基于PLM的三维数字化车间整体解决方案

本文以Teamcenter PLM解决方案为核心，在三维数字化设计与管理的基础上，构建三维数字化产品制造平台，打通产品设计、工艺设计、工装设计到车间现场生产执行的全流程信息化管理，提高产品研发协同、工艺制造协同和工装设计协同效率，实现企业产品三维数字化设计与制造的全生命周期管理。

1 引言

　　随着数字化技术和信息化技术的不断发展，制造业企业发展数字化及信息化制造成为必然趋势，军工制造业是我国制造业的重要组成部分，对国民经济发展和整体的技术进步具有重要推动作用，因此在军工企业中推行数字化产品设计与制造已经成为军工企业的重要战略举措。

　　建立基于三维设计模型的数字化产品制造平台，打通从设计到制造的信息化之路，构建基于MBD(Model Based Definition)的三维产品设计、工艺和制造的一体化应用平台，实现产品从设计、工艺到制造的全生命周期信息化管理，并集成企业现有的PDM、ERP、DNC系统，实现一体化的、基于三维的管理设计、工艺、制造过程的产品研发和精益制造体系，已成为制造业信息化的又一趋势。

　　通力凯顿（北京）系统集成有限公司（以下简称“通力有限公司”）作为国内制造业最佳信息化合作伙伴，以科学的PLM/MES（产品生命周期/生产执行系统）项目实施方法论为指导，结合众多军工制造业企业的实际产品研发及工艺制造过程和生产过程管理特点，基于全球先进的PLM/MES系统平台，以国防行业最佳实践为参考，在北京长空机械公司取得了该项目的成功试点。

2 系统架构

　　通力公司面向军工制造业提供的“基于PLM的三维数字化车间整体解决方案”正是基于制造业企业信息化整体规划的基础上，结合当前信息化现状和车间需求而提出的，旨在为企业精益制造提供先进的信息化管理思想和工具，从而帮助企业提高设计、工艺、制造和质量技术水平，缩短研制周期，降低成本，促进生产管理方式和业务流程的变革，建立基于三维工艺的数字化设计平台和车间级生产管理平台，以打通设计、工艺、制造和底层自动化设备间的断层问题，实现信息化的全面集成和协同，图1为基于PLM的三维数字化车间整体解决方案架构。

图1 基于PLM的三维数字化车间整体解决方案架构图

　　数字化产品制造平台总体上应包括前端的CAD/CAE/CAM产品设计系统、工艺规划管理系统(TCM)、工装管理系统(TEM)和生产执行系统(MES)、企业资源计划系统(ERP)等，并基于产品生命周期管理(PLM)平台实现信息化全过程的贯通。通过工艺管理系统可建立三维的、基于模型的结构化的工艺平台，并在此平台上实现了工艺分工和基于三维的工艺设计、工艺变更、工艺文件管理等功能；通过MES监控车间的生产计划和执行过程，基于条码方式完成生产任务的报工和现场数据采集、质量监控和跟踪等；并在TCM和MES两个系统上进行专项客户化开发建立TEM，实现专用工装的设计、工艺规划管理，以及工装的生产和出入库、借用、报废管理等。最终，通过数字化产品制造平台的实施，缩短制造周期时间，降低或消除资料进入的时间，减少在制品，改善产品质量，实现全面的精细化过程管理和质量管理等。

3 系统设计

3.1 构建企业数字化设计与制造协同工作环境

　　TCM将基于Teamcenter的Manufacturing作为管理平台，方便在原有Teamcenter的设计BOM基础上进行功能扩展，以结构化及三维可视化的工艺形式进行工艺规划，系统将有效管理工艺BOM、工艺结构、工装设备等生产资源数据。TCM系统不仅要实现工艺内部的工作协同，同时要与设计和制造等部门进行协同。建立高效的协同工作环境，加强信息沟通，改串行工作模式为并行模式，进一步提高了工作效率。

3.2 构建基于MBD的三维设计管理平台

　　采用全三维基于特征的产品表述方法，建立了一个具有完整信息（三维尺寸标注及各种产品结构信息等）的三维数字模型，从而取消二维工程图，保证设计数据的唯一性。设计模型不仅描述设计几何信息，而且定义了三维产品制造信息（如材料消耗等）和非几何的管理信息（如产品结构、BOM等等），下游人员仅需一个模型即可获取全部信息，减少了对其他信息系统的过度依赖，使设计制造之间的信息交换可以不完全依赖信息系统的集成而保持有效的连接，即解决唯一数据源问题。图2为基于MBD的单一数据源产品模型设计。

图2 基于MBD的单一数据源产品模型设计

3.3 打造数字化车间精益制造执行系统

　　建立面向车间的MES生产执行系统，实现车间的数字化和透明化管理，将车间各项制造订单、计调派工、任务执行、数据采集、资源设备管理和物料配套、人员管理、质量管理等业务纳入该系统，并最终通过车间看板系统和综合查询分析系统提供动态信息分析和展示，为管理人员提供实时准确的决策依据，同时大量实时数据为车间管理人员提供了准确的在制品状态和进度信息，方便计调人员合理安排设备和资源，从而提高生产效率，确保产品的按期交付。另外大量的质量数据为产品性能分析提供了依据，并为产品设计、工艺优化、生产交付到质量提升、持续改善创造了一个闭环，为产品的质量优化奠定了基础，图3为MES生产执行系统平台总体架构图。

图3 MES生产执行系统平台总体架构图

　　结合产品单件小批量多品种和科研批产并行业务模式，MES系统将充分关注生产准备齐套性要求以及以最终成品集成为核心的离散生产特点，建设一个以工艺数据为基础，以计划管理为驱动，包含物料管理和质量管理的数字化协同制造的信息管理平台，该平台包括的功能模块有基础建模管理、生产计划管理、调度派工管理、车间物料管理、现场作业执行管理、设备状态管理、工装管理、人员管理和WIP在制品管理以及综合质量管理和车间级门户及信息化集成等模块。

　　该方案中涉及到的关键技术和亮点分别包括：大屏幕看板管理技术的应用；电子作业流程卡片或流动本应用；条码标识和RFID射频技术的应用；三维工艺文件在现场的作业指导和执行；各类形位公差特征符号的输入和输出技术；ERP/PLM软件接口技术及DNC/DCS/PLC等底层传感和接口技术的应用。

3.4 建立了精益化TEM工装管理系统

　　数字化工装TEM管理系统是集工装设计工艺管理、工装生产制造管理、工装库房管理于一体的“工装全生命周期管理”软件，是面向工装制造和配套车间使用，并协同生产管理部门、质量部门、技术部门等多个部门，实现由订单提请-工装设计-工艺编制-生产制造-库房管理-返修报废全生命周期工装管理。

　　企业通过实施TEM工装全生命周期管理系统，可有效地整合产品设计PLM端和产品制造MES端及产品库存端的信息，通过条码化电子标识手段可逐步取代传统二维设计模式以及传统“卡片、账本”生产管理模式和库房账本管理模式，实现数字化设计、精益化制造管理、全面化资源共享的整体目标。

3.5 实现工装设计与制造管理信息集成

　　基于Teamcenter和Camstar Manufacturing各自的设计工艺管理功能和库存管理功能以及两者的信息集成，实现专用工装的设计工艺过程管理，并与企业整体工艺规划过程融合，形成设计任务、生产任务和交付完成的全过程信息互动，提高了工装设计和制造配套的效率，取消了传统的工装卡片管理方式，实现工装库信息化，动态记录现有工装库存情况，共享工装信息。

3.6 集成ERP\MES\DNC，传递工艺信息

　　集成ERP\MES\DNC系统，将工艺阶段产生的所有数据及时准确地传递给ERP\MES\DNC系统，贯通了设计、工艺、生产信息流。同时，ERP系统的数据能够反馈给工艺部门，形成系统之间信息集成的闭环。

4 结束语

　　数字化设计和制造技术已经成为当今制造企业信息化的热门话题，制造企业要想在未来获得更强的竞争力就必须通过不断的创新来实现跨越式发展，在结合自身信息化建设的基础上逐步拓展基于三维工艺的数字化设计、数字化工艺和数字化生产应用，并基于协同思想实现信息的高度共享和集成，逐步实现以PLM为核心的基于三维设计的ERP、CAPP/MPM、MES、DNC等信息化系统集成，最终可打造从设计到工艺再到制造和服务的全生命周期信息化。