0 引言

PLM作为全球制造企业信息化过程中研究和应用的重点方向和领域,目前在我国制造企业的深入应用尚处于行业试点阶段,尤其在航空领域的应用。由于航空产品结构复杂、技术含量离、工艺难点多、交付周期紧张、质量要求严格,而企业自身原有的信息技术应用相对薄弱,很难适应国防发展的需要,因此PLM的研究与应用的迫切性和重要性是不言而喻的。

产品生命周期管理PLM(Product life-cycle Management)自20世纪末提出以来,便迅速成为国内外制造业关注的焦点。2001年,国际咨询公司CIM data对于PLM的定义是:PLM是一种企业信息化的商业战略。它实施一整套的业务解决方案,把人、过程和信息有效地集成在一起,作用于整个企业,遍历产品从概念到报废的全生命周期,支持与产品相关的协作研发、管理、分发和使用产品定义信息。PLM为企业及其供应链组成产品信息的框架。PLM的实施应用能使航空制造业实现设计和制造的协同,缩短制造周期,改进现有设计、工艺和流程并全面提高制造水平,能有效助推航空行业的全面发展。

1 面向航空业的PLM功能与关键技术

PLM系统以web工作流技术与web项目管理技术为基础,支持产品全生命周期管理。它对分散的“产品信息孤岛”进行无缝集成,对产品设计制造各个阶段相关的历史数据、现用数据、实验数据、规范文档等进行管理,为不同阶段以及不同的合作伙伴提供统一标准的规范数据。它可以集成来自企业内外的信息资源,如:销售、市场、维护和维修服务、客户、质量保证、制造加工、部件供应商伙伴等的信息,从而建立起规范的产品信息来源。扩展企业的所有部门和分支机构都能通过PLM获得信息服务。

1.1 PLM的基本功能

 (1)利用跨行业、全球化的可视化协同工作模式建立一个集成的可视化管理环境,以便在扩大的企业范围内分享和共用复杂产品数据。

建立基础集成框架、信息模型图形化定义、对象属性定义,对象间关系定义等工具,使贯穿于整个制造价值链的协同能力大大提高,使企业从概念设计到产品发布都能以更快的速度、更低的成本推出更好的产品。

(2)实现产品业务流程的优化重组

 PLM系统将提供一套健全的业务流程构成与优化方案,功能强大的web工作流程图形化定义工具,通过帮助企业掌握和运用这些流程工具,对产品全生命周期进行优化设计。

(3)实现对企业知识集成与共享

企业的核心竞争力是产品和技术的创新力,而知识集成又是创新能力的关键。知识集成主要是对分散在企业员工头脑中的经验与知识进行集成,通过对集体知识的捕获、共享以提高企业应变和创新能力。PLM系统帮助企业继承、管理、优化企业的知识资源,提高知识、经验的可重用性。

图1 PLM功能结构示意图

1.2 PLM的关键技术

PLM系统充分吸收国外成熟软件先进技术,融合国内制造企业的实际需求,并利用在CAD/CAPP/PDM/ERP方面的研究成果,不仅各单元技术有其先进性,还实现更为通用的信息集成。在应用系统的开发过程中,其关键技术有如下几点:

(1)灵活的系统建模框架

PLM是一个涉及计算机技术、机械技术、管理技术、信息技术、网络技术等在内的横跨产品生命周期各个阶段的综合系统,为了能够建立一个健全的系统,必须首先建立系统的相应模型,包括系统体系结构模型、组织关系模型、信息传递与交互模型、协同工作模型以及各阶段系统设计模型。

(2)基于web的项目管理系统

基于web的项目管理是基础集成框架的重要组成部分,它是保障产品生命周期各阶段数据管理的有效组织形式。项目管理功能包括项目组织结构建立、任务分解、项目管理、项目监控、项目维护等。

(3)基于web的工作流管理系统

基于web的工作流管理系统燕PLM系统正常运行的基本保障,它是分散地域的信息流、知识流集成成为可能。参考国际工作流管理联盟对工作流的定义分为:工作流建模工具、工作流执行系统、工作流管理系统、工作流监控系统等部分。这些系统在构建PLM底层框架结构时就必须全局考虑。

(4)工具集开发与集成

基础集成框架为PLM系统提供基础支撑,具体任务的完成需要通过各个相应工具实现。所以PLM系统开发并集成协同生命周期的产品设计、管理工具。工具集开发包括PDM/CAPP/ERP/CRM/SCM等,工具集集成包括CAD/CAM/CAE等,工具集的集成采用远程Agent技术。

(5)网络安全技术

PLM系统运行环境构建于Intranet/Internet之上,所以为了保证数据信息的安全,必须采取相应的软、硬件保障措施。在网络建设中系统采用硬件防火墙技术:在软件开发过程中,采用基于角色的身份认证与授权技术,确保合法信息不被非法盗用、修改与截获。

(6)基础集成框架构建

基础集成框架为PLM系统的提供基础支持环境,主要包括基本平台与各协同工具。基本平台以工作流系统为主体,可以实现远程的信息传递。协同工具包括共享视频、共享音频、共享白板、电子邮件、协同浏览器等。

2 面向航空业的PLM系统应用实例

2.1 某发动机厂PLM需求和实施

 2.1.1 企业业务流程

作为航空发动机的制造企业,工厂的主要业务流程如下图所示:

图2 工厂业务流程图

    在PLM系统实施以前,公司在上述的主要业务流程中的工作模式有如下特点,如下图所示:

  (1)在整个产品制造周期所涉及的部门多:

    档案室、技术处、工艺室、工装所、生产计划处、生产车间。

    (2)在各职能部门之间流动着不同种类的数据:

    产品设计数据、工艺数据、生产辅助资源和生产计划指令。

    (3)在工作中产生和处理数据所使用的工具多:

    没有统一平台和双向接臼的多种设计软件、办公软件、工具软件。

    2.1.2 该发动机厂PLM系统的需求

    工厂希望通过PLM系统的实施,解决原本业务中存在的问题:

    (1)产品制造数据的建立

    ①基于三维产品模型编制工艺,提高编制工艺效率;

    ②基于三维产品模型设计工装,提高设计工装效率;

    ③建立数据编码、储存和查找系统,提高数据的重复利用率;

    ④建立典型工艺模板和工装库,提高工作效率,减少错误;

    ⑤建立上、下游数据借口,改进生产计划和产品制造效率。

    (2)产品制造数据的管理

    ①建立统一的数据管理平台,便于数据的存取、查找;

    ②建立和维护产品、工艺、工区、资源相关性;

    ③建立和维护产品制造数据的版本管理;

    ④实现数据信息证,提高数据传递效率。

    (3)软件工具集成

    ①使用统一的能满足需求的软件工具;

    ②提供一个集成的软件系统,具有统一的用户界面。

    (4)协同工作

    ①提供协同工作平台;

    ②实现并行工作方式,尽早发现错误;

    ③实现电子会签和任务分配,提高工作效率。

    2.1.3 该发动机厂PLM系统的实施成果

    该发动机公司通过PLM系统的实施,为企业带来了如下的成果或效益:

    (1)提高了工作效率,提升了企业竞争力

    通过采用异地的设计与制造的数字化协同技术,改进产品数据传递和产品数据更改的工作效率;通过采用数字化制造信息管理和企业各部门之间协同工作技术,改进工艺设计、资源利用等工作方式,提高员工工作效率,提升企业竞争力。

    (2)改善了设计、制造、管理手段

    从纸介质的图纸和技术文档转化为基于数据库、网上共享的数字化信息;从以实验和试制为主的技术攻关方式,转化为虚拟现实和数字验证;从人为管理模式转换为在数据分析基础上的系统决策。

    (3)优化了工作流程,降低了企业成本

    在产品数据接收和发放方面,改为网上传输的方式,省去图纸和打印设备的成本,省去取图、发图、登记造册的时间,减少档案管理人员;在工艺编制方面,原来主制工艺与辅助工艺串行工作的方式可以改为并行工作,显著地节省了时间和成本;在工装设计和制造方面,由于有统一的数据库查询系统,避免了工装的重复设计和制造,提高了工装的再利用。

    (4)提高了产品制造质量,最大限度消除了人为因素的影响

    在数据接收阶段,产品设计和制造采用统一的PLM管理模式,从设计到制造采用协调一致的更改管理流程,由系统来保证数据的一致和正确;在生产准备阶段,工艺信息和制造资源与产品数据在同一个数据库中,直接在产品模型上建立工艺信息,直接在产品模型上创建工装卡具,进一步保证了这三者之间的相关性;在生产制造阶段,通过加工仿真和虚拟制造技术,保证数控程序和装卡方式的准确性。

    (5)缩短了产品生产制造周期

    在产品设计审查、工艺编制、工装设计和零件制造时,直接看3D模型比看2D图节省时间;分流水、编制工艺、设计工装的并行工作比串行工作要节省数倍时闰;网上电子审签比人工送达并在送交的文件上签阅要节省数倍时间;在系统中进行加工仿真比试切零件要节省数倍时间。

    2.2 PLM助波音787飞机项目实现全球虚拟生产

    波音公司使用达索公司的PLM V5R16,包括CATAI、DELMIA、ENOVAI、SMARTEAM等,在真正开始生产飞机之前,就针对波音787项目的各个方面,如制造流程等,进行了数字化设计、制造和测试。其中,CATIA用于数字产品的定义和模拟;DELMIA用于精益生产流程的定义;ENOVAI和SMARTEAM则以一种协同的方式管理产品生命周期中的所有信息,包括产品配置、工艺知识和资源信息等。PLM的应用,实现了787项目的一体化管理。

图3 波音787飞机全球化生产网络示意图

    2.2.1 波音787项目采用的PLM的特点和技术架构

    PLMV 5R16解决方案具有三个特点:一是CATIA V5不再仅仅作为完成三维几何造型设计的传统CAD工具,而是作为对产品和产品相关的知识进行创建和优化的系统;二是从传统的产品“数据管理”转变为企业的“知识管理”;三是从传统的“管理结果”转变为注重“控制过程”。

    达索公司的解决方案并不是简单地将CAD软件与PDM软件组合起来,而是建立了统一的、多层次的技术架构。达索公司的PLM解决方案通过PPR HUB实现了PLM内部各个系统之间的信息集成和对产品数据、流程及资源的有效监控与管理;并通过CAAV5中间件实现ERP、CRM、SCM等各类软件厂商的应用软件和解决方案与达索PLM的集成。

    2.2.2 PLM在波音787飞机项目中的应用效果

    (1)PLM为波音787项目提供了一个分布式、世界范围的协同工作空间

    波音787项目基于PLM创造了一个称作全球协作环境(GCE)的虚拟研发工作区,它通过网络使所有项目参与者(包括波音公司的各部门、波音787项目的合作伙伴、系统原设备供应商及客户等)不论身处何地都像在同一个机构工作一样,并按照统一的标准进行概念设计、产品设计、产品制造和产品支持。

    (2)PLM使得波音787项目成为第一个在产品全生命周期实现全三维模型与仿真的民机项目

    利用PLM,波音787项目成为第一次在如此大尺寸且复杂的项目上应用3D模型与仿真技术,而且从项目的一开始到生产再到产品保障,全程采用三维模型和数字仿真技术的民机项目。在CATAI所建立的针对产品整个开发过程的三维数字化产品定义和模拟的环境中,准确、直观的三维模型成为了传递设计和产品规划信息的基本手段,过程中的所有参与者都可以访问到零件、装配和系统的三维数据模型。

    (3)PLM为波音787项目全生命周期中不同环节间的“环馈”建立了通道

    PLM使得波音787项目基于准确的3D零件、装配工装模型、虚拟技术装配,以及仿真技术,建立了比波音777项目更加完善的数字化设计、仿真和制造环境。这种数字化环境建立了设计人员和制造人员的沟通渠道,实现了飞机设计和制造工程师之间畅通的“环回”般的交流,避免在投产时才发现设计的不可制造性,极大减少了波音787项目中的返工现象。同时,在实际投产前就可对生产系统和流程进行优化,以避免由于没有对产品设计和生产规划进行测试,而在产品生命周期后期发生的错误所带来的成本代价。

    (4)PLM实现了波音787飞机动画般的“虚拟出厂”

    2006年12月6日,波音公司使用最新的3D技术显示出虚拟的787梦想飞机下线场面,PLM的应用为波音787项目实现首次“虚拟出厂”提供了重要的技术支持。PLM实现了从设计到生产车间,从生产到客户支援每一个环节的虚拟显示最终实现了波音787项目数字式总装到“飞机全寿命期电影”的一次革命。

    2.3 Siemens PLM Software助力克鲁尼契夫国家航空研制中心

    2010年,Siemens PLM Software与俄罗斯克鲁尼契夫国家航空研制中心宣布,合作推进俄罗斯规模最大的PLM实施项目之一。Siemens PLM Software将帮助克鲁尼契夫提高新产品及更新新产品的产量,并降低产品开发和生产规划成本。按照双方协议的有关条款,今后克鲁尼契夫的所有部门都将基于Siemens PLM Software旗下软件进行标准化,包括NX软件、Teamcenter及Tecnomatix软件。

    该项协议将提供可扩展的增强型解决方案和技术集成,可覆盖克鲁尼契夫的分支机构和关联企业。该协议的宗旨是采用NX、Teamcenter、Tecnomatix软件减少产品开发和生产规划成本,同时缩短项目启动和试运行之间的时间。克鲁尼契夫国家航空研制中心将采用Teamcenter控制和跟踪项目、管理产品结构,并提供工程知识和产品要求数据库。

3 PLM在航空领域应用发展趋势

    2010年1月29日— 西门子工业自动化业务部旗下机构、全球领先的产品生命周期管理(PLM)软件与服务提供商Siemens PLM Software正在为下周开幕的新加坡航展进行准备。PLM软件已彰显其对航空航天和国防工业,特别是推动亚洲航空航天市场增长方面拥有不断增加的重要性。业界领先的PLM咨询和研究企业CIMdata公司总裁Ed Miller表示,PLM技术和解决方案“对航空航天业的未来至关重要。”

    从亚洲新推出的航空航天和国防工业发展规划中可以看出,中国、日本、韩国、印度和澳大利亚航空航天市场的重要性在日益增强。Siemens PLM Software的技术在航空航天领域已屡获殊荣,荣膺多个奖项,有助于航空航天和国防企业管理创新和进行技术改造,帮助企业巩固或加强其领先地位。例如,亚洲某国的国防部门将Siemens PLM Software技术作为企业标准,从而得以提高其海陆空等所有兵种的配置管理水平、合规性和安全要求。

    与此同时,Siemens PLM Software 也于同日宣布,国际飞机制造领域领先的机舱内饰及系统零件开发商与制造商Diehl Aircabin公司决定选用全球应用最广泛的PLM系统—Teamcenter 软件来进行流程优化、增强协同,并带动创新。

    PLM在航空领域中的应用已经越来越广泛,在PLM的发展过程中,根据国内外PLM厂商的发展动向,以及对PLM关键技术的研究,PLM在未来几年将围绕以下几个重要的方向发展:

    1)面向航空企业提供可定制化的解决方案

    PLM成功应用的关键取决于软件供应商对企业的需求响应的速度和代价,响应速度越快并且付出代价合理,那么系统实施成功并且不断深化的可能性就越大,因此PLM必须是一个可定制化解决方案。从PLM系统的发展轨迹来看,PLM系统的可定制能力经历了缺乏可定制、模型可定制、模型驱动的构件可定制的这样的发展过程,随着实施企业的逐渐理性,PLM需要提供一个使企业可以快速、安全、稳定并且低成本的部署,并运行一个数据模型和业务模型符合具体需求的可定制的解决方案。

    如图4所示,随着PLM在产品的各个生命周期阶段功能的完善,使得PLM的功能愈来愈丰富和强大,但即使是这样,也不能完全满足不同企业的个性需求,因此提供一个可定制化的解决方案就显得非常有必要,让用户来决定最终PLM产品的形态和配置。

图4 面向航空企业可定制系统

    2)高效多层次协同应用

    随着PLM的快速发展,PLM已经逐步覆盖从产品市场需求、概念设计、详细设计、加工制造、售后服务,直到产品报废回收等全过程的管理,并逐步实现了与企业其它信息系统的深入集成。目前国内外许多集团型企业也在使用PLM系统,同时产业链上的上下游企业之间也需要通过PLM实现协同,因此伴随着的问题就是解决产品不同阶段、不同参与人员和组织之间的协同,因为只有高效的协同应用,优化的业务过程,才能真正提高企业的工作效率,缩短响应时间,为企业带来更好的利润回报。协同的应用根据企业的业务需求可以分为多个层次,我们把协同应用分为三个大的层次:项目管理协同、业务过程管理的协同和业务数据协同管理。

    项目管理的协同可以在整个企业不同部门之间或者产业链的上下游企业之间应用,主要反映的任务的关系和结果,这对于解决集团型企业应用非常适合;

    业务过程管理的协同可以在部门内部或者部门之间应用,主要反映日常业务的执行过程和结果,满足了企业日常工作的自动化协同;

    业务数据的协同管理是最基本的协同,通过数据的生命周期阶段或者状态在不同人员之间形成协同,保证业务数据在整个生存周期的正确和完整。图5所示为IPD与PLM的多层次集成示意图。

图5  IPD与PLM的多层次集成

    3)多周期产品数据管理

    PLM产品是从PDM产品发展起来的,在企业的应用已经从研发部门延伸到企业的各个部门,对于同一份系统中的数据,根据企业的划分标准不同,会有多个生命周期,例如对一个文档对象,根据不同的标准,可能会参与两个生命周期的变化:

    ①业务生命周期:需求、设计、审批、工艺、制造、售后等;

    ②数据生命周期:工作阶段、审批阶段、归档阶段;

    因此多周期的数据管理是PLM系统发展应用的趋势,如图6示,同一份数据同时存在于5个生命周期线上,需要保证不同生命周期的不同阶段的有效管理。目前主流的PLM厂商都有自己的产品生命周期管理解决方案,但是还没有多周期产品数据管理,单周期的数据管理对于项目型的应用比较适合,因为项目本身就包含了一次性的特点,而产品的管理是重复迭代,周而复始,需要更加复杂的周期管理。

图6 PLM多周期产品数据管理

    4)知识共享与重用管理

    现在知识管理已经非常热门,企业不断推出各种知识管理解决方案。关于知识管理系统定义非常多,如知识管理系统是一种把企业的事实知识(know-what)、技能知识(know-how)、原理知识(know-why)与存在于公司数据库和操作技术中的显性知识组织起来的技术。

    随着企业应用PLM的时间越来越长,积累的数据来越多,这其中包含了企业多年沉淀的知识,如何让这些知识方便的在企业内部共享和传播就显得非常重要。

    知识的共享和重用的应用包含两个方面:一是获取知识,即进行数据挖掘和数据的整理;另一个是知识传播,即把已经整理好的知识融入到PLM系统,依靠PLM系统把必要的知识传递给相关的人,为企业的生产进行服务,减少不必要的重复劳动或者探索。通过知识分类和梳理,可以把企业的各类知识进行有效的管理,有效的形成企业的知识资产。如图7所示即知识共享示意图。

图7 知识共享示意图

    5)数字化仿真应用普及

    随着企业对生产制造过程的仿真和管理的需求不断加大,全球三大PLM厂商UGS- Tecnomatix、达索-Delmia、PTC-Polyplan均已拥有了自己的数字化制造解决方案,开始了产品生命周期的一个新阶段的应用探索。通过数字化仿真企业可以节约产品研发、生产准备和生产节拍制定等许多成本,并可以节约大量的时间。

    数字化仿真主要分为两个方面,一是产品生产制造的仿真,另一方面是管理过程的仿真。

    产品生产制造的仿真主要应用在航空航天、汽车和电子等发杂、大型制造行业中,一个产品研制的完成需要较长的时间,复杂度比较高,如果按照传统的生产流程,在产品形成和测试过程中,需要耗费大量的人力和物力进行验证,这些工作需要耗费企业大量的成本,而且测试并不意味着一次性成功,有了数字化仿真,就可以通过在计算机上进行大量的测试和验证工作,大大节省了成本和时间。

    管理过程的仿真主要是管理者在制定新的业务过程的时候,按照传统的做法,需要进行较长的适应和磨合期,而且如何进行已有业务规则的调整,需要实际的人员参与,形成的周期比较长,对于企业的管理是一个很大的挑战。有了数字化仿真,管理者可以通过 PLM系统仿真业务规则的制定和执行过程,生成相关的数据,制定相关的业务过程,进行仿真,在仿真的过程中发现问题进行改进,节省了成本,提高了管理过程的可控制性。管理以人为本,辅以先进的信息技术,才能真正提高企业的管理水平。

    现在各主要PLM厂商主要集中在产品生产制造的仿真研究上,管理过程的仿真还是一个新的领域,在今后的几年将会是PLM应用的热点。如图8、9所示即飞机数字化仿真示例图。

图8 数字化仿真示例图(1)

图9 数字化仿真示例图(2)

4 结论

    PLM的思想是对信息进行一体化管理,避免信息孤岛的存在。航天装备的复杂性注定了围绕航天产业服务头绪众多、信息繁杂。

    信息时代的我国航空制造企业将是一个全面集成的数字化企业,它不仅要为用户提供满足其当前需要的产品,而且要实现对产品全生命周期(从用户需求、产品设计、制造装配、维护服务到报废回收)的管理和服务。现代航空航天制造企业实施PLM是一种必然的选择。但PLM的实施决不是一蹴而就的,必须制定有效的策略,分阶段有计划的实行。在现阶段,实施从需求分析到报废的真正的全生命管理,还非常困难。能够实现设计过程、工艺过程、制造装配过程的PLM,本身就是一个飞跃。