAD 等。

各种
CAD 软件设计的产品及零部件都可以统一在
Teamcenter 中进行实时管理，实现多CAD 的协同
设计。

3） 多学科协同设计环境（见图4）% Teamcenter
涵盖了数字化设计、计算、仿真以及数字化产品研制
管理环境，各学科设计及仿真工具通过集成接口与
Teamcenter 平台相整合，为研发人员提供一个虚拟
的、并行的多学科协同设计及仿真的集成工作环
境%
图 3 Teamcenter 对多CAD 支持
图 4 Teamcenter 对多学科协同设计环境支持
18
3.1.2 MBD 的主模型重用
MBD （Model Based Definition ）基于模型的定
义「4「6'，是一种基于全三维的产品信息数字化表达技 术%基于MBD 的主模型就是创建一个集成的三维 模型来完整地表达产品定义信息，包括工艺和制造
信息等，并在管理环境（如Teamcenter ）中对其进行 有效地共享,在更改控制的前提下，实现主模型的多 次多点重用（见图5）,保证设计和制造各流程中数
据的唯一性、一致性和同步性％
工艺工装
制造
协同
分析
检测
图样
设计
单一数据源下 的协同环境
•J©
图5基于MBD 的主模型重用展示
3.1.3单一产品数据源管理单一产品数据源 SSPD （Sin g le Source of Prod ­
uct Data ）,通过建立产品数据的逻辑联系，将物理
上分散的产品数据形成逻辑上的统一整体，为产品
数据的访问与操作提供唯一的数据源％在Team ­
center 中，通过定义每个对象的唯一对应的Item ，
将所有描述它的文件，不管是三维模型、二维图样、
还是工艺过程等都归属在这个唯一的Item 下（见图
6）,实现单一产品数据源管理%
3.1.4 3PR 结构化工艺设计
1） 3PR 关联% 3PR 关联即产品、工艺、工厂和
制造资源的关联，将产品零部件、工艺、工序、生产 线、工作区域、制造资源等信息作为相互关联的对象
来处理％如，装配工序与生产线相关联，明确装配过 程在哪个生产线的哪个工作台位进行，工艺资源与 工序相关联，明确装配过程中用到的资源％ 3PR 关 联工艺示意图如图7所示%
2） 结构化％结构化工艺（见图8）彻底颠覆了传
统卡片式的工艺，将工艺由卡片形式转变为一个树 状结构，即工艺BOP （Bill of Process 过程清单），将
工艺的数据对象，如工序作为结构中的某一级节点% 如，总工艺为根节点，各专业工艺为一级子节点，各
专业工艺的工序为二级子节点%
因零部件
-即
零部件版本A
.団零部件版本属性表
零部件版本EOM View
--------9 JT 圈阅级模型
------叵2D 图样
--------/ 2D 圈阅级图样
子零部件子零部件
------多零部件版本B
—
—■设计文档I ------------•版本A
I -------数据集（文件）
I -------噫PDF 数据集
---------•版本E
卜一E 数据集（文件）
I ——酎PDF 数据集
—
— 工艺文档 ——*软件文档
—*试验文档
—
—♦仿真分析文档图 6 Teamcenter 中 Item 数据结构
19
—A201台位
—A202台位—A203台位
—A101台位—A102台位—A103台位—
—装配工序1—
—装配工序2—装配工序3
装配生产线
图7 3PR 关联工艺示意图
零件1零件2
零件1
零件2
图8结构化工艺（工艺BOP ）示意图
3）工艺设计。

工艺设计主要包括多专业协同的
零部件加工制造和部件装配工艺过程的数字化的定
义，构建出包含制造信息的产品数模和工艺结构，并 通过加工和装配工艺过程的仿真验证，在虚拟环境
中对工艺方案进行验证与优化。

需求阶段 方案阶段工程验证设计定型 生产定型:模型|基于模型的
!设计产品设计
、设计
合__________________
1仿真蓬于模型的 分析仿真分析
基础管理
资源 管理
更改 管理
工艺基于模型的 设计数字化工艺
〔仿真模型的川
验证仿真验证 BOM
管理
流程 管理可视 化
图9设计工艺一体化平台功能架构
a
工艺3.2设计工艺一体化平台功能架构
设计工艺一体化平台主要由三大功能组成，具
体如图9所示。

1） 基础管理。

平台提供基础的数字化工程管理
环境,包括数据管理、更改管理、流程管理等，目的是
实现基于模型定义的产品和工艺数据的管理和控 制，向产品研发各阶段提供可靠有效的产品数据，确 保数据的一致性和可追溯性，以及实现协同研发流
程，提供产品研发周期的可视化和知识、资源的积累 与重用。

2） 产品设计。

产品设计主要是通过多CAD 、
CAE 工具集成，提供多学科协同设计环境，完成产
品完整的三维数字化定义，构建出产品数字化样机， 并通过多学科的仿真分析手段，在实际物理产品制 造前,对设计方案进行优化和迭代。

3.3设计工艺协同应用流程
基于Teamcenter 系统的设计工艺协同应用流 程如图10所示，具体活动如下$）产品总体设计人
员创建产品目录;2）设计人员在产品目录下开展结
构与电气设计，并调用资源库模型（）设计完成后， 在系统中发起审批流程，审批流程将设计数据发送
至工艺人员会签，完成审批受控;4）设计受控模型需 更改时，基于受控状态的模型进行升版操作或换号，
并创建更改对象，填写更改单，按要求进行更改审 批；5）设计文件受控后，通过发文流程再次传递给工 艺部门；6）工艺部门基于接收到的模型开展工艺结 构管理维护，并将审批受控的工艺结构发送至工艺
员，工艺员调用工艺资源库开展工艺设计，输出作业 指导书。

20
图10设计工艺协同应用流程
3.4设计工艺一体化的研发模式实现下一步就是实现设计工艺一体化研发模式％基于
通过关键技术应对了挑战，基于Teamcenter搭Teamcenter设计工艺一体化研发的实现如图11所建了设计工艺一体化平台，也打通了协同应用流程，示％
图11基于Teamcenter设计工艺一体化研发的实现
实现设计工艺一体化的特点和应用效果如下％
1）设计工艺的有机融合%在Teamcenter的统一平台下，实现了产品零件和装配的数字化定义与仿真分析，零件、装配工艺BOP创建，工序模型创建，加工和装配仿真验证优化，三维工艺输岀和展示
的一体化,彻底打破了业务阻碍，消灭了信息孤岛,
贯穿了工作流程，真正实现了设计与工艺有机融合[7-10]
21
2）全过程的数字化定义％实现了产品研发全过程的数字化定义,彻底淘汰了二维的定义方式，也从根本上免去了设计向工艺传递数据时的模型降维转化；极大提升了产品信息的直观性，提升了产品信息传递的准确性、直观的制造过程规划、工艺信息展示，也提升了工艺设计质量和可指导、可操作性％3）数模的有效重用与一致性管理％基于MBD 的产品主模型始终贯穿产品研发全流程，在产品设计阶段被初始定义，然后在设计仿真分析、工序模型设计、工艺仿真验证和三维工艺输出等环节中被有效地重用，同时通过Teamcenter对MBD主模型数据的有效管控，能够保证主模型数据的单一来源，以及多环节重用数据的有效关联与同步更改，从根本上剔除了模型数据重构的环节％
4）基于模型的仿真验证％应用产品数模能够有效在实物制造前[11]，在虚拟环境中采用模型代替实物，由计算机自动进行设计和工艺方案的仿真验证，提前发现问题，提前进行优化迭代，能够将大量问题在设计阶段进行暴露，降低了更改成本，并消除了后续制造和使用环节的风险，实现了基于模型仿真验证的设计工作闭环％
5）为并行协同打下基础。

通过Teamcenter统一平台提供的多学科设计之间、设计与仿真之间、设计与工艺之间高效的信息流，极大地降低了不同业务环节之间沟通的成本，提高了效率，方便了工作的协同开展；同时，在设计工艺统一环境下，工艺能够主动访问设计数据，不用被动等待，为并行工作打下了基础％
4后续工作思路
1）为了实现完全的并行工程，进一步提高研发效率，有必要持续优化协同流程，通过引入成熟度管理体系，探索并建立基于成熟度的设计工艺协同模式％基于成熟度划分设计阶段，明确各阶段工艺介入时机与开展业务活动，将自主自发的协同转变为按程序控制的协同％
2）在完全实现产品和制造过程基于模型的定义的基础上，进一步将基于模型的定义向服务、维护等业务环节扩展，实现产品全生命周期和全价值链的覆盖，最终实现基于模型的企业（MBE）。

参考文献
[1]刘斌.制造企业设计、工艺、制造一体化应用研究浅析[J].机车车辆工艺，2016（4）:10-11.
[2]蒋明炜.机械制造业智能工厂规划设计[M].北京：机械工业出版社，2017.
[3]杜品圣，顾建党.面向中国制造2025智造观[M].北京:机械工业出版社，2017?
[4]西门子工业软件公司.工业4.0实战：装备制造业数字化之道[M].北京：机械工业出版社，2015.
[5]陈光峰.互联网思维商业颠覆与重构[M].北京：机械工业出版社，2014
[6]陈明，梁乃明，方志刚，等.智能制造之路:数字化工厂[M].北京：机械工业出版社，2017.
[7]王爱民.制造执行系统（MES）实现原理与技术[M].北京：北京理工大学出版社，2014.
[8]辛国斌，田世宏.国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）解读[M].北京：电子工业出版社，2016.
[9]王建伟.数字领航换道超车：数字化转型实践探索[M].北京:人民邮电出版社,2019.
[10]施战备，秦成，张锦存，等.数物融合：工业互联网重构数字企业[M].北京:人民邮电出版社，2020.
[11]田峰.精益研发2.0面向中国制造2025的工业研发[M].北京：机械工业出版社，2016.
作者简介：李大勇（1974-），男，高级工程师，硕士，主要从事企业信息化规划、信息安全体系建设、数字化车间
领域等方面的研究％
收稿日期$020-10-31
责任编辑张国珍
22。