離散制造業產品全生命周期管理PLM應用研究

王鴻儒

(太原重工 技術中心，山西　太原　030024)

0　引言

離散制造業在我國工業領域長期占據重要位置，但是傳統的離散型制造企業在創新能力、生產效率和效益、生產模式、信息化建設、研發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工業中的快速發展[1-2]。產品數據管理平臺PDM技術已在很多制造行業中得到廣泛應用。由于離散制造行業產品品種多、批量小，在離散制造行業中產品數據管理PDM的功能依然以管理設計圖紙模型數據為主。

隨著智能制造的提出和相關技術的不斷發展，傳統PDM已無法滿足離散制造行業的發展。作為PDM的擴展，產品生命周期管理PLM已成為企業發展的必經之路。離散制造行業基于訂單進行設計，設計周期長，出錯率高，同時仿真復雜，設計與產品使用脫節，產品交付后往往難以追蹤。通過PLM平臺的建設，可以實現設計、工藝仿真、制造一體化，使得產品設計周期和設計質量得到大幅提升，產品升級改進周期大大縮短。

1　產品全生命周期管理平臺的架構

現代產品生命周期管理平臺中的內容相當豐富，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　產品全生命周期管理平臺功能范圍

工廠層：通過對工廠整體工藝規劃、生產設備布局、生產過程進行仿真，確保產品生產過程順利進行。離散制造由于生產節拍不一致，各生產工位之間、生產工位與物流系統之間都需要協同，因此在建廠或者工藝改造時，應充分考慮各種因素，避免工廠工藝節拍失調和投資浪費。

產品設計層：在產品設計時利用三維參數化設計工具、設計成本控制、產品性能仿真等手段，在縮短設計周期的同時保證設計質量，并從設計端控制設計成本，實現目標成本管理功能。

工藝設計層：工藝包含結構化三維工藝、三維加工仿真、三維裝配仿真等內容。通過結構化的三維工藝，將工藝數據傳遞給下游MES系統，指導各工位按工藝要求進行相應工序內容。通過三維加工仿真與三維裝配仿真，確保產品工藝設計的合理性和準確性。

制造層：將制造所需數據通過WEB、3D-PDF等形式進行分發展示，使得車間生產員工更直觀地看到產品和工藝內容，將工藝人員編寫的加工程序發送給現場數控設備，并將現場數控設備的最終程序保存至PLM系統。

售后層：通過現場采集的數據對產品進行不斷改進，通過售后數據的整理分析，實現產品售后追蹤，解決產品存在的問題，進行更新換代。

平臺層：通過項目管理、資源庫管理、知識庫管理、BOM管理、協同管理以及集成接口等，實現平臺與設計分析工具軟件以及各系統的互聯互通，并對平臺內的數據進行歸檔分析，保證數據傳遞的正確性和及時性。與此同時，實現企業內部設計到制造、企業外部上下游企業對模型的重用和同一平臺協同，達到提質增效和知識積累的目的。

2　數字孿生模型的發展與應用

隨著PLM技術的不斷發展，西門子公司提出了數字孿生模型的概念。數字孿生模型不是一種全新的技術，它具有現有的虛擬制造、數字樣機等技術的特征，并以這些技術為基礎發展而來，如圖2所示。虛擬制造技術以虛擬現實和仿真技術為基礎，對產品的設計、生產過程統一建模，在計算機上實現產品從設計、加工和裝配、檢驗、使用及回收整個生命周期的模擬和仿真，從而無需進行樣品制造，在產品的設計階段就可以模擬出產品及其性能和制造流程，以此來優化產品的設計質量和制造流程，優化生產管理和資源規劃，達到產品開發周期和成本的最小化、產品設計質量的最優化和生產效率最高化，從而形成企業的市場競爭優勢[3]。

圖2　數字孿生模型示意圖

將數字孿生模型應用于離散制造業，建立基于模型的企業(Model Based Enterprise，MBE)，是滿足離散制造多品種、小批量的制造新模式。MBE在整個企業以及上下游的供應商之間建立一個集成的工作環境，各業務環節均在全三維產品定義的基礎上開展工作，有效地縮短了整個產品的研制周期，提高了產品質量和生產效率。在MBE技術實施過程中，在產品設計、生產、管理各環節所使用的數據全部在三維模型上體現，使產品工廠數據的結構特征增強，數字化程度不斷提高。

MBE建立在全三維產品定義上的集成和協同環境，并能在整個產品生命周期內共享，保證從概念設計到產品實現的快速性、準確性和經濟可承受性。MBE使下游用戶在三維模型基礎上增加3D產品定義數據，以保證模型重用的準確性。模型中包含產品需要的所有信息，可以被非設計人員查閱或自動提取信息，取代傳統的圖紙文檔。企業將其在產品生命周期所需要的數據、信息和知識進行整理，結合信息系統，建立便于系統繼承和應用的產品模型和過程模型，通過模型進行多學科、跨部門、跨企業的產品協同設計、制造和管理，通過模型支持技術創新、大批量定制和綠色制造?；谀Ｐ?，整個企業實現精細管理、敏捷制造和知識共享。

3　產品全生命周期管理平臺與其他系統的集成

產品全生命周期管理平臺與其他主要業務系統的集成內容如圖3所示。

PLM與客戶關系管理(Customer Relationship Management，CRM)系統的集成：客戶可實時了解項目的設計進度，根據技術協議中的節點時間審查項目重要資料，并對評審結果進行記錄；項目交付時，可以通過系統直接將項目交付資料進行發送。

PLM與企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統的集成：ERP系統將訂單信息中與設計相關的關鍵信息發送給PLM平臺生成設計項目，PLM平臺將設計結果中的工藝路線和產品BOM發送至ERP系統進行MRPII運算，保證項目按計劃節點順利進行。

圖3　產品全生命周期管理平臺系統集成

PLM與供應商關系管理(Supplier Relationship Management，SRM)系統的集成：可以讓供應商在PLM平臺中進行協同設計，對供應商的設計進度與設計內容進行審查和考核，同時對供應商的交付資料進行統一管理，保證供貨質量。

PLM與制造執行系統((Manufacturing Execution System，MES)的集成：將基于模型的工藝指導書下發到車間各工位，內容可以是PDF、網頁、視頻，充分展示工藝內容；PLM中CAM編寫的NC程序可以通過MES傳遞到數控設備，并將數控設備修改過的NC程序傳回PLM進行備份留檔；同時，生產過程中遇到的問題可以通過PLM反饋到設計人員，幫助產品改進。

PLM與售后平臺系統的集成：售后平臺將產品運行記錄的分析結果、故障信息分析結果以及產品的實時運行關鍵數據記錄通過PLM平臺傳遞給產品研發和設計人員，促使產品研發的不斷進步。

4　結論

隨著智能制造的高速發展，越來越多的信息化系統加入到智能制造的框架當中。數據的準確性成為制約各信息化系統順暢運行的關鍵因素。產品全生命周期管理平臺作為產品數據的源頭和唯一數據源，其重要性不言而喻。通過不斷加強產品全生命周期管理平臺的功能和數據范圍，并對細節功能和系統集成不斷完善，才能為智能制造的長遠發展提供數據保障，為企業知識積累提供數據平臺。

參考文獻：

[1]湯建農，李德華，陸鳴，等.PLM技術現狀及發展趨勢[J].電子技術與軟件工程，2015(19)：97.

[2]孫帥.淺談產品全生命周期管理系統在制造業應用的必要性[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：數字化工廠[M].北京：機械工業出版社，2016.