1 引言
汽車制造是典型的離散制造業，隨著市場競爭環境與客戶個性化需求變化的不斷加快，對企業的設計、工藝、制造等部門之間的工作協同提出了更高的要求，需要設計與工藝部門能根據客戶對產品的概念需求快速地進行圖紙的設計、工藝文件的建立、標準物料與BOM的制定，并指導車間進行高效的生產。
隨著企業信息系統應用的不斷深入，汽車制造行業在產品研發階段幾乎都采用了CAD、CAPP、CAM(統稱為CAX)等計算機輔助系統來進行新車型及關鍵零部件的設計，通過PDM(Product Data Management)系統對企業海量的產品數據進行統一的管理，并采用ERP這種系統化的經營管理平臺，對業務進行集成化的管理，從而實現對企業資源的優化配置，提升企業的生產效率與管理水平。縱觀這些系統，每個系統都能在各自的領域中發揮很好的作用，但是在異構平臺多系統孤立運行的狀態下，由于各系統中數據格式不一致等原因，導致設計部門中的圖紙信息，工藝部門中的工藝路線、工藝定額、工藝分工、標準物料以及工藝BOM等工藝信息與制造部門中產品加工等信息之間很難實現充分的共享與集成，從而阻礙了部門之間的分工協作，造成了大量重復性的設計工作與返工，并使得企業的運作常常滯后于市場的變化。針對當今汽車制造行業在信息化歷程中出現的上述問題，并在仔細研究了PLM系統的功能特點的基礎上，設計了以PLM作為橋梁的CAX與ERP系統集成應用框架，為企業構建整體解決方案提供借鑒。
2 PLM系統簡介
PLM是指對產品從市場分析與規劃、產品設計、工藝工程、采購/外協、加工制造、產品檢驗、銷售與分銷、售后支持與服務直到產品退市整個生命周期過程中的產品數據進行集成化的管理。從系統功能的角度來講，PLM是PDM系統的擴展與延伸，突破了PDM系統中僅對產品研發階段中的數據進行管理的范疇，進一步包含了產品在業務運行階段中的相關數據，如：采購、庫存、分銷、制造與維修等；從系統設計理念的角度來講，PLM是基于集成化的管理思想而產生的，其融合了協同技術與分布式集成技術，目的在于將企業內孤立運行的信息系統進行高效的集成，實現產品從研發設計、生產制造、銷售與分銷、產品維修與回收這整個生命周期過程中的產品數據進行數字化的管理，實現產品數據在各個環節與部門之間得到充分的共享與重用，滿足企業的研發部門與其他各業務部門之間，甚至是企業與企業之間對產品數據的協同應用。
2.1 PLM系統的特點
(1)數據集成。PLM系統的一個最顯著的特征就是強調對產品數據在其整個生命周期過程中的集成管理，是CAD/CAPP/CAM/CAE與ERP系統中有關產品信息的一個電子數據橋梁。
(2)過程協同。過程協同需要以數據集成為基礎，PLM通過集成CAX中產品研發階段的相關數據與ERP系統中產品業務層面的相關數據，使得設計、工藝、生產、銷售以及庫存等各個部門能從各自的維度快速的查詢與使用到各自需要的產品信息，提高了數據的共享與重用，實現產品制造在整個生命周期過程中各部門之間的協同。
2.2 PLM系統的主要功能
圖1 產品生命周期管理的主要功能
3 CAX與ERP系統集成的必要性
CAX與ERP系統是產品生命周期過程兩個不同階段中最為核心的信息系統，CAX主要作用于產品的研發與設計，ERP主要作用于產品的加工制造與運營。
3.1 汽車制造行業中CAX與ERP系統的主要功能
(1)CAX的功能。CAX是CAD/CAPP/CAM/CAE等計算機輔助信息系統的總稱，在汽車制造行業中，首先通過Auto CAD來實現產品從概念需求到具體車型及關鍵零部件的圖紙設計，之后借助CAPP進行相應的工藝設計，包括工藝路線、工藝分工、工藝定額以及工藝BOM等；借助CAPP系統實現產品從設計信息到加工制造信息的轉換；在完成工藝設計之后，通過CAM系統輔助完成樣品的試制；最后通過CAE對樣品進行硬度、強度、彎曲度和熱學等方面的工程測試。整個過程中各環節環環相扣，通過CAX能高效地實現產品從概念需求到成型產品的制造。
(2)ERP系統的功能。ERP系統的核心在于指導產品的加工制造以及對整個制造過程中各業務部門集成化的管理。在新車型和關鍵零部件通過工程測試之后，需要進行相應的原材料的采購、零部件的加工制造、整車的組裝、銷售與分銷、財務的核算及產品成本的歸集。
可以看出，CAX與ERP系統作用于產品增值鏈中前后兩個不同的環節，ERP系統的運行需要CAX中產品研發階段的相關數據作為指導。同樣，CAX也需要獲取ERP系統中產品業務層面的相關信息作為參考來對產品的設計與工藝進行不斷的改進與完善。
3.2 CAX與ERP系統孤立運行的弊端
CAX與ERP系統在孤立運行的過程中，主要存在以下幾個方面的問題：
(1)缺乏統一的技術數據管理平臺。當設計、工藝與制造部門各自存儲自己的技術數據時，大量的圖紙信息、工藝文檔、各類BOM數據、加工數據分別存儲在各自的部門之中，部門之間對技術參數的查詢變得十分困難，同時還存在數據安全的隱患。當設計部門人員對產品的設計圖紙進行修改時，工藝部門不能及時地對產品的加工工藝進行相應的調整，從而直接導致生產的滯后。這樣，最終結果既不利于產品研發知識庫的形成，也不利于產品加工工藝的改進。
(2)物料標準化管理困難。物料標準化主要體現在兩個方面，一是同一物料的編碼在CAX與ERP系統中必須保持一致；二是當上游CAX系統中對物料做出變更時，其設計BOM與工藝BOM都會發生變化，需要下游ERP系統中的制造BOM也必須做出及時的調整，當物料信息無法在系統間得到及時的共享時，會出現當上游設計與工藝部門對物料做出更改時，下游ERP系統中的制造BOM無法進行快速響應的情況，從而引發無效的采購，導致車間產生大量的呆滯料，且實際需要的物料發生缺貨。
(3)技術流程不規范。隨著技術部門與業務部門往來的日益頻繁，當CAX與ERP系統還停留在各自為政的手工階段時，在出現緊急任務時，設計與業務部門無法按照規范的技術流程進行有效的協同，數據的準確性與及時性無法得到保證，容易造成信息的失真。
(4)快速改裝困難。企業在生產經營過程中，很少出現針對客戶的需求對整車做出全新設計的情況，大部分情況下企業是以大量相似的產品（部件）的改裝設計為主，在同一型號平臺上往往能夠組裝與配置出多種不同系列的產品，以便滿足客戶快速變化的訂單需求。每次訂單雖然可以借用以往的設計圖紙和BOM數據，但還是需要進行大量的查詢、校驗、修改、比較、審核以及報價等工作，其工作流程與數據處理直接覆蓋到CAX與ERP兩系統之間，需要兩系統之間進行有效的配合。當系統孤立運行時，不僅容易出現錯誤，而且會降低產品改裝的效率。
(5)跨部門的整體協作能力有待提升。通常設計與工藝部門的技術人員需要及時地從ERP系統中獲取產品的銷售、加工工藝及產品成本等信息，針對市場上銷售狀況不佳、加工工藝復雜、物料種類龐大或者總體成本過高的車型，就需要進行相應的圖紙及工藝的改進。在產品的設計階段，需要工藝、采購、銷售和財務等部門的相關人員積極的參與，以避免無效的設計與返工。
3.3 CAX與ERP系統集成的效益
(1)高效的產品研發與設計。在集成化信息平臺下，設計部門人員可以及時的獲取ERP系統中產品的需求及變更信息，從而可以對顧客的訂單及市場的變化作出快速的響應，且設計部門之間能夠輕松地查詢與訪問到大量的歷史圖紙與工藝信息，并不需要從零開始進行全新的設計，從而可以極大地提升產品的設計效率，最終也有利于產品研發知識庫的形成與發展。
(2)快速的產品配置與改裝。產品的配置與改裝流程涉及到多個部門之間，只有在CAX與ERP系統集成的環境下，才能保證在工程變更與產品改裝過程中相關部門人員能夠方便地對產品數據進行查詢、比較、修改與審批等。在集成化信息平臺的輔助下，跨部門之間的協作效率可以得到極大的提升。
(3)提高產品的質量。通過對設計圖紙、物料、BOM、工藝、加工等數據進行集成化的管理以提升企業產品數據的質量，只有在高質量數據環境的指導下，才能對產品在設計、工藝、工程測試、工程變更、原材料采購、加工制造以及運輸等各個環節中做到嚴格的質量控制。
(4)降低企業的運營風險與成本。設計部門人員在產品設計階段就能便捷、快速地訪問到ERP系統中產品的銷售與成本等相關信息，使得新研發的產品更能符合客戶與市場的需求，避免大量無效的設計與返工。
4 CAX與ERP系統在PLM平臺下的集成
針對CAX與ERP系統在孤立運行過程中出現的幾種主要問題，并在結合PLM系統的設計理念及其功能的基礎上，從數據集成、產品模型與配置管理、工程變更管理以及BOM集成這四個角度來實現CAX與ERP系統的集成應用。
4.1 數據集成
(1)物料標準化。物料數據是CAX與ERP系統中共同使用的產品數據，為了實現系統間數據的集成，首要工作就是對物料數據進行標準化的管理，保證物料數據在各系統中保持一致與同步，具體實現方法如下：
首先，通過PLM系統建立企業級的統一零部件庫，集成所有的零部件信息，對零部件進行標準化、模塊化的管理，梳理各系統內數量龐大、結構混亂的物料數據。
其次，規范物料的創建、定義與審批流程，避免物料數據由多點錄入而造成物料數據在系統間出現冗余與不一致等現象，其基本流程如圖2所示：
圖2 標準物料的創建與審判流程
最后，通過對物料重用率指標進行分析，建立物料的替代、借用機制，以規范物料數據的變更流程。
(2)數據集成。圖3為CAX與ERP系統中數據在PLM平臺下傳輸與管理的核心流程與框架：
圖3 CAX與ERP系統中數據在PLM平臺下的管理框架
4.2 產品模型與配置管理
在PLM系統中建立產品模型與產品配置庫，管理結構與功能相似的零部件族以實現產品的快速配置，從而解決CAX與ERP系統在孤立運行過程中產品快速改裝困難的問題。
圖4 產品模型與產品配置庫
4.3 工程變更管理
在CAX與ERP系統孤立運行過程中，工程的變更顯得十分的困難，主要表現在以下幾個方面：首先，設計、工藝、采購、制造等部門無法有效的參與變更的審批，變更的權限、時間、范圍無法控制。其次，變更過程管理不透明，變更過程無法追溯。最后，變更的信息無法查詢與統計分析。針對以上情況，可以借助于PLM系統平臺，以規范整個工程變更的處理流程，其具體步驟為：
(1)設計部門人員首先從相關圖紙、零部件、BOM、工藝、模具這5個方面來評估工程變更的影響范圍：
(2)設計部門相關負責人對變更進行審批；
(3)在PLM系統平臺中產生由工程變更引發的新工藝、新物料等數據，并對原有數據進行修改；
(4)PLM將新版本數據同步傳輸到ERP系統中，各業務部門負責人對新數據進行再次審批；
(5)審批通過后，同步更新ERP系統中的相關數據。
通過工程變更管理，能有效的提高CAX與ERP系統之間的工程變更協同，避免由于工程變更而造成系統間數據不能同步與一致等問題，從而造成數據的冗余。
4.4 BOM集成
BOM是CAX與ERP系統進行集成的良好紐帶。首先，通過PLM系統平臺，集成CAX中的設計與工藝BOM，轉換后通過集成接口同步傳輸到ERP系統的制造80M數據庫中；其次，當發生物料及工程變更時，在PLM系統中新增物料并通過新增物料審批流程歸檔，通過集成接口將新增物料和最新版本的BOM同步傳輸到ERP系統中；最后，由PLM發起更改流程，自動列出影響到的產品數據，將更改信息輸出到ERP接口表中進行同步更改。通過PLM平臺，不僅提高了產品技術文檔的完整性和及時性，同時還解決了CAX中的設計BOM與ERP系統中制造BOM的轉換問題，其BOM集成與加工過程如圖5所示。
圖5 BOM集成與加工示意圖
5 結語
在分析了汽車制造行業信息化發展現狀，并結合PLM系統的設計理念及其功能特點的基礎上，借助于PLM系統平臺，從數據集成、BOM集成、工程變更管理、產品模型與配置管理這四個角度出發，主要解決CAX與ERP系統在孤立運程過程中經常出現的數據冗余、BOM更新不及時、工程變更復雜，產品快速改裝困難等問題，旨在打通產品在其整個生命周期中的數據通道。但文章主要是從集成框架的層面進行的設計，其具體的技術實現細節還需要進一步的分析與研究。
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