1 前言
近10年来，随着国家调整产业结构、振兴装备制造业等一系列政策的实施，我国铸造业不断变革，一些主流铸造企业加大改造步伐，部分企业的装备水平和技术水平已达到国际先进水平，但是与国外发达企业仍有差距。数字化为制造业带来了第三次工业革命，也为铸造业指明了技术革新的道路。技术是企业提升产品质量的根本保障，是实现长远发展的坚实基础，更是展示综合实力的有效平台。因此，企业生产技术资料的管理尤为重要。传统的数据管理模式是单纯的文本数据管理，这样的管理方式不仅消耗大量的人力和物力，而且造成数据传递的延迟性和数据共享的局限性大大提高。在数据管理过程中，会带来大量的存储和维护费用。伴随着信息技术的飞速发展，数字化正在为不同的行业带来新的突破，同样为企业数据管理引进了新的思路。从产品数据管理(PDM)到产品全生命周期管理(PLM)的发展过程，逐步将生产技术资料管理从文本数据管理模式向电子数据管理模式发展。同时，信息技术为个人、部门、乃至协同公司之间的数据传递提供了高效、准确、规范的途径。在产品数据规范存储、高效传递、有效共享的基础上，企业技术质量的提升必将带动产品和服务质量的突破，从而为企业带来巨大的经济效益。
PLM的中文名称为产品全生命周期管理(Product Lifecycle Management)。PLM系统是以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。PLM系统进行信息管理的两条主线是静态的产品结构和动态的产品设计流程，所有的信息组织和资源管理都是围绕产品设计展开的，这也是PLM系统有别于其他的信息管理系统的关键所在。从根本意义上讲，PLM系统是对PDM系统（产品数据管理系统）的升华，它包含PDM的全部内容，同时又强调了对产品生命周期内跨越供应链的所有信息进行管理和利用的概念。PLM的基本原理是，在逻辑上将各个CAX信息化孤岛集成起来，利用计算机系统控制整个产品的开发设计过程，通过逐步建立虚拟的产品模型，最终形成完整的产品描述、生产过程描述以及生产过程控制数据。它提供产品全生命周期的信息管理，并可在企业范围内为产品设计和制造建立一个并行化的协作环境。可以说，PLM是实现企业技术革新不可或缺的重要组成部分，也是扩大技术设计在产品生命周期中所占比重的主要途径。
2 铸造企业PLM系统的功能组成
随着信息技术的飞速发展，顾客将几乎无碍地融入迅速得到更好产品的新时代，而传统铸造企业的生产模式已经远远不能满足顾客的要求。通过引入PLM系统，可以逐步扩大技术设计在产品生命周期中所占比重，不断提高工艺设计的质量，从根本上改变以实际生产为主、以市场销售和技术设计为辅的制造模式，减小生产环节占用的企业资源，实现铸造企业的快速转变。
通过分析铸造企业的制造经验可知，工艺设计质量直接影响着铸件产品的质量，而规范的数据管理又是工艺设计质量的根本保证。为了从源头上提高工艺设计质量，我们考虑引入PLM系统作为工艺设计的核心平台，实现了铸造工艺、模具工艺、加工工艺全流程数据的规范管理和全三维工艺的协同设计。并作为部分数字化系统集成的数据中枢，通过PLM系统向制造系统传递工艺路线、生产定额、BOM清单及质量参数等。为此，我们将PLM系统在铸造企业的应用主要分为三大模块：数据规范管理、工艺协同设计以及数字化系统集成应用。
2.1 数据规范管理
数据管理是企业管理的基础内容，包含企业运行过程的方方面面。本文重点关注与企业技术设计相关的数据管理，可分为四类：图文档管理、流程管理、BOM管理以及权限管理。
由于大部分铸造企业不进行独立的产品设计，因此数据管理的源头由顾客提供的图纸和规范发起，进一步延伸至公司内部的工艺文件、质量文件以及其它附加文件（物料BOM、工艺路线等）。主要实现以工内容，一是在标准的人员结构基础上，通过严格的权限控制可以避免数据共享造成的恶意篡改、数据冲突等现象；二是结合PLM系统的数据管理模式，将传统的以命名区分版本的形式进一步转化，实现了数据版本的规范管理，避免了数据交叉使用导致的应用问题；三是利用PLM系统为各类数据进行属性定义，再配合查询规则的应用，使得数据查询更加快速、高效、准确；四是打破受时间和空间双重限制的传统审批方式，数字化的审批流程在很大程度上提高了工艺审批的效率，减小了工艺设计在整个产品生命周期的时间消耗。PLM系统定义了丰富的流程管理、流程查询、流程通知等功能，用户可以在同一平台下，快速发起审批流程和接收审批任务，大大减小了文件下发的周期。通过以上数据规范管理的方式，可以充分确保工艺设计的有效进行。
图1 PLM系统数据管理模块
2.2 工艺协同设计
铸造过程在工艺设计阶段，涉及多个领域的协作，其中包括模具制作、造型工艺、熔炼工艺、热处理工艺、抛丸工艺、清理工艺以及加工工艺等。因此，不同领域之间的数据共享、信息传递以及相互影响，是影响整个铸造过程工艺设计质量的重要因素。PLM系统在管理静态的产品结构和数据的同时，提供了动态的产品设计流程管理，可以为铸造企业搭建一个高度协同的数字化研发平台。以铸件产品为中心，建立全套的工艺解决方案，由不同专业领域的设计人员在相应的模块下完成协同工作，保证工艺信息的准确、及时传递，实现不同工艺之间的有效关联和影响分析。通过工艺协同设计管理，提高企业研发创新能力，为技术研发提供强有力的保障。
以铸造工艺和模具工艺为例，铸造工艺是模具工艺制作的依据，在实际设计过程中，铸造工艺的变更直接影响模具工艺的设计。为了缩短工艺设计的周期，两者往往需要并行开展，这就要求铸造工艺的变更信息及时向下游传递，保证后续工作的正常开展。利用PLM系统的工艺规划模块，将铸造工艺和模具工艺附加在产品的全套工艺下，使两者之间建立密切的联系。当铸造工艺发生变更时，系统自动将信息传递至模具工艺，指导设计人员及时变更模具工艺设计方案，保证两者的一致性。同理，不同专业领域之间建立相应的协同关系，就形成了全套工艺的协同设计过程，提高了工艺设计效率，保证了工艺设计质量。
2.3 数字化系统集成应用
数据规范管理和工艺协同设计保证了高质量的工艺设计，但对于生产制造过程来讲，以技术为核心，还需要生产、成本、设备、安全等领域的相互配合，才能充分保证产品的质量，这就要求工艺设计信息在其他领域得到有效的执行。为此，可以利用技术信息系统和管理信息系统的有机集成，建立支持整个产品生产过程的信息系统。通过建立虚拟的产品模型，PLM系统可以有效、实时、完整地控制从产品规划到产品报废处理的整个产品生命周期中的各种复杂的数字化信息。
图2 以PLM系统为核心的系统集成图
3 基于PLM系统的虚拟铸造技术研究
引入PLM系统作为铸造企业设计研发的协同平台，重点突出技术环节在产品生命周期中的关键作用，目的是实现以技术创新为指导的新型铸造模式。通过这样的方式，虽然减小了实际生产占用的较多的产品生命周期，却不影响通过提升产品质量获得更大的经济效益。在这种思路的指导下，虚拟铸造技术应运而生。
所谓虚拟制造(VM)就是利用三维仿真技术模拟实际生产过程，验证工艺过程的合理性和可执行性，并生成基于工艺过程的物料清单、工时成本和关键质量控制点等信息。而虚拟铸造技术就是针对铸造行业的特点，应用虚拟制造技术并取得实际效益的创新技术。传统新工艺的验证，需要生产首件以确定工艺的合理性。这不仅造成了生产成本和资源的浪费，而且极大降低了生产效率，不适合工业化生产。而通过虚拟铸造，我们可以实现零成本工艺验证，而且验证周期将大大缩短。另外，对于所有产品还可输出生产过程的物料清单和工时成本等信息，从而提高过程控制能力。下面，从技术和生产两个方面举例说明虚拟铸造技术在铸造生产中的作用。
(1)模拟制芯、造型过程，通过物联网获得混砂机中树酯加入量、固化剂配比、砂温和环境温度等数据，最终得到理想的开箱时间，指导实际生产。另外根据开箱过程中有无干涉，可以判断型、芯设计是否合理。
(2)模拟吊运过程，确定芯鼻位置是否合理；在吊运铸件时，得到铸件的应力分布状态；最重要的是根据吊车和钢丝绳的载荷，确定最佳的吊运方案。
(3)模拟抛丸过程，优化抛丸室内喷头的位置布局，或根据现有的布局确定铸件是否有未被抛到的死角，从而确定最佳的抛丸方案。
(4)模拟现场的人流、物流、铸件流的状态，从而实现远程现场监控，实现真正意义上的数字化管理。
(5)模拟模具出库、入库的状态，提高模具管理效率，避免因为管理不当导致生产周期的延误，有效提升6S管理水平。
4 结束语
铸造行业是装备制造业的基础行业，是先进装备制造业发展的重要支撑。随着现代信息技术的发展和企业竞争压力的增强，数字化必将是铸造行业提高整体水平、铸造企业增强核心竞争力的重要手段。针对企业技术环节的数字化推进将会成为铸造企业间竞争力差距的重要体现。通过引入PLM系统，为铸造企业搭建一个完整、高效、规范、协同的设计研发平台，可以充分提升工艺设计质量，缩短工艺设计周期，从而优化原有的铸造生产模式，最终实现企业经济效益的跨越式增长。而基于PLM系统的虚拟铸造技术，将为铸造业带来一次突破性的技术革命，甚至引导整个制造业走向技术创新的高潮。
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本文标题：PLM系统在铸造企业的应用研究
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