1 前言
近10年來，隨著國家調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、振興裝備制造業(yè)等一系列政策的實施，我國鑄造業(yè)不斷變革，一些主流鑄造企業(yè)加大改造步伐，部分企業(yè)的裝備水平和技術(shù)水平已達(dá)到國際先進(jìn)水平，但是與國外發(fā)達(dá)企業(yè)仍有差距。數(shù)字化為制造業(yè)帶來了第三次工業(yè)革命，也為鑄造業(yè)指明了技術(shù)革新的道路。技術(shù)是企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量的根本保障，是實現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展的堅實基礎(chǔ)，更是展示綜合實力的有效平臺。因此，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)資料的管理尤為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式是單純的文本數(shù)據(jù)管理，這樣的管理方式不僅消耗大量的人力和物力，而且造成數(shù)據(jù)傳遞的延遲性和數(shù)據(jù)共享的局限性大大提高。在數(shù)據(jù)管理過程中，會帶來大量的存儲和維護(hù)費用。伴隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化正在為不同的行業(yè)帶來新的突破，同樣為企業(yè)數(shù)據(jù)管理引進(jìn)了新的思路。從產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)到產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)的發(fā)展過程，逐步將生產(chǎn)技術(shù)資料管理從文本數(shù)據(jù)管理模式向電子數(shù)據(jù)管理模式發(fā)展。同時，信息技術(shù)為個人、部門、乃至協(xié)同公司之間的數(shù)據(jù)傳遞提供了高效、準(zhǔn)確、規(guī)范的途徑。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)規(guī)范存儲、高效傳遞、有效共享的基礎(chǔ)上，企業(yè)技術(shù)質(zhì)量的提升必將帶動產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的突破，從而為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
PLM的中文名稱為產(chǎn)品全生命周期管理(Product Lifecycle Management)。PLM系統(tǒng)是以軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品為核心，實現(xiàn)對產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過程、資源一體化集成管理的技術(shù)。PLM系統(tǒng)進(jìn)行信息管理的兩條主線是靜態(tài)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和動態(tài)的產(chǎn)品設(shè)計流程，所有的信息組織和資源管理都是圍繞產(chǎn)品設(shè)計展開的，這也是PLM系統(tǒng)有別于其他的信息管理系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。從根本意義上講，PLM系統(tǒng)是對PDM系統(tǒng)（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）的升華，它包含PDM的全部內(nèi)容，同時又強調(diào)了對產(chǎn)品生命周期內(nèi)跨越供應(yīng)鏈的所有信息進(jìn)行管理和利用的概念。PLM的基本原理是，在邏輯上將各個CAX信息化孤島集成起來，利用計算機系統(tǒng)控制整個產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程，通過逐步建立虛擬的產(chǎn)品模型，最終形成完整的產(chǎn)品描述、生產(chǎn)過程描述以及生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)。它提供產(chǎn)品全生命周期的信息管理，并可在企業(yè)范圍內(nèi)為產(chǎn)品設(shè)計和制造建立一個并行化的協(xié)作環(huán)境。可以說，PLM是實現(xiàn)企業(yè)技術(shù)革新不可或缺的重要組成部分，也是擴(kuò)大技術(shù)設(shè)計在產(chǎn)品生命周期中所占比重的主要途徑。
2 鑄造企業(yè)PLM系統(tǒng)的功能組成
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，顧客將幾乎無礙地融入迅速得到更好產(chǎn)品的新時代，而傳統(tǒng)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足顧客的要求。通過引入PLM系統(tǒng)，可以逐步擴(kuò)大技術(shù)設(shè)計在產(chǎn)品生命周期中所占比重，不斷提高工藝設(shè)計的質(zhì)量，從根本上改變以實際生產(chǎn)為主、以市場銷售和技術(shù)設(shè)計為輔的制造模式，減小生產(chǎn)環(huán)節(jié)占用的企業(yè)資源，實現(xiàn)鑄造企業(yè)的快速轉(zhuǎn)變。
通過分析鑄造企業(yè)的制造經(jīng)驗可知，工藝設(shè)計質(zhì)量直接影響著鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量，而規(guī)范的數(shù)據(jù)管理又是工藝設(shè)計質(zhì)量的根本保證。為了從源頭上提高工藝設(shè)計質(zhì)量，我們考慮引入PLM系統(tǒng)作為工藝設(shè)計的核心平臺，實現(xiàn)了鑄造工藝、模具工藝、加工工藝全流程數(shù)據(jù)的規(guī)范管理和全三維工藝的協(xié)同設(shè)計。并作為部分?jǐn)?shù)字化系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)中樞，通過PLM系統(tǒng)向制造系統(tǒng)傳遞工藝路線、生產(chǎn)定額、BOM清單及質(zhì)量參數(shù)等。為此，我們將PLM系統(tǒng)在鑄造企業(yè)的應(yīng)用主要分為三大模塊：數(shù)據(jù)規(guī)范管理、工藝協(xié)同設(shè)計以及數(shù)字化系統(tǒng)集成應(yīng)用。
2.1 數(shù)據(jù)規(guī)范管理
數(shù)據(jù)管理是企業(yè)管理的基礎(chǔ)內(nèi)容，包含企業(yè)運行過程的方方面面。本文重點關(guān)注與企業(yè)技術(shù)設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)管理，可分為四類：圖文檔管理、流程管理、BOM管理以及權(quán)限管理。
由于大部分鑄造企業(yè)不進(jìn)行獨立的產(chǎn)品設(shè)計，因此數(shù)據(jù)管理的源頭由顧客提供的圖紙和規(guī)范發(fā)起，進(jìn)一步延伸至公司內(nèi)部的工藝文件、質(zhì)量文件以及其它附加文件（物料BOM、工藝路線等）。主要實現(xiàn)以工內(nèi)容，一是在標(biāo)準(zhǔn)的人員結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格的權(quán)限控制可以避免數(shù)據(jù)共享造成的惡意篡改、數(shù)據(jù)沖突等現(xiàn)象；二是結(jié)合PLM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模式，將傳統(tǒng)的以命名區(qū)分版本的形式進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)版本的規(guī)范管理，避免了數(shù)據(jù)交叉使用導(dǎo)致的應(yīng)用問題；三是利用PLM系統(tǒng)為各類數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性定義，再配合查詢規(guī)則的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)查詢更加快速、高效、準(zhǔn)確；四是打破受時間和空間雙重限制的傳統(tǒng)審批方式，數(shù)字化的審批流程在很大程度上提高了工藝審批的效率，減小了工藝設(shè)計在整個產(chǎn)品生命周期的時間消耗。PLM系統(tǒng)定義了豐富的流程管理、流程查詢、流程通知等功能，用戶可以在同一平臺下，快速發(fā)起審批流程和接收審批任務(wù)，大大減小了文件下發(fā)的周期。通過以上數(shù)據(jù)規(guī)范管理的方式，可以充分確保工藝設(shè)計的有效進(jìn)行。
圖1 PLM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊
2.2 工藝協(xié)同設(shè)計
鑄造過程在工藝設(shè)計階段，涉及多個領(lǐng)域的協(xié)作，其中包括模具制作、造型工藝、熔煉工藝、熱處理工藝、拋丸工藝、清理工藝以及加工工藝等。因此，不同領(lǐng)域之間的數(shù)據(jù)共享、信息傳遞以及相互影響，是影響整個鑄造過程工藝設(shè)計質(zhì)量的重要因素。PLM系統(tǒng)在管理靜態(tài)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的同時，提供了動態(tài)的產(chǎn)品設(shè)計流程管理，可以為鑄造企業(yè)搭建一個高度協(xié)同的數(shù)字化研發(fā)平臺。以鑄件產(chǎn)品為中心，建立全套的工藝解決方案，由不同專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計人員在相應(yīng)的模塊下完成協(xié)同工作，保證工藝信息的準(zhǔn)確、及時傳遞，實現(xiàn)不同工藝之間的有效關(guān)聯(lián)和影響分析。通過工藝協(xié)同設(shè)計管理，提高企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新能力，為技術(shù)研發(fā)提供強有力的保障。
以鑄造工藝和模具工藝為例，鑄造工藝是模具工藝制作的依據(jù)，在實際設(shè)計過程中，鑄造工藝的變更直接影響模具工藝的設(shè)計。為了縮短工藝設(shè)計的周期，兩者往往需要并行開展，這就要求鑄造工藝的變更信息及時向下游傳遞，保證后續(xù)工作的正常開展。利用PLM系統(tǒng)的工藝規(guī)劃模塊，將鑄造工藝和模具工藝附加在產(chǎn)品的全套工藝下，使兩者之間建立密切的聯(lián)系。當(dāng)鑄造工藝發(fā)生變更時，系統(tǒng)自動將信息傳遞至模具工藝，指導(dǎo)設(shè)計人員及時變更模具工藝設(shè)計方案，保證兩者的一致性。同理，不同專業(yè)領(lǐng)域之間建立相應(yīng)的協(xié)同關(guān)系，就形成了全套工藝的協(xié)同設(shè)計過程，提高了工藝設(shè)計效率，保證了工藝設(shè)計質(zhì)量。
2.3 數(shù)字化系統(tǒng)集成應(yīng)用
數(shù)據(jù)規(guī)范管理和工藝協(xié)同設(shè)計保證了高質(zhì)量的工藝設(shè)計，但對于生產(chǎn)制造過程來講，以技術(shù)為核心，還需要生產(chǎn)、成本、設(shè)備、安全等領(lǐng)域的相互配合，才能充分保證產(chǎn)品的質(zhì)量，這就要求工藝設(shè)計信息在其他領(lǐng)域得到有效的執(zhí)行。為此，可以利用技術(shù)信息系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)的有機集成，建立支持整個產(chǎn)品生產(chǎn)過程的信息系統(tǒng)。通過建立虛擬的產(chǎn)品模型，PLM系統(tǒng)可以有效、實時、完整地控制從產(chǎn)品規(guī)劃到產(chǎn)品報廢處理的整個產(chǎn)品生命周期中的各種復(fù)雜的數(shù)字化信息。
圖2 以PLM系統(tǒng)為核心的系統(tǒng)集成圖
3 基于PLM系統(tǒng)的虛擬鑄造技術(shù)研究
引入PLM系統(tǒng)作為鑄造企業(yè)設(shè)計研發(fā)的協(xié)同平臺，重點突出技術(shù)環(huán)節(jié)在產(chǎn)品生命周期中的關(guān)鍵作用，目的是實現(xiàn)以技術(shù)創(chuàng)新為指導(dǎo)的新型鑄造模式。通過這樣的方式，雖然減小了實際生產(chǎn)占用的較多的產(chǎn)品生命周期，卻不影響通過提升產(chǎn)品質(zhì)量獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。在這種思路的指導(dǎo)下，虛擬鑄造技術(shù)應(yīng)運而生。
所謂虛擬制造(VM)就是利用三維仿真技術(shù)模擬實際生產(chǎn)過程，驗證工藝過程的合理性和可執(zhí)行性，并生成基于工藝過程的物料清單、工時成本和關(guān)鍵質(zhì)量控制點等信息。而虛擬鑄造技術(shù)就是針對鑄造行業(yè)的特點，應(yīng)用虛擬制造技術(shù)并取得實際效益的創(chuàng)新技術(shù)。傳統(tǒng)新工藝的驗證，需要生產(chǎn)首件以確定工藝的合理性。這不僅造成了生產(chǎn)成本和資源的浪費，而且極大降低了生產(chǎn)效率，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。而通過虛擬鑄造，我們可以實現(xiàn)零成本工藝驗證，而且驗證周期將大大縮短。另外，對于所有產(chǎn)品還可輸出生產(chǎn)過程的物料清單和工時成本等信息，從而提高過程控制能力。下面，從技術(shù)和生產(chǎn)兩個方面舉例說明虛擬鑄造技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的作用。
(1)模擬制芯、造型過程，通過物聯(lián)網(wǎng)獲得混砂機中樹酯加入量、固化劑配比、砂溫和環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，最終得到理想的開箱時間，指導(dǎo)實際生產(chǎn)。另外根據(jù)開箱過程中有無干涉，可以判斷型、芯設(shè)計是否合理。
(2)模擬吊運過程，確定芯鼻位置是否合理；在吊運鑄件時，得到鑄件的應(yīng)力分布狀態(tài)；最重要的是根據(jù)吊車和鋼絲繩的載荷，確定最佳的吊運方案。
(3)模擬拋丸過程，優(yōu)化拋丸室內(nèi)噴頭的位置布局，或根據(jù)現(xiàn)有的布局確定鑄件是否有未被拋到的死角，從而確定最佳的拋丸方案。
(4)模擬現(xiàn)場的人流、物流、鑄件流的狀態(tài)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程現(xiàn)場監(jiān)控，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化管理。
(5)模擬模具出庫、入庫的狀態(tài)，提高模具管理效率，避免因為管理不當(dāng)導(dǎo)致生產(chǎn)周期的延誤，有效提升6S管理水平。
4 結(jié)束語
鑄造行業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，是先進(jìn)裝備制造業(yè)發(fā)展的重要支撐。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)競爭壓力的增強，數(shù)字化必將是鑄造行業(yè)提高整體水平、鑄造企業(yè)增強核心競爭力的重要手段。針對企業(yè)技術(shù)環(huán)節(jié)的數(shù)字化推進(jìn)將會成為鑄造企業(yè)間競爭力差距的重要體現(xiàn)。通過引入PLM系統(tǒng)，為鑄造企業(yè)搭建一個完整、高效、規(guī)范、協(xié)同的設(shè)計研發(fā)平臺，可以充分提升工藝設(shè)計質(zhì)量，縮短工藝設(shè)計周期，從而優(yōu)化原有的鑄造生產(chǎn)模式，最終實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的跨越式增長。而基于PLM系統(tǒng)的虛擬鑄造技術(shù)，將為鑄造業(yè)帶來一次突破性的技術(shù)革命，甚至引導(dǎo)整個制造業(yè)走向技術(shù)創(chuàng)新的高潮。
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本文標(biāo)題：PLM系統(tǒng)在鑄造企業(yè)的應(yīng)用研究
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