PLM技術及其在小五金制造業的應用

彭曉君，張貴林，鄧洪超，張　建

（肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶　526061）

PLM技術及其在小五金制造業的應用

彭曉君，張貴林，鄧洪超，張建

（肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶526061）

通過理解“工業4.0”對未來制造業的要求，并分析PLM的應用需求，建立了基于PLM的設計、生產、銷售一體化模式.使用UG NX參數化設計軟件的CAD、CAE、CAM、CAPP無縫連接，以數據流動作為工業活動的驅動，可以使我國小五金企業迅速響應市場需求的變化，保持生產力的發展，在國際市場獲得更多的生存空間.

小五金制造業；工業4.0；PLM；UG NX

0　前言

2008年，美國總統奧巴馬提出讓制造業回歸，試圖通過提供大量的就業崗位，緩解美國國內的經濟危機.隨后，歐美國家紛紛響應美國提出的“再工業化”策略，全球制造業格局迅速改變，我國多年來擁有的低勞動力成本的優勢逐漸喪失.2012年，德國提出“工業4.0”的概念，推動了第4次工業革命的開始，其宗旨在于利用德語區制造業的穩固基礎，進一步推動工業的高端發展，在此背景下，我國制造業大而不強的劣勢將會日益突出.小五金歷來是我國的傳統產業，近年來，我國五金行業以每年15%的增長速度平穩發展，年總產值達1 800億元，出口達80億美元，出口額排在輕工業的前3位［1］.我國小五金制造業的資源優勢主要是依靠低廉的勞動力，面對第4次工業革命的迅速發展，這種優勢將逐步減少直至喪失，依靠低端的生產資料、落后的生產管理模式、漫長的產品研發生產周期以及匱乏的中端技術人才，企業將無法在新一輪的國際市場沖擊中立于不敗之地.根據企業現有的生產基礎，我們應利用互聯網、物聯網整合現有生產資源，通過引入PLM（product lifecycle management，產品生命周期管理）技術，逐步完善智能工廠、智能生產、智能物流的體系建設.若能做到這些，就可以使我國的小五金制造業在短時間內優化生產設備，改變產品的研發和生產周期，在盡量降低勞動力資源成本的前提下，提升產品檔次，提高我們參與國際競爭的實力與能力.

1　PLM技術

1.1PLM技術的含義

PLM主要針對產品從創建、使用到終結的整個生命周期過程.首先是要有效地利用產品信息數據，對從事產品研發、制造的企業內部資源進行協同管理，同時要將分散的資源進行高效整合利用，通過信息技術，無縫地連接產品的市場調查、研發、試制、試產、量產、質量控制、售后服務、改進等環節.

PLM技術包含了以下3個方面的內容：

1）CAX軟件.CAX軟件是指CAD（computer aided design，計算機輔助設計）、CAE（computer aided engineering，計算機輔助工程）、CAPP（computer aided process planning，計算機輔助工藝設計）、CAM（computeraided manufacturing，計算機輔助制造）等直接為產品提供技術數據服務的企業內部工程軟件.

2）cPDM軟件.cPDM（collaborative product definition management，協同產品定義管理）軟件，主要提供跨企業的協同工作環境.

3）基于CAX、cPDM的咨詢服務.或許可以簡單地對其進行如下解讀：CAX軟件面向企業內部；而cPDM軟件面向企業外部.

本研究主要針對制造小五金的中小企業，這類企業的產品生產過程基本上是獨立的，因而本文著重討論CAX軟件的應用.

1.2PLM在工業生產中的作用

PLM貫穿了產品設計、生產規劃、生產工程、生產實施、生產服務等整個工業生產過程，而且還提供了一個無需實物即可虛擬產品、優化設計的環境.工業4.0中，將PLM軟件的使用提到了極高的地位.德國技術科學協會提出：“物理信息融合系統（嵌入式系統）將徹底改變制造業、交通業和醫藥業.”物理信息融合系統，不只是將軟件植入產品，其更重要的一層意義是以信息技術為手段，在硬件生產資料基礎上進行資源整合，形成嵌入式的生產系統.菲爾達芬工業峰會——系統領導2030年的發起人、組織者烏爾里?！ど吕?，甚至提出了系統生命周期管理（SysLM）的概念，更為深刻地說明了PLM在未來工業中的關鍵作用［2］.

1.3UG NX

UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案，它為用戶的產品設計及加工過程提供了數字化造型和驗證手段.2009年，NX 7.0引入了“HD3D”（三維精確描述）功能，即一個開放、直觀的可視化環境，它有助于全球產品開發團隊充分發掘PLM信息的價值，并顯著提升了其制定卓有成效的產品決策的能力［3］.美國航天局最新的火星探測器的研發與制造過程，就是在UG NX環境中完成的.

UG NX包含了CAD（工業設計、產品設計、模具開發）、CAE（仿真優化）、CAM（數控加工）等集成模塊，為從事工業生產的企業提供統一的解決方案及可控的管理開發環境，是非常符合小五金制造業使用的PLM軟件.筆者將以UG NX為例，分析PLM技術在小五金制造業的應用.

2　小五金制造業對PLM的需求

2.1小五金制造業的原有優勢

在之前的20多年中，我國小五金制造業的產量為世界之最，其原因主要可以歸納如下：

1）產品精度要求低，傳統設備能夠滿足生產需要；

2）產品單一，新產品研發過程簡單；

3）勞動力成本低廉；

4）國內市場需求大.

2.2小五金制造業面臨的挑戰

隨著國際市場的開拓和國外生產力的提高，我國小五金制造業的優勢正在逐步減弱甚至喪失，究其原因主要有以下幾點：

1）產品系列單一，缺乏國際市場競爭力.我國居民對建筑裝修及家居所用的小五金產品要求不高，主要追求質量可靠，極少考慮使用的舒適性及美觀性；但是在國外市場尤其是歐美市場，客戶往往在考慮產品高質量的前提下，還有更多的美學、人體工學等附加要求.以櫥柜門撐為例，國內客戶主要要求門撐能起到良好的支撐作用，并能夠多次開合；但是歐美市場的客戶除了上述要求外，還要求門撐具有阻尼特性，要能防止柜門打開時的彈性沖擊，甚至對柜門打開的角度、方向都有要求，其目的是使空間利用更為合理.PLM提供了部分國外產品的設計及使用標準，國內企業完全可以在此基礎上形成數據庫，生產系列化的產品，提高市場競爭力.

2）生產設備落后，產品精度低.由于小五金產品的機械加工精度要求不高，傳統的機床基本能滿足其要求，所以目前國內絕大部分企業還是使用普通的機床；但是面對需求不斷變化的市場，普通機床對新產品適應性差的缺陷愈發凸顯.近年來，由于勞動力成本的不斷提高，部分企業已逐步開始使用數控機床，甚至引入了機械手，企業試圖通過生產線的自動化改造以降低勞動力所需的成本比例.在這樣的背景下，PLM技術的應用具有了一定的硬件基礎.

3）缺乏新產品的研發經驗及技術積累.我國小五金產品在一定程度上存在著對國外產品的復制，這使得企業缺乏新產品研發的經驗，設計規范、技術人員培養等方面的經驗尤顯不足.采用PLM技術可以使企業迅速地形成產品研制的新規程，極大地縮短研發周期.

4）勞動力成本迅速提高.國內制造業勞動力資源短缺、勞動力成本增加已是不爭的事實.PLM技術在縮短產品研發周期的同時，能夠無縫連接生產過程，在一定設備的支持下，能大幅度降低勞動力的使用數量.

2.3小五金制造業實施PLM的可行性

2.3.1具備信息化平臺

在2000年以后，國內眾多企業根據自身的生產特點，建立了信息化管理平臺.這種管理平臺經過不斷的完善，已成為產品設計、生產、銷售、服務等各部門工作中不可或缺的重要組成部分.

2.3.2數據資源需要統一

企業的信息化建設過程主要以各職能部門軟件系統的使用為建設標志，各部門的數據管理不統一，信息管理的高效性就無法在整個企業內部體現.PLM可以通過對部門之間數據的統一管理，完善管理系統的信息化.

2.4小五金制造業對PLM的總體要求

小五金制造業對PLM的總體要求主要如下：

1）能及時響應市場需求，盡可能縮短生產周期；

2）電子數據在保存、應用、共享、安全等方面具有統一的規范及標準.

2.5小五金制造業對PLM的功能要求

制造業對PLM的功能要求具有普遍性，需要在設計、生產、銷售使用、完善發展等產品各個生命階段具有管理功能.

3　小五金制造業的PLM系統架構及技術特點

圖1　軟件系統結構

3.1PLM在制造業應用中的軟件系統架構

PLM軟件系統架構特點是通過網絡整合資源建立一體化的集成系統，允許在異構平臺上實現多個應用軟件.PLM在制造業應用中的軟件系統結構圖如圖1所示.

3.2PLM的網絡拓撲結構

PLM系統的硬件結構特點如下：需要同時滿足企業網絡內部工作人員和外部銷售人員、售后服務人員及客戶的使用.PLM的網絡拓撲結構見圖2.

圖2　PLM的網絡拓撲結構

4　PLM在小五金制造業應用的關鍵技術

4.1PLM的工業生產過程分析

PLM的工業生產過程是一個集成的循環過程，應盡量通過較少的軟件平臺，將各個工業環節無縫連接在一起，每個環節的數據對其他環節是開放的并相互影響的.最重要的是要將產品的生命周期演化成一個循環過程，這樣即使產品壽命結束，還是會對新產品產生一定的影響，如圖3所示.

圖3　PLM的工業過程

4.2數據流分析

在PLM中，數據的流動直接決定了周期發展的有效性.UG NX的參數化設計提供了各環節統一的數據標準，形成了無縫連接形式.各部門的工業活動均受到數據的觸發，并產生新的數據影響其他部門的活動.基于PLM的小五金生產數據流分析見圖4.

圖4　基于PLM的小五金生產數據流分析

4.3UG NX建立的小五金制造業的PLM方案

在小五金設計、生產過程中，可使用UG NX建立產品生命周期方案.首先使用CAD模塊設計產品，然后進行CAE的裝配及仿真，檢驗設計是否符合市場需求；使用CAPP進行工藝的分析設計，為鈑金件設計模具并進行成形分析，為鑄造件設計模具并進行模流分析；對于使用數控機床加工的產品零件及模具零件，使用CAM模塊生成數控加工程序；在產品進行加工、裝配后，借用CAD模型建立三坐標檢測方案；產品的銷售不再單向進行，客戶的使用意見及改進要求將會再次反饋到設計部門，為新產品的設計提供依據，這使產品的生命周期可以循環進行，并不斷發展.UG MX的小五金制造業的PLM規則見圖5.

圖5　UG MX的小五金制造業的PLM規劃

5　總結

在市場的發展需求及工業發展的推動下，小五金制造業建立基于PLM的設計、生產、銷售一體化模式，通過參數化設計軟件的無縫連接，以數據的流動作為工業活動的驅動，可以迅速響應市場需求的變化，維持生產力的可持續發展.

［1］百度百科.小五金［DB/OL］.［2015-12-02］.http：//baike.baidu.com/link？url=wu9TGp0upwYZAWIOOKbmqf7HQzvwQi7-OaXMJkIgKAXle2BjBqX1Ve5pIdIFEn1FJC1Jga8l3ZWYi-ZxXuAIRK.

［2］烏爾里希·森德勒.工業4.0［M］.北京：機械工業出版社，2014：7.

［3］百度百科.UG［DB/OL］.［2015-12-02］.http：//baike.baidu.com/subview/13696/10732713.htm.

PLM Technology and ItsApplication in Hardware Manufacturing

PENG Xiaojun，ZHANG Guilin，DENG Hongchao，ZHANG Jian
（College of Electronic Information and Mechatronic Engineering，Zhaoqing University，Zhaoqing，Guangdong 526061，China）

ractWith the full understanding of the future manufacturing industry trend which meets the requirement of Industry 4.0，a pattern based on PLM integrated with design，production and marketing is set.Through the seamless connection among CAD，CAE，CAM，CAPP of parametric design software UG NX，with the drive from the flow of data to the industrial activities，the domestic hardware manufacturers can adjust to the changes of market requirements rapidly and develop their production capacity sustainably so as to occupy a broader international market.

ordsHardware Manufacturing，Industry 4.0，PLM，UG NX

TH164

A

1009-8445（2016）02-0037-06

（責任編輯：陳靜）

2015-01-21

肇慶市科學技術計劃資助項目（2013G008）

彭曉君（1976-），男，廣東肇慶人，肇慶學院電子信息與機電工程學院講師，碩士.