第三章-企业运作数字化管理新产品开发及其数字化管理

第三章第三章 新产品开发及其数字化管理新产品开发及其数字化管理 本章主要内容 新产品开发管理 产品数据管理 Product Data Management 简称 PDM 简介 随着生产力的发展和经济的发展 消费者需求日益多样化 企业面临的市场是一个变 化迅速且难以预测的买方市场 企业要想在这中环境中生存 就必须加强研究与开发 增 强开发新产品的能力 使企业具有较强的处理环境的变化和有环境的变化引起的不确定性 的能力 因此 新产品开发在企业的生产运作中所占的地位也越来越重要 近年来随着数 字化技术的发展更是涌现了新的产品管理的工具 产品数据管理 PDM 本章主要从 新产品的具体概念 新产品开发的动力模式 新产品的开发程序 新产品的开发方法 以 及产品数据管理 PDM 这一新兴的信息管理技术等方面展开论述 3 1 新产品开发新产品开发 3 1 1 新产品的概念新产品的概念 所谓新产品 实际上是一个相对的概念 从不同的角度出发 可以对新产品给出不同 的定义 新产品是指在产品性能 产品结构 材料性能和技术特征等方面或多方面比老产 品有显著改进和提高 或独创的 具有使用价值和推广价值 可产生明显经济效益的产品 新产品主要体现先进行和独创性 先进性是指由新技术 新材料产生的先进性 或由原有 技术 经验技术和改进技术综合产生的先进性 独创性是指产品由于采用新技术 新材料 或引进新技术所产生的全新产品或在某一市场范围内属于全新产品 新产品按照技术特性 可以分为以下几种 1 全新产品 具有新原理 新技术 新结构 新工艺 新材料等特征 与现有任何产品毫无共同之 处的产品 全新产品是科学技术上的新发明 在生产上的新应用 如汽车 飞机 计算机 半导体 电视机 化学纤维 青霉素等 都是在某个时代开发出的全新产品 2 改进新产品 主要指对老产品采用各种改进技术 使产品在功能 性能 质量 外观 型号有一定 改进和提高的产品 如增加电视机遥控功能 增加电风扇定时功能 3 换代新产品 主要是指适合新用途 满足新需要 在原有产品的基础上 部分地采用新技术 新材 料 新元件而制造出来的产品 如计算机已从电子管 晶体管 集成电路进入到大规模集 成电路的第四代产品 目前正在研制第五代具有人工智能的新产品 换代新产品的技术或 经济指标往往有显著提高 具有新的用途 可以满足新的需要 4 本企业新产品 指对本企业来说是新的 但对市场来说并不新的产品 但通常企业不会完全仿照市场 上的已有产品 而是在造型 外观 零部件等方面作部分改动或改进后推向市场 在当今的经济环境下 市场竞争日益激烈 顾客需求日益多样化 企业在选择新产品 发展方向时必须有更多的考虑 目前 新产品发展方向有如下多个特点 5 多功能化 即扩大同一种产品的功能和使用范围 例如 收录唱组合音响 多功能计算器等 在 扩大产品功能时还应该注意提高产品的效率和精度 6 复合化 即把功能上相互关联的不同单体产品发展为复合产品 例如 洗衣机和干燥机的一体 化 打印机 复印机 传真机的一体化 如集拍照 冲印为一体的一次成像照相机 集打 字 计算 储存 印刷为一体的便携式文字处理机 集办公 文字处理 电话 传真 计 算 娱乐为一体的多媒体计算机等 7 小型化 即通过改革产品结构 减少零部件数量 缩小产品的体积 使产品便于操作 携带 运输以及安装 这样还可以节省大量资源和能源 降低成本 有利于在低成本条件下开发 多种品种 扩大产品功能 利用产品的差异化占领市场 很多日本的企业采取这种新产品 开发策略取得了成功 如丰田的节油小轿车 索尼 松下等企业的家电 还有东芝的笔记 本电脑 几乎欧美每生产出一种工业或家用大型产品 日本的企业就能立即将其小型化 多功能化 从而占领市场 值得注意的是 产品的小型化需要新技术 新材料的支持 可 能会增加生产成本 如 轻 薄 高强度的合金钛 合金钢等材料 电脑设计 激光切割 纳米等技术 8 智能化 知识化 即把一般人需要长期学习才能掌握的知识和技术转化到产品中去 使产品功能 傻瓜 化 这可以使许多专业性产品发展成大众产品 从而大大扩大这些产品的市场 产品智能 化 知识化的一个最好例子是所谓的 傻瓜 照相机 这种照相机把以往一个生手用手动 照相机需要学习一两个月以上 并废掉几卷胶卷的照相技术蕴藏进照相机 使任何一个不 懂照相技术的人都能使用 9 艺术化 品位化 即从产品的造型 色彩 质感和包装等方面使产品款式翻新 风格各异 体现独特的 艺术品味 从而增加产品的魅力 当今对产品艺术化 品味化的研究已经成了产品研究与 开发中的重要组成部分 不仅汽车 电视 家具这些具有一定观赏功能的产品 就连洗衣 机 马桶一些实用产品也在追求尽善尽美 以在激烈竞争的市场中赢得顾客 对于服务型企业来说 同样面临着不断推出新服务项目的课题 同样需要考虑新产品 的发展方向 随着生活水平的提高 自由时间的增多 价值观的多样化等 人们越来越要 求社会提供广泛的多样性服务 大力发展新的服务项目 以物质消费为主的消费结构向以 精神和文化消费为主的消费结构转变的倾向也需要非制造业企业不断提供新的精神食粮和 文化食粮 因此 服务型企业应根据这些环境特点开发新服务项目 3 1 2 新产品开发的动力模式新产品开发的动力模式 新产品的开发有两种动力模式 技术的推动和需求的拉动 技术的推动 是指按照被 称为 Seed Theory 的方式进行新产品开发 也就是说 从最初的科学探索出发开发新产品 以供给的变化带动需求的产生和变化 需求的推动 也就是市场的推动 是指按照 Need Theory 方式 从市场需求出发进行新产品开发 也就是说 首先通过市场调查来了解市场 需要什么样的新品 然后对其作为商品来说在生产技术 价格 性能等方面的特性进行研 究 进而再通过该新产品商品化后的销售预测来决定是否开发 技术推动型产品是以技术 生产 市场的模式出现 即将研究成果推向市场 市场推 动型产品则是以市场 研究与开发 生产 市场的模式出现 即把市场需求带入研究 洗 衣机 电冰箱 空调等都是典型的市场导向型产品 由于市场需求的日益多样化和技术进步的日新月异 已经不可能简单地说哪一种动力 模式更重要 对当今的企业来说 这二种动力模式有着同等重要的地位 技术推动模式往往能够使新产品在市场上 先发制人 美国西屋电器公司发明了晶体 管 日本索尼公司购买了晶体管技术 开发出晶体管收音机和电视机 创造了世界范围的 大市场 但是 在晶体管诞生之前 甚至在晶体管收音机推出之前 市场根本不知道晶体 管为何物 更不会产生对晶体管收音机和电视机的现实需求 这种需求是潜在的 隐性的 需去发掘 而这正是企业应努力去做的 技术推动型的产品构成了众多企业的生产内容 每一种产品都带动一批企业 甚至构成一个行业 创造规模巨大的市场需求 并引发激烈 的市场竞争 很多企业也正是因为不断推出技术推动型产品 不断用这些产品创造一个个 大市场 才使企业迅速地成长壮大起来 美国的英特尔公司 杜邦公司 P G 公司 日本 的索尼公司等 都是这方面的成功典范 技术推动模式虽然能在市场上 先发制人 创造出一个大市场 但是 反过来 这个 市场一旦从潜在转为现实 它就开始分化 顾客在花色 性能 品种 质量和价格上不断 产生新的期望 不同的期望形成不同的细分市场 造成市场需求的差别化 而谁能够满足 这些不同的期望和层次 谁就能 后发制人 占领细分市场并分享该产品的利润 后发 制人 一个很成功的例子就是日本汽车行业 日本的汽车行业看中了欧美市场对小型车的 需求 以其擅长的小型车技术大量生产低成本 多品种 高质量的小型车 一举打开了欧 美市场 后来又采取合资和本地化策略 扩大车型范围 在中 高档车型取得了突破 但是产品开发的本质动力是市场需求的拉动 产品的开发设计都要根据市场的需求进 行 市场对产品没有需求 开发的产品也只能是废物 近年来 企业对技术成就以及技术 过度关注 尤其在电子领域 以至于他们有时候无暇顾及顾客 这是一个值得注意的问 题 不断满足顾客的需求应该是企业致力的目标 质量功能展开 QFD 正是一种以市场 为导向 以用户需求为依据的强有力的计划方法 质量功能展开质量功能展开 质量功能展开 Quality Function Deployment QFD 是一种将顾客心声引入产品设计规 范 以市场为导向 以用户需求为依据的计划方法 这种方法利用来自于市场营销部门 设计部门和制造部门的职能交叉的团队 QFD 产生于日本 在 60 年代 随着 TQC 的深入 日本人开始考虑能否在产品的设计 阶段就确定制造过程中的质量控制要点 以减少生产初期大量错误的发生 1972 年 三菱 重工有限公司神户造船厂首先使用了 QFD 丰田公司使用 QFD 大幅度缩短设计时间 降 低了 60 的汽车成本 美国而后引入了 QFD 技术 并在汽车工业和国防工业进行推广 进一步的提高了 QFD 技术 QFD 以研究和倾听顾客的想法 确定一个优良的产品特征为起点 通过市场研究 将 顾客对产品的需求和偏好定义下来并进行分类 也就是顾客的要求 顾客的需求信息用特 定的交叉矩阵形式表示出来 此矩阵称为质量屋矩阵 如图 3 1 所示 是一个保温杯的质 量屋矩阵 通过构造一个质量屋矩阵 交叉职能团队能够用顾客反馈信息进行技术 营销 和设计的决策 矩阵帮助团队将顾客的要求转换为具体操作或技术目标 要改进的重要的 产品性能与目标在质量屋中都有详细的说明 质量屋顶反应的是各项工程要求的相关性 有正相关也有负相关 质量屋最重要的优点在于它能帮助团队致力于生产满足客户需求的 产品 构造质量屋的第一步是列出顾客对产品的要求 对这些要求按重要性顺序进行排序 接下来请顾客对本企业的产品与竞争者的产品进行比较 最后确定开发产品的一系列技术 特征 这些特征与顾客的要求直接相关 顾客要求 工程要求 高 度 底 面 积 保 持 60 C 时 间 重 量 封 闭 性 顾 客 要 求 权 重 本 企 业 产 品 A 企 业 产 品 B 企 业 产 品 本 企 业 新 产 品 提 高 率 卖 点 质 量 权 值 相 对 质 量 权 保温性能好 9 603 9 603 5 3 5 4 6 2 1 5 15 67 容量大 9 144 9 144 1 16 3 5 4 3 5 1 1 2 3 6 16 易于携带 1 17 1 17 9 153 3 51 3 4 3 4 5 1 25 1 3 75 17 总和 161 161 603 169 654 相对重要性 9 9 34 10 38 技术尺度 cm cm2 hrs G 目前本企业技术 16 2 3 6 25 竞争企业技术 18 4 3 6 32 本企业目标值 16 4 3 8 30 竞争性评价 计划质量 图 3 1保温杯质量屋矩阵 根据顾客需求设计产品的成功实例根据顾客需求设计产品的成功实例 凌志产品设计的改进 一个持续的过程 此顾客服务案例发生在路易斯安那 Louisiana 的凌志汽车行 某位女顾客在一周前购买了一辆新车 现在却苦恼地回到了汽车行 他穿着定制的某 种品牌的鞋 右脚的鞋跟卡在加速器脚踏板下 加速很困难 最后非常不幸的是折断了鞋 跟 汽车行服务经理记下了这一问题 并提出赔偿这双鞋 该女士说 这将是她最后一次与凌志汽车行打交道 然而一周后 一名来自日本凌志 的设计工程师出现在她的家门口 他察看了那双鞋 并作了测量 画下草图 之后他一句 话也没说就离开了 一个月后 凌志汽车行联系到该女士 并请她将车带入车行 工程师重新设计的加速 器踏板确保不会再卡住鞋跟 他们更换了她骑车上的加速器踏板 现在想后安装的加速器 踏板已经成为凌志的生产标准 Richard B Chase Nicholas J Aquilano F Robert Jacobs Production and Operations Management Manufacturing and Services Eighth Edition p90 3 1 3 新产品开发程序新产品开发程序 新产品的开发是一个周期长 过程复杂的活动 对机械产品来说 一般的开发周期为 3 年 而现今产品的生命周期一般为 1 年 了解新产品开发程序的主要目的是加强对新产 品开发的管理 尽力缩短产品开发周期 解决开发周期长和生命周期短的矛盾 尽量避免 开发过程中的无谓的反复和浪费 产品开发活动是顾客的需要和期望与产品制造要求之间的桥梁 因此新产品的开发要 建立在满足顾客需求的基础上 还要考虑产品的可制造性 一般的新产品开发程序可以概 括为 概念发展 产品规划 产品 流程的工程设计 试市场 生产 的过程 如图 3 2 所示 时时 间间 排排 程程 项目 市场导入前的月数 市场导入 阶阶 段段 36 27 18 9 0 概念发展 产品规划 产品 流程的工程设计 试市场 产量增加 概念 计划通过 设计 计划 第一个完整样品 产品 工程设计完毕 过程 市场导入 试生产 产量增加 图 3 2新产品开发程序 1 概念发展 这一阶段是指新产品构想及方案的产生 获得新产品概念的来源有很多种 有来自企 业内部 公司经理 员工和研究开发部门等 有来自企业外部 经销商 产品许可经营者 和发明者等 2 产品规划 新产品的概念确定之后 就进入新产品的开发阶段 产品规划是企业产品战略中重要 的组成部分 它决定着产品的特征 功能和用途 产品的设计注重的是产品的性能和质量 要求在产品设计中充分考虑顾客要求 体现产品的经济价值 并以此为原则 保证高品质 设计 特别注意的是 产品设计要充分考虑产品的可制造性 基本的原则是易于理解 便 于制造和装配 易于使用且安全可靠 3 产品 流程的工程设计 这一阶段首先要对产品规划阶段的结果进行评价 决定投产后开始进行生产准备 进 行工艺设计 工夹具设计和技术文件准备等 必要的时候要进行样品试制或批量试生产 4 试市场 产量增加 这一阶段 首先要进行市场试销 如果市场反应良好 就进入到生产阶段 3 1 4 新产品开发的要求新产品开发的要求 新产品开发有两点要求 一是产品与生产工艺技术的同时开发 二是产品开发与服务 设计的同时重视 产品与生产工艺技术的同时开发产品与生产工艺技术的同时开发 产品的生产工艺技术是指生产产品的方法 其中包括加工路线 加工方法 加工诀窍 工艺参数和质量标准等等 要使产品与生产工艺技术同时开发 产品开发就要做到为制造 与装配而设计产品 怎样才能做到这一点 需要设计人员在进行产品结构设计的时候就考虑到工艺设计的要求和难度 产品开发 设计人员和生产工艺技术人员密切配合 建立一种合作开发的体制 使得在进行产品构思 和设计时就考虑到制造的可行性和经济性 在对新产品作出正式生产的决策时 已经有一 批生产工艺技术人员对该新产品的生产方法和程序有比较深刻的理解和计划 这样 不仅 能够缩短新产品的开发周期 也能节约 R D 资金 并行工程和团队工作方式是近年来企 业实现产品开发和生产工艺技术开发同时进行的好方法 避免设计者的传统方法 隔墙方法 隔墙方法是指即使新产品投入生产 投资的 错误率很高 产品开发与服务设计的同时重视产品开发与服务设计的同时重视 新产品开发的根本出发点是更好地满足顾客的需求 对企业来说 顾客购买的并不是 产品本身 而是产品所提供的功能 产品功能的获得和享用除了产品本身以外 还需要附 带的服务来支持 在当产品的技术含量 知识含量越来越高的情况下 服务也就显得更为 重要 也就是说 新产品 有形产品 必要服务 因此 企业在进行产品设计的时候 必须 考虑到产品服务的设计 特别在现今的激烈的市场竞争中 服务已经逐步成为企业提高其 竞争力的一个重要手段 3 1 5 新产品开发的串行与并行方法新产品开发的串行与并行方法 传统的新产品开发是一种串行的方法 新产品的开发是分阶段按照前后顺序进行的 而且各阶段之间相互独立 开始阶段形成新产品的概念之后 只是由设计工程师开发和设 计新产品 然后转给制造工程师制定生产工艺方法和技术 进行试制 生产供应人员准备 材料配件和组织生产 最后由销售人员负责产品销售 这种串行过程存在很多问题 首先 整个开发周期很长 新产品一般的开发周期为 3 年左右 而现今产品的生命周期一般为 1 年左右 也就存在开发周期长 生命周期短的矛盾 其次 修改反馈比较频繁 在产品设 计阶段往往缺乏考虑生产实际 而引起许多返工 结果浪费了大量开发成本和时间 甚至 给以后的生产带来沉重负担 最后 所开发的产品甚至可能并不是适合市场需要的最佳设 计 而不得不重新开发 为了解决这些问题 提出了一种新的产品开发方法 并行设计 并行设计又称为并 行工程 CE 是指集成地 并行地设计产品及其零部件和相关过程的一种系统方法 这 种方法要求产品设计人员与其它人员一起共同工作 在产品设计开始就考虑产品整个寿命 周期中从概念形成到设计 制造和使用全过程的所有因素 包括质量 成本 进度计划和 用户的要求 因此 并行设计实际上是一种团队工作方式 强调设计过程的系统性 平行 性 并行设计的方法让新产品开发的各个阶段差不多同时 由于产品的设计有先动和后动 的顺序 开始 可以大大缩短产品开发周期 新产品开发的串行与并行方法的对比可以参见图 3 3 从常理来看 先进行概念设计 然后进行结构设计 过程设计 原型制造与设计 生产制造的新产品开发过程是合理的 但是在开发的过程中 各阶段之间的独立性 在后一阶段的设计中会发现前一阶段设计中 的问题 这时就需要反馈进行修改 因此修改反馈的频率比较高 而且反馈的周期也比较 长 而并行设计由于是产品的开发阶段几乎是同时开始的 因此 反馈的周期会大大缩短 由于并行设计要求所有相关的技术人员都参与到产品的开发设计中 而且是几乎同时参与 到产品开发团队中 其中一个阶段的设计发生变化 其他阶段的设计人员也能几乎同时得 到相应的信息 因此 反馈的次数也会大大少于串行设计 概念设计详细设计过程设计 原型制造 与测试 生产制造 概念设计 详细设计 过程设计 原型制造 与测试 生产制造 减 少 反 馈 次 数 并行开发流程 串行开发流程 修改反馈频繁 产品结 构功能 对结构 功能 的改进意见 几何特征 工艺过 程解决 方案 定性定量可 行性评估 可加工性 经济 资金 评估 图 3 3产品开发的串行和并行方法比较 从以上的分析中可以明显的看出并行设计消除了 隔墙问题 能够缩短产品开发和生 产准备时间 加快新产品上市 降低成本 提高质量 保证产品功能的实用性 在并行设计实现的过程中 需要很多关键的技术 主要有以下几种 1 过程管理与集成技术 过程建模 过程管理 过程评估 过程分析 过程集成 过程建模是指对具体产品开发过程的抽象描述 用于分析 优化和建立产品开发活动 流程 最终用来辅助整个产品开发的管理和监控 过程管理是指对具体产品开发过程进行 监督和控制 用于把设计者从设计过程的计划和数据的管理中解脱出来 它使得设计者能 够集中精力进行创造性和开拓性设计 实现设计过程的自动化 提高产品的质量和开发进 度 2 团队技术 企业组织演变 IPT 的概念 组建 角色定义 管理模式 决策模式 3 协同工作环境 一个团队能否正常 高效地运作 协同工作环境是一个至关重要的因素 这里的环境 不仅指通常所说的硬环境 还包括软环境 硬环境主要指团队内的信息能准确顺畅交流的 硬件设施机器支撑系统 其为团队工作的运行提供了物质上的支持和最基本的保证 一般 来说 团队工作的硬件设施主要包括计算机设备 数据库设备机器管理系统 网络设备及 其协议 信息交流环境等 软环境是指团队内的文化氛围 是团队成功的关键 3 2 产品数据管理 产品数据管理 PDM 简介 简介 3 2 1 产品数据管理的产生产品数据管理的产生 计算机技术在企业生产运作中的广泛应用 导致了大量数据文档和其他形式的数据的 产生 还有各种各样的网络信息和数不清的电子邮件 形成了庞大的企业数据流 如图 3 4 数据量的增大 同时导致了数据类型的复杂度增高 例如各种 CAD Computer Aided Design 系统所产生的产品设计信息 有限元分析等应用程序所产生的工程分析结果 CAPP Computer Aided Process Planning 系统所产生的工艺信息 材料明细表 工程更改 单 不同版本的产品结构 各种零件族 过程管理信息 记录各种技术说明和管理要求的 文本文件 多媒体数据 等等 这些数据类型之间存在着广泛的分类 组合 继承和引用 关系 需要对它们进行全面的描述和管理 但用一般的数据技术很难作到这一点 企 业 生 产 过 程 CAD CAP CAO ERP CASE CAM BDE CAQ 数据库 数据库 数据库 数据库 数据库 数据库 数据库 图 3 4产品形成过程中的各种数据 在企业的生产运作管理中 企业会使用许多不同的 IT 工具 利用这些工具 可以在产 品的开发过程中 建立一个能完整描述产品的电子文件夹 如图 3 5 保存它们生成的各 种产品描述文档 但通常情况下 很少有应用系统能将其所生成的文件与一条数据记录在 逻辑上关联起来 通过该数据记录的属性 随时访问相应的文件 如果没有一种计算机支 持下的有效的 透明的管理手段 跨部门的信息处理过程需要经过很长时间的查询 同时 还会造成大量的信息损失 企业中大量的数据资源无法产生其应有的价值 造成很大的浪 费 总体设计 报告 QS 资料CAD 模型仿真模型CAD 工程图 安装说明 工艺过程 规划检验计划NC 程序物料清单FEM 结构 计算结果电子文件夹 图 3 5电子文件夹的生成 CAD CAPP CAM CAQ ERP 等应用系统在生产过程中的使用 提高了企业各种 技术 管理 制造过程的效率 改善了工作质量 增强了企业的竞争力 但由于各应用系 统只管理自己产生的数据 于是形成了一个个的信息处理孤岛 使得这些昂贵的投资无法 产生最高的收益 为了有效的实现产品的信息集成 实现各个应用系统的集成是最基本的 要求 另外 由于不同企业对数据管理的需求不同 需要在通用的数据管理系统的基础上 通过其提供的开发接口进行定制 以上几方面的原因 迫切需要开发一种有效 透明的管理技术 采用面向对象的技术 以其所提供的分解 组合和继承的特性来描述数据 实现对大量不同类型数据的层次化管 理 基于以上的思想 逐步产生了产品数据管理系统 3 2 2 产品数据管理的概念产品数据管理的概念 产品数据管理 PDM 是一门以软件为基础 管理所有与产品相关的信息 包括工程 规范 电子文档 扫描图像 CAD CAE CAM 文件 产品结构 产品定单 供应商状况等 和所有与产品相关的过程 包括工作流程 审批 发放过程 工程更改单等 的技术 它提 供产品全生命周期的信息管理 并可在企业范围内 为设计与制造建立一个并行化的产品 开发协作环境 PDM 将整个企业视为一体 能跨越整个工程技术群体 是促使产品快速开 发和业务过程快速转化的使能器 也是在分布式企业管理模式的基础上 与其它应用系统 建立直接联系的重要工具 PDM 常分为三个层次 企业图纸文档的电子化管理 企业部门 级的数据管理 企业级的数据管理 PDM 的基本原理就是在逻辑上将各个应用系统的信息化孤岛集成起来 利用计算机系统控 制整个产品的开发设计过程 通过逐步建立虚拟的产品模型 最终形成完整的产品描述 生产过程描述以及生产过程控制数据 如图 3 6 PDM 技术信息系统技术信息系统 CAD CASE CAOCAP CAQ CAM PDM 图 3 6集于 PDM 的系统集成 3 2 3 PDM 系统的体系结构系统的体系结构 PDM 系统的体系结构可分为四层 用户界面层 应用软件层 核心模块层 系统模块 层 如图 3 7 所示 用户 图示化用户界面 产品数据 集成工具 产品结构 模块编辑 工作流程 控制模块 电子 邮件 文档管 理模块 对象管理框架 数据管理系统 用户界面层 应用软件层 核心模块层 系统模块层 图 3 7PDM 系统的体系结构 1 用户界面层 用户界面是用户和系统之间的接口 PDM 系统提供给用户一个交互式的人机对话的图 形界面 以用户可接受的方式 将其所有的功能透明的体现出来 其中包括图示化的浏览 器 各种菜单 对话框等 用以完成用户的操作命令 向用户展示其所关心的产品数据信 息 以及接收用户的输入信息 通过 PDM 提供的图示化用户界面 用户可以直观方便地 完成管理整个系统中各种对象的操作 是实现 PDM 各种功能的手段 媒介 用户界面必 须拥有操作性较强的具有图形化的 Windows 风格 目前 图形工作站上采用的是 Motif Windows 操作系统 微机上采用的是 Microsoft Windows 操作系统 2 应用软件层 这一层是由一系列的 PDM 系统中对产品数据进行管理的应用软件模块和对产品数据 进行处理的应用软件系统组成 除了系统管理外 PDM 为用户提供的主要功能模块有电子 仓库与文档管理 人员组织管理 工作流程管理 零件分类及检索 工程变更管理 产品 结构与配置管理 集成工具等 3 核心模块层 提供了多种网络与数据库接口 使 PDM 系统的对象管理具有屏蔽异构操作系统 网 络 数据库的特性 用户在应用 PDM 系统的各种功能时 实现了对数据的透明化操作 应用的透明化调用和过程的透明化管理等 该层的功能是将不同的应用软件程序对产品数 据的处理要求进行中间转换 转换成系统模块可以接受的形式 4 系统模块层 主要提供数据库操作 操作系统的实用程序运行 网络的数据存取等功能 以目前流 行的关系数据库系统为 PDM 的支持平台 通过关系数据库提供的数据操作功能 支持 PDM 系统对象在底层数据库的管理 PDM 是作为企业级的管理工具 对与产品形成过程有关的数据和过程进行管理的技术 必须适用于异构的硬件和软件环境 为此 PDM 必须具有一个开放的 灵活的体系结构 才能满足对它提出的各种要求 PDM 的体系结构应具有以下特点 1 支持环境的灵活性 PDM 系统一般是以分布式网络技术 客户机 服务器结构 图形化用户接口及数据库 管理等技术作为它的环境支持 多种应用系统与底层环境的信息交流是通过不同接口来实 现的 如中性的操作系统接口 中性的数据库接口 中性的图形化用户接口以及中性的网 络接口等 从而保证 PDM 系统可以支持多种类型的硬件平台 操作系统 数据库 图形 界面及网络协议 并且在分布式环境下 上述硬件平台 操作系统 图形界面和网络协议 中的不同类型可以并存 但数据库必须是唯一的 2 PDM 功能的可定制性 PDM 产品采用面向对象的建模方法和技术来建立系统的管理模型与信息模型 并提供 对象管理机制以实现产品信息的管理 使得 PDM 系统越来越开放 同时 PDM 系统所提 供的一系列开发工具与应用接口使用户能方便的定制或扩展原有的标准数据模型 增加新 的应用功能 存取相关信息 以满足用户对 PDM 系统的不同应用需求 3 PDM 功能模块的可分性 由于 PDM 系统采用客户机 服务器结构 并具有分布式功能 如图 3 8 企业在实施时 可以从单服务器开始 逐步进行扩展 用户在选用功能模块时 除必须模块外 其他模块 可根据需要进行增减 4 PDM 的集成功能 PDM 系统提供中性的应用接口 把外部应用系统封装或集成到 PDM 系统中 作为 PDM 新增的子模块 使外部应用系统与 PDM 系统之间建立起非常紧密的关系 并可以在 PDM 环境下运行 这样就能更有效地管理由应用系统产生的各种数据 使用户和应用系统 之间的数据交流更加方便和高效 用户 2用户 1用户 3 工作组服务 器 协同 服务器 工作组服务 器 工作组服务 器 用户 4用户 5用户 6用户 7用户 8用户 9 图 3 8PDM 系统的分布式客户机 服务器结构 3 2 4 PDM 的基本特征的基本特征 PDM 系统是利用模块化的结构对产品的整个形成过程进行控制 并对该过程中形成的 或需要处理的数据和文档进行管理 因此 PDM 系统的基本特征就是进行数据管理 过程 管理和系统集成 1 数据管理 PDM 的数据管理是从数据的安全性和数据的质量两方面对企业中的庞大数据进行有效 的管理 对产品信息和其他业务数据的管理是 PDM 系统的核心任务之一 产品信息由基 本数据和各种不同的文档组成 为了方便对各种与产品有关的信息进行描述 一般根据信 息的特点将它们分成业务对象 Business Object 和数据对象 Data Object 两类 业务对象用来描述某个事物 如零件 部件 项目 顾客等 或定义组织方面的信息 数据对象则被用来控制文件或索引表 包括一条描述文件或索引表属性的数据记录和指明 其在计算机网络中存储位置的指针 数据对象由两部分组成 即所描述的属性 元数据 和对应的文件或索引表 物理的数据 业务对象和数据对象的元数据由一个受 PDM 系统 控制的数据库管理系统 DBMS 进行管理 通过一个联系对象 可以将某个业务对象与 数据对象 在逻辑上关联成一个整体 图 3 9 表示了一个 PDM 系统中的数据管理的例子 图号 版本号 处理状态 名称 工程图 基本记录 联系 工程图 第 1 页 工程图 第 2 页 图号 处理状态 名称 材料 页号 图 3 9业务对象与数据对象的联系 2 过程管理 过程管理又称为工作流管理 是 PDM 系统的第二项主要任务 过程管理的任务是对 整个产品形成过程进行控制 并使该过程在任何时候都可以追溯 实施过程管理 必须建 立一个包括产品形成过程中所有重要特性的过程模型 确定过程的结构 每一个过程 都 包括若干的过程步骤 每一个步骤都对应一个完成指定功能的活动 同时 过程结构还描 述了各个过程步骤在逻辑上的先后顺序 见图 3 10 过程 步骤 1步骤 2步骤 3步骤 n 活动 1活动 2活动 3活动 n 图 3 10过程的结构 过程管理主要用来对复杂的更改和发放过程进行管理 图 3 11 表示一个简单的更改和 发放过程 每一个功能完善的 PDM 系统都具有类似的处理过程 更改 工程图 检验并发 放工程图 冻结 工程图 通知使用 该工程图 的所有用 户 通知项目 负责人 失 败 失 败失 败 失败 任务清单 图 3 11一个更改设计的例子 3 系统集成 PDM 系统要在真正意义上实现对所有应用系统中的产品数据进行管理 首先必须将各 种不同应用系统所产生的数据组织成一个有机的整体 这是 PDM 系统的核心任务 而要 完成这一任务 PDM 系统必须与所有有关的应用系统紧密的集成在一起 也就是在各个信 息化孤岛之间架起连接的桥梁 如图 3 12 PDM CADCADCAQCAMCAPERPCASE MRP 图 3 12PDM 系统与应用系统的集成 3 3 产品数据管理的主要功能产品数据管理的主要功能 PDM 系统为企业提供了管理和控制所有与产品相关的信息以及与产品相关过程的机制 与功能 按系统功能模块划分 PDM 的功能可划分为文档管理 零件管理 产品结构和配 置管理 工作流管理 项目管理 应用集成 用户管理等 其中前五项功能是 PDM 系统 应具备的基本功能 3 3 1 文档管理文档管理 1 文档的分类和管理的对象 文档就是以文件或图档的形式存在的各种与产品相关的信息的统称 根据不同的分类 标准 可以将文档分为不同的类型 如按照文件的来源进行划分 可以分为设计文档 生 产文档等 按照文档的动静态特征进行划分 可以分为静态文档 动态文档等 其中比较 常用的是按照文档存在的状态进行划分 将其分为文本文件 数据文件 图形文件 表格 文件和影像文件 见表 3 l 表 3 1 文件类型分类 分类特征例子 文本文件以文字为主 描述产品性能的文件产品说明书 设计任务书 数据文件描述产品的以数据为主的文件性能测试报告 有限元分析文件 图形文件描述产品及其零部件的二维 三维图各种 CAD 工具生成的文件 表格文件描述具有类似属性的零部件和结构关系材料明细表 影像文件为了某种特殊用途而生成的多媒体文件生产指导中的多媒体文件 客户服务中的多媒体文件 2 文档管理的方法 文档在 PDM 中可以用两种方法进行管理 一种将文档进行 打包 管理 即将文档 整体看作一个对象 规定其名称 大小等属性信息 并将这些信息放到 PDM 数据库表中 而文档的物理位置仍然在操作系统的目录下 由 PDM 提供管理该文档的机制 另一种是 将文档内容打散 将其内容分类存放到数据库中 由 PDM 提供分类查询 或建立其与其 他数据库中对象的关联 并提供图示化的管理工具 1 文档的查询与浏览 在 PDM 系统下 用户可以根据文档的类型 名称 状态 所属的项目 文档所有者 等属性对文档进行查询 同时也可根据文档与零部件的关联指针 查询该文档描述的零部 件的情况 对文档的浏览 既可以进行总体浏览 只查看文档的属性概况 也可以利用 PDM 系统的文本编辑器打开该文本文件 浏览文件的具体内容 并在权限许可的范围内对 文档进行直接修改 在有其他载体编辑器的情况下 还可以浏览图形文件 多媒体文件等 文档的浏览和搜索功能可以使用户方便 快捷的查询并获得所需的技术资料 减少或 杜绝重复设计 从而可大大缩短产品的开发时间 节约大量企业信息资源和资金 2 文档的分类管理 PDM 系统通过对虚拟文件夹的分类管理来完成对各类文档的分类管理 与普通文件夹 不同 虚拟文件夹并不是用来保存文档的 而是对文档进行分类管理的工具 其中并没有 物理的文档 只有与物理文档相关联的应用指针 指向某一个文档 每一个虚拟文件夹还 可以包括其他的虚拟文件夹 其结构如图 3 13 所示 文件夹 52A 文件夹 52 44A 文件夹 52 55A 文件夹 52 44 66A 文件 1文件 2文件 3 文件 5文件 4 图 3 13文件夹的结构 一个文件夹可以包含多个文件 一个文件也可同时存在于多个文件夹中 产品和零部 件可以有多个文件夹 这些文件夹管理着多个不同的文件 通过建立文件与零部件之间的 关联指针 就可实现多产品不同文件的分类管理 3 文档的版本管理 产品数据在产品的整个生命周期内 经常需要进行修改 每一次的修改 都会形成一 个新的文档 对前阶段文档的修改 将间接影响后阶段数据 文档的变化 因此 相应的 就出现了如何保证前后数据一致性的问题 PDM 的版本管理 将文档的每一次修改设置为 不同的版本 通过与之关联的文件夹 建立不同版本间的对应关系 就能保证在特定的时 间对应特定有效的数据 3 电子仓库 电子仓库 Data Vault 是指在 PDM 中实现某种特定数据存储机制的元数据 管理数 据的数据 库及其管理系统 它保存所有与产品相关的物理数据和文件的元数据 以及指 向物理数据和文件的指针 该指针指定存放物理数据的数据库记录和存放物理文件的文件 系统与目录 如图 3 14 所示 文件系统 与目录 元数据库物理数据 数据库 图 3 14电子仓库 PDM 通过建立元数据与物理数据的联系 并将这种联系与元数据保存在电子仓库中 从而达到快速检索与节省存储空间的目的 用元数据对物理文件进行管理 只需将文件的 描述信息 如文件名 文件长度 类型 创建日期 版本 所有者以及存取路径赋给元数 据 同时建立与该物理文件的链接 就能保证元数据与相应物理文件的对应关系 通过元 数据就能找到所需的文件 而不必了解文件的物理位置 元数据与物理文件的关系就好比 传统资料室中的 目录卡片 与文件资料的关系一样 通过查阅 目录卡片 就能快速找 到文件资料 通过内部链接 又可以很快得到所需文件 换句话说 系统屏蔽了对象操作 所包含的数据信息的传递工作 PDM 通过将文档放置于不同的电子仓库中 对不同的用户赋予不同的操作权限 使得 他们只能在规定的权限下处理规定范围内的文档 保证各类文档不被非法盗用和修改 从 而保证文档在计算机中的安全性 其次 PDM 可以将提供给其他用户共享的文档放置于专 门的共享电子仓库中 只有对共享电子仓库具有查询权限的用户才能看到相关的资料 此 外 为了防止意外事故造成不必要的损失 系统还提供定期数据备份的功能 4 电子仓库在文档管理中的作用 PDM 中电子仓库的引入 使文档的分布式管理与共享得以实现 当存储文档时 首先 必须进行用户权限审查 只有在操作权限范围内的用户才能执行文档的存储操作 这时文 档的元数据将存入元数据库中 具体文件则放入指定的某一文件系统的相关路径中 而打 散的物理数据则放入指定的数据库中 读取操作与存储操作相反 用户在自己的计算机上 就可以读取他需要的文档 而不需要知道文档的具体存放地点 如图 3 15 所示 电子仓库用户 权限库 数据库 文档 文件路径 1文件路径 2 图 3 15电子仓库对文档的管理 3 3 2 零件管理零件管理 零件是产品开发和设计工作的核心 包括零件 部件 组件和任意不可再分的产品 对零部件的管理是通过对零件的分类管理完成的 零件分类管理就是将企业的零件按照相似性 如结构形状相似或制造工艺相似等 原 则划分成若干类 分别加以管理 零件的分类管理技术很多 其中最为典型的技术为成组 Group Technology GT 技术 成组技术的核心就是识别和利用事物的相似性 按照一定 的原则 将具有相似性的事物分为一类 从中找出该类中的典型事物加以研究 总结出该 类事物存在的内在规律 或制定出处理它们的一般原则和方法 以便在以后遇到该类事物 时能够避免不必要的重复劳动 1 零件分类 通常的零件分类方法主要有视检法 生产流程分析法 分类编码法 其中分类编码法 最科学 适用 得到的分类质量最高 PDM 系统的零件分类采用的就是分类编码法 零件分类编码法是一种层次分类法 其基础是一个树状的结构 如图 3 16 所示 这一 方法是将零件的结构特征和工艺信息用一系列的代码 分类码 来表示 按照分类码来区 分不同的零件 图 3 16 中将零件按照一定的分类规则 区分为标准件 自制件和外购件 在标准件 自制件下继续分类 从而建立零件的分类层次结构模型 通过分类层次结构树可以快速查 到相应的零件 并可查到零件属性的特征值 见表 3 2 表 3 2六角螺钉属性的特征值 零 件螺纹直径 mm 螺纹长度 mm 杆长 mm 头径 mm 头高 mm 材料 GB001 03 01436508 53L11 GB002 03 0173640115 3L12 GB003 03 016375094 5L11 零件的代码包括两部分 零件的标识码和分类码 标识码必须是唯一的 如 GB001 GB002 分类码反映的是某一类零件的特点 描述了零件的功能 结构 形状 生产工艺等信息 如 03 01 可以不唯一 在分类管理中 二者必须结合起来使用才有效 自制件 支架零件轴类零件盘类零件 企业零件 标准件 其他连接件连接件 垫圈螺纹件 螺钉螺栓螺柱螺母 六角螺钉地脚螺钉 GB001GB002GB003 图 3 16零件分类结构树 红 36 采用分类编码 可以达到自动检索零件的目的 在利用 CAD 软件和相似件图库进行 成组设计时 可以减少相似零件的数目 避免零件的重复设计 减少设计和绘图的工作量 利用分类编码方法进行成组工艺设计时 可由计算机自动生成工艺 节约了大量重复性的 劳动 提高了工艺设计水平 2 零件分类管理的功能 零件分类管理的主要目的是对已有的设计信息 包括产品及其相关的文档信息 进行 归类管理 在产品的设计开发过程中 采用零部件重用策略 既尽量用已有的零部件 设 计开发出新产品 而不轻易发明新的零部件 PDM 零件分类管理的基本功能有 检索功能 PDM 用户可以按照零件族的所有特征参数 属性 检索或查询相关的零 部件 同时也可以按照单个特定参数或几个属性进行检索 查询的结果不仅可以直接显示 零件族中所有的零件 并查到零件的分类特征属性 更重要的是对于利用 PDM 检索得到 的零部件还能同时提供相应的 CAD 几何图形及相关的数据 文档 使该零部件可直接用 于后续阶段的工作 建立零件 文档对象与零件族的关系 PDM 系统提供建立零件 文档对象与零件族 的关系的手段 将已有零部件或新设计的零部件与相应的零件族及文档联系起来 一旦发 现零件被错误地划分到某零件族中时 还应有对零件 零件族关系进行修改编辑的处理方 法 提供标准接口 由于企业中的分类模式不尽相同 PDM 无法提供一个满足所有企业 需求的零件分类模型 于是就需要提供一个标准接口 使用户能通过该接口开发出符合各 企业自身需要的分类模型 同时还应提供对零件族属性进行处理的标准接口 允许用户修 改已有属性或自定义新的属性 3 3 3 产品结构管理产品结构管理 产品是由一系列相互独立的 但却有关联性的零件和部件按照特定的装配关系组装起 来的 零件是不可再分的 而部件则是由一组相互关联的零件或子部件构成的 反之将产 品进行分解 必定会将之分解成多件零件和部件 然后部件再进行分解成 直到拆成无法 再分的零件为止 这样的一种分解过程 就形成了一种分层树状结构 称为产品结构 树 在产品结构树中根节点代表产品 或部件 枝节点和叶节点分别表示部件 或子部件 零件 产品结构管理主要包括产品结构层次关系管理 基于文件夹的产品 文档关系管理和 版本管理等 1 产品结构层次关系管理 产品结构层次关系管理主要是通过维护组成某产品的各零部件之间的层次关系 完成 对它们的基本属性的管理 利用 PDM 系统提供的这种产品结构层次关系管理功能 PDM 用户可以方便 快捷的查询到各自所需的所有与产品相关的零部件信息 图 3 17 是一个表示产品结构及其零部件基本属性的简单例子 可以看出 产品结构树 清楚而又简洁有序的展示了产品零部件之间的层次关系 同时还描述了每个节点中零件 部件的基本属性 在 PDM 中要进行零部件查询时 可通过相应的产品结构树 根据所给 的单个属性或多个属性的组合 沿着不同的分支 就可快速查到相关零部件的详细信息 随着产品复杂度的不同 产品结构树的层次数也不同 一般少则两三层 多则六七层 在查询中 PDM 用户可以自由选择结构树的分解层次数 展开自行设定的层次中的零部件 在需要时可以输出相应的材料明细表 Bill of Material BOM 产品材料明细表集中反映了 产品结构的汇总信息 它描述了产品结构中各零部件的这种层次关系 每个零件的数量 材料 自制件还是外购件等信息 标识码 名称 产品 部件 1部件 2零件 1零件 2 部件 21部件 22零件 21零件 22 图 3 17产品结构树及其基本属性 2 基于文件夹的产品 文档关系管理 在 PDM 系统中 产品 部件 零件等对象与文档之间没有直接的联系 而是通过文 件夹将二者连接起来的 并且通过文件夹的分类管理来实现对各种不同文档 如图纸 数 据文件等的分类管理 图 3 18 表示了对象 文件夹 文档的关系 零件 部件 文件夹 文件夹 文档 文档 文档 图 3 18对象 文件夹 文档间的关系 3 版本管理 产品的开发设计过程往往不可能一次性成功 为了排除设计过程中的问题或对产品进 行改进 需要对设计中产生的各种数据进行不断的编辑修改 因而形成了同一个对象的多 个版本 为了对多个不同的版本进行区分 PDM 系统会根据版本产生的时间顺序 自动的 赋予每个版本一个版本号