62 航空制造技术·2011 年第 23/24 期 FORUM OF THE YEAR
年度论坛
利用 Teamcenter 实现三维 工艺设计技术
西门子工业软件（上海）有限公司 闫太生
本文提出了一种利用 Teamcenter 实现基于三维中间 工序模型的新型工艺设计模式，即以设计 BOM 为核心，工 艺知识和资源库为基础，围绕 3PR 结构化工艺建立继承设 计模型和制造信息的中间工序模型，并用数字化动态出版 的三维可视化形式给予工艺生产指导。在吸收传统工艺设 计方式优点的基础上，充分发挥工艺信息从产生、接受、维 护、发送到再运用的组合功效，满足不同使用者对工艺信息 和数据的共享、共用，从根本上为实现产品全生命周期内数 字化设计、数字化制造、数字化检测和数字化装配提供了有 效的方式。
闫太生
西门子工业软件（上海）有限公司 PLM 高级技术顾问，长期从事制造企业 PLM 项目的管理咨询和技术实施工作，
对多个行业的产品全生命周期管理和信 息系统集成有比较丰富的经验。
Application of Teamcenter to Realize 3D Process Design Technology
Teamcenter 作 为 全 球 领 先 的 PLM（产品全生命周期管理）软件，
20 多年来与中国的制造型企业风雨 同舟，一起成长。很多大型企业如装 备制造业，在设计部门或者研发部 门已经成功地部署了三维软件（NX）
和 PLM 平台（Teamcenter），实现了数 字化设计，并享受到了信息化带来的
成就感；但另一方面，企业在进行工 艺和生产时，有很多因素严重制约企 业生产效益和产品质量的提高，成为 亟待解决的关键问题。
企业内部普遍的工艺现状
（1） 设计和工艺不共享平台，无 法协同、并行。
由于工艺和设计不在同一平台 上，没有统一的数据源，EBOM（设 计 BOM）无法自动继承，数据需要转 化，工艺只能被动等待，无法尽早进 入到产品设计阶段和避免出现设计
出来的东西无法生产的尴尬局面，即 所谓的部门间“信息孤岛”现象依然 存在。
（2） 工艺设计手段落后。
工艺处理的还是二维数据，在研 发阶段三维大行其道的形势下，传统 的二维模式下的工艺已成功完成了 它的历史使命，需要与时俱进，实现 三维数字化工艺编制方法。
（3）缺乏完整的工艺信息管理。
工艺信息最常见的管理方式，主 要通过文件和数据库存储。有时候 是部分文件、部分数据库，也有全文 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2011.z2.009
2011 年第 23/24 期·航空制造技术 63 数字化设计与制造
Digital Design and Manufacturing
件、全数据库，比较混乱，数据的完整 性比较差；数据的保密和安全没有 保障；数据追溯性差，没有版本控制；
工艺文档查询比较困难、费时。
（4） 缺乏工艺资源管理和知识 共享。
企业的各种工艺资源是一笔不 可多得的财富，如工艺装备库、设备 库等，可以进行资源重用，从而提高 效率，降低成本，改进产品质量。
工艺设计是典型的复杂问题，涉 及到的信息量和知识量相当庞大。
因此非常有必要积累或者总结提炼 典型、复杂零件的工艺经验，形成工 艺知识库，如工艺方法、工艺术语、典 型工艺等，促进工艺知识的转化与再 利用。
针对以上现状与问题（当然不止 这些），在实施中结合 Teamcenter 制 造功能进行拓展和开发，着重从企业 设计到工艺再到生产的大局观抓起，
最终实现统一设计和工艺平台，帮助 企业应用部门理通、理顺数据，实现 正确的数据，在正确的时间，以正确 的方式传递给正确的人。
Teamcenter 概述
Teamcenter 是 SIEMENS 公司针 对制造业提供的产品生命周期管理 的解决方案，旨在建立一个数字化生 产环境，并管理产品制造所需的相关 数据。
成熟的 CAD/PDM 和 ERP/MES 系统已经在设计和生产中得到了验 证，但是在 CAD/PDM 和 ERP/MES 之 间 缺 少 一 个 完 整 的 解 决 方 案 来 实现有效的衔接，Teamcenter 制造 工艺管理就是基于产品全生命周期 Teamcenter 主干在这二者之间的一 个有效解决方案，是一座坚实而有力 的桥梁。
Teamcenter 制造工艺管理解决 方案不是将一些零散的应用程序进 行简单的罗列，而是基于一个有效的 核心，针对数字模型进行集中管理、
协同和互操作，即以产品数据管理 Teamcenter 为平台将产品、工艺、工 厂和资源进行有效的关联，同时保证 了数据的一致、有效和重用。这个集 成的数据结构保证了快速、准确而安 全地存取制造信息，同时可对制造工 艺进行可视化、分析和优化，使生产 企业各个部门和工作岗位间的信息 流动能够顺利得到管理。
Teamcenter 方案 企业实施总体框架
基于笔者实施的企业设计部门 采用三维 NX 设计软件，并成功应用 Teamcenter 作为产品数据管理平台，
考虑到从产品设计到工艺规划再到 产品制造过程的密切相关和数据流、
信息流的传承与统一，提出以下总体 框架（图 1）。
在整个总体架构中必须考虑设 计与工艺之间数据的继承，与 ERP、
MES 的集成，在工艺规程的编制和 工 艺 文 件 的 格 式 输 出 等 方 面 采 用 Teamcenter Publish 输 出 3D 工 艺。
具体要点如下：
· 工艺从 Teamcenter 中继承和 提取设计产品结构 EBOM 和产品零 组件属性，创建工艺结构，编制工艺 规程，设定或关联与工艺 / 工序相关 的工装、设备、车间、产品等信息；
· 依据 EBOM 派生出相关联的 制造 BOM（MBOM），定义承制单位、
协作单位、入库关系，生成工艺路线 报表；
· 利用 Teamcenter Publish 数字 化动态发布、出版 3D 工艺相关文件；
· 将制造 BOM（MBOM）信息 中含有的工艺路线、材料定额传递给 ERP 系统；
· MES 系统在接到 ERP 的生产 计划后，从 Teamcenter 中获得相关的 工艺规程数据。
Teamcenter 三维工艺设计 关键技术实现
1 结构化工艺设计
针 对 所 实 施 企 业 统 一 Teamcenter 平台下的设计产品 BOM，
利 用 其 核 心 3PR（Product 产 品、
Process 工艺、Plant 工厂、Resource 资源）理念，经过业务需求分析，分 别需要不同的工艺类型来描述对象，
用总工艺类型来管理所有的子工艺 类型结构，通过 BOM View 反映这个 零件所完成的工艺规程，子工艺类型 有：毛坯工艺、零件加工工艺、热处 理工艺、表面处理工艺、注塑工艺、焊 接工艺、冲压工艺等，子工艺下包含 工序，工序又分下料工序、通用加工 工序、数控工序和检验工序等。
在总工艺节点下创建子工艺节 点，然后在子工艺节点下按需求创建 加工工序节点，这些工艺和工序节点 构建出工艺的 BOP（Bill of Process,
图1 Teamcenter方案总体框架 ERP 系统
产品 设计
集成接口 NX MS-Office 其他 Document 更改 审批
/ 发放 标准化 工艺
规程 工装 设计
资源 管理 审批
…… / 发放 ……
MES 系统 其他系统
产品设计与管理 工艺设计与管理
Teamcenter 客户端操作界面 (RichClient/Thin Client) Teamcenter Teamcenter 制造工艺管理
Teamcenter DB， File Server
64 航空制造技术·2011 年第 23/24 期 FORUM OF THE YEAR
年度论坛
BOP）结构。
具体有 2 种操作方法，可以按照 产品或者零件的特性手动逐步创建 工艺结构，也可以从工艺资源库中选 择某类型产品或零件的典型工艺作 为模板自动创建出当前对象的工艺 BOP 结构，然后再做个别调整。
根据实施企业的工厂布局，可以 将工厂、车间和设备模型定义出来，
通过与工厂隶属管理，将设备与工厂 布局关联，为设备赋予工厂布局属 性，这样工厂结构就可以在工艺设计 过程中被使用。
将子工艺节点关联工厂的车间 区域，并在子工艺节点下的相关工序 节点上指定工作中心或者工段上的 设备（图 2）。
以上描述的工艺、工序、工厂结 构模型，都有各自对应的属性表，用 来描述其自身的信息。
通过以上设计和工艺的 3PR 关 联，二者之间会建立某种引用关系，
无论对于设计人员还是工艺人员，
都可以通过这种关系快速、有效、准 确地定位到需要的对
象。
2 中间工序模型 结构化工艺创建 出来之后，如何有效 利用设计的 3D 模型 才 是 真 正 的 关 键 所 在。为此实施中提出 了中间工序模型的概 念。之所以将中间工
序模型单独列出来，主要原 因是其对工艺模式的创新 有直接意义。中间工序模 型是指产品从原材料形态 到最终成品的加工过程中 某个工序对应的模型。对 传统的工艺方式，工序面对 的都是二维化图纸，无论是 加工还是审阅理解都浪费 大量的时间，另一方面，工 序对应模型的不同状态，通 常是由不同的设备和人员完成的，当 一个零件从一个工作中心到另一个 工作中心时，需要显示这种形态的变 化，其对应的 NC 加工程序也是不相 同的，因此利用中间工序模型来描述 不同工序上零件的工序基准、加工内 容、加工要求等生产现场方面，计量 内容、计量要求等计量方面，检验内 容方面，加工刀路仿真结果及数控加 工程序的执行都起到事半功倍的作 用。图 3 描述了不同工序对应的形 态及具体尺寸。
零件的加工将根据实际的需求 分多步工序进行，每一工序具有其对 应的模型状态。零件加工各工序模 型都应与零件模型相关，以实现零件 模型的更新能自动传递到各加工工 序模型。同时各上下工序之间模型 也应保持关联，以符合实际加工过程 中毛坯模型在各工序之间的状态转 换。
在形成的工序模型上，下一步需 要进行的是产品制造信息（ Product Manufacture Information，PMI）的标
注，用来指导生产。当然在实际的工 程应用中，设计部门的 PMI 标注需 要传递给工艺部门，让工艺部门的 技术人员可以重新利用和继承这些 已经标注好的 PMI，减少工艺编制的 工作量。设计模型的 PMI 被传递到 了工序模型后，由工艺人员进行参 考和新标注工艺信息，φ50.6 是工 艺人员在工序模型上标注的尺寸，
（146.3±0.05）mm 是 设 计 模 型 PMI 传递过来的尺寸。所有的紫红色尺 寸，工艺人员可以根据需要选择是否 显示，但是不能对该尺寸进行修改
（图 4）。
3 数字化出版发布
形象、鲜明的中间工序模型，如 果能够出版发布，并且能够随着产品 设计模型的变化，与其相关的文档可 以动态自动更新，势必大大提高日常 对工程文档生成、维护的效率。
利用 Teamcenter 的 Publish 可以 将设计的 3D 模型以不同的表现形 式体现出来。因此在实施中，着重从 以下几方面将动态的 3D 模型形象 地描述出来。
（１） 带有 PMI 标注（如尺寸公 差等）的三维中间工序模型、爆炸图、
标注和符号、导引线、剖面等；
（２） 可 以 将 出 版 的 文 件 输 出 到 不 同 格 式（如 XML/SGML）的 编 辑器中（例如 FrameMaker、Arbortext Editor、XMLSpy）；
（３） 最终将出版物打包，供网 页发布浏览。
通过捕捉数字化出版 3D 模型
图3 工序模型示例 图2 工厂关联
2011 年第 23/24 期·航空制造技术 65 数字化设计与制造
Digital Design and Manufacturing
的不同状态或标注，所有的几何信 息会被临时放在剪贴板上（实际上 在 Teamcenter 是 一 种 独 立 类 型 的 数 据 集），在 电 子 手 册 创 建 时 可 以 分别填充到 3D 模型和爆炸图显示 区，当双击 3D 模型区时，可以调用 Teamcenter 浏览器进行旋转，调整到 合适位置退出时，电子手册上反映的 就是最终调整的状态。
4 工艺资源库
建立 3D 工艺处处离不开工艺 资源，工艺资源库的积累是企业不可 多得的财富。在实施中，工艺资源主 要指两部分，一部分是工艺知识库，
如典型工艺、工艺参数库、切削参数 库等，另一部分是底层制造资源，如 设备、工装，包括通用的和专用的。
利用 Teamcenter 的 In-Class 分类管 理功能，可以提供一个高度集成化 的、易于掌握和使用的软件系统，使 得工艺设计人员可以在计算机辅助 技术的帮助下对制造资源与工艺知 识进行有效管理，从而减少工艺设计 时间、增加工艺设计准确性、提高设 计效率。分别从以下几点实现。
（1）分类的层级结构管理。
针对企业要管理的资源对象，根 据企业零部件、工艺资源的分类标准
（比如用于产品设计的零部件标准）
进行管理，或用于工艺设计的工装夹 具标准。通过收集整理，提炼出企业 的零部件、工艺资源分类标准，有以 下几类：制造资源库、辅助材料库、
标准件库、典型工艺库和工艺知识 库，当然每个大类下又有子类，对某
个大类根据某个或几个特性进行细 分。
（2）定义每一个类别的属性、属 性的格式及属性的值列表。
针对每一个类别，定义其属性、
属性格式以及属性的值列表，然后进 行汇总，生成分类的属性字典。在企 业实施属性定义时，根据企业各种资 源的类别细则，抽象出共同的属性，
作为父类的属性，子类会继承父类，
避免重复。
（3）绘制每一个类别的简图。
为了形象地描述每一个类的零
图4 产品制造信息
部件、工艺资源的特征，针对每一个 类别绘制了其类别简图，通过可以管 理这些简图，方便以后进行查询。
（4）定义权限，包括分类的权限 和分类标准的权限控制。
对于分类，为了避免由多人操作 引起的混乱，实施时为实例分类和层 级结构的定义设定了权限，以方便对 分类管理的操作进行控制。
（5）制定分类层级结构和实例 的维护规范。
分类的维护规范主要是用来规 范零部件分类库的增加、减少和变更 的行为，以实现专人管理，避免引起 混乱。最终形成的样例见图 5。
结束语
通过以上三维工艺设计的分析，
本文提出了一种利用 Teamcenter 实 现基于三维中间工序模型的新型工 艺 设 计 模 式，即 以 设 计 BOM 为 核 心，工艺知识和资源库为基础，围绕 3PR 结构化工艺建立继承设计模型 和制造信息的中间工序模型，并用 数字化动态出版的三维可视化形式 给予工艺生产指导。在吸收传统工 艺设计方式优点的基础上，充分发 挥工艺信息从产生、接受、维护、发 送到再运用的组合功效，满足不同 使用者对工艺信息和数据的共享、
共用，从根本上为实现产品全生命 周期内数字化设计、数字化制造、数 字化检测和数字化装配提供了有效 的方式。
在将工艺模型实现三维化之后，
随着应用的不断深入，三维工艺装配 仿真将成为继工艺设计之后需要研 究的重点。通过计算机仿真的技术 手段模拟和预测产品的整个生产制 造过程，从而验证设计和制造方案的 可行性，尽早发现并解决潜在的问 题。这对于缩短新产品开发周期、提 高产品质量、降低开发和生产成本，
降低决策风险都是非常重要的。
（责编 良辰）
图5 工艺资源结构
