1 引言
隨著數字化技術和信息化技術的不斷發展，制造業企業發展數字化及信息化制造成為必然趨勢，軍工制造業是我國制造業的重要組成部分，對國民經濟發展和整體的技術進步具有重要推動作用，因此在軍工企業中推行數字化產品設計與制造已經成為軍工企業的重要戰略舉措。
建立基于三維設計模型的數字化產品制造平臺，打通從設計到制造的信息化之路，構建基于MBD(Model Based Definition)的三維產品設計、工藝和制造的一體化應用平臺，實現產品從設計、工藝到制造的全生命周期信息化管理，并集成企業現有的PDM、ERP、DNC系統，實現一體化的、基于三維的管理設計、工藝、制造過程的產品研發和精益制造體系，已成為制造業信息化的又一趨勢。
通力凱頓（北京）系統集成有限公司（以下簡稱“通力有限公司”）作為國內制造業最佳信息化合作伙伴，以科學的PLM/MES（產品生命周期/生產執行系統）項目實施方法論為指導，結合眾多軍工制造業企業的實際產品研發及工藝制造過程和生產過程管理特點，基于全球先進的PLM/MES系統平臺，以國防行業最佳實踐為參考，在北京長空機械公司取得了該項目的成功試點。
2 系統架構
通力公司面向軍工制造業提供的“基于PLM的三維數字化車間整體解決方案”正是基于制造業企業信息化整體規劃的基礎上，結合當前信息化現狀和車間需求而提出的，旨在為企業精益制造提供先進的信息化管理思想和工具，從而幫助企業提高設計、工藝、制造和質量技術水平，縮短研制周期，降低成本，促進生產管理方式和業務流程的變革，建立基于三維工藝的數字化設計平臺和車間級生產管理平臺，以打通設計、工藝、制造和底層自動化設備間的斷層問題，實現信息化的全面集成和協同，圖1為基于PLM的三維數字化車間整體解決方案架構。
圖1 基于PLM的三維數字化車間整體解決方案架構圖
數字化產品制造平臺總體上應包括前端的CAD/CAE/CAM產品設計系統、工藝規劃管理系統(TCM)、工裝管理系統(TEM)和生產執行系統(MES)、企業資源計劃系統(ERP)等，并基于產品生命周期管理(PLM)平臺實現信息化全過程的貫通。通過工藝管理系統可建立三維的、基于模型的結構化的工藝平臺，并在此平臺上實現了工藝分工和基于三維的工藝設計、工藝變更、工藝文件管理等功能；通過MES監控車間的生產計劃和執行過程，基于條碼方式完成生產任務的報工和現場數據采集、質量監控和跟蹤等；并在TCM和MES兩個系統上進行專項客戶化開發建立TEM，實現專用工裝的設計、工藝規劃管理，以及工裝的生產和出入庫、借用、報廢管理等。最終，通過數字化產品制造平臺的實施，縮短制造周期時間，降低或消除資料進入的時間，減少在制品，改善產品質量，實現全面的精細化過程管理和質量管理等。
3 系統設計
3.1 構建企業數字化設計與制造協同工作環境
TCM將基于Teamcenter的Manufacturing作為管理平臺，方便在原有Teamcenter的設計BOM基礎上進行功能擴展，以結構化及三維可視化的工藝形式進行工藝規劃，系統將有效管理工藝BOM、工藝結構、工裝設備等生產資源數據。TCM系統不僅要實現工藝內部的工作協同，同時要與設計和制造等部門進行協同。建立高效的協同工作環境，加強信息溝通，改串行工作模式為并行模式，進一步提高了工作效率。
3.2 構建基于MBD的三維設計管理平臺
采用全三維基于特征的產品表述方法，建立了一個具有完整信息（三維尺寸標注及各種產品結構信息等）的三維數字模型，從而取消二維工程圖，保證設計數據的唯一性。設計模型不僅描述設計幾何信息，而且定義了三維產品制造信息（如材料消耗等）和非幾何的管理信息（如產品結構、BOM等等），下游人員僅需一個模型即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統的過度依賴，使設計制造之間的信息交換可以不完全依賴信息系統的集成而保持有效的連接，即解決唯一數據源問題。圖2為基于MBD的單一數據源產品模型設計。
圖2 基于MBD的單一數據源產品模型設計
3.3 打造數字化車間精益制造執行系統
建立面向車間的MES生產執行系統，實現車間的數字化和透明化管理，將車間各項制造訂單、計調派工、任務執行、數據采集、資源設備管理和物料配套、人員管理、質量管理等業務納入該系統，并最終通過車間看板系統和綜合查詢分析系統提供動態信息分析和展示，為管理人員提供實時準確的決策依據，同時大量實時數據為車間管理人員提供了準確的在制品狀態和進度信息，方便計調人員合理安排設備和資源，從而提高生產效率，確保產品的按期交付。另外大量的質量數據為產品性能分析提供了依據，并為產品設計、工藝優化、生產交付到質量提升、持續改善創造了一個閉環，為產品的質量優化奠定了基礎，圖3為MES生產執行系統平臺總體架構圖。
圖3 MES生產執行系統平臺總體架構圖
結合產品單件小批量多品種和科研批產并行業務模式，MES系統將充分關注生產準備齊套性要求以及以最終成品集成為核心的離散生產特點，建設一個以工藝數據為基礎，以計劃管理為驅動，包含物料管理和質量管理的數字化協同制造的信息管理平臺，該平臺包括的功能模塊有基礎建模管理、生產計劃管理、調度派工管理、車間物料管理、現場作業執行管理、設備狀態管理、工裝管理、人員管理和WIP在制品管理以及綜合質量管理和車間級門戶及信息化集成等模塊。
該方案中涉及到的關鍵技術和亮點分別包括：大屏幕看板管理技術的應用；電子作業流程卡片或流動本應用；條碼標識和RFID射頻技術的應用；三維工藝文件在現場的作業指導和執行；各類形位公差特征符號的輸入和輸出技術；ERP/PLM軟件接口技術及DNC/DCS/PLC等底層傳感和接口技術的應用。
3.4 建立了精益化TEM工裝管理系統
數字化工裝TEM管理系統是集工裝設計工藝管理、工裝生產制造管理、工裝庫房管理于一體的“工裝全生命周期管理”軟件，是面向工裝制造和配套車間使用，并協同生產管理部門、質量部門、技術部門等多個部門，實現由訂單提請-工裝設計-工藝編制-生產制造-庫房管理-返修報廢全生命周期工裝管理。
企業通過實施TEM工裝全生命周期管理系統，可有效地整合產品設計PLM端和產品制造MES端及產品庫存端的信息，通過條碼化電子標識手段可逐步取代傳統二維設計模式以及傳統“卡片、賬本”生產管理模式和庫房賬本管理模式，實現數字化設計、精益化制造管理、全面化資源共享的整體目標。
3.5 實現工裝設計與制造管理信息集成
基于Teamcenter和Camstar Manufacturing各自的設計工藝管理功能和庫存管理功能以及兩者的信息集成，實現專用工裝的設計工藝過程管理，并與企業整體工藝規劃過程融合，形成設計任務、生產任務和交付完成的全過程信息互動，提高了工裝設計和制造配套的效率，取消了傳統的工裝卡片管理方式，實現工裝庫信息化，動態記錄現有工裝庫存情況，共享工裝信息。
3.6 集成ERP\MES\DNC，傳遞工藝信息
集成ERP\MES\DNC系統，將工藝階段產生的所有數據及時準確地傳遞給ERP\MES\DNC系統，貫通了設計、工藝、生產信息流。同時，ERP系統的數據能夠反饋給工藝部門，形成系統之間信息集成的閉環。
4 結束語
數字化設計和制造技術已經成為當今制造企業信息化的熱門話題，制造企業要想在未來獲得更強的競爭力就必須通過不斷的創新來實現跨越式發展，在結合自身信息化建設的基礎上逐步拓展基于三維工藝的數字化設計、數字化工藝和數字化生產應用，并基于協同思想實現信息的高度共享和集成，逐步實現以PLM為核心的基于三維設計的ERP、CAPP/MPM、MES、DNC等信息化系統集成，最終可打造從設計到工藝再到制造和服務的全生命周期信息化。
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本文標題：基于PLM的三維數字化車間整體解決方案
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