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文章来源说明
摘要
本研究旨在提供集成产品生命周期管理(PLM)和制造运营管理(MOM)系统在实现数字制造中的重要性的一个例子。研究首先研究数字制造的涵义,然后确定数字孪生和相关的数字化流程作为关键要素。PLM和MOM解决方案支持数字孪生和数字化流程,允许在数字制造模型和物理制造执行之间交换与产品相关的信息。在PLM中通过构建物料清单和工艺清单创建了机翼箱及其装配过程的数字孪生。然后,通过MOM系统展示了通过管理生产操作、高级调度和支持流程执行来实现生产阶段的便利性,以及制造性能分析的可能性。将这些系统整合的结果是在正确的位置和时间获得正确的信息,以及在成本、时间和质量方面的相关效益。该活动是在西门子工业软件公司的AirGreen 2欧洲项目中开展的,该项目是REG IADP(区域创新飞机演示平台)的一部分,由LEONARDO Aircraft负责协调和领导。AirGreen 2项目是欧洲联合技术计划清洁天空2合作企业在欧盟Horizon 2020研究和创新计划下的创新行动,根据N°807089 REG IADP授予协议提供资助。
📝引言
数字化转型已经改变了产品的设计、生产和交付方式,这对制造企业产生了深远影响[1] [2]。在这个竞争激烈的环境中,制造企业通过使用最新信息逐步消除对关键业务流程的管理和执行的延迟。因此,它们需要监测其价值创造过程,控制内部事件(如调度灵活性)和外部事件(如定制和数量灵活性),以保持竞争优势[1]。在此背景下,制造企业的成功取决于产品开发的各个阶段之间的有效协调,从设计、生产到售后服务[3]。企业应该定义和优化制造过程,管理数据,并通过整合数字和产品定义来促进不同类型工程师之间的协作。因此,需要一个集成系统来管理不同的生产阶段,并包括各种业务功能。为此,本文旨在引入一种创新的系统,以弥合工程和制造领域之间的垂直整合差距,实现集成的生产管理系统,包括产品生命周期管理(PLM)和制造操作管理(MOM)。借助数字孪生和数字线等创新技术的进展,可以弥合这一差距。通过数字孪生,任何实体或物理系统、产品或过程都可以以模拟方式呈现,以立即应对外部变化,以预防问题的发生、实时解决问题或改善性能。数字孪生通过数字线获取信息,数字线是将所有相关方与设计和生产产品的数据连接起来的信息链条。之所以称之为"线",是因为它将产品和生产生命周期的各个阶段的数据交织在一起。通过将数字孪生和数字线结合起来,可以创建一个协作、连通的信息闭环,即所谓的闭环制造(CLM)。CLM使企业能够在产品设计、生产计划、制造执行、自动化和智能化以及消费者使用领域同步和优化生产[6]。
研究目标和问题
本研究的目标是设计、实施和工业评估一种创新系统,以弥合工程和制造领域之间的垂直整合差距。通过在PLM中创建机翼箱及其组装过程的数字孪生,构建物料清单(BOM)和工序清单(BOP)。然后展示在MOM系统中,通过管理生产操作和支持工艺执行,实现对生产阶段的便利化,从而实现闭环制造。航空航天行业正在从固定生产单元转向灵活生产单元,需要更高水平的企业系统和现场控制垂直整合,并管理更高水平的定制化。航空航天公司正在部署新的数字技术来加速生产并降低成本。本研究实质上是为了回答以下研究问题: RQ:仅基于ERP系统的解决方案能否适当地管理高度复杂的产品的BOM? 当产品变得非常复杂时,PLM-MOM的集成对于管理否则无法仅通过ERP进行管理的BOM是必要的。对于业务功能之间信息的管理,BOM提出了独特的挑战。它最初由工程部门创建以满足其需求,但多个部门依赖它,并需要以不同的方式使用其中包含的信息。随着产品复杂性的增加,管理这些不同的视图、整合各个工程学科并保持完整性和可追溯性变得更加困难。为了回答这一研究问题,本研究提供了一个定性文献综述来分析当前情景,然后进行了一个集成的PLM和MOM系统的概念验证以证明其益处。本文的结构如下:第2节描绘了文献综述,第3节描述了本文采用的方法,第4节呈现了结果,而在第5节中描述了结论。
研究背景
本文通过选择Scopus数据库中的论文进行文献综述。作者选择了这个数据库,因为它广泛覆盖了这个领域的文章[9]。作者的策略是识别出在所有领域中关键词包括“智能制造”、“产品生命周期”和“数字孪生”的文章。此外,作者还考虑了这些术语的各种同义词,如“智能工厂”和“数字线程”等。采用上述搜索技术,共鉴定出了38篇学术论文,经过严格审查以评估它们与研究的相符程度。在阅读所有论文后,发现其中没有一篇论文谈论使用数字孪生来实现PLM和MOM平台之间的相互连接与交互的重要性。文献综述中存在的这个空白显示出这个领域需要更多的研究工作。现代制造企业使用平台来管理产品设计、生产计划和制造执行。设计和实施模型是在PLM平台上开发的。现代PLM系统将产品和工艺开发结合在一起,允许在开发过程中进行交互。而MOM平台则涵盖了基于开发过程的工作订单的排程和执行。通常情况下,PLM和MOM平台之间没有适当的互动,因此无法实现产品和工艺设计与生产和执行的集成,无法灵活、可扩展地实现最大程度对实时制造事件的响应。构建一个CLM是解决这个问题的办法。在本研究中,为了实现CLM并支持进入工业4.0时代的旅程,PLM和MOM平台已经能够相互通信。这意味着它们可以访问和理解对方的语言。MOM是虚拟计划变成物理现实的地方,也是分散化生产可以全球协同的地方。总之,可以断言数字制造的主题在过去一年开始被深入研究。尽管如此,必须指出,在鉴定出的38篇文章中,只有少数几篇有趣,这可能意味着在科学文献中对CLM重要性的认识存在欠缺。这个缺乏成为本文的起点,试图通过展示在航空航天工业中PLM和MOM系统之间的集成应用来填补这个空白。
方法论
在Siemens Industry Software公司的欧洲项目AirGreen 2的指导和协调下,我们实施了一个基于PLM和MOM平台的概念验证软件。该项目是REG IADP(区域创新飞机演示平台)的一个综合研究行动,由LEONARDO Aircraft负责协调和领导。该项目旨在开发和展示能够实现新一代机翼的创新概念和方法。这种机翼将具备创新的结构,通过改进的生命周期设计实现;具备高度的适应性,能够实现负载控制和减载策略,并提高不同飞行状态下的气动性能;具备创新的气动设计,旨在保持自然层流并降低阻力。为了实现这些目标,我们设定了多个工作包,其中Siemens Industry Software参与了名为“创新机翼结构设计与制造”(Innovative Wing Structure D&M)的一个工作包。该工作包的范围是开发、验证和优化适用于机翼箱制造和装配的先进技术和材料,旨在减少制造成本,改善环境效应,与传统流程相比。在这个背景下,Siemens和Leonardo Aircraft共同开发了一个工艺流程,用于欧洲项目AirGreen 2的工业案例研究——任务2.1.1.15“机翼箱装配制造执行系统(MES)在手动和自动装配环境中收集制造数据和绩效指标(KPIs)”。

在本研究中分析的工业案例中,使用了基于预测尺寸管理(DM)策略的机翼箱装配方法。它涉及到将一些主要机翼部件进行逆向工程,转化为数字孪生,以在一定精度范围内代表零件的实际形状。然后,在数字孪生环境中定义中间零件,并通过Leonardo Aircraft开发的专用制造方法转化为实物。在产品生命周期的开发阶段,采用了验证和确认的方法来确保质量要求的实现。客户需求、工艺能力、工装和方法与设计在数字孪生环境中同时开发,旨在以自上而下的方式,根据几何要求保证每个产品层面(KCs)上的客户需求。通过对RSS叠加分析和蒙特卡洛模拟的使用,支持变化传播分析和1D和3D中的公差分配;采用DM广泛使用的构建策略带来了一系列优势:i)适应数字工厂革命,因为所有来自车间的反馈都得到了充分实施;ii)降低了固定成本和更容易的设计更改;iii)降低了劳动成本;iv)减少了装配变异性。尽管构建策略具有所有这些优势,但也存在一些风险。首先,它需要更多关注变化问题。因此,应该更加重视在数字孪生中通过PLM应用程序执行统计过程控制策略,包括适当的反馈和报告。因此,除了基于构建策略的流程之外,还开发了一种备用的装配方法,以减轻可能出现的故障。这是一种备用解决方案,基于故障情景分析和公差(次品零件)。这两个过程都在PLM平台上进行了建模,但只有第一个过程被转移到了MES中。
结果与讨论
在西门子PLM解决方案(Teamcenter)中,已构建了机翼箱的BOM以及与加工过程和机翼箱组装相关的BOP。它们分别是产品的虚拟孪生和工艺的虚拟孪生,在一个共享的制造主数据模型中进行维护,并在一个生产计划和生产执行环境中进行编写。通过创建工艺结构和创建操作来构建BOP。产品结构和工艺之间的链接是通过将BOM的末级项关联为BOP结构的目标来形成的。然后,从BOM中分配部件作为“消耗部件”分配给操作。BOP还定义了在每个操作期间必须收集的数据以及允许工程师和操作员之间进行所有制造过程信息交流的电子工作指导(EWI)。PLM中已经使用150% BOP实现了两种组装方法。与150% BOP关联的是150% BOM,它们只是变体结构的其他名称,或更具体地说是可配置结构。可配置BOM和相关BOP具有一个或多个可选或不同的组件和/或可选或不同的操作,当正确设置时,定义了产品和生产的特定变体。制造商在处理航空航天领域等高度复杂的产品时使用可配置BOM,以及在需要在可配置性、制造时间和保持成本在门槛以下之间保持平衡的情况下。可配置的物料清单包含所有所需的部件,以根据客户的具体要求制造材料。然后对此预定义结构应用“选择条件”,以确定一个部件是否包含在最终的BOM中。现代PLM工具使制造公司能够更好地适应工程实践,并使用单位生效性方法有效地管理这些可配置BOM。生效性可以定义为日期、序列号,或以更复杂的方式定义为“单位”。生效性定义最初来自ERP环境。最典型的例子是“日期生效性”,它定义了特定部件或项目的可用日期。PLM最初是在没有考虑生效性的情况下创建的。大多数工程系统都是“修订”导向而不是“生效性”导向。这意味着PLM用于管理对象的不同修订版本,而不是定义它们的生效性,而ERP系统则管理BOM和其变体。并没有构建一个150%的BOM,但是没有任何变体的相同BOM可以由不同组装方法使用的不同零件组合而成。因此,基于数字孪生配置的定制零件与传统上进行整形和钻孔的组装方法中使用的零件不同。一旦验证了BOM、BOP和相关资源,150%(例如物料、工艺、操作等)的组件已从PLM发布到MES西门子解决方案。在此步骤中,结构、关系和配置并不重要。相反,它只关心未配置结构的构建模块。然后假设从ERP系统发出了使用DA组装方法生产机翼箱的请求,MES工作订单已被创建,指定所需的有效性,并自动触发从PLM下载配置的生产结构(100% BOP)。因此,在制造执行系统中已执行了与刚刚发布的工艺相关的多个工作订单。在执行过程中,材料被显示为每个单个操作或步骤“要消耗”的信息,以引导操作员在正确的位置(操作站点)、正确的时间(产品在操作站点时)消耗正确的部件,并实时收集有关其消耗情况的信息。包含要收集的所有数据和指标的数据收集表格以及支持文件和工作指导在操作员环境中显示,因此在一个地方操作员可以找到要做什么和要测量什么。工作指导和数据收集表格都直接来自于包含在BOP中的PLM模型,这意味着MES按照最新的BOP版本逐操作显示文档版本。完成MES上的工艺之后,对制造操作的性能进行分析。报告和分析层旨在提供对操作之外的高层信息的透明度,该层由产品的生成和谱系以及MES内的工作订单支持。它是可以比较工作订单并获取有关产品、材料、缺陷和设备的相关重要绩效指标和信息的层级。它支持决策者对工厂信息进行分析,使他们有机会理解如何修改和改进产品或其相关工艺。生产和工艺的数字模型不断与实际生产进行比较,以减少计划和实际的差异。一个基于PLM派生和由MES驱动的BOP可以确保每个材料和操作按照预期进行。在工程的早期阶段建立的要求成为飞机设计的特性,在3D模型中进行尺寸设置,发布到BOP中,在EWI中发送给操作员,进行测量,并最终存储在“按照实际构建”的数据中,这要归功于数字化线程。与按订单配置的记录可以与产品的按设计配置进行比较,从而突出显示车间与客户期望之间的偏差。发布回数字孪生后,可以将其与按工程设计进行匹配。在这项研究中分析的组装策略之所以可行,是因为它将可从生产数据库和方法中获得的信息融合到设计中。这意味着在最终组装的零部件上不花费时间,从而避免了高额的资本支出和对生产的瓶颈。最后,回答这个问题:可以完全管理高度复杂产品的BOM吗?
在产品极为复杂的情况下,PLM-MOM之间的集成是必要的,以便管理这些产品的BOM。否则,仅仅使用ERP系统无法管理它们。PLM允许在产品开发过程的每个阶段,在单一的上下文中管理和维护BOM的工程和制造方面。BOM是许多设计活动的结果,如果只有ERP系统参与到流程的最后阶段来保存它,可能无法真实地表达决策、逻辑和工程规则是如何构建到产品中的。ERP解决方案通常不会对制造BOM进行优化,也没有开发工具来定义它。它们只关注执行已定义的BOM。而现代的PLM系统具有进行改变、分析和优化BOM的工具,因此通过这些解决方案进行管理是合理的。总之,“数据孤岛”的问题可以在很大程度上得到消除,因为现在ERP、PLM、业务系统和车间之间存在双向的通信,从而在生产现场上能够更大程度地控制和监控业务。
总结归纳
在所有行业中,航空航天领域被认为是一个展示数字孪生、数字线程和通过PLM和MOM解决方案进行的生命周期管理带来效益的典型案例。随着对飞机的需求持续增长,航空航天行业在整合产品和过程设计以及生产和执行的世界方面具有增加竞争力和减少现有积压订单的最大机会。航空航天和系统将以更加复杂的方式进行构建。新技术和工艺需要新的制造方法。为了应对这些挑战,航空航天制造商应该在其制造流程中引入集成的PLM和MOM解决方案,从而获得优化的订单管理、自动化的高级计划和调度以协调供应链流程和优化物料同步,以及来自CLM的所有好处。在这方面,同时使用PLM和MOM技术的综合力量是公司数字化过程的关键部分。为了推动创新,有必要拥有适当的技术,以减少开发时间并提供高质量的解决方案,能够轻松适应过程的每个阶段的变化。
- 作者:VON
- 链接:https://baisihan.asia/article/8265db1f-4547-4171-95cb-6b4080e3d236
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