干货｜工艺数据结构化管理的实践与思考

导读

作为制造企业产品研发的重要组成部分，过程开发（有些企业习惯叫工艺设计）如何与产品设计协同，如何应用数字化信息系统进行工艺设计，如何实现工艺数据与设计数据的关联，如何对工艺设计要素结构化......是很多企业正在考虑和寻找的答案。

0 前言

数字化、信息化是智能制造的基础，CAD的普及推动了PDM系统应用的普及。近年来企业在逐步构建以TeamCenter系统为基础的设计、工艺一体化的产品生命周期数据管理系统平台，把更多的与产品研发有关的数据集中到PLM平台统一管理。作为制造企业产品研发的重要组成部分，过程开发（有些企业习惯叫工艺设计）如何与产品设计协同，如何应用数字化信息系统进行工艺设计，如何实现工艺数据与设计数据的关联，如何对工艺设计要素结构化......也是很多企业正在考虑和寻找的答案。

笔者所在的企业，很多年前就选择了NX（当时叫UG）和PDM软件产品，由于在企业组织架构上，产品设计工程师和工艺设计工艺师都隶属于技术中心，所以，很长时间以来，企业的工艺设计也是利用PDM平台进行，用NX画工序图，用OFFICE软件完成其它工艺文件的输出。从形式上看，早已实现了工艺数字化。但从内容上看，工艺知识的积累，工艺数据的重用，工艺设计与产品设计的数据协同仍然存在较多问题。

在上述背景下，2014年，企业开始了基于TCM模块的工艺数据结构化管理实施项目。

1 工艺设计系统平台的选择

曾经，企业工艺部门也尝试利用国产某CAPP系统，进行定制化工艺设计，虽然最初使用时也体现出用户界面友好，工艺文件输出效率高的优势，但由于CAPP系统与PDM系统相互独立，CAPP系统无法与企业的CAD软件UG集成，工艺数据与产品设计数据没有关联等原因，短期试用后最终还是放弃了。

企业从长远规划着想，最终选择了基于现有的TeamCenter系统的TCM工艺制造模块。主要考虑的因素有：企业原先的工艺设计、工装设计已经在TC系统中完成（文件夹组织管理），工艺设计师熟悉TC的使用；工艺数据需要结构化管理，需要与产品设计数据关联；企业今后将考虑PLM与ERP、MES系统的集成；BOM数据转换和传递的需要；TCM已经是较为成熟的制造数据管理平台等。

图1.数字化制造管理平台

2 TCM的主要应用功能

TCM的实施也是按照长远规划，分期实施的策略推进。初期的主要目标是搭建工作框架平台和工艺要素数据结构化，同时积累数据，优化用户体验，为后续的深化应用打基础。过去几年我们企业主要做了以下的一些探索。

图2.3P1R示意图

2.1 3P1R的工艺设计要素结构化

工艺设计（Process）考虑的主要因素包括加工的产品对象（Product）、加工的场所工厂或车间（Plant）、加工过程中用到的制造资源（Resource），包括各类工装、设备、材料等，将3P1R的工艺要素结构化管理，如图2。

2.2 工艺标准化工作

工艺统一设计平台后，对各类工艺文档模板的数量、样式、版本都做了定义明确，加强了规范化和标准化管理。对于企业的工艺类型也进行了梳理，明确将工艺分分为装配、机加、锻造、热处理四大工艺类型。

此外，工艺过程件编码、工装编号也同步作了规范。

图3.制造过程件编码示例

2.3 工艺开发流程固化

企业的工艺开发流程大致包括三部分，前期的工艺策划相关工作，随后的产品零件工艺设计相关工作，以及最终具体的工艺文档形成和输出。

2.3.1 工艺策划

这部分具体包括工艺立项、方案评审、PBOM构建、制造策略定义、PBOM审批、工艺任务指派等系列流程。在TCM系统中主要体现为PBOM的构建与审批、自制或采购的制造策略、自制件的工艺任务指派，通过TCM系统还可以将工作的先后顺序固化。

图4.PBOM构建示意图

图5.工艺任务指派示例

2.3.2 工艺开发

工艺制造工程师（ME）接收任务后，根据各自的工艺模块进行专业工艺过程开发工作。

图6.TCM机加工艺BOP设计示例

2.3.3 工艺输出

最终的工艺文档输出，通过定制功能菜单或二次开发功能菜单，自动完成部分工艺文档的输出。 对于机加工艺，系统读取工艺下级工序，按顺序输出工艺过程。

2.4 BOM数据转换与传递

在我们企业，技术中心作为ERP系统物料主数据的源头，需要负责ERP系统物料主数据的创建、EBOM结构的维护、工艺路线的维护、工程更改引发的物料数据更新等工作。TCM应用之前，主要靠人工维护完成EBOM到MBOM数据的转换工作。借助于TCM模块和二次开发，初步实现EBOM——PBOM——MBOM清单的转换和输出工作，在TCM导出的MBOM基础上，经过简单校核工作，即可直接导入ERP系统，完成工程部门的MBOM数据维护工作。在ERP系统中，再经过其它职能部门的相关数据维护，从而形成企业完整的MBOM。TCM的应用为今后PLM系统与ERP系统的集成打下基础。

图7.制造资源库样例

2.5 完善了制造资源分类管理

通过TCM实施，进一步完善了企业制造资源分类管理(如图7)，对企业所有的工装，统一纳入制造资源分类库，并给予物料编号后维护进入ERP系统。

2.6 初步建立了工艺资源库（知识库）

通过建立典型工艺、工序库，提供工艺借用和重用，提高工艺设计效率。

3 TCM实施效果与问题总结

经过两年多的项目建设，TCM项目终于上线应用，初步实现了工艺数据结构化管理，工艺数据管理更加清晰。从工艺制造工程师的反馈来看，虽然有点繁琐，但经过培训和详细的用户手册指导，加上实施方技术支持的及时跟进，上线后在操作上倒是没有太多的抱怨。系统上线应用后的进展，与预期有差距，这个差距不是项目功能目标没有实现，主要痛点还是在应用上，影响TCM应用的因素有：

3.1 新老工艺数据问题

按最初的设想，新老划断，老的工艺设计模式停用，老数据仅供查阅调用。但实际上全新数据量有限，多数工艺还是在原有数据基础上的修订工作。因为工艺模板、工艺模式变化较大，转换数据的工作量很大，在工作进度不能因项目受到影响的前提下，最终妥协成新老工艺模式并存的局面。

3.2 基础数据短板制约问题

3.2.1 EBOM的结构化问题

原本以为，企业应用PDM多年，又是西门子产品TC+NX的无缝集成组合，CAD-BOM与TC-BOM集成联动，EBOM应用能够支持TCM的后续工作。实际上，TCM上线后遇到的第一个难题就是EBOM结构化问题。根据TCM应用框架，TCM与产品设计的衔接是从EBOM到PBOM的转换开始。非结构化的EXCEL文件形式的EBOM无法转换，需要TC系统结构管理器构建的EBOM。因为企业还没有严格采用自顶而下的设计方式，部分产品总成没有搭建结构化的EBOM。为此，TCM上线后，又花了几个月的时间，专门盯着产品设计工程师对EBOM进行结构化补缺工作。

3.2.2 数模缺失或不规范问题

按照项目启动前设想，零件工序数模通过设计数模WAVE过来，装配数模直接借用总成数模，但实际工作中发现，在TC系统中，那些外来设计的产品几乎都只有二维图纸没有数模，但对工艺来说，所有的自制件都要工艺设计。

3.2.3 工艺编码问题

企业生产规模的扩大和制造策略的调整，也给工艺设计带来编码和管理问题。TCM上线后，遇到了一些新的实际需求，如：某一零件有多个加工工艺方案，产生了工艺多方案编号与管理问题；同一工艺中的工序多方案并存时的编码与管理问题等。

3.3 跨部门数据维护问题

在我们企业，工艺设计主体在技术中心，但工作区域、制造设备的数据维护涉及制造工厂和规划部门，相关数据的维护出现了滞后现象。

4 未来展望

尽管上线后遇到了一些意料之外的问题，但作为未来数字化工厂和工业4.0的基础数据，企业不仅要继续优化和深化现有工艺数据结构化工作，构建全息数字化工艺，今后还将进一步深化工艺制造数据的管理和应用：

4.1 推进工艺数据可视化

TC系统的可视化功能十分强大，特别是象我们这样的企业，NX是所有工程技术人员的基本CAD工具，工艺的工序图模板和工具也是用NX软件。

4.2 逐步应用工艺仿真功能

仿真技术早已不局限于产品设计，工艺仿真也是今后考虑的重点方向。结合可视化数据推广，电子工艺指导书也将随着企业信息化工作的深入而纳入选项。

4.3 工艺内容结构化是发展趋势

从工艺设计要素结构化，到工艺内容的结构化管理是一个从粗到细的精细化管理的过程。从当前TC系统功能来看，工艺设计的重要文档PFMEA、控制计划、检验计划已经有比较成熟的结构化数据管理方案，这个方案的应用正在论证中。

4.4 与MES的集成

这个可能还比较遥远，但工艺与现场制造密切相关，数据关联应该是支持未来数字化工厂建设的基础。

5 结论

利用TeamCenter的TCM模块，实现工艺设计数据结构化，可以打通上下游数据，为今后的工艺仿真和数字化工厂打下基础。但TCM的实施本身，也需要做好相关的基础工作，否则徒有其表，只能中看不中用，反而会引起工艺制造工程师的反感，不利于推动工艺设计的数字化和结构化工作。导读

作为制造企业产品研发的重要组成部分，过程开发（有些企业习惯叫工艺设计）如何与产品设计协同，如何应用数字化信息系统进行工艺设计，如何实现工艺数据与设计数据的关联，如何对工艺设计要素结构化......是很多企业正在考虑和寻找的答案。

0 前言

数字化、信息化是智能制造的基础，CAD的普及推动了PDM系统应用的普及。近年来企业在逐步构建以TeamCenter系统为基础的设计、工艺一体化的产品生命周期数据管理系统平台，把更多的与产品研发有关的数据集中到PLM平台统一管理。作为制造企业产品研发的重要组成部分，过程开发（有些企业习惯叫工艺设计）如何与产品设计协同，如何应用数字化信息系统进行工艺设计，如何实现工艺数据与设计数据的关联，如何对工艺设计要素结构化......也是很多企业正在考虑和寻找的答案。

笔者所在的企业，很多年前就选择了NX（当时叫UG）和PDM软件产品，由于在企业组织架构上，产品设计工程师和工艺设计工艺师都隶属于技术中心，所以，很长时间以来，企业的工艺设计也是利用PDM平台进行，用NX画工序图，用OFFICE软件完成其它工艺文件的输出。从形式上看，早已实现了工艺数字化。但从内容上看，工艺知识的积累，工艺数据的重用，工艺设计与产品设计的数据协同仍然存在较多问题。

在上述背景下，2014年，企业开始了基于TCM模块的工艺数据结构化管理实施项目。

1 工艺设计系统平台的选择

曾经，企业工艺部门也尝试利用国产某CAPP系统，进行定制化工艺设计，虽然最初使用时也体现出用户界面友好，工艺文件输出效率高的优势，但由于CAPP系统与PDM系统相互独立，CAPP系统无法与企业的CAD软件UG集成，工艺数据与产品设计数据没有关联等原因，短期试用后最终还是放弃了。

企业从长远规划着想，最终选择了基于现有的TeamCenter系统的TCM工艺制造模块。主要考虑的因素有：企业原先的工艺设计、工装设计已经在TC系统中完成（文件夹组织管理），工艺设计师熟悉TC的使用；工艺数据需要结构化管理，需要与产品设计数据关联；企业今后将考虑PLM与ERP、MES系统的集成；BOM数据转换和传递的需要；TCM已经是较为成熟的制造数据管理平台等。

图1.数字化制造管理平台

2 TCM的主要应用功能

TCM的实施也是按照长远规划，分期实施的策略推进。初期的主要目标是搭建工作框架平台和工艺要素数据结构化，同时积累数据，优化用户体验，为后续的深化应用打基础。过去几年我们企业主要做了以下的一些探索。

图2.3P1R示意图

2.1 3P1R的工艺设计要素结构化

工艺设计（Process）考虑的主要因素包括加工的产品对象（Product）、加工的场所工厂或车间（Plant）、加工过程中用到的制造资源（Resource），包括各类工装、设备、材料等，将3P1R的工艺要素结构化管理，如图2。

2.2 工艺标准化工作

工艺统一设计平台后，对各类工艺文档模板的数量、样式、版本都做了定义明确，加强了规范化和标准化管理。对于企业的工艺类型也进行了梳理，明确将工艺分分为装配、机加、锻造、热处理四大工艺类型。

此外，工艺过程件编码、工装编号也同步作了规范。

图3.制造过程件编码示例

2.3 工艺开发流程固化

企业的工艺开发流程大致包括三部分，前期的工艺策划相关工作，随后的产品零件工艺设计相关工作，以及最终具体的工艺文档形成和输出。

2.3.1 工艺策划

这部分具体包括工艺立项、方案评审、PBOM构建、制造策略定义、PBOM审批、工艺任务指派等系列流程。在TCM系统中主要体现为PBOM的构建与审批、自制或采购的制造策略、自制件的工艺任务指派，通过TCM系统还可以将工作的先后顺序固化。

图4.PBOM构建示意图

图5.工艺任务指派示例

2.3.2 工艺开发

工艺制造工程师（ME）接收任务后，根据各自的工艺模块进行专业工艺过程开发工作。

图6.TCM机加工艺BOP设计示例

2.3.3 工艺输出

最终的工艺文档输出，通过定制功能菜单或二次开发功能菜单，自动完成部分工艺文档的输出。 对于机加工艺，系统读取工艺下级工序，按顺序输出工艺过程。

2.4 BOM数据转换与传递

在我们企业，技术中心作为ERP系统物料主数据的源头，需要负责ERP系统物料主数据的创建、EBOM结构的维护、工艺路线的维护、工程更改引发的物料数据更新等工作。TCM应用之前，主要靠人工维护完成EBOM到MBOM数据的转换工作。借助于TCM模块和二次开发，初步实现EBOM——PBOM——MBOM清单的转换和输出工作，在TCM导出的MBOM基础上，经过简单校核工作，即可直接导入ERP系统，完成工程部门的MBOM数据维护工作。在ERP系统中，再经过其它职能部门的相关数据维护，从而形成企业完整的MBOM。TCM的应用为今后PLM系统与ERP系统的集成打下基础。

图7.制造资源库样例

2.5 完善了制造资源分类管理

通过TCM实施，进一步完善了企业制造资源分类管理(如图7)，对企业所有的工装，统一纳入制造资源分类库，并给予物料编号后维护进入ERP系统。

2.6 初步建立了工艺资源库（知识库）

通过建立典型工艺、工序库，提供工艺借用和重用，提高工艺设计效率。

3 TCM实施效果与问题总结

经过两年多的项目建设，TCM项目终于上线应用，初步实现了工艺数据结构化管理，工艺数据管理更加清晰。从工艺制造工程师的反馈来看，虽然有点繁琐，但经过培训和详细的用户手册指导，加上实施方技术支持的及时跟进，上线后在操作上倒是没有太多的抱怨。系统上线应用后的进展，与预期有差距，这个差距不是项目功能目标没有实现，主要痛点还是在应用上，影响TCM应用的因素有：

3.1 新老工艺数据问题

按最初的设想，新老划断，老的工艺设计模式停用，老数据仅供查阅调用。但实际上全新数据量有限，多数工艺还是在原有数据基础上的修订工作。因为工艺模板、工艺模式变化较大，转换数据的工作量很大，在工作进度不能因项目受到影响的前提下，最终妥协成新老工艺模式并存的局面。

3.2 基础数据短板制约问题

3.2.1 EBOM的结构化问题

原本以为，企业应用PDM多年，又是西门子产品TC+NX的无缝集成组合，CAD-BOM与TC-BOM集成联动，EBOM应用能够支持TCM的后续工作。实际上，TCM上线后遇到的第一个难题就是EBOM结构化问题。根据TCM应用框架，TCM与产品设计的衔接是从EBOM到PBOM的转换开始。非结构化的EXCEL文件形式的EBOM无法转换，需要TC系统结构管理器构建的EBOM。因为企业还没有严格采用自顶而下的设计方式，部分产品总成没有搭建结构化的EBOM。为此，TCM上线后，又花了几个月的时间，专门盯着产品设计工程师对EBOM进行结构化补缺工作。

3.2.2 数模缺失或不规范问题

按照项目启动前设想，零件工序数模通过设计数模WAVE过来，装配数模直接借用总成数模，但实际工作中发现，在TC系统中，那些外来设计的产品几乎都只有二维图纸没有数模，但对工艺来说，所有的自制件都要工艺设计。

3.2.3 工艺编码问题

企业生产规模的扩大和制造策略的调整，也给工艺设计带来编码和管理问题。TCM上线后，遇到了一些新的实际需求，如：某一零件有多个加工工艺方案，产生了工艺多方案编号与管理问题；同一工艺中的工序多方案并存时的编码与管理问题等。

3.3 跨部门数据维护问题

在我们企业，工艺设计主体在技术中心，但工作区域、制造设备的数据维护涉及制造工厂和规划部门，相关数据的维护出现了滞后现象。

4 未来展望

尽管上线后遇到了一些意料之外的问题，但作为未来数字化工厂和工业4.0的基础数据，企业不仅要继续优化和深化现有工艺数据结构化工作，构建全息数字化工艺，今后还将进一步深化工艺制造数据的管理和应用：

4.1 推进工艺数据可视化

TC系统的可视化功能十分强大，特别是象我们这样的企业，NX是所有工程技术人员的基本CAD工具，工艺的工序图模板和工具也是用NX软件。

4.2 逐步应用工艺仿真功能

仿真技术早已不局限于产品设计，工艺仿真也是今后考虑的重点方向。结合可视化数据推广，电子工艺指导书也将随着企业信息化工作的深入而纳入选项。

4.3 工艺内容结构化是发展趋势

从工艺设计要素结构化，到工艺内容的结构化管理是一个从粗到细的精细化管理的过程。从当前TC系统功能来看，工艺设计的重要文档PFMEA、控制计划、检验计划已经有比较成熟的结构化数据管理方案，这个方案的应用正在论证中。

4.4 与MES的集成

这个可能还比较遥远，但工艺与现场制造密切相关，数据关联应该是支持未来数字化工厂建设的基础。

5 结论

利用TeamCenter的TCM模块，实现工艺设计数据结构化，可以打通上下游数据，为今后的工艺仿真和数字化工厂打下基础。但TCM的实施本身，也需要做好相关的基础工作，否则徒有其表，只能中看不中用，反而会引起工艺制造工程师的反感，不利于推动工艺设计的数字化和结构化工作。