机床装备行业：设计工艺应用与实践

2011-09-26 10:42:00 来源：

先进制造技术与中国机床行业的高速发展

机床工业是现代制造业及现代工业的基础，机床工业的发展带动了制造业和工业的发展。对一个国家而言，本土的机床工业与本土的制造业及工业紧密相连，高水平的本土机床工业有助于提升本土制造业及工业的水平。20世纪前80年长期雄踞汽车行业之首的美国，到1980年被日本超过，是由于制造技术落后了。80年代，美国生产一辆汽车需要214 人时，日本只需133人时。而自80 年代中后期开始，美国政府开始对影响工业发展与国防实力的机床工业大力扶持，美国机床行业国内销售额由1986年的18.83亿美元上升到1994年的43.5亿美元，美国汽车工业也在1994年产量达到1226.5万辆，重新夺回世界产量第一的位置。

由于装备水平低等原因，我国制造业表现出劳动生产率、市场竞争力低下等特征。在第三次工业普查中，我国机械工业大中型企业的重要设备中，金切机床属于国内一般水平和国内落后水平的竟占89％，属于国际先进水平的仅占1.5%，属国内先进水平的也只占9％。而数控机床作为信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术水平与发展趋势，自然成为振兴国家装备制造业的重点。自2003年开始，中国就成了全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。在旺盛市场需求推动下，我国数控机床工业发展较快，目前已有数控机床生产厂近百家，总综合规模、重点品种方面，我国都已进入世界前几名，数控机床2006年的产量达到85000多台，品种多达1500多种，机床工具全行业工业总产值达到1500亿元，产量增速保持在15％左右。

未来五年，在汽车及零部件、航空航天以及国防工业、造船和电站设备等大型装备制造业的需求牵引下，我国机床制造业将往高精度、高效率、高可靠性、个性化、柔性化、智能化、绿色环保等方向发展，大大改变大型、高速、高精度数控机床大部分依赖进口的现状，迎来国民经济建设和制造业技术改造的高潮。

机床行业产品创新与产业升级迎来PLM技术普及应用时代

随着机械制造业个性需求发展，机床行业怎么适应制造业个性需求的发展、迎合制造业的个性需求，成为机床设计制造企业永无止境的产品创新推动力；同时，随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点的高速加工已成为制造技术的重要发展趋势；而现代化生产组织的运营模式和精益生产管理，也对机床设备提出了减少加工辅助时间、工序复合到功能复合、柔性化等要求，要求缩短加工过程链和辅助时间，减少机床台数，简化物料流，提高生产设备的柔性，生产总占地面积最小，使投资更加有效。

在市场竞争恶化和客户个性化需求日益发展的形势下，机床设备产品更新换代的速度将加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液和气、以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。而基于计算机辅助设计系统的新的设计方法和手段的运用，通过三维建模和仿真加快新产品的开发速度，并逐步实现CAD/CAPP/CAM/CAE/PDM的集成，构建企业级的产品生命周期管理（PLM）平台，则成为机床企业利用现有产品知识资源快速重组和配置，加快新机床的开发速度和提升产品质量的效率倍增器。在PLM技术的推动下，传统的制造模式将从“产品=原材料+制造过程”转变为以产品创新为核心的现代制造模式“产品=知识+原材料+制造过程+服务”，机床制造业的增值主要体现在产品设计、软件开发、市场开拓以及回收再造等环节。

另外，数控机床是复杂的机电一体化产品，其产品结构复杂、品种规格繁多，需要由技术性很强的供应链提供各种功能部件。因此，机床行业提升自主创新能力，无论是机床生产商本身而言，还是刀具、切削液、数控系统、功能部件等上下游产业环节，都必须以产品创新作为未来十年获得核心竞争优势的指导思想。目前，我国机床产业链还没形成像汽车行业那样的分级配套供应关系，生产方法大而全、小而全，无论多大规模的机床制造商，都要同时直接采购与管理上千种零部件，供应商多达400~500家，以至专业化、规模化的能力不够。随着网络与信息技术的普及应用，企业运作战略也正在从国内向全球化、企业内部协作向外部供应链协同、价格大战向产品创新转变。成功构建起企业级产品全生命周期管理平台的机床生产商，将实现产品设计过程管理与制造个过程管理有机融合，从原来以生产者为主导的少品种、大批量生产模式，向以客户为主导的多品种、小批量、短交货期生产模式转变，成为精益、敏捷、信息化和网络化的数字化工厂，以较少的资源和生产能力满足市场需求。

应用方案

数控机床一般根据客户订单进行设计与制造，包括机械、电气、液压、自动化控制等各类功能部件，技术难度高，设计、制造周期都比较长。对销售部门而言，最大的难题是无法按照客户的要求及时交货；对设计部门而言，由于业务发展太快，产品种类、规格型号非常繁杂、客户需求变更频繁，导致设计工作量大、项目管理和更改管理得不到有效控制；对生产与物料管理部门而言，面对机床产品零部件种类多、制造流程复杂，制造过程所需机器设备和工装夹具种类也繁多，各种生产方式如库存型(MTS)、订单型(MTO)、订单工程型(ETO)以及订单装配型(ATO)共存，单件、小批量、批量、项目型生产齐头并举的状况，最头痛的事情莫过于在设计更改和计划变更频繁的情况下快速应变与科学排产，既控制住成本，又保质保量地按期交货。

……

CAXA提供的设计工艺管理解决方案和制造过程管理解决方案（如图1）采用了统一的数据平台，设计、工艺和生产各个环节的数据一次录入后可以为后续业务流程利用，避免了数据的重复录入，减少由于手工重复录入带来的错误。同时，由于采用了统一的业务平台，各个环节的业务可以在工作流引擎的支撑下，实现跨部门、跨企业的协同，所有数据都在平台的安全控制机制下共享和更新，企业还可以利用平台的定制能力不断优化业务流程，实现企业业务的持续改进，不断提升竞争力。

应用特点

1.无缝集成中国CAD正版装机量最大的CAXA电子图板，特别针对机床装备行业的产品图纸特点定制开发，支持机床行业产品图纸“在位明细”标注习惯；提供标准件、通用件的二维图库，规范产品设计管理，提高产品与零部件标准化；

2.提供产品设计CAD工具与PDM系统的物料信息集成，嵌入式深度集成国外三维或二维CAD设计工具（SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG NX\ Solidedge、AutoCAD），在产品设计和图纸绘制环节实现与企业物料信息的集成，增强企业零部件的设计重用能力；

3.适应机床产品结构复杂、品种规格繁多、工艺路线长的特点，提供工艺数据全生命周期管理方案，包括机加、冲压、焊接、总装、涂装等各专业工艺编制、工艺路线编制、材料定额编制与管理、工艺任务管理、工装业务管理、工艺信息管理、总装明细管理、工艺知识管理、工艺资源管理等，有效缩短生产技术准备周期

4.产品设计过程、工艺设计过程以及产品数据、工艺数据管理架构在统一的PDM基础平台上，产品BOM信息按照不同业务视图进行配置、维护，大大减少物料信息的重复录入，可为ERP系统及时提供唯一、准确的产品物料清单，有效缩短订单交付周期。

图1 CAXA 面向机床行业的设计工艺一体化PLM应用方案

成功应用

北京第二机床厂有限公司（以下简称“北二”）始建于1953年，是中国机床工具工业行业骨干企业（“十八罗汉厂”）之一，其生产的“北二”牌高精度外圆磨床、数控外圆磨床、超精加工设备精密等系列产品是我国汽车、航空航天、家电、机械装备等行业精密制造的关键装备，遍及全国各地并销往世界30多个国家和地区。

北二信息化起步较早，但随着近几年满足重要客户个性化需求的订单数量迅速增长，单元系统（CAD系统、车间管理系统）目前已难以支持企业发展，也无法实现企业内部产品数据的有效管理与流动，从而制约了企业级产品研发的效率。为了在中高端细分市场上构建北二特色的、独有的、差异化的产品竞争优势，北二成立了企业信息化领导小组，总经理毛予锋亲自担任组长。在毛总高度重视和直接关怀下，PLM项目组在确定企业信息化首先应通过PLM构建企业级的协同工作平台的思路之后，经过对国内外多家PLM供应商长达一年多的精心考察、产品选型活动后，一致认可CAXA十多年专注于制造业的专业积淀和长期可持续性的支持服务能力，以及CAXA完整PLM功能和易扩展性，最终选择了CAXA作为PLM解决方案供应商和实施服务方，推动了以产品研发为核心的企业全面转型战略。

北二在实施PLM项目之前，产品研发过程管理存在的问题主要包括：

1.产品结构管理与配置

在北二产品结构管理主要依赖四种明细表，分别是组部件明细表、零件明细表、标准件明细表和外购件明细表。组部件明细表记录产品大的部件，并标明借用和全新设计；零件明细表记录产品的所有零件（除标准件、外购件）信息。标准件、外购件信息单独由各自明细表体现。这种产品结构管理方式带来以下几个方面的情况：大量明细表之间的内在关系不明了，工程技术人员难以了解一个产品完整、有序、直观的产品结构；难以对零部件借用情况进行统计，也难以清晰地了解零部件的借用范围；建立各种明细表时需要花费大量的时间重复输入标准件、外购件等零部件的属性。

2.文档管理

企业各个部门管理本部门用到的文件，电子文档存放在服务器上，主要依靠服务器操作系统自带的资源管理器，按照产品组织存放审核批准后的文件。纸质文件是企业内部唯一合法流通文件，但由于检索效率不高，借阅时难以快速获得所需的全部资料；同时，由于纸质文件的数量有限，需要借阅的技术人员不能及时获得，只能参考电子文件，但电子文件并不准确，入库目录中的文件不能保证是最终版本，很难查看到文件以往的状态，也无法进行历史信息回溯。有些电子文档修改后，直接采用覆盖的方式，需要查阅以往设计的时候，数据已经丢失。

3.编码管理

企业原先对内部使用的标准件、外购件及材料，无相应的编码，对相关零件或是材料的描述也不统一，因此存在设计人员提外购件时对同一外购件描述不一样，引起混淆的现象。

4.工艺编制

企业原先采用Word、Excel等通用软件进行工艺编制，因此在工艺编制中存在以下困难：工艺任务量大，重复工作的工作量大小取决工艺设计人员对典型工艺典型工序的熟知程度；工艺文件没有在服务器上共享，检索效率较低，历史成果借用比较困难；工艺特殊符号输入困难，工艺人员只能采用文字描述的方法，因此工艺文件标准化程度不高；工艺编制中需要绘制附图时比较困难，效率较低；工艺设计中的工艺计算缺乏有效的工具支持，如机加工余量等。

5. 项目管理

企业产品研发的项目管理，主要是业务主管制定技术准备进度表，仅靠人工来监控协调并行的项目，而流程的执行和督促主要依靠人工通过电话、内部表格进行。这种传统的项目管理方式存在的问题主要是缺乏项目信息的共享，企业高层领导、设计主管人员无法对各个项目执行情况做到全面实时的监控；对于参与多个项目的设计主管，要及时获得各个项目的进展情况，项目组成员的任务饱和情况比较困难；设计人员无法了解所处项目的整体情况，很难做到有效的协调；在产品研发项目管理中，流程过程中的历史信息较难进行追溯，相关的记录文档也没有与产品建立关系。

上述问题直接影响了产品设计效率，工程技术人员耗费大量时间精力在查找图纸、录入产品信息、输出维护各种明细表等无价值的重复劳动，以致产品开发设计工作量大、开发周期较长、，宝贵的人力资源真正用于产品技术创新的时间得不到保障。

为解决上述产品研发管理的问题，在CAXA高级咨询顾问的帮助下，北二PLM项目组选择实施了CAXA V5的相应功能模块，如下表所示。

部门模块	规划发展部	技术部	功能说明
项目管理	þ	þ	进行任务分解、项目日程管理、任务追踪、信息传递以及资源的统筹管理。
工作流程管理	þ	þ	在企业内自动地实现工作的流动、任务的流动以及文档的流动，同时提供强大的管理和跟踪能力，加快了审批过程和更改过程。
工程更改管理	þ	þ	提供完善的更改流程控制和质量模板文件，更改结果在系统中自动部署；自动记录更改历史信息（版本信息、更改记录等）。
权限管理	þ	þ	面向角色、工作组和人员的权限设置功能，可对系统中的每一类对象上的不同阶段的不同操作进行权限设定。
模板库管理	þ	þ	定义各种模板文件，如图纸模板、质量模板等。当启动一个项目时，可以在各个控制点调用不同的质量模板文件，直接输入此项目的信息，以此规范了质量管理流程。
编码管理	þ	þ	编码管理包含四个大类的管理：编码规则、分类码、属性码、流水码。用户可以建立多套编码规则，选取一套作为默认值，当用户领取编码号时，系统将根据设置好的编码规则来自动领号。
图文档管理	þ	þ	在产品设计环境（CAXA电子图板）中建立与CAXA V5的连接，实现文档图纸的自动提交，图纸进入PLM系统中，将会按照装配关系自动组织起来，图纸的属性信息也将由PLM系统自动地从CAD系统中提取。
产品结构管理		þ	定义产品全生命周期中不同阶段的产品视图，如设计BOM、生产BOM、装配BOM等。在视图中对产品结构，的变动，如增加零部件、删除零部件等不影响产品真实结构。产品多视图技术支持用户进行产品配置管理。产品结构管理提供BOM维护、BOM比较、BOM打包、BOM合并、BOM同步等多种功能。
产品配置管理		þ	进行新产品设计的时候，通过系统提供的高效查询功能获得参考设计，在参考设计的基础上，使用CAXA V5 提供的多种配置手段进行快速的新产品设计。
标准件库管理	þ	þ	为北二定制的机械标准件管理包括螺母、垫圈、销钉、螺钉、弹簧等；电子元器件管理包括电阻、电容、集成电路等。通过数据模型器，还可以对企业需要管理的其他标准件进行快速定制。
通用件库管理	þ	þ	按照机床大类分类存放通过通用件审批流程的零件。当设计人员进行设计时，可以通过系统提供的查询功能在通用件库中查找需要的零部件，通过通用件申请流程直接利用已有的设计成果，缩短设计周期。
工艺资源管理		þ	对工艺设计有关的基础性制造资源数据进行管理，主要包括材料、元器件、工装、工具、设备等，以便在工艺设计时调用。
工艺卡片模板管理		þ	提供卡片格式编辑器，根据企业工艺标准化需要创建工艺卡片模板，并可以定义单元格、列和表，设置其中的字体、关联的工艺知识库，数据存储对应的字段等。
工艺汇总定制		þ	对北二产品研发技术文件配套的汇总表进行模板定制，利用产品结构管理自动汇总出《外购件汇总表》、《标准件汇总表》、《特殊件汇总表》、《自制专用工装明细表》等25个统计汇总。
工艺设计环境		þ	采用“所见即所得”界面，采用信息模型驱动的机制，实现工艺数据与文档的一体化，同时内嵌优秀的二维绘图平台，有效支持工序简图的快速绘制和集成其他CAD系统产生的工程图纸信息。

表1 北二CAXA V5实施范围

图2 从MAGIC CAD统一转换为CAXA电子图板的图纸

图3 图纸标注的零部件标号从PDM的企业通用零件库选取

图4 统计汇总明细表按照定制的模板自动生成

CAXA已经达到北二PLM项目制定的目标，系统稳定可靠，有效解决了该厂产品研发过程管理存在的项目管理、产品结构与配置管理、图文档管理、编码管理、工艺编制、统计汇总等问题，成功构建出设计工艺一体化的企业级产品研发协同工作平台。通过将原先的MAGIC CAD统一到CAXA电子图板（如图2），企业历史上积累的海量技术图纸资产得到继承与保护，同时大大提高了工产品改型设计的出图效率；在产品设计过程CAD工具与PDM紧密集成，图纸标注的零部件标号统一从PDM的企业通用零件库中选取，有效保证了物料编码的唯一性和零部件信息的一致性；大量的统计汇总明细表按照定制的模板自动生成（如图3），减轻了工艺设计人员的。CAXA V5的成功部署，使北二的产品研发过程管理从数据的创建、更改、审核、发布到维护、重用等全生命周期得到有效控制，为北二做精、做专、做强的发展战略奠定厚实的基础。