PLM技术及其在小五金制造业的应用

彭晓君，张贵林，邓洪超，张　建

（肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆　526061）

PLM技术及其在小五金制造业的应用

彭晓君，张贵林，邓洪超，张建

（肇庆学院 电子信息与机电工程学院，广东 肇庆526061）

通过理解“工业4.0”对未来制造业的要求，并分析PLM的应用需求，建立了基于PLM的设计、生产、销售一体化模式.使用UG NX参数化设计软件的CAD、CAE、CAM、CAPP无缝连接，以数据流动作为工业活动的驱动，可以使我国小五金企业迅速响应市场需求的变化，保持生产力的发展，在国际市场获得更多的生存空间.

小五金制造业；工业4.0；PLM；UG NX

0　前言

2008年，美国总统奥巴马提出让制造业回归，试图通过提供大量的就业岗位，缓解美国国内的经济危机.随后，欧美国家纷纷响应美国提出的“再工业化”策略，全球制造业格局迅速改变，我国多年来拥有的低劳动力成本的优势逐渐丧失.2012年，德国提出“工业4.0”的概念，推动了第4次工业革命的开始，其宗旨在于利用德语区制造业的稳固基础，进一步推动工业的高端发展，在此背景下，我国制造业大而不强的劣势将会日益突出.小五金历来是我国的传统产业，近年来，我国五金行业以每年15%的增长速度平稳发展，年总产值达1 800亿元，出口达80亿美元，出口额排在轻工业的前3位［1］.我国小五金制造业的资源优势主要是依靠低廉的劳动力，面对第4次工业革命的迅速发展，这种优势将逐步减少直至丧失，依靠低端的生产资料、落后的生产管理模式、漫长的产品研发生产周期以及匮乏的中端技术人才，企业将无法在新一轮的国际市场冲击中立于不败之地.根据企业现有的生产基础，我们应利用互联网、物联网整合现有生产资源，通过引入PLM（product lifecycle management，产品生命周期管理）技术，逐步完善智能工厂、智能生产、智能物流的体系建设.若能做到这些，就可以使我国的小五金制造业在短时间内优化生产设备，改变产品的研发和生产周期，在尽量降低劳动力资源成本的前提下，提升产品档次，提高我们参与国际竞争的实力与能力.

1　PLM技术

1.1PLM技术的含义

PLM主要针对产品从创建、使用到终结的整个生命周期过程.首先是要有效地利用产品信息数据，对从事产品研发、制造的企业内部资源进行协同管理，同时要将分散的资源进行高效整合利用，通过信息技术，无缝地连接产品的市场调查、研发、试制、试产、量产、质量控制、售后服务、改进等环节.

PLM技术包含了以下3个方面的内容：

1）CAX软件.CAX软件是指CAD（computer aided design，计算机辅助设计）、CAE（computer aided engineering，计算机辅助工程）、CAPP（computer aided process planning，计算机辅助工艺设计）、CAM（computeraided manufacturing，计算机辅助制造）等直接为产品提供技术数据服务的企业内部工程软件.

2）cPDM软件.cPDM（collaborative product definition management，协同产品定义管理）软件，主要提供跨企业的协同工作环境.

3）基于CAX、cPDM的咨询服务.或许可以简单地对其进行如下解读：CAX软件面向企业内部；而cPDM软件面向企业外部.

本研究主要针对制造小五金的中小企业，这类企业的产品生产过程基本上是独立的，因而本文着重讨论CAX软件的应用.

1.2PLM在工业生产中的作用

PLM贯穿了产品设计、生产规划、生产工程、生产实施、生产服务等整个工业生产过程，而且还提供了一个无需实物即可虚拟产品、优化设计的环境.工业4.0中，将PLM软件的使用提到了极高的地位.德国技术科学协会提出：“物理信息融合系统（嵌入式系统）将彻底改变制造业、交通业和医药业.”物理信息融合系统，不只是将软件植入产品，其更重要的一层意义是以信息技术为手段，在硬件生产资料基础上进行资源整合，形成嵌入式的生产系统.菲尔达芬工业峰会——系统领导2030年的发起人、组织者乌尔里希·森德勒，甚至提出了系统生命周期管理（SysLM）的概念，更为深刻地说明了PLM在未来工业中的关键作用［2］.

1.3UG NX

UG（Unigraphics NX）是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段.2009年，NX 7.0引入了“HD3D”（三维精确描述）功能，即一个开放、直观的可视化环境，它有助于全球产品开发团队充分发掘PLM信息的价值，并显著提升了其制定卓有成效的产品决策的能力［3］.美国航天局最新的火星探测器的研发与制造过程，就是在UG NX环境中完成的.

UG NX包含了CAD（工业设计、产品设计、模具开发）、CAE（仿真优化）、CAM（数控加工）等集成模块，为从事工业生产的企业提供统一的解决方案及可控的管理开发环境，是非常符合小五金制造业使用的PLM软件.笔者将以UG NX为例，分析PLM技术在小五金制造业的应用.

2　小五金制造业对PLM的需求

2.1小五金制造业的原有优势

在之前的20多年中，我国小五金制造业的产量为世界之最，其原因主要可以归纳如下：

1）产品精度要求低，传统设备能够满足生产需要；

2）产品单一，新产品研发过程简单；

3）劳动力成本低廉；

4）国内市场需求大.

2.2小五金制造业面临的挑战

随着国际市场的开拓和国外生产力的提高，我国小五金制造业的优势正在逐步减弱甚至丧失，究其原因主要有以下几点：

1）产品系列单一，缺乏国际市场竞争力.我国居民对建筑装修及家居所用的小五金产品要求不高，主要追求质量可靠，极少考虑使用的舒适性及美观性；但是在国外市场尤其是欧美市场，客户往往在考虑产品高质量的前提下，还有更多的美学、人体工学等附加要求.以橱柜门撑为例，国内客户主要要求门撑能起到良好的支撑作用，并能够多次开合；但是欧美市场的客户除了上述要求外，还要求门撑具有阻尼特性，要能防止柜门打开时的弹性冲击，甚至对柜门打开的角度、方向都有要求，其目的是使空间利用更为合理.PLM提供了部分国外产品的设计及使用标准，国内企业完全可以在此基础上形成数据库，生产系列化的产品，提高市场竞争力.

2）生产设备落后，产品精度低.由于小五金产品的机械加工精度要求不高，传统的机床基本能满足其要求，所以目前国内绝大部分企业还是使用普通的机床；但是面对需求不断变化的市场，普通机床对新产品适应性差的缺陷愈发凸显.近年来，由于劳动力成本的不断提高，部分企业已逐步开始使用数控机床，甚至引入了机械手，企业试图通过生产线的自动化改造以降低劳动力所需的成本比例.在这样的背景下，PLM技术的应用具有了一定的硬件基础.

3）缺乏新产品的研发经验及技术积累.我国小五金产品在一定程度上存在着对国外产品的复制，这使得企业缺乏新产品研发的经验，设计规范、技术人员培养等方面的经验尤显不足.采用PLM技术可以使企业迅速地形成产品研制的新规程，极大地缩短研发周期.

4）劳动力成本迅速提高.国内制造业劳动力资源短缺、劳动力成本增加已是不争的事实.PLM技术在缩短产品研发周期的同时，能够无缝连接生产过程，在一定设备的支持下，能大幅度降低劳动力的使用数量.

2.3小五金制造业实施PLM的可行性

2.3.1具备信息化平台

在2000年以后，国内众多企业根据自身的生产特点，建立了信息化管理平台.这种管理平台经过不断的完善，已成为产品设计、生产、销售、服务等各部门工作中不可或缺的重要组成部分.

2.3.2数据资源需要统一

企业的信息化建设过程主要以各职能部门软件系统的使用为建设标志，各部门的数据管理不统一，信息管理的高效性就无法在整个企业内部体现.PLM可以通过对部门之间数据的统一管理，完善管理系统的信息化.

2.4小五金制造业对PLM的总体要求

小五金制造业对PLM的总体要求主要如下：

1）能及时响应市场需求，尽可能缩短生产周期；

2）电子数据在保存、应用、共享、安全等方面具有统一的规范及标准.

2.5小五金制造业对PLM的功能要求

制造业对PLM的功能要求具有普遍性，需要在设计、生产、销售使用、完善发展等产品各个生命阶段具有管理功能.

3　小五金制造业的PLM系统架构及技术特点

图1　软件系统结构

3.1PLM在制造业应用中的软件系统架构

PLM软件系统架构特点是通过网络整合资源建立一体化的集成系统，允许在异构平台上实现多个应用软件.PLM在制造业应用中的软件系统结构图如图1所示.

3.2PLM的网络拓扑结构

PLM系统的硬件结构特点如下：需要同时满足企业网络内部工作人员和外部销售人员、售后服务人员及客户的使用.PLM的网络拓扑结构见图2.

图2　PLM的网络拓扑结构

4　PLM在小五金制造业应用的关键技术

4.1PLM的工业生产过程分析

PLM的工业生产过程是一个集成的循环过程，应尽量通过较少的软件平台，将各个工业环节无缝连接在一起，每个环节的数据对其他环节是开放的并相互影响的.最重要的是要将产品的生命周期演化成一个循环过程，这样即使产品寿命结束，还是会对新产品产生一定的影响，如图3所示.

图3　PLM的工业过程

4.2数据流分析

在PLM中，数据的流动直接决定了周期发展的有效性.UG NX的参数化设计提供了各环节统一的数据标准，形成了无缝连接形式.各部门的工业活动均受到数据的触发，并产生新的数据影响其他部门的活动.基于PLM的小五金生产数据流分析见图4.

图4　基于PLM的小五金生产数据流分析

4.3UG NX建立的小五金制造业的PLM方案

在小五金设计、生产过程中，可使用UG NX建立产品生命周期方案.首先使用CAD模块设计产品，然后进行CAE的装配及仿真，检验设计是否符合市场需求；使用CAPP进行工艺的分析设计，为钣金件设计模具并进行成形分析，为铸造件设计模具并进行模流分析；对于使用数控机床加工的产品零件及模具零件，使用CAM模块生成数控加工程序；在产品进行加工、装配后，借用CAD模型建立三坐标检测方案；产品的销售不再单向进行，客户的使用意见及改进要求将会再次反馈到设计部门，为新产品的设计提供依据，这使产品的生命周期可以循环进行，并不断发展.UG MX的小五金制造业的PLM规则见图5.

图5　UG MX的小五金制造业的PLM规划

5　总结

在市场的发展需求及工业发展的推动下，小五金制造业建立基于PLM的设计、生产、销售一体化模式，通过参数化设计软件的无缝连接，以数据的流动作为工业活动的驱动，可以迅速响应市场需求的变化，维持生产力的可持续发展.

［1］百度百科.小五金［DB/OL］.［2015-12-02］.http：//baike.baidu.com/link？url=wu9TGp0upwYZAWIOOKbmqf7HQzvwQi7-OaXMJkIgKAXle2BjBqX1Ve5pIdIFEn1FJC1Jga8l3ZWYi-ZxXuAIRK.

［2］乌尔里希·森德勒.工业4.0［M］.北京：机械工业出版社，2014：7.

［3］百度百科.UG［DB/OL］.［2015-12-02］.http：//baike.baidu.com/subview/13696/10732713.htm.

PLM Technology and ItsApplication in Hardware Manufacturing

PENG Xiaojun，ZHANG Guilin，DENG Hongchao，ZHANG Jian
（College of Electronic Information and Mechatronic Engineering，Zhaoqing University，Zhaoqing，Guangdong 526061，China）

ractWith the full understanding of the future manufacturing industry trend which meets the requirement of Industry 4.0，a pattern based on PLM integrated with design，production and marketing is set.Through the seamless connection among CAD，CAE，CAM，CAPP of parametric design software UG NX，with the drive from the flow of data to the industrial activities，the domestic hardware manufacturers can adjust to the changes of market requirements rapidly and develop their production capacity sustainably so as to occupy a broader international market.

ordsHardware Manufacturing，Industry 4.0，PLM，UG NX

TH164

A

1009-8445（2016）02-0037-06

（责任编辑：陈静）

2015-01-21

肇庆市科学技术计划资助项目（2013G008）

彭晓君（1976-），男，广东肇庆人，肇庆学院电子信息与机电工程学院讲师，硕士.