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基于Teamcenter的PLM系统在高铁列车制造企业的应用研究
2017-05-15 20:41:46  作者:刘昱   来源:互联网
  •   按照客户订单分离点在生产过程中位置的不同,可以将企业分为按订单销售(sale to order,STO)、按订单制造(make to order,MTO)、按订单装配(assemble to order,ATO)、按订单设计(engineer to order,ETO)等 ...

  按照客户订单分离点在生产过程中位置的不同,可以将企业分为按订单销售(sale to order,STO)、按订单制造(make to order,MTO)、按订单装配(assemble to order,ATO)、按订单设计(engineer to order,ETO)等类型 。其中ETO类型的企业中,需要按照客户订单的要求,重新设计满足这些要求的零部件,或对其他零件进行变形设计,在此基础上,向客户提供定制产品。在ETO的生产方式中,全部或部分零部件的设计、采购、制造、装配都是由客户订单驱动的,典型的ETO类型的企业有飞机、铁路机车制造等。对于ETO类型的企业来说,由于产品的复杂性与特殊性,以及产品的技术准备周期长、设计变更多、工艺种类繁多、装配任务重等特点,使得产品源头数据的准确与规范以及设计工艺的协同应用显得尤为重要。对于某些复杂装备制造(飞机、机车)企业来说,售后运维也是企业重要的业务环节,在运维业务执行的过程中也需要能够及时、准确地消化产品源头的数据信息。产品全生命周期管理(product lifecyele management,PLM)是一种在系统思想指导下,综合人、过程和技术对产品全生命周期内与产品相关信息、过程、资源等进行管理的方法,它覆盖产品从需求分析至报废的整个生命周期。实际上PLM技术是由PDM(product data management,产品数据管理)技术发展而来,但又不局限于PDM技术,它的核心理念是以产品数据为核心,将产品数据及时地分发到企业业务的各个环节,并对过程进行统一的管理。对于PDM来说,其侧重于产品开发阶段数据的管理,PLM则侧重于对产品全生命周期内数据的管理;PDM侧重于对企业内部产品数据的管理,PLM则强调对产品生命周期内跨越供应链的企业联盟内的所有信息进行管理和利用 。对于ETO类型的企业来说,由于企业自身的特点,使得PLM系统的建设在实现企业信息化的过程中具有举足轻重的地位。

  从信息化在离散制造企业的应用来看,目前大多数企业已实施了PDM系统,实现了诸如图文档管理、工作流审批、CAD集成、BOM管理等PDM核心功能的建设,达到了设计内部的协同及信息化的应用。但此时企业面临的问题是如何将PDM的价值延伸到企业的工艺、生产、维护等各个业务环节,实现各个业务环节对产品数据的消费及再创造,所以设计工艺的一体化、PLM系统平台的建设成为离散制造行业的信息化应用热点。

  1 PLM系统平台的架构及实施理念

  Teamcenter是西门子工业软件公司的产品全生命周期管理核心解决方案,是业内首个将单个软件应用转变为在SOA(service oriented architecture。面向服务的体系结构)的基础上建立的,跨专业、跨项目阶段和计划、真正集成化的PLM解决方案,为大小制造企业提供了平台可扩展性、应用丰富性以及可配置性能力。Teamcenter软件包涵盖了从早期的需求计划到最后的维护检修阶段所有过程的跨越产品全生命周期的应用及解决方案,它包括维护检修、需求协同、企业协同、工程协同、制造协同、项目协同等多个方面。Teamcenter既具备PLM软件平台的能力,同时也可以作为单个业务解决方进行部署。同时,Teamcenter也是在行业内应用最为广泛的PLM系统解决方案。

  如图l所示,企业选择Teamcenter作为PLM系统的解决方案,并在PLM系统构建工程协同、制造协同、项目协同等诸多解决方案。其中制造协同是Teamcenter数字化工艺的解决方案,它建立了一个管理产品、工艺、车间和资源信息的统一集成环境,可以实现与工程协同的无缝集成,支持在产品的技术准备周期中设计业务与工艺业务之间准确、迅速地传递信息,实现工程变更的快速协同与闭环管理。

  

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  图1 Teamcenter架构图

  1.1 PLM 系统平台的架构

  某公司研发软件系统平台始建于2002年,由PDM系统、CAPP系统、通知管理系统、编码管理系统等组成,实现了以二维设计为主的产品设计和产品数据管理。各系统相对独立,信息孤岛的情况严重,软件系统架构陈旧,难以承担整个PLM平台的重任。而公司未来产品研发的发展方向是要构建全三维的研发生态环境,形成产品的数字化样机(digital mockup,DMU)及基于模型的定义(model based definition,MBD)的应用模式,同时需要可以支持日常研发应用、协同仿真分析、设计协同等功能的PLM系统。而对于工艺的业务,则需要一个可以满足工艺业务需求的工艺平台系统,可以同时支持设计工艺一体化的协同应用。

  除了PLM系统的建设之外,公司还在开发面向经营的ERP系统平台、面向生产的MES系统平台及面向售后维护的MRO平台,PLM系统需要实现和这些下游信息系统的紧密集成。PLM平台的架构原则如下:

  1)可以兼容原有的信息系统的数据,覆盖其功能应用。

  2)PLM平台支持企业目前二、三维混用的业务模式,同时支持向全三维应用环境的扩展。

  3)PLM平台具备很好的开放性,可以在平台上构建协同分析仿真、协同设计、装配工艺仿真等子系统。

  4)PLM平台需要支持设计工艺的一体化应用模式。

  5)PLM平台能够实现和下游信息系统的紧密集成。

  根据以上需求,将PLM系统平台的架构分为PLM平台层、业务平台层、子业务平台层、工具层等4个层次,其中产品全生命周期系统中公共的、平台型的系统功能抽象PLM平台层中,关于PLM平台层的功能在2.2节中详细介绍。PLM系统平台的架构如图2所示。

  

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  图2 企业PLM系统架构

  1.2 PLM系统的实施理念

  整个PLM的实施是一个庞大的系统工程,牵涉到企业众多的业务部门;涉及到对部门的业务流程、规章制度的梳理及再造;涉及到供应商的实施团队、企业的IT团队、企业的关键用户、最终用户在一个平台上协同工作;涉及到需求调研、开发编码、上线测试等众多步骤的统筹规划。同时,信息化项目又是典型的“一把手工程”,需要在企业高层的牵头领导下,按照项目管理的理念及PLM的实施方法进行项目的实施工作。

  在项目实施过程中,企业与供应商项目团队共同总结了“总体规划、分步实施、快速应用、基础先行”的十六字实施原则,并严格遵照执行。首先在系统的规划阶段,对整个PLM系统的需求进行整体设计与规划,既要能够兼容企业原有信息系统的数据与应用,又要能够满足企业现行的业务模式,同时还能支撑企业未来业务的扩充与发展。在确定了系统的总体设计方案与实施方案之后,按照分步实施的原则,挑选出系统中覆盖面最广、应用门槛最低、用户最常用的功能优先实施,并通过培养种子用户的方式以点带面,经过实践验证后再应用推广。在系统实施过程中,始终坚持快速应用、应用为先的原则,所有的工作围绕着用户应用展开。对用户平日最常用的功能反复测试。力求稳定高效,使得系统的应用可以迅速见到效果,在系统应用稳定后再逐步完善和添加新的功能。对于系统运行必备的基础数据和基础知识库,如标准件库、计算公式等,首先组织用户整理并进行录人,同时建立知识沉淀的规则与制度,这样既沉淀了企业的知识资产,又让系统应用的友好性大大提升,起到了促进系统应用的效果。

  在系统的单元应用稳定后,形成整个PLM系统的贯通应用,打通企业的数据流与业务流;最后通过系统实施与应用过程中的不断总结与改善,对企业进行业务流程与规章制度的梳理与再造,拓展系统应用的广度与深度。

  2 PLM在高铁制造企业的应用

  2.1 企业需求分析

  某企业是中国轨道交通装备制造行业的骨干企业,是中国高速列车产业化制造基地和城轨地铁车辆定点制造企业,公司的产品以高速动车组、高档铁路客车、城轨列车为主,企业发展的战略目标是成为世界轨道交通客运装备最强企业。企业的生产模式为典型的ETO类型的企业,根据客户的订单进行设计,设计模式以二、三维混用的模式为主,并逐步向全三维的应用模式转变;工艺以机加、焊接、热处理及装配工艺为主;同时随着市场动车保有量的不断增加,企业的检修与运维的业务也逐渐增多。

  企业在2002年就开始了研发信息系统的建设工作,实现了以二维设计为主的产品设计和产品数据管理,但随着企业的快速发展,原有的研发系统的问题逐渐凸显:

  1)目前的研发平台与公司要建成世界最强轨道交通客运装备制造企业的战略目标不匹配,必须建设具备高度可扩充性的PLM平台并持续改进,解决目前多个独立系统所形成的信息孤岛问题,以及不能管理三维数据、不支持研发项目管理和流程管理等重大缺陷。

  2)没有一个统一高效的PLM平台,因此新产品技术准备周期长,产品数据不能保证及时分发,不能实现异地协同、供应商协同等;工艺信息化水平仅处于初级阶段。由于源头数据的不完备,不能为ERP等下游系统提供及时准确的数据。

  3)三维设计没有得到全面应用。目前仅有部分产品实现了三维设计,其他产品仍采用二维设计。三维设计可以很好地解决设计过程中空间干涉、装配检查等诸多问题;而目前的系统主要面向二维设计平台,在管理三维应用时存在很多问题,没有完善的三维设计规范,所有这些因素严重制约了三维设计工具的推广。

  基于以上的问题与需求,企业决定建立统一的PLM平台,以满足企业快速发展的需求。

  2.2 PLM平台功能介绍

  在1.1节中介绍过,PLM平台层是将面向产品生命周期各业务中公共的功能与服务抽取出来,形成PLM的公共平台,平台中所包含的功能如图3所示。

  

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  图3 PLM平台功能

  利用统一的项目管理功能可以将产品生命周期中的项目信息统一管理,对项目的进度可以做到一目了然;在产品生命周期中,变更自始至终都会存在,因此需要一个统一的变更管理对产品生命周期中的变更进行管控;在产品生命周期的各个业务环节都会有申请和使用编码的工作,需要一个统一的编码平台处理物料编码的领码与回收的工作;产品生命周期的过程就是企业业务流转的过程,需要一个统一的工作流引擎及工作流管理平台对业务流程进行管理;离散制造企业的数据流组织形式是以物料为核心、以BOM为组织形态,各种形态的BOM不断变化及流转的过程,因此需要一个统一的BOM管理平台对BOM数据进行管理。其他的一些如知识管理、集成接口等功能都可以放到PLM平台层中。

  2.3 设计协同系统与PLM的集成

  企业需要推行全三维的设计应用模式,因此选择了达索公司的CATIA作为主要的三维设计工具软件。对于设计工具软件来说,它是企业产品工程数据产生的第一源头,对设计工具中产生的数据直接管理;设计工具基于管理系统的数据直接进行工作;工具与管理系统的深度融合应用已经成为一种应用趋势。

  企业PLM平台的建设中也包含设计协同平台的建设,它主要提供对设计部门内部的设计协同支持。从IT方面,这个层面的系统需要能与各类设计应用工具(如ECAD、MCAD、CAE等)紧密集成以对设计数据提供深入的管理;从数据管理对象来看,这个层面的系统管理的是整个设计过程中的设计数据(即各类CAD数据),在这个层面强调的是如何能够深入理解设计数据(比如结构件和电气管路间的位置关系等),提供设计协同能力,使工程师在设计过程中就能及时和其他设计人员进行设计协调。在早期就发现各种潜在的设计问题。

  对于CATIA而言,一定是能够对其数据进行紧密管理的平台才能够体现协同设计的优势,因此选择了达索公司的VPM作为企业的协同设计平台。在产品设计初期,产品的更改频率是最高的,同时设计师所关心的是专业协同、关联设计、供应商选择等设计需求;在设计定型之后,设计师才会关注BOM数据的发布、与工艺生产的协同等需求。设计师在产品设计初期的工作主要集中在CATIA与VPM中,可以通过一个接口实现VPM与Teamcenter之间的数据交换,将频繁的数据操作放在子系统内部实现,将频次较低的数据交换工作通过接口来实现,如图4所示。

  

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  图4 设计协同平台与PLM集成

  2.4 设计工艺的一体化应用

  在产品的技术准备周期中,设计与工艺是业务结合最为紧密的环节。因为企业生产产品的技术含量高,工作环境复杂,产品零部件众多,导致企业的工艺种类繁多。工艺路径长,装配任务重。因此需要构建在PLM平台之上的工艺业务平台,可以满足多种工艺类型的编制需求以及装配工艺仿真等业务的需求。同时由于设计与工艺之间存在大量的业务交互。如设计完成后需要进行工艺性审查,设计的变更会导致工艺的频繁变更,工艺方法的改变又会导致设计的更改等等,因此需要将设计与工艺的业务构建在统一的平台之上,实现设计工艺一体化的应用。

  在基于Teamcenter的PLM平台中,设计与工艺的业务基于统一的平台,工艺工程师与设计工程师基于同一数据库进行工艺设计工作,可以随时调用和查看产品结构和产品数据。工艺人员参与设计评审、更改评审,从而获取新产品设计信息和更改信息。基于MBOM的结构化工艺编制方式,可以将班组、台位、工装、夹具等资源和工序关联,设计完成的卡片、文档等挂在结构树上,方便后续的工艺整体借用等。

  设计与工艺协同工作的业务流程如图5所示。

  

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  图5 设计与工艺协同工作的流程图

  Teamcenter Manufacturing(TCM)是Teamcenter的工艺解决方案,在TCM 中可以进行EBOM到PBOM的转换、工艺路线划分、结构化工艺的编制、装配工艺的仿真、工艺资源管理等业务功能的处理。以高速动车组车体的结构化工艺编制过程为例,其结构可以分为总工艺、子工艺、工序3层结构或者多层,子工艺按大的工序组织,总工艺、装配子工艺、装配工序下均可以挂虚拟件。各子工艺完成后,需将车体组成发给整车总装配工艺师,由总装配工艺师将其指派到对应的整车装配工序上,工艺数据结构可以划分为车体总工艺、装备子工艺、装配虚拟件、工装的层次结构。

  工艺编制完成后以数据形成存储在统一的数据库中,同时TCM还支持工艺卡片与工艺明细报表的生成,如图6所示。

  

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  图6 TCM生成的工艺卡片

  工艺卡片只是作为一种结果展现,卡片中的所有数据都是从数据库中直接提取。

  结构化工艺编制过程的数据都是直接存储在数据库中,其编制结果会形成产品的制造BOM。装配工艺的仿真结果可以以装配动画的形式展现出来,用于指导车间现场的生产。

  3 结束语

  PLM系统已取代PDM成为离散制造企业中的信息化应用热点,PLM系统的优势是它可以形成一个产品数据分发与管理的平台,使得产品生命周期中的各个业务环节可以迅速准确地获取并消费产品数据,同时各个业务环节对产品数据的再创造又可以在PLM平台中被统一管理。

  通过PLM系统的使用,有效地缩短了企业产品的生产周期,提高了企业的核心竞争能力,沉淀了企业的知识资产。本文结合Teamcenter平台和实际ETO类型制造企业典型用户的案例,对PLM平台的技术架构、PLM系统的实施理念、PLM系统中的核心功能进行了介绍,希望能够为其他企业进行PLM系统的规划与实施提供参考和借鉴。



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