基于機(jī)床制造業(yè)數(shù)字化的工件研發(fā)和生產(chǎn)

摘要：機(jī)床制造業(yè)的數(shù)字化整體方案可以靈活地定制工件產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品上市時間。

Abstract：Holistic digitalization in machine tool manufacturing realizes parts production with enhancing flexibility, increasing efficiency and quality, reducing time-to-market.

機(jī)床工業(yè)是制造業(yè)中的基礎(chǔ)工業(yè)，其水平和質(zhì)量對于制造業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，機(jī)床制造業(yè)的數(shù)字化升級轉(zhuǎn)型也成為共識的發(fā)展趨勢。為此，市場上已經(jīng)有諸多不同層次的解決方案，例如，西門子的機(jī)床制造業(yè)數(shù)字化整體解決方案，面向機(jī)床用戶和機(jī)床制造商，針對設(shè)計制造機(jī)床和使用機(jī)床的不同需求，可提供定制化的數(shù)字化解決方案，如下圖所示：

本文就一個樣例工件 - 葉輪的研發(fā)和生產(chǎn)為例，對面向機(jī)床用戶的整體數(shù)字化解決方案進(jìn)行一定的探討。

機(jī)床用戶使用機(jī)床生產(chǎn)工件，一個工件如何由需求、構(gòu)思到合格的產(chǎn)品，涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的全數(shù)字化方案需要包括產(chǎn)品設(shè)計，生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)工程，生產(chǎn)執(zhí)行，服務(wù)。所有環(huán)節(jié)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺Teamcenter共享數(shù)據(jù)，互相支持和校驗，實現(xiàn)設(shè)計產(chǎn)品和實際產(chǎn)品的高度一致，數(shù)字化雙胞胎在整個過程中發(fā)揮著重要作用。

1.產(chǎn)品設(shè)計

當(dāng)工件葉輪的需求明確后，首先需要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。NX CAD可以協(xié)助我們高效地完成葉輪的3D設(shè)計。

2.生產(chǎn)規(guī)劃

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計完成之后，如何規(guī)劃后續(xù)的生產(chǎn)和確保質(zhì)量，Teamcenter工件工藝規(guī)劃模塊Part Planner可以協(xié)助我們進(jìn)行科學(xué)、透明可追溯的規(guī)劃，如下圖所示：

一個工件從構(gòu)思到一個合格的產(chǎn)品，需要科學(xué)合理透明的規(guī)劃，涵蓋從軟件虛擬世界的工藝規(guī)劃，3D設(shè)計，切削策略，測量策略，以及機(jī)床設(shè)備、工裝夾具、切削刀具等生產(chǎn)資源規(guī)劃；到物理世界的生產(chǎn)資源的透明度，生產(chǎn)資源準(zhǔn)備，工件在機(jī)床設(shè)備的實際切削和成品的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制。全過程的所有數(shù)據(jù)都由Teamcenter統(tǒng)一管理，很好的保證了數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)一致性。

3.生產(chǎn)工程

在這個階段可以通過軟件的幫助，在物理世界進(jìn)行實際產(chǎn)品生產(chǎn)之前，在軟件虛擬世界進(jìn)行產(chǎn)品仿真驗證，支持保障后續(xù)實際生產(chǎn)。

葉輪工件使用NX CAD進(jìn)行3D設(shè)計之后，使用NX CAM結(jié)合Teamcenter制造資源庫中豐富的刀具數(shù)據(jù)制定加工策略，之后可以生成NC程序、刀具清單和作業(yè)指導(dǎo)書用于后續(xù)的實際機(jī)床生產(chǎn)使用。

NC程序中的語法錯誤，葉輪工件在機(jī)床加工過程中的機(jī)械干涉和碰撞，加工節(jié)拍等和機(jī)床切削過程密切相關(guān)的重要事項，都可以通過虛擬機(jī)床在工件的實際機(jī)床生產(chǎn)驗證之前進(jìn)行仿真，如下圖所示：

虛擬機(jī)床可集成于NX CAM環(huán)境中，基于真實的包括工裝夾具、工件和刀具的機(jī)床3D數(shù)據(jù)和軟件數(shù)控系統(tǒng)Sinumerik VNCK，使用和實際物理機(jī)床相同的CNC數(shù)據(jù)確保一致的控制特性，實現(xiàn)和物理機(jī)床近乎相同的測試環(huán)境。VNCK和Sinumerik硬件數(shù)控系統(tǒng)具備相同的控制內(nèi)核，虛擬工件在由VNCK驅(qū)動的虛擬機(jī)床上進(jìn)行切削加工仿真，整個仿真加工過程和實際工件在物理機(jī)床的加工過程近乎一致。

NC程序經(jīng)過虛擬機(jī)床的加工過程的仿真，驗證了NC程序的正確性，提前發(fā)現(xiàn)并且規(guī)避可能的機(jī)械干涉和碰撞，精確預(yù)知了生產(chǎn)節(jié)拍，為后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行階段的實際工件在物理機(jī)床的加工提供了安全保障，縮短試制時間。

4.生產(chǎn)執(zhí)行

自此工件從軟件世界進(jìn)入現(xiàn)實物理世界的生產(chǎn)階段，進(jìn)入生產(chǎn)車間。生產(chǎn)管理非常復(fù)雜，涉及資源管理，生產(chǎn)安排等，本文僅就資源管理做一定的探討，如下圖所示：

4.1 機(jī)床管理

生產(chǎn)安排需要機(jī)床設(shè)備的實時狀態(tài)和設(shè)備效率，機(jī)床績效分析軟件AMP (Analyze MyPerformance)可以實時采集機(jī)床狀態(tài)，分析機(jī)床的整體設(shè)備效率 (OEE)、可用性、生產(chǎn)力等，并且可以將這些數(shù)據(jù)上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)MOM用于生產(chǎn)安排。

4.2 NC程序管理

在生產(chǎn)工程階段經(jīng)過虛擬機(jī)床仿真驗證的NC程序由NX CAM上傳至Teamcenter, 然后根據(jù)生產(chǎn)安排把NC程序通過程序管理軟件MMP (Manage MyPrograms)釋放到目標(biāo)機(jī)床。MMP還可以標(biāo)注程序版本和屬性，管理使能，集中有效透明地管理NC程序。

4.3 切削刀具管理

切削刀具的管理是一項重要但復(fù)雜的工作，需要清楚每臺機(jī)床上刀具的品類、數(shù)量和壽命等的透明度，需要清楚刀具庫房的刀具部件和成品刀具的透明度，需要清楚對刀站的透明度，需要清楚所需采購刀具的技術(shù)數(shù)據(jù)，更重要的是所有這些透明高度需要一個高效、透明的數(shù)字化管理平臺。車間資源管理軟件SFI RM (Shopfloor Integrate Resource Management) + 刀具管理軟件MMT (Manage MyTools)就是可以執(zhí)行此項任務(wù)的理想平臺。

和NC程序一樣，在生產(chǎn)工程階段經(jīng)過虛擬機(jī)床仿真驗證的刀具清單由NX CAM上傳至Teamcenter，然后釋放到SFI RM + MMT。刀具清單中的刀具是否都存在于目標(biāo)機(jī)床，缺失刀具是否在刀具成品庫，缺失刀具是否需要組裝，組裝需要的刀具部件存放于刀具部件庫的位置和組裝說明指導(dǎo)，需要在對刀站進(jìn)行測量的刀具，測量之后的數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)床，新刀具安裝到目標(biāo)機(jī)床等，SFI RM + MMT都可以透明的管理、指導(dǎo)操作人員準(zhǔn)備好需要的刀具和數(shù)據(jù)，并且在目標(biāo)機(jī)床上安裝好所需要的刀具，全程數(shù)據(jù)基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行透明可追溯的管理。

4.4 工件生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗

生產(chǎn)資源就緒后，操作人員按照來自于生產(chǎn)工程階段的作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行工件準(zhǔn)備、試切，之后進(jìn)入質(zhì)量檢測，質(zhì)量檢測的數(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)工程階段必要的改進(jìn)，所有這些工作都通過Teamcenter統(tǒng)一管理，確保數(shù)據(jù)一致性。

5. 服務(wù)

如何減少機(jī)床停機(jī)時間和提高設(shè)備使用效率是設(shè)備維護(hù)服務(wù)的重要內(nèi)容之一。

機(jī)床狀態(tài)分析軟件AMC (Analyze MyCondition)可以協(xié)助用戶掌握透明的機(jī)床狀態(tài)，定期進(jìn)行設(shè)備的性能測試，提供維護(hù)建議，進(jìn)行有效的預(yù)防性設(shè)備維護(hù)。

除此之外，基于開放物聯(lián)網(wǎng)IoT操作系統(tǒng)的西門子工業(yè)云MindSphere的機(jī)床管理軟件MMM (Manage MyMachines)，可以實時采集設(shè)備狀態(tài)和用戶定制的設(shè)備數(shù)據(jù)，生成設(shè)備看板和設(shè)備狀態(tài)透明度，協(xié)助用戶科學(xué)地規(guī)劃設(shè)備使用和維護(hù)。

6. 結(jié)語

針對機(jī)床用戶的整體數(shù)字化解決方案可以協(xié)助用戶進(jìn)行透明科學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理，從工件需求構(gòu)思開始，到產(chǎn)品設(shè)計、規(guī)劃、仿真、生產(chǎn)，到產(chǎn)品成品，到后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)和服務(wù)。

從中我們可以體驗到數(shù)字化雙胞胎的重要作用。軟件虛擬世界的3D設(shè)計工件，和物理現(xiàn)實世界的實際工件，是一對產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎；與此類同，軟件虛擬世界的虛擬機(jī)床，和物理現(xiàn)實世界的實際機(jī)床，是一對設(shè)備數(shù)字化雙胞胎。

全程數(shù)據(jù)基于Teamcenter進(jìn)行管理，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一和一致，加上數(shù)字化雙胞胎的成功應(yīng)用，可以靈活地定制產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品上市時間。