1 引言
汽车制造是典型的离散制造业,随着市场竞争环境与客户个性化需求变化的不断加快,对企业的设计、工艺、制造等部门之间的工作协同提出了更高的要求,需要设计与工艺部门能根据客户对产品的概念需求快速地进行图纸的设计、工艺文件的建立、标准物料与BOM的制定,并指导车间进行高效的生产。
随着企业信息系统应用的不断深入,汽车制造行业在产品研发阶段几乎都采用了CAD、CAPP、CAM(统称为CAX)等计算机辅助系统来进行新车型及关键零部件的设计,通过PDM(Product Data Management)系统对企业海量的产品数据进行统一的管理,并采用ERP这种系统化的经营管理平台,对业务进行集成化的管理,从而实现对企业资源的优化配置,提升企业的生产效率与管理水平。纵观这些系统,每个系统都能在各自的领域中发挥很好的作用,但是在异构平台多系统孤立运行的状态下,由于各系统中数据格式不一致等原因,导致设计部门中的图纸信息,工艺部门中的工艺路线、工艺定额、工艺分工、标准物料以及工艺BOM等工艺信息与制造部门中产品加工等信息之间很难实现充分的共享与集成,从而阻碍了部门之间的分工协作,造成了大量重复性的设计工作与返工,并使得企业的运作常常滞后于市场的变化。针对当今汽车制造行业在信息化历程中出现的上述问题,并在仔细研究了PLM系统的功能特点的基础上,设计了以PLM作为桥梁的CAX与ERP系统集成应用框架,为企业构建整体解决方案提供借鉴。
2 PLM系统简介
PLM是指对产品从市场分析与规划、产品设计、工艺工程、采购/外协、加工制造、产品检验、销售与分销、售后支持与服务直到产品退市整个生命周期过程中的产品数据进行集成化的管理。从系统功能的角度来讲,PLM是PDM系统的扩展与延伸,突破了PDM系统中仅对产品研发阶段中的数据进行管理的范畴,进一步包含了产品在业务运行阶段中的相关数据,如:采购、库存、分销、制造与维修等;从系统设计理念的角度来讲,PLM是基于集成化的管理思想而产生的,其融合了协同技术与分布式集成技术,目的在于将企业内孤立运行的信息系统进行高效的集成,实现产品从研发设计、生产制造、销售与分销、产品维修与回收这整个生命周期过程中的产品数据进行数字化的管理,实现产品数据在各个环节与部门之间得到充分的共享与重用,满足企业的研发部门与其他各业务部门之间,甚至是企业与企业之间对产品数据的协同应用。
2.1 PLM系统的特点
(1)数据集成。PLM系统的一个最显著的特征就是强调对产品数据在其整个生命周期过程中的集成管理,是CAD/CAPP/CAM/CAE与ERP系统中有关产品信息的一个电子数据桥梁。
(2)过程协同。过程协同需要以数据集成为基础,PLM通过集成CAX中产品研发阶段的相关数据与ERP系统中产品业务层面的相关数据,使得设计、工艺、生产、销售以及库存等各个部门能从各自的维度快速的查询与使用到各自需要的产品信息,提高了数据的共享与重用,实现产品制造在整个生命周期过程中各部门之间的协同。
2.2 PLM系统的主要功能
图1 产品生命周期管理的主要功能
3 CAX与ERP系统集成的必要性
CAX与ERP系统是产品生命周期过程两个不同阶段中最为核心的信息系统,CAX主要作用于产品的研发与设计,ERP主要作用于产品的加工制造与运营。
3.1 汽车制造行业中CAX与ERP系统的主要功能
(1)CAX的功能。CAX是CAD/CAPP/CAM/CAE等计算机辅助信息系统的总称,在汽车制造行业中,首先通过Auto CAD来实现产品从概念需求到具体车型及关键零部件的图纸设计,之后借助CAPP进行相应的工艺设计,包括工艺路线、工艺分工、工艺定额以及工艺BOM等;借助CAPP系统实现产品从设计信息到加工制造信息的转换;在完成工艺设计之后,通过CAM系统辅助完成样品的试制;最后通过CAE对样品进行硬度、强度、弯曲度和热学等方面的工程测试。整个过程中各环节环环相扣,通过CAX能高效地实现产品从概念需求到成型产品的制造。
(2)ERP系统的功能。ERP系统的核心在于指导产品的加工制造以及对整个制造过程中各业务部门集成化的管理。在新车型和关键零部件通过工程测试之后,需要进行相应的原材料的采购、零部件的加工制造、整车的组装、销售与分销、财务的核算及产品成本的归集。
可以看出,CAX与ERP系统作用于产品增值链中前后两个不同的环节,ERP系统的运行需要CAX中产品研发阶段的相关数据作为指导。同样,CAX也需要获取ERP系统中产品业务层面的相关信息作为参考来对产品的设计与工艺进行不断的改进与完善。
3.2 CAX与ERP系统孤立运行的弊端
CAX与ERP系统在孤立运行的过程中,主要存在以下几个方面的问题:
(1)缺乏统一的技术数据管理平台。当设计、工艺与制造部门各自存储自己的技术数据时,大量的图纸信息、工艺文档、各类BOM数据、加工数据分别存储在各自的部门之中,部门之间对技术参数的查询变得十分困难,同时还存在数据安全的隐患。当设计部门人员对产品的设计图纸进行修改时,工艺部门不能及时地对产品的加工工艺进行相应的调整,从而直接导致生产的滞后。这样,最终结果既不利于产品研发知识库的形成,也不利于产品加工工艺的改进。
(2)物料标准化管理困难。物料标准化主要体现在两个方面,一是同一物料的编码在CAX与ERP系统中必须保持一致;二是当上游CAX系统中对物料做出变更时,其设计BOM与工艺BOM都会发生变化,需要下游ERP系统中的制造BOM也必须做出及时的调整,当物料信息无法在系统间得到及时的共享时,会出现当上游设计与工艺部门对物料做出更改时,下游ERP系统中的制造BOM无法进行快速响应的情况,从而引发无效的采购,导致车间产生大量的呆滞料,且实际需要的物料发生缺货。
(3)技术流程不规范。随着技术部门与业务部门往来的日益频繁,当CAX与ERP系统还停留在各自为政的手工阶段时,在出现紧急任务时,设计与业务部门无法按照规范的技术流程进行有效的协同,数据的准确性与及时性无法得到保证,容易造成信息的失真。
(4)快速改装困难。企业在生产经营过程中,很少出现针对客户的需求对整车做出全新设计的情况,大部分情况下企业是以大量相似的产品(部件)的改装设计为主,在同一型号平台上往往能够组装与配置出多种不同系列的产品,以便满足客户快速变化的订单需求。每次订单虽然可以借用以往的设计图纸和BOM数据,但还是需要进行大量的查询、校验、修改、比较、审核以及报价等工作,其工作流程与数据处理直接覆盖到CAX与ERP两系统之间,需要两系统之间进行有效的配合。当系统孤立运行时,不仅容易出现错误,而且会降低产品改装的效率。
(5)跨部门的整体协作能力有待提升。通常设计与工艺部门的技术人员需要及时地从ERP系统中获取产品的销售、加工工艺及产品成本等信息,针对市场上销售状况不佳、加工工艺复杂、物料种类庞大或者总体成本过高的车型,就需要进行相应的图纸及工艺的改进。在产品的设计阶段,需要工艺、采购、销售和财务等部门的相关人员积极的参与,以避免无效的设计与返工。
3.3 CAX与ERP系统集成的效益
(1)高效的产品研发与设计。在集成化信息平台下,设计部门人员可以及时的获取ERP系统中产品的需求及变更信息,从而可以对顾客的订单及市场的变化作出快速的响应,且设计部门之间能够轻松地查询与访问到大量的历史图纸与工艺信息,并不需要从零开始进行全新的设计,从而可以极大地提升产品的设计效率,最终也有利于产品研发知识库的形成与发展。
(2)快速的产品配置与改装。产品的配置与改装流程涉及到多个部门之间,只有在CAX与ERP系统集成的环境下,才能保证在工程变更与产品改装过程中相关部门人员能够方便地对产品数据进行查询、比较、修改与审批等。在集成化信息平台的辅助下,跨部门之间的协作效率可以得到极大的提升。
(3)提高产品的质量。通过对设计图纸、物料、BOM、工艺、加工等数据进行集成化的管理以提升企业产品数据的质量,只有在高质量数据环境的指导下,才能对产品在设计、工艺、工程测试、工程变更、原材料采购、加工制造以及运输等各个环节中做到严格的质量控制。
(4)降低企业的运营风险与成本。设计部门人员在产品设计阶段就能便捷、快速地访问到ERP系统中产品的销售与成本等相关信息,使得新研发的产品更能符合客户与市场的需求,避免大量无效的设计与返工。
4 CAX与ERP系统在PLM平台下的集成
针对CAX与ERP系统在孤立运行过程中出现的几种主要问题,并在结合PLM系统的设计理念及其功能的基础上,从数据集成、产品模型与配置管理、工程变更管理以及BOM集成这四个角度来实现CAX与ERP系统的集成应用。
4.1 数据集成
(1)物料标准化。物料数据是CAX与ERP系统中共同使用的产品数据,为了实现系统间数据的集成,首要工作就是对物料数据进行标准化的管理,保证物料数据在各系统中保持一致与同步,具体实现方法如下:
首先,通过PLM系统建立企业级的统一零部件库,集成所有的零部件信息,对零部件进行标准化、模块化的管理,梳理各系统内数量庞大、结构混乱的物料数据。
其次,规范物料的创建、定义与审批流程,避免物料数据由多点录入而造成物料数据在系统间出现冗余与不一致等现象,其基本流程如图2所示:
图2 标准物料的创建与审判流程
最后,通过对物料重用率指标进行分析,建立物料的替代、借用机制,以规范物料数据的变更流程。
(2)数据集成。图3为CAX与ERP系统中数据在PLM平台下传输与管理的核心流程与框架:
图3 CAX与ERP系统中数据在PLM平台下的管理框架
4.2 产品模型与配置管理
在PLM系统中建立产品模型与产品配置库,管理结构与功能相似的零部件族以实现产品的快速配置,从而解决CAX与ERP系统在孤立运行过程中产品快速改装困难的问题。
图4 产品模型与产品配置库
4.3 工程变更管理
在CAX与ERP系统孤立运行过程中,工程的变更显得十分的困难,主要表现在以下几个方面:首先,设计、工艺、采购、制造等部门无法有效的参与变更的审批,变更的权限、时间、范围无法控制。其次,变更过程管理不透明,变更过程无法追溯。最后,变更的信息无法查询与统计分析。针对以上情况,可以借助于PLM系统平台,以规范整个工程变更的处理流程,其具体步骤为:
(1)设计部门人员首先从相关图纸、零部件、BOM、工艺、模具这5个方面来评估工程变更的影响范围:
(2)设计部门相关负责人对变更进行审批;
(3)在PLM系统平台中产生由工程变更引发的新工艺、新物料等数据,并对原有数据进行修改;
(4)PLM将新版本数据同步传输到ERP系统中,各业务部门负责人对新数据进行再次审批;
(5)审批通过后,同步更新ERP系统中的相关数据。
通过工程变更管理,能有效的提高CAX与ERP系统之间的工程变更协同,避免由于工程变更而造成系统间数据不能同步与一致等问题,从而造成数据的冗余。
4.4 BOM集成
BOM是CAX与ERP系统进行集成的良好纽带。首先,通过PLM系统平台,集成CAX中的设计与工艺BOM,转换后通过集成接口同步传输到ERP系统的制造80M数据库中;其次,当发生物料及工程变更时,在PLM系统中新增物料并通过新增物料审批流程归档,通过集成接口将新增物料和最新版本的BOM同步传输到ERP系统中;最后,由PLM发起更改流程,自动列出影响到的产品数据,将更改信息输出到ERP接口表中进行同步更改。通过PLM平台,不仅提高了产品技术文档的完整性和及时性,同时还解决了CAX中的设计BOM与ERP系统中制造BOM的转换问题,其BOM集成与加工过程如图5所示。
图5 BOM集成与加工示意图
5 结语
在分析了汽车制造行业信息化发展现状,并结合PLM系统的设计理念及其功能特点的基础上,借助于PLM系统平台,从数据集成、BOM集成、工程变更管理、产品模型与配置管理这四个角度出发,主要解决CAX与ERP系统在孤立运程过程中经常出现的数据冗余、BOM更新不及时、工程变更复杂,产品快速改装困难等问题,旨在打通产品在其整个生命周期中的数据通道。但文章主要是从集成框架的层面进行的设计,其具体的技术实现细节还需要进一步的分析与研究。
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