基于数字化转型的产品研发平台化之路

PLM之神 2022-05-25 21:00 发表于福建

导读：在数字化转型浪潮下，某企业打造了以PLM系统为核心研发平台，在全面开展CAD、CAE、CAPP等系统应用的同时，与PLM系统进行了紧密集成，并实现了与MES、ERP系统的高效协同与集成。

作者：闫广军   | 来源：e-works

一、项目建设情况

1.实施思路

　　设计平台化是以PLM系统为核心，全面开展CAD、CAPP等系统的应用，实现基于模型定义（MBD）的设计，实现产品设计、工艺、采购、生产、物流、服务全生命周期管理；通过产品全生命周期管理，提高数据应用对设计的支持作用；并通过CAE的应用，进行产品仿真，对零部件和产成品试验验证。

　　（1）PLM系统开发

　　通过实施PLM系统实现研发和工艺方面的信息化提升。包括研发信息化业务优化提升和PDM与CAPP的深度集成。

（2）CAXA、PLM与CATIA深度集成

　建模过程规范化：《三维建模规范》企业标准，规定“CATIA软件中三维结构树层级搭建必须准确，有结构树层级的零部件必须有数模；零件代号和实例名称必须填写，保证一物一码对应；利用宏命令的方式对三维属性进行添加（与二维图标题栏和明细表属性信息一致）”等内容，保证三维数模数据的完整性和准确性。在CATIA软件中的建模规范化和三位属性添加。

（3）三维数字化设计和仿真系统

　　线上协同设计：CATIA与PLM集成，集成模块功能：登录CATIA软件后，通过软件内置工具条，可以浏览产品结构树、文档树所有数据，实现CATIA软件调用PLM软件的内容，达到线上协同设计的功能，线上协同设计：同时可将CATIA软件中属性信息和层级结构提取至PDM系统中，达到BOM层级生成和属性数据映射等功能。

三维数模的数字化设计：新项目实施方案研讨，对软模数据和硬模数据分阶段管控，通过增加函数的方式，对零部件关键尺寸进行系列化汇总分析，实现三维数模的数字化设计，提高三维数模的共享效率，同时促进三维数模与二维图纸数据一致性，2020年7月份新项目全面推广。

产品仿真分析：采用了Dymola多学科仿真建模、FLUENT流体仿真、Ansys强度仿真平台等CAE软件，对设计产品关键承载件及产品整体做不同类型的分析，工程师可以修改结构参数，经过计算就能直观地判断和分析各构件是否满足设计和实际工程要求，并实现零部件和整体结构的优化，节约用材，降低产品成本。

　　2.平台化设计实施与应用情况

　　（1）PLM与MES、ERP系统的高效协同与集成

　　以PLM信息为核心技术数据，其中PLM与ERP双向集成主要包括设计信息与物料信息；PLM与MES单向集成主要包括工艺信息；ERP与MES集成主要包括生产订单与产成品入库。MES和仓储物流的集成实现物料实时追踪和预警，将物料信息与ERP的供应商管理系统进行信息共享；PLM将产品的工艺路线、参数等信息与MES进行互通，进行换型、物料、工艺等生产准备；通过系统集成，打通空调系统产品制造从计划层、控制层到设备层的数据链，实现制造全流程资源要素信息交互，设备、物料、人员等资源通过现场网络进行动态配置，实现工厂的智能生产。

　　①PLM与ERP双向集成

　　PLM系统中的物料编码及物料结构录入到U8系统中，PLM系统中的工时录入到U8编码的自定义项中，PLM系统中增加分工判别标识，对应U8系统中的仓库名称、领料部门名称。

　　U8系统中的库存、库位、保管员信息，体现在PLM系统中图纸的基本属性页面。

　　②PLM到MES单向集成

　　PLM系统中CAPP模块的工艺BOM信息写入到MES系统的基础数。

　　③ERP与MES双向集成

　　●ERP系统中的生产订单信息写入到MES系统。

　　●MES系统中的产成品报工入库信息写入到ERP系统，生成待审核的入库单。

　　（2）产品全生命周期管理软件（PLM）应用情况

　　我司PLM系统分三期进行开发，通过实施PLM系统实现了研发和工艺方面的信息化提升。

　　A.研发信息化业务优化提升：实现研发数据结构化提取、产品结构报表管理、图纸版本管控和历史追溯、电子流程管理、电子签名管理、角色权限管理等功能。如图所示。

B.PDM与CAPP深度集成，实现产品BOM一键转换工艺BOM，工作效率提升8倍，数据准确率提升至100%，PDM系统将人员、角色及权限信息通过数据库交互的集成方式传递至CAPP系统，实现人员、角色、权限信息等数据实时共享，如图所示。

（3）计算机辅助工艺设计（CAPP）

　　我司2019年导入应用CAPP系统，通过配置工艺卡片关联性，提高工艺文件的齐套率，通过新建工艺知识库，提高工艺文件编制效率，通过高级报表的功能，自动导出特殊特性清单和工艺装配清单，数据自动传递和共享，提高工艺资料的准确性。

（4）三维模型设计（CAD）

　　项目应用的具体产品案例，说明我司的快速设计应用计算机辅助设计（CAD）。

　　为了提高新产品研发效率，缩短新产品研制周期，公司引进了计算机辅助设计CAD软件（CAXACAD、CATIA、Pro-E），开发三维数模自动生成EBOM、三维数模线上浏览、三维数字化研发等功能，实现产品的快速设计。A.开发CATIA与PLM集成，实现PLM系统中所有三维数据的协同与共享（如下图所示）。

B.开发CATIA三维数模在线浏览功能，通过服务器端自动生成轻量化文件，实现PLM系统中的三维数模快速浏览。

C.开发数字化研发功能，通过CATIA软件函数定义零件的关键特征尺寸，实现参数化建模，通过知识工程模块，实现批量数模一键解析，解决通用零件重复建模和设计效率低的问题。

（5）计算机辅助工程（CAE）

　　采用了Dymola多学科仿真建模、FLUENT流体仿真、Ansys强度仿真平台等CAE软件，对设计产品关键承载件及产品整体做不同类型的分析，工程师可以修改结构参数，经过计算就能直观地判断和分析各构件是否满足设计和实际工程要求，并实现零部件和整体结构的优化，节约用材，降低产品成本。

　　A.Dymola一维仿真

　　Dymola是一个可以实现多物理场联合仿真的一维软件，涉及机械、流体、电子电气、电磁、控制、传热等多个工程领域，如图所示。Dymola在开发设计初级阶段能快速对产品和整个系统进行方案设计和验证，从而子系统的合理匹配。我公司基于Dymola仿真技术，结合产品开发需求，开发了不同类型的基于Dymola软件的仿真项目：1、冷凝器、蒸发器性能仿真项目用于不同设计方案的性能预测和验证；2、中冷器、水箱、暖风芯体和油冷器等散热器性能仿真项目用于设计初期设计方案的性能预测和验证；3、空调系统性能及部件匹配仿真项目用于部件参数匹配和系统优化。

B.结构仿真

　　为提高换热器强度，减少换热器在整车环境中的振动失效，在换热器研发前期即利用三维建模软件CATIA对换热器进行数据建模，并将建模数据导入有限元分析软件中进行模态分析与随机振动分析，如图所示。通过模态分析，研究换热器的固有振动特性，满足客户设计要求。另外，通过对换热器的随机振动分析，研究了换热器在不同频率和幅值的载荷引起的结构响应，为换热器的进一步优化设计提供理论依据，在设计前期即对换热器进行模态和随机振动分析，可预测产品的结构强度和薄弱环节，减少样件的制作，替代部分振动试验，缩短产品的研发周期，降低研发成本；在空调箱设计的初始阶段为了保证产品成型后的NVH性能满足设计要求，同样需要做模态分析，识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

C.流场仿真

　　随着CFD技术的快速发展，在工程系统开发中，大量采用数值成型的方法，利用计算机仿真使大量的数值缺陷在物理模型成型前就得到处理，从而缩短设计开发周期，降低开发成本。我公司基于CFD仿真技术，按照产品设计开发过程中的不同需求，产生了不同类型的仿真项目，如图所示：①风量配比仿真项目用于空调箱各个出风口风量配比的优化设计；②温度线性仿真项目用于各个模式下不同冷暖风门开度的出风温度仿真及线性优化；③叶轮设计优化仿真项目用于叶型等关键参数的优化设计；④蒸发器、暖风芯体进风均匀性优化仿真项目用于优化进风结构，最大限度提升换热效率；⑤换热器流阻、流量配比优化仿真项目用于优化水室结构、提升各个扁管流量配比均匀性；⑥调速模块位置优化仿真项目、风道风阻仿真项目、电机冷却进风仿真项目等。

二、项目应用成效

（1）对国产软件的带动作用

　　本项目紧密结合节能汽车电动空调智能制造新模式，通过该模式的使用及其在汽车零部件行业的推广应用，带动项目相关国产核心工业软件在该行业及相关行业的创新应用，具体如下：

　　①PLM系统

　　定制开发并实施了具有汽车零部件行业特色的PLM系统，对产品全生命周期进行管理，通过实施PLM系统实现了研发和工艺方面的信息化提升，实现研发数据结构化提取、产品结构报表管理、图纸版本管控和历史追溯、电子流程管理、电子签名管理、角色权限管理等功能；开发PDM与CAPP深度集成，实现产品BOM一键转换工艺BOM。

　　②ERP系统

　　定制开发了并实施了具有汽车零部件行业特色的U8系统，对企业的生产信息、供应链信息、财务信息等进行了集成管理，完善了经营管理体系，实现了编码统一、基础数据统一、核算规则统一的经营平台，增强了企业业务与成本核算一体化管控力度。

　　③MES系统

　　定制开发并实施了具有汽车零部件行业离散型特色的MES系统，并以MES系统未核心，实现软件系统与智能装备的集成，实现对生产的高效管控。

　　④其他软件系统

　　在项目实施过程中，定制开发了人工智能系统、信息物理系统服务平台、数据加密系统等国产化软件，实现了公司经营生产的各方面需求，同时带动了国产软件的应用。

　　（2）对提升单位技术创新能力的作用

　　设计验证能力明显增强，项目智能设计模块的完善与提升，通过CATIA与PLM集成，实现线上协同设计功能，所有数模可实现一键调用；通过函数定义特征尺寸和知识工程库文件的方法，实现产品的数字化研发，三维数模设计效率提升30%；通过PLM与CAPP集成、定制工艺文件映射关系、新建工艺知识库等，实现设计、工艺一体化、工艺全过程在线策划等功能，工艺文件编制效率提升40%，工艺数据传递准确率达到100%；通过各项模型仿真、流场仿真、应力仿真等获得了产品性能各项参数据，最终通过实验能力的不断加强，充分验证产品设计的各项功能，实现了产品设计全生命周期的数字化转型，缩短了产品研制周期，有效提升了本单位技术创新能力，也为类企业树立了良好的技术创新示范。

三、下一步设想

（一）后续发展思路

　　1.建立标准化体系平台

　　通过标准化、平台化的推广应用，在PLM系统中建立产品框架结构，在结构中建立体系，所有的技术源头从体系出发。设计前期评审零件，可将经验积累到零件平台，并实现快速设计和标准可控。

　　2.建立知识伴随系统

　　前期将标准、实验数据、经验等信息，与零组件进行关联，在技术人员设计时选择零组件的同时，可以将标准及经验同步展示与提醒，避免设计性能缺陷或不满足客户要求。

　　3.平台化协同设计

　　打造全平台化的豫新数据库，即在原有信息物理系统的基础上，建立豫新的核心数据库，打造中控数据平台，建立数字化的数据仓库，通过硬件存储服务器，实现统一文件在同一区域，不同人进行协同设计。

　　（二）预期效益

　　通过PLM系统数据的完善，可将信息通过集成传递到ERP和MES系统，减少人工传递的过程，避免传递过程中出现的信息不对称造成的内部管理浪费。标准化研发体系平台，可实现研发系统扁平化管理，实现设计的高效办公，避免零件重复；知识伴随系统可提升图纸、产品的一次性通过率。协同设计可减少线上评审过程中，流程反复造成的浪费。