離散制造業(yè)產(chǎn)品全生命周期管理PLM應(yīng)用研究

王鴻儒

(太原重工 技術(shù)中心，山西　太原　030024)

0　引言

離散制造業(yè)在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)期占據(jù)重要位置，但是傳統(tǒng)的離散型制造企業(yè)在創(chuàng)新能力、生產(chǎn)效率和效益、生產(chǎn)模式、信息化建設(shè)、研發(fā)能力等方面仍有待提高，這些因素制約著智能制造模式在我國(guó)工業(yè)中的快速發(fā)展[1-2]。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)PDM技術(shù)已在很多制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。由于離散制造行業(yè)產(chǎn)品品種多、批量小，在離散制造行業(yè)中產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM的功能依然以管理設(shè)計(jì)圖紙模型數(shù)據(jù)為主。

隨著智能制造的提出和相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)PDM已無(wú)法滿足離散制造行業(yè)的發(fā)展。作為PDM的擴(kuò)展，產(chǎn)品生命周期管理PLM已成為企業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。離散制造行業(yè)基于訂單進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，出錯(cuò)率高，同時(shí)仿真復(fù)雜，設(shè)計(jì)與產(chǎn)品使用脫節(jié)，產(chǎn)品交付后往往難以追蹤。通過(guò)PLM平臺(tái)的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝仿真、制造一體化，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)質(zhì)量得到大幅提升，產(chǎn)品升級(jí)改進(jìn)周期大大縮短。

1　產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)的架構(gòu)

現(xiàn)代產(chǎn)品生命周期管理平臺(tái)中的內(nèi)容相當(dāng)豐富，為智能制造提供了許多信息化工具，其主要功能如圖1所示。

圖1　產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)功能范圍

工廠層：通過(guò)對(duì)工廠整體工藝規(guī)劃、生產(chǎn)設(shè)備布局、生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，確保產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。離散制造由于生產(chǎn)節(jié)拍不一致，各生產(chǎn)工位之間、生產(chǎn)工位與物流系統(tǒng)之間都需要協(xié)同，因此在建廠或者工藝改造時(shí)，應(yīng)充分考慮各種因素，避免工廠工藝節(jié)拍失調(diào)和投資浪費(fèi)。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)層：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)利用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)成本控制、產(chǎn)品性能仿真等手段，在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，并從設(shè)計(jì)端控制設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成本管理功能。

工藝設(shè)計(jì)層：工藝包含結(jié)構(gòu)化三維工藝、三維加工仿真、三維裝配仿真等內(nèi)容。通過(guò)結(jié)構(gòu)化的三維工藝，將工藝數(shù)據(jù)傳遞給下游MES系統(tǒng)，指導(dǎo)各工位按工藝要求進(jìn)行相應(yīng)工序內(nèi)容。通過(guò)三維加工仿真與三維裝配仿真，確保產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的合理性和準(zhǔn)確性。

制造層：將制造所需數(shù)據(jù)通過(guò)WEB、3D-PDF等形式進(jìn)行分發(fā)展示，使得車間生產(chǎn)員工更直觀地看到產(chǎn)品和工藝內(nèi)容，將工藝人員編寫的加工程序發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備的最終程序保存至PLM系統(tǒng)。

售后層：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不斷改進(jìn)，通過(guò)售后數(shù)據(jù)的整理分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品售后追蹤，解決產(chǎn)品存在的問(wèn)題，進(jìn)行更新?lián)Q代。

平臺(tái)層：通過(guò)項(xiàng)目管理、資源庫(kù)管理、知識(shí)庫(kù)管理、BOM管理、協(xié)同管理以及集成接口等，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與設(shè)計(jì)分析工具軟件以及各系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并對(duì)平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔分析，保證數(shù)據(jù)傳遞的正確性和及時(shí)性。與此同時(shí)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)到制造、企業(yè)外部上下游企業(yè)對(duì)模型的重用和同一平臺(tái)協(xié)同，達(dá)到提質(zhì)增效和知識(shí)積累的目的。

2　數(shù)字孿生模型的發(fā)展與應(yīng)用

隨著PLM技術(shù)的不斷發(fā)展，西門子公司提出了數(shù)字孿生模型的概念。數(shù)字孿生模型不是一種全新的技術(shù)，它具有現(xiàn)有的虛擬制造、數(shù)字樣機(jī)等技術(shù)的特征，并以這些技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)，如圖2所示。虛擬制造技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工和裝配、檢驗(yàn)、使用及回收整個(gè)生命周期的模擬和仿真，從而無(wú)需進(jìn)行樣品制造，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就可以模擬出產(chǎn)品及其性能和制造流程，以此來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造流程，優(yōu)化生產(chǎn)管理和資源規(guī)劃，達(dá)到產(chǎn)品開發(fā)周期和成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的最優(yōu)化和生產(chǎn)效率最高化，從而形成企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3]。

圖2　數(shù)字孿生模型示意圖

將數(shù)字孿生模型應(yīng)用于離散制造業(yè)，建立基于模型的企業(yè)(Model Based Enterprise，MBE)，是滿足離散制造多品種、小批量的制造新模式。MBE在整個(gè)企業(yè)以及上下游的供應(yīng)商之間建立一個(gè)集成的工作環(huán)境，各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)均在全三維產(chǎn)品定義的基礎(chǔ)上開展工作，有效地縮短了整個(gè)產(chǎn)品的研制周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在MBE技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理各環(huán)節(jié)所使用的數(shù)據(jù)全部在三維模型上體現(xiàn)，使產(chǎn)品工廠數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征增強(qiáng)，數(shù)字化程度不斷提高。

MBE建立在全三維產(chǎn)品定義上的集成和協(xié)同環(huán)境，并能在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)共享，保證從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的快速性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)可承受性。MBE使下游用戶在三維模型基礎(chǔ)上增加3D產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)，以保證模型重用的準(zhǔn)確性。模型中包含產(chǎn)品需要的所有信息，可以被非設(shè)計(jì)人員查閱或自動(dòng)提取信息，取代傳統(tǒng)的圖紙文檔。企業(yè)將其在產(chǎn)品生命周期所需要的數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)進(jìn)行整理，結(jié)合信息系統(tǒng)，建立便于系統(tǒng)繼承和應(yīng)用的產(chǎn)品模型和過(guò)程模型，通過(guò)模型進(jìn)行多學(xué)科、跨部門、跨企業(yè)的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)、制造和管理，通過(guò)模型支持技術(shù)創(chuàng)新、大批量定制和綠色制造?；谀Ｐ停麄€(gè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理、敏捷制造和知識(shí)共享。

3　產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)與其他系統(tǒng)的集成

產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)與其他主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成內(nèi)容如圖3所示。

PLM與客戶關(guān)系管理(Customer Relationship Management，CRM)系統(tǒng)的集成：客戶可實(shí)時(shí)了解項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，根據(jù)技術(shù)協(xié)議中的節(jié)點(diǎn)時(shí)間審查項(xiàng)目重要資料，并對(duì)評(píng)審結(jié)果進(jìn)行記錄；項(xiàng)目交付時(shí)，可以通過(guò)系統(tǒng)直接將項(xiàng)目交付資料進(jìn)行發(fā)送。

PLM與企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)的集成：ERP系統(tǒng)將訂單信息中與設(shè)計(jì)相關(guān)的關(guān)鍵信息發(fā)送給PLM平臺(tái)生成設(shè)計(jì)項(xiàng)目，PLM平臺(tái)將設(shè)計(jì)結(jié)果中的工藝路線和產(chǎn)品BOM發(fā)送至ERP系統(tǒng)進(jìn)行MRPII運(yùn)算，保證項(xiàng)目按計(jì)劃節(jié)點(diǎn)順利進(jìn)行。

圖3　產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)系統(tǒng)集成

PLM與供應(yīng)商關(guān)系管理(Supplier Relationship Management，SRM)系統(tǒng)的集成：可以讓供應(yīng)商在PLM平臺(tái)中進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)供應(yīng)商的設(shè)計(jì)進(jìn)度與設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行審查和考核，同時(shí)對(duì)供應(yīng)商的交付資料進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證供貨質(zhì)量。

PLM與制造執(zhí)行系統(tǒng)((Manufacturing Execution System，MES)的集成：將基于模型的工藝指導(dǎo)書下發(fā)到車間各工位，內(nèi)容可以是PDF、網(wǎng)頁(yè)、視頻，充分展示工藝內(nèi)容；PLM中CAM編寫的NC程序可以通過(guò)MES傳遞到數(shù)控設(shè)備，并將數(shù)控設(shè)備修改過(guò)的NC程序傳回PLM進(jìn)行備份留檔；同時(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題可以通過(guò)PLM反饋到設(shè)計(jì)人員，幫助產(chǎn)品改進(jìn)。

PLM與售后平臺(tái)系統(tǒng)的集成：售后平臺(tái)將產(chǎn)品運(yùn)行記錄的分析結(jié)果、故障信息分析結(jié)果以及產(chǎn)品的實(shí)時(shí)運(yùn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄通過(guò)PLM平臺(tái)傳遞給產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)人員，促使產(chǎn)品研發(fā)的不斷進(jìn)步。

4　結(jié)論

隨著智能制造的高速發(fā)展，越來(lái)越多的信息化系統(tǒng)加入到智能制造的框架當(dāng)中。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性成為制約各信息化系統(tǒng)順暢運(yùn)行的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的源頭和唯一數(shù)據(jù)源，其重要性不言而喻。通過(guò)不斷加強(qiáng)產(chǎn)品全生命周期管理平臺(tái)的功能和數(shù)據(jù)范圍，并對(duì)細(xì)節(jié)功能和系統(tǒng)集成不斷完善，才能為智能制造的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供數(shù)據(jù)保障，為企業(yè)知識(shí)積累提供數(shù)據(jù)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯建農(nóng)，李德華，陸鳴，等.PLM技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015(19)：97.

[2]孫帥.淺談產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)在制造業(yè)應(yīng)用的必要性[J].黑龍江科技信息，2016(23):295.

[3]陳明，梁乃明，方志剛，等.智能制造之路：數(shù)字化工廠[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.