機(jī)床裝備行業(yè):設(shè)計工藝應(yīng)用與實踐

機(jī)床工業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)及現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，機(jī)床工業(yè)的發(fā)展帶動了制造業(yè)和工業(yè)的發(fā)展。對一個國家而言，本土的機(jī)床工業(yè)與本土的制造業(yè)及工業(yè)緊密相連，高水平的本土機(jī)床工業(yè)有助于提升本土制造業(yè)及工業(yè)的水平。20世紀(jì)前80年長期雄踞汽車行業(yè)之首的美國，到1980年被日本超過，是由于制造技術(shù)落后了。 80年代，美國生產(chǎn)一輛汽車需要214 人時，日本只需133人時。而自80 年代中后期開始，美國政府開始對影響工業(yè)發(fā)展與國防實力的機(jī)床工業(yè)大力扶持，美國機(jī)床行業(yè)國內(nèi)銷售額由1986年的18.83億美元上升到1994年的 43.5億美元，美國汽車工業(yè)也在1994年產(chǎn)量達(dá)到1226.5萬輛，重新奪回世界產(chǎn)量第一的位置。

由于裝備水平低等原因，我國制造業(yè)表現(xiàn)出勞動生產(chǎn)率、市場競爭力低下等特征。在第三次工業(yè)普查中，我國機(jī)械工業(yè)大中型企業(yè)的重要設(shè)備中，金切機(jī)床屬于國內(nèi)一般水平和國內(nèi)落后水平的竟占89％，屬于國際先進(jìn)水平的僅占1.5%，屬國內(nèi)先進(jìn)水平的也只占9％。而數(shù)控機(jī)床作為信息技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，代表了現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械的技術(shù)水平與發(fā)展趨勢，自然成為振興國家裝備制造業(yè)的重點(diǎn)。自2003年開始，中國就成了全球最大的機(jī)床消費(fèi)國，也是世界上最大的數(shù)控機(jī)床進(jìn)口國。在旺盛市場需求推動下，我國數(shù)控機(jī)床工業(yè)發(fā)展較快，目前已有數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠近百家，總綜合規(guī)模、重點(diǎn)品種方面，我國都已進(jìn)入世界前幾名，數(shù)控機(jī)床2006年的產(chǎn)量達(dá)到85000多臺，品種多達(dá)1500多種，機(jī)床工具全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到1500億元，產(chǎn)量增速保持在15％左右。

未來五年，在汽車及零部件、航空航天以及國防工業(yè)、造船和電站設(shè)備等大型裝備制造業(yè)的需求牽引下，我國機(jī)床制造業(yè)將往高精度、高效率、高可靠性、個性化、柔性化、智能化、綠色環(huán)保等方向發(fā)展，大大改變大型、高速、高精度數(shù)控機(jī)床大部分依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，迎來國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和制造業(yè)技術(shù)改造的高潮。

機(jī)床行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級迎來PLM技術(shù)普及應(yīng)用時代

隨著機(jī)械制造業(yè)個性需求發(fā)展，機(jī)床行業(yè)怎么適應(yīng)制造業(yè)個性需求的發(fā)展、迎合制造業(yè)的個性需求，成為機(jī)床設(shè)計制造企業(yè)永無止境的產(chǎn)品創(chuàng)新推動力；同時，隨著汽車、航空航天等工業(yè)輕合金材料的廣泛應(yīng)用，具有縮短加工時間、提高加工精度和表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)的高速加工已成為制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢；而現(xiàn)代化生產(chǎn)組織的運(yùn)營模式和精益生產(chǎn)管理，也對機(jī)床設(shè)備提出了減少加工輔助時間、工序復(fù)合到功能復(fù)合、柔性化等要求，要求縮短加工過程鏈和輔助時間，減少機(jī)床臺數(shù)，簡化物料流，提高生產(chǎn)設(shè)備的柔性，生產(chǎn)總占地面積最小，使投資更加有效。

在市場競爭惡化和客戶個性化需求日益發(fā)展的形勢下，機(jī)床設(shè)備產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度將加快，專用機(jī)床的可重構(gòu)性和制造系統(tǒng)的可重組性日益重要。通過數(shù)控加工單元和功能部件的模塊化，可以對制造系統(tǒng)進(jìn)行快速重組和配置，以適應(yīng)變型產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。機(jī)械、電氣和電子、液和氣、以及控制軟件的接口規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化是實現(xiàn)可重組性的關(guān)鍵。而基于計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)的新的設(shè)計方法和手段的運(yùn)用，通過三維建模和仿真加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，并逐步實現(xiàn)CAD/CAPP /CAM/CAE /PDM的集成，構(gòu)建企業(yè)級的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）平臺，則成為機(jī)床企業(yè)利用現(xiàn)有產(chǎn)品知識資源快速重組和配置，加快新機(jī)床的開發(fā)速度和提升產(chǎn)品質(zhì)量的效率倍增器。在PLM技術(shù)的推動下，傳統(tǒng)的制造模式將從“產(chǎn)品=原材料+制造過程”轉(zhuǎn)變?yōu)橐援a(chǎn)品創(chuàng)新為核心的現(xiàn)代制造模式“產(chǎn)品=知識+原材料+制造過程+服務(wù)”，機(jī)床制造業(yè)的增值主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、軟件開發(fā)、市場開拓以及回收再造等環(huán)節(jié)。

另外，數(shù)控機(jī)床是復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種規(guī)格繁多，需要由技術(shù)性很強(qiáng)的供應(yīng)鏈提供各種功能部件。因此，機(jī)床行業(yè)提升自主創(chuàng)新能力，無論是機(jī)床生產(chǎn)商本身而言，還是刀具、切削液、數(shù)控系統(tǒng)、功能部件等上下游產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，都必須以產(chǎn)品創(chuàng)新作為未來十年獲得核心競爭優(yōu)勢的指導(dǎo)思想。目前，我國機(jī)床產(chǎn)業(yè)鏈還沒形成像汽車行業(yè)那樣的分級配套供應(yīng)關(guān)系，生產(chǎn)方法大而全、小而全，無論多大規(guī)模的機(jī)床制造商，都要同時直接采購與管理上千種零部件，供應(yīng)商多達(dá)400~500家，以至專業(yè)化、規(guī)?；哪芰Σ粔?。隨著網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的普及應(yīng)用，企業(yè)運(yùn)作戰(zhàn)略也正在從國內(nèi)向全球化、企業(yè)內(nèi)部協(xié)作向外部供應(yīng)鏈協(xié)同、價格大戰(zhàn)向產(chǎn)品創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。成功構(gòu)建起企業(yè)級產(chǎn)品全生命周期管理平臺的機(jī)床生產(chǎn)商，將實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程管理與制造個過程管理有機(jī)融合，從原來以生產(chǎn)者為主導(dǎo)的少品種、大批量生產(chǎn)模式，向以客戶為主導(dǎo)的多品種、小批量、短交貨期生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，成為精益、敏捷、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)字化工廠，以較少的資源和生產(chǎn)能力滿足市場需求。

應(yīng)用方案

數(shù)控機(jī)床一般根據(jù)客戶訂單進(jìn)行設(shè)計與制造，包括機(jī)械、電氣、液壓、自動化控制等各類功能部件，技術(shù)難度高，設(shè)計、制造周期都比較長。對銷售部門而言，最大的難題是無法按照客戶的要求及時交貨；對設(shè)計部門而言，由于業(yè)務(wù)發(fā)展太快，產(chǎn)品種類、規(guī)格型號非常繁雜、客戶需求變更頻繁，導(dǎo)致設(shè)計工作量大、項目管理和更改管理得不到有效控制；對生產(chǎn)與物料管理部門而言，面對機(jī)床產(chǎn)品零部件種類多、制造流程復(fù)雜，制造過程所需機(jī)器設(shè)備和工裝夾具種類也繁多，各種生產(chǎn)方式如庫存型(MTS)、訂單型(MTO)、訂單工程型(ETO)以及訂單裝配型(ATO)共存，單件、小批量、批量、項目型生產(chǎn)齊頭并舉的狀況，最頭痛的事情莫過于在設(shè)計更改和計劃變更頻繁的情況下快速應(yīng)變與科學(xué)排產(chǎn)，既控制住成本，又保質(zhì)保量地按期交貨。

……

圖1  CAXA 面向機(jī)床行業(yè)的設(shè)計工藝一體化PLM應(yīng)用方案

CAXA 提供的設(shè)計工藝管理解決方案和制造過程管理解決方案（如圖1）采用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，設(shè)計、工藝和生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)一次錄入后可以為后續(xù)業(yè)務(wù)流程利用，避免了數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，減少由于手工重復(fù)錄入帶來的錯誤。同時，由于采用了統(tǒng)一的業(yè)務(wù)平臺，各個環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)可以在工作流引擎的支撐下，實現(xiàn)跨部門、跨企業(yè)的協(xié)同，所有數(shù)據(jù)都在平臺的安全控制機(jī)制下共享和更新，企業(yè)還可以利用平臺的定制能力不斷優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)的持續(xù)改進(jìn)，不斷提升競爭力。

應(yīng)用特點(diǎn)

1.無縫集成中國CAD正版裝機(jī)量最大的CAXA電子圖板，特別針對機(jī)床裝備行業(yè)的產(chǎn)品圖紙?zhí)攸c(diǎn)定制開發(fā)，支持機(jī)床行業(yè)產(chǎn)品圖紙“在位明細(xì)”標(biāo)注習(xí)慣；提供標(biāo)準(zhǔn)件、通用件的二維圖庫，規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計管理，提高產(chǎn)品與零部件標(biāo)準(zhǔn)化；

2. 提供產(chǎn)品設(shè)計CAD工具與PDM系統(tǒng)的物料信息集成，嵌入式深度集成國外三維或二維CAD設(shè)計工具（SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG NX\\ Solidedge、AutoCAD），在產(chǎn)品設(shè)計和圖紙繪制環(huán)節(jié)實現(xiàn)與企業(yè)物料信息的集成，增強(qiáng)企業(yè)零部件的設(shè)計重用能力；

3. 適應(yīng)機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品種規(guī)格繁多、工藝路線長的特點(diǎn)，提供工藝數(shù)據(jù)全生命周期管理方案，包括機(jī)加、沖壓、焊接、總裝、涂裝等各專業(yè)工藝編制、工藝路線編制、材料定額編制與管理、工藝任務(wù)管理、工裝業(yè)務(wù)管理、工藝信息管理、總裝明細(xì)管理、工藝知識管理、工藝資源管理等，有效縮短生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備周期

4.產(chǎn)品設(shè)計過程、工藝設(shè)計過程以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)管理架構(gòu)在統(tǒng)一的PDM基礎(chǔ)平臺上，產(chǎn)品BOM信息按照不同業(yè)務(wù)視圖進(jìn)行配置、維護(hù)，大大減少物料信息的重復(fù)錄入，可為ERP系統(tǒng)及時提供唯一、準(zhǔn)確的產(chǎn)品物料清單，有效縮短訂單交付周期。

成功應(yīng)用

北京第二機(jī)床廠有限公司（以下簡稱“北二”）始建于1953年，是中國機(jī)床工具工業(yè)行業(yè)骨干企業(yè)（“十八羅漢廠”）之一，其生產(chǎn)的“北二”牌高精度外圓磨床、數(shù)控外圓磨床、超精加工設(shè)備精密等系列產(chǎn)品是我國汽車、航空航天、家電、機(jī)械裝備等行業(yè)精密制造的關(guān)鍵裝備，遍及全國各地并銷往世界30多個國家和地區(qū)。

北二信息化起步較早，但隨著近幾年滿足重要客戶個性化需求的訂單數(shù)量迅速增長，單元系統(tǒng)（CAD系統(tǒng)、車間管理系統(tǒng)）目前已難以支持企業(yè)發(fā)展，也無法實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有效管理與流動，從而制約了企業(yè)級產(chǎn)品研發(fā)的效率。為了在中高端細(xì)分市場上構(gòu)建北二特色的、獨(dú)有的、差異化的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，北二成立了企業(yè)信息化領(lǐng)導(dǎo)小組，總經(jīng)理毛予鋒親自擔(dān)任組長。在毛總高度重視和直接關(guān)懷下，PLM項目組在確定企業(yè)信息化首先應(yīng)通過PLM構(gòu)建企業(yè)級的協(xié)同工作平臺的思路之后，經(jīng)過對國內(nèi)外多家PLM供應(yīng)商長達(dá)一年多的精心考察、產(chǎn)品選型活動后，一致認(rèn)可CAXA十多年專注于制造業(yè)的專業(yè)積淀和長期可持續(xù)性的支持服務(wù)能力，以及CAXA完整PLM功能和易擴(kuò)展性，最終選擇了CAXA作為 PLM解決方案供應(yīng)商和實施服務(wù)方，推動了以產(chǎn)品研發(fā)為核心的企業(yè)全面轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。

北二在實施PLM項目之前，產(chǎn)品研發(fā)過程管理存在的問題主要包括：

1.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理與配置

在北二產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理主要依賴四種明細(xì)表，分別是組部件明細(xì)表、零件明細(xì)表、標(biāo)準(zhǔn)件明細(xì)表和外購件明細(xì)表。組部件明細(xì)表記錄產(chǎn)品大的部件，并標(biāo)明借用和全新設(shè)計；零件明細(xì)表記錄產(chǎn)品的所有零件（除標(biāo)準(zhǔn)件、外購件）信息。標(biāo)準(zhǔn)件、外購件信息單獨(dú)由各自明細(xì)表體現(xiàn)。這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理方式帶來以下幾個方面的情況：大量明細(xì)表之間的內(nèi)在關(guān)系不明了，工程技術(shù)人員難以了解一個產(chǎn)品完整、有序、直觀的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；難以對零部件借用情況進(jìn)行統(tǒng)計，也難以清晰地了解零部件的借用范圍；建立各種明細(xì)表時需要花費(fèi)大量的時間重復(fù)輸入標(biāo)準(zhǔn)件、外購件等零部件的屬性。

2.文檔管理

企業(yè)各個部門管理本部門用到的文件，電子文檔存放在服務(wù)器上，主要依靠服務(wù)器操作系統(tǒng)自帶的資源管理器，按照產(chǎn)品組織存放審核批準(zhǔn)后的文件。紙質(zhì)文件是企業(yè)內(nèi)部唯一合法流通文件，但由于檢索效率不高，借閱時難以快速獲得所需的全部資料；同時，由于紙質(zhì)文件的數(shù)量有限，需要借閱的技術(shù)人員不能及時獲得，只能參考電子文件，但電子文件并不準(zhǔn)確，入庫目錄中的文件不能保證是最終版本，很難查看到文件以往的狀態(tài)，也無法進(jìn)行歷史信息回溯。有些電子文檔修改后，直接采用覆蓋的方式，需要查閱以往設(shè)計的時候，數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失。

3.編碼管理

企業(yè)原先對內(nèi)部使用的標(biāo)準(zhǔn)件、外購件及材料，無相應(yīng)的編碼，對相關(guān)零件或是材料的描述也不統(tǒng)一，因此存在設(shè)計人員提外購件時對同一外購件描述不一樣，引起混淆的現(xiàn)象。

4.工藝編制

企業(yè)原先采用Word、Excel等通用軟件進(jìn)行工藝編制，因此在工藝編制中存在以下困難：工藝任務(wù)量大，重復(fù)工作的工作量大小取決工藝設(shè)計人員對典型工藝典型工序的熟知程度；工藝文件沒有在服務(wù)器上共享，檢索效率較低，歷史成果借用比較困難；工藝特殊符號輸入困難，工藝人員只能采用文字描述的方法，因此工藝文件標(biāo)準(zhǔn)化程度不高；工藝編制中需要繪制附圖時比較困難，效率較低；工藝設(shè)計中的工藝計算缺乏有效的工具支持，如機(jī)加工余量等。

5. 項目管理

企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的項目管理，主要是業(yè)務(wù)主管制定技術(shù)準(zhǔn)備進(jìn)度表，僅靠人工來監(jiān)控協(xié)調(diào)并行的項目，而流程的執(zhí)行和督促主要依靠人工通過電話、內(nèi)部表格進(jìn)行。這種傳統(tǒng)的項目管理方式存在的問題主要是缺乏項目信息的共享，企業(yè)高層領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計主管人員無法對各個項目執(zhí)行情況做到全面實時的監(jiān)控；對于參與多個項目的設(shè)計主管，要及時獲得各個項目的進(jìn)展情況，項目組成員的任務(wù)飽和情況比較困難；設(shè)計人員無法了解所處項目的整體情況，很難做到有效的協(xié)調(diào)；在產(chǎn)品研發(fā)項目管理中，流程過程中的歷史信息較難進(jìn)行追溯，相關(guān)的記錄文檔也沒有與產(chǎn)品建立關(guān)系。

上述問題直接影響了產(chǎn)品設(shè)計效率，工程技術(shù)人員耗費(fèi)大量時間精力在查找圖紙、錄入產(chǎn)品信息、輸出維護(hù)各種明細(xì)表等無價值的重復(fù)勞動，以致產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計工作量大、開發(fā)周期較長、，寶貴的人力資源真正用于產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的時間得不到保障。

為解決上述產(chǎn)品研發(fā)管理的問題，在CAXA高級咨詢顧問的幫助下，北二PLM項目組選擇實施了CAXA V5的相應(yīng)功能模塊，如下表所示。

北二CAXA V5實施范圍表

圖2  從MAGIC CAD統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CAXA電子圖板的圖紙

圖3  圖紙標(biāo)注的零部件標(biāo)號從PDM的企業(yè)通用零件庫選取

圖4  統(tǒng)計匯總明細(xì)表按照定制的模板自動生成

CAXA 已經(jīng)達(dá)到北二PLM項目制定的目標(biāo)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效解決了該廠產(chǎn)品研發(fā)過程管理存在的項目管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理、圖文檔管理、編碼管理、工藝編制、統(tǒng)計匯總等問題，成功構(gòu)建出設(shè)計工藝一體化的企業(yè)級產(chǎn)品研發(fā)協(xié)同工作平臺。通過將原先的MAGIC CAD統(tǒng)一到CAXA電子圖板（如圖2），企業(yè)歷史上積累的海量技術(shù)圖紙資產(chǎn)得到繼承與保護(hù)，同時大大提高了工產(chǎn)品改型設(shè)計的出圖效率；在產(chǎn)品設(shè)計過程 CAD工具與PDM緊密集成，圖紙標(biāo)注的零部件標(biāo)號統(tǒng)一從PDM的企業(yè)通用零件庫中選取，有效保證了物料編碼的唯一性和零部件信息的一致性；大量的統(tǒng)計匯總明細(xì)表按照定制的模板自動生成（如圖3），減輕了工藝設(shè)計人員的。CAXA V5的成功部署，使北二的產(chǎn)品研發(fā)過程管理從數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、更改、審核、發(fā)布到維護(hù)、重用等全生命周期得到有效控制，為北二做精、做專、做強(qiáng)的發(fā)展戰(zhàn)略奠定厚實的基礎(chǔ)。