機床裝備行業(yè):設計工藝應用與實踐

機床工業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)及現(xiàn)代工業(yè)的基礎，機床工業(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)展與國防實力的機床工業(yè)大力扶持，美國機床行業(yè)國內銷售額由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，我國機械工業(yè)大中型企業(yè)的重要設備中，金切機床屬于國內一般水平和國內落后水平的竟占89％，屬于國際先進水平的僅占1.5%，屬國內先進水平的也只占9％。而數(shù)控機床作為信息技術與機械制造技術相結合的產(chǎn)物，代表了現(xiàn)代基礎機械的技術水平與發(fā)展趨勢，自然成為振興國家裝備制造業(yè)的重點。自2003年開始，中國就成了全球最大的機床消費國，也是世界上最大的數(shù)控機床進口國。在旺盛市場需求推動下，我國數(shù)控機床工業(yè)發(fā)展較快，目前已有數(shù)控機床生產(chǎn)廠近百家，總綜合規(guī)模、重點品種方面，我國都已進入世界前幾名，數(shù)控機床2006年的產(chǎn)量達到85000多臺，品種多達1500多種，機床工具全行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值達到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)、造船和電站設備等大型裝備制造業(yè)的需求牽引下，我國機床制造業(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)控機床大部分依賴進口的現(xiàn)狀，迎來國民經(jīng)濟建設和制造業(yè)技術改造的高潮。

機床行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)升級迎來PLM技術普及應用時代

隨著機械制造業(yè)個性需求發(fā)展，機床行業(yè)怎么適應制造業(yè)個性需求的發(fā)展、迎合制造業(yè)的個性需求，成為機床設計制造企業(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用，具有縮短加工時間、提高加工精度和表面質量等優(yōu)點的高速加工已成為制造技術的重要發(fā)展趨勢；而現(xiàn)代化生產(chǎn)組織的運營模式和精益生產(chǎn)管理，也對機床設備提出了減少加工輔助時間、工序復合到功能復合、柔性化等要求，要求縮短加工過程鏈和輔助時間，減少機床臺數(shù)，簡化物料流，提高生產(chǎn)設備的柔性，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，機床設備產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度將加快，專用機床的可重構性和制造系統(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)進行快速重組和配置，以適應變型產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。機械、電氣和電子、液和氣、以及控制軟件的接口規(guī)范化和標準化是實現(xiàn)可重組性的關鍵。而基于計算機輔助設計系統(tǒng)的新的設計方法和手段的運用，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，構建企業(yè)級的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）平臺，則成為機床企業(yè)利用現(xiàn)有產(chǎn)品知識資源快速重組和配置，加快新機床的開發(fā)速度和提升產(chǎn)品質量的效率倍增器。在PLM技術的推動下，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”，機床制造業(yè)的增值主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設計、軟件開發(fā)、市場開拓以及回收再造等環(huán)節(jié)。

另外，數(shù)控機床是復雜的機電一體化產(chǎn)品，其產(chǎn)品結構復雜、品種規(guī)格繁多，需要由技術性很強的供應鏈提供各種功能部件。因此，機床行業(yè)提升自主創(chuàng)新能力，無論是機床生產(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)勢的指導思想。目前，我國機床產(chǎn)業(yè)鏈還沒形成像汽車行業(yè)那樣的分級配套供應關系，生產(chǎn)方法大而全、小而全，無論多大規(guī)模的機床制造商，都要同時直接采購與管理上千種零部件，供應商多達400~500家，以至專業(yè)化、規(guī)?；哪芰Σ粔?。隨著網(wǎng)絡與信息技術的普及應用，企業(yè)運作戰(zhàn)略也正在從國內向全球化、企業(yè)內部協(xié)作向外部供應鏈協(xié)同、價格大戰(zhàn)向產(chǎn)品創(chuàng)新轉變。成功構建起企業(yè)級產(chǎn)品全生命周期管理平臺的機床生產(chǎn)商，將實現(xiàn)產(chǎn)品設計過程管理與制造個過程管理有機融合，從原來以生產(chǎn)者為主導的少品種、大批量生產(chǎn)模式，向以客戶為主導的多品種、小批量、短交貨期生產(chǎn)模式轉變，成為精益、敏捷、信息化和網(wǎng)絡化的數(shù)字化工廠，以較少的資源和生產(chǎn)能力滿足市場需求。

應用方案

數(shù)控機床一般根據(jù)客戶訂單進行設計與制造，包括機械、電氣、液壓、自動化控制等各類功能部件，技術難度高，設計、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；對設計部門而言，由于業(yè)務發(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，導致設計工作量大、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，面對機床產(chǎn)品零部件種類多、制造流程復雜，制造過程所需機器設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計更改和計劃變更頻繁的情況下快速應變與科學排產(chǎn)，既控制住成本，又保質保量地按期交貨。

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圖1  CAXA 面向機床行業(yè)的設計工藝一體化PLM應用方案

CAXA 提供的設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)務流程利用，避免了數(shù)據(jù)的重復錄入，減少由于手工重復錄入帶來的錯誤。同時，由于采用了統(tǒng)一的業(yè)務平臺，各個環(huán)節(jié)的業(yè)務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)務流程，實現(xiàn)企業(yè)業(yè)務的持續(xù)改進，不斷提升競爭力。

應用特點

1.無縫集成中國CAD正版裝機量最大的CAXA電子圖板，特別針對機床裝備行業(yè)的產(chǎn)品圖紙?zhí)攸c定制開發(fā)，支持機床行業(yè)產(chǎn)品圖紙“在位明細”標注習慣；提供標準件、通用件的二維圖庫，規(guī)范產(chǎn)品設計管理，提高產(chǎn)品與零部件標準化；

2. 提供產(chǎn)品設計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設計工具（SolidWorks、Pro/E、CATIA、UG NX\\ Solidedge、AutoCAD），在產(chǎn)品設計和圖紙繪制環(huán)節(jié)實現(xiàn)與企業(yè)物料信息的集成，增強企業(yè)零部件的設計重用能力；

3. 適應機床產(chǎn)品結構復雜、品種規(guī)格繁多、工藝路線長的特點，提供工藝數(shù)據(jù)全生命周期管理方案，包括機加、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、工藝任務管理、工裝業(yè)務管理、工藝信息管理、總裝明細管理、工藝知識管理、工藝資源管理等，有效縮短生產(chǎn)技術準備周期

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

成功應用

北京第二機床廠有限公司（以下簡稱“北二”）始建于1953年，是中國機床工具工業(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、超精加工設備精密等系列產(chǎn)品是我國汽車、航空航天、家電、機械裝備等行業(yè)精密制造的關鍵裝備，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。為了在中高端細分市場上構建北二特色的、獨有的、差異化的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，北二成立了企業(yè)信息化領導小組，總經(jīng)理毛予鋒親自擔任組長。在毛總高度重視和直接關懷下，PLM項目組在確定企業(yè)信息化首先應通過PLM構建企業(yè)級的協(xié)同工作平臺的思路之后，經(jīng)過對國內外多家PLM供應商長達一年多的精心考察、產(chǎn)品選型活動后，一致認可CAXA十多年專注于制造業(yè)的專業(yè)積淀和長期可持續(xù)性的支持服務能力，以及CAXA完整PLM功能和易擴展性，最終選擇了CAXA作為 PLM解決方案供應商和實施服務方，推動了以產(chǎn)品研發(fā)為核心的企業(yè)全面轉型戰(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)品結構管理與配置

在北二產(chǎn)品結構管理主要依賴四種明細表，分別是組部件明細表、零件明細表、標準件明細表和外購件明細表。組部件明細表記錄產(chǎn)品大的部件，并標明借用和全新設計；零件明細表記錄產(chǎn)品的所有零件（除標準件、外購件）信息。標準件、外購件信息單獨由各自明細表體現(xiàn)。這種產(chǎn)品結構管理方式帶來以下幾個方面的情況：大量明細表之間的內在關系不明了，工程技術人員難以了解一個產(chǎn)品完整、有序、直觀的產(chǎn)品結構；難以對零部件借用情況進行統(tǒng)計，也難以清晰地了解零部件的借用范圍；建立各種明細表時需要花費大量的時間重復輸入標準件、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器上，主要依靠服務器操作系統(tǒng)自帶的資源管理器，按照產(chǎn)品組織存放審核批準后的文件。紙質文件是企業(yè)內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，由于紙質文件的數(shù)量有限，需要借閱的技術人員不能及時獲得，只能參考電子文件，但電子文件并不準確，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)原先對內部使用的標準件、外購件及材料，無相應的編碼，對相關零件或是材料的描述也不統(tǒng)一，因此存在設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等通用軟件進行工藝編制，因此在工藝編制中存在以下困難：工藝任務量大，重復工作的工作量大小取決工藝設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，因此工藝文件標準化程度不高；工藝編制中需要繪制附圖時比較困難，效率較低；工藝設計中的工藝計算缺乏有效的工具支持，如機加工余量等。

5. 項目管理

企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)的項目管理，主要是業(yè)務主管制定技術準備進度表，僅靠人工來監(jiān)控協(xié)調并行的項目，而流程的執(zhí)行和督促主要依靠人工通過電話、內部表格進行。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)高層領導、設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計主管，要及時獲得各個項目的進展情況，項目組成員的任務飽和情況比較困難；設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；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行追溯，相關的記錄文檔也沒有與產(chǎn)品建立關系。

上述問題直接影響了產(chǎn)品設計效率，工程技術人員耗費大量時間精力在查找圖紙、錄入產(chǎn)品信息、輸出維護各種明細表等無價值的重復勞動，以致產(chǎn)品開發(fā)設計工作量大、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)一轉換為CAXA電子圖板的圖紙

圖3  圖紙標注的零部件標號從PDM的企業(yè)通用零件庫選取

圖4  統(tǒng)計匯總明細表按照定制的模板自動生成

CAXA 已經(jīng)達到北二PLM項目制定的目標，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)品結構與配置管理、圖文檔管理、編碼管理、工藝編制、統(tǒng)計匯總等問題，成功構建出設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圖紙資產(chǎn)得到繼承與保護，同時大大提高了工產(chǎn)品改型設計的出圖效率；在產(chǎn)品設計過程 CAD工具與PDM緊密集成，圖紙標注的零部件標號統(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)計匯總明細表按照定制的模板自動生成（如圖3），減輕了工藝設計人員的。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、重用等全生命周期得到有效控制，為北二做精、做專、做強的發(fā)展戰(zhàn)略奠定厚實的基礎。