基于机床制造业数字化的工件研发和生产

摘要：机床制造业的数字化整体方案可以灵活地定制工件产品，提高生产效率和产品质量，缩短产品上市时间。

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

机床工业是制造业中的基础工业，其水平和质量对于制造业的发展至关重要，机床制造业的数字化升级转型也成为共识的发展趋势。为此，市场上已经有诸多不同层次的解决方案，例如，西门子的机床制造业数字化整体解决方案，面向机床用户和机床制造商，针对设计制造机床和使用机床的不同需求，可提供定制化的数字化解决方案，如下图所示：

本文就一个样例工件 - 叶轮的研发和生产为例，对面向机床用户的整体数字化解决方案进行一定的探讨。

机床用户使用机床生产工件，一个工件如何由需求、构思到合格的产品，涵盖整个产品生命周期的全数字化方案需要包括产品设计，生产规划，生产工程，生产执行，服务。所有环节基于统一的数据管理平台Teamcenter共享数据，互相支持和校验，实现设计产品和实际产品的高度一致，数字化双胞胎在整个过程中发挥着重要作用。

1.产品设计

当工件叶轮的需求明确后，首先需要进行产品设计。NX CAD可以协助我们高效地完成叶轮的3D设计。

2.生产规划

当产品设计完成之后，如何规划后续的生产和确保质量，Teamcenter工件工艺规划模块Part Planner可以协助我们进行科学、透明可追溯的规划，如下图所示：

一个工件从构思到一个合格的产品，需要科学合理透明的规划，涵盖从软件虚拟世界的工艺规划，3D设计，切削策略，测量策略，以及机床设备、工装夹具、切削刀具等生产资源规划；到物理世界的生产资源的透明度，生产资源准备，工件在机床设备的实际切削和成品的质量检测和质量控制。全过程的所有数据都由Teamcenter统一管理，很好的保证了数据共享和数据一致性。

3.生产工程

在这个阶段可以通过软件的帮助，在物理世界进行实际产品生产之前，在软件虚拟世界进行产品仿真验证，支持保障后续实际生产。

叶轮工件使用NX CAD进行3D设计之后，使用NX CAM结合Teamcenter制造资源库中丰富的刀具数据制定加工策略，之后可以生成NC程序、刀具清单和作业指导书用于后续的实际机床生产使用。

NC程序中的语法错误，叶轮工件在机床加工过程中的机械干涉和碰撞，加工节拍等和机床切削过程密切相关的重要事项，都可以通过虚拟机床在工件的实际机床生产验证之前进行仿真，如下图所示：

虚拟机床可集成于NX CAM环境中，基于真实的包括工装夹具、工件和刀具的机床3D数据和软件数控系统Sinumerik VNCK，使用和实际物理机床相同的CNC数据确保一致的控制特性，实现和物理机床近乎相同的测试环境。VNCK和Sinumerik硬件数控系统具备相同的控制内核，虚拟工件在由VNCK驱动的虚拟机床上进行切削加工仿真，整个仿真加工过程和实际工件在物理机床的加工过程近乎一致。

NC程序经过虚拟机床的加工过程的仿真，验证了NC程序的正确性，提前发现并且规避可能的机械干涉和碰撞，精确预知了生产节拍，为后续生产执行阶段的实际工件在物理机床的加工提供了安全保障，缩短试制时间。

4.生产执行

自此工件从软件世界进入现实物理世界的生产阶段，进入生产车间。生产管理非常复杂，涉及资源管理，生产安排等，本文仅就资源管理做一定的探讨，如下图所示：

4.1 机床管理

生产安排需要机床设备的实时状态和设备效率，机床绩效分析软件AMP (Analyze MyPerformance)可以实时采集机床状态，分析机床的整体设备效率 (OEE)、可用性、生产力等，并且可以将这些数据上传到制造执行系统MOM用于生产安排。

4.2 NC程序管理

在生产工程阶段经过虚拟机床仿真验证的NC程序由NX CAM上传至Teamcenter, 然后根据生产安排把NC程序通过程序管理软件MMP (Manage MyPrograms)释放到目标机床。MMP还可以标注程序版本和属性，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项重要但复杂的工作，需要清楚每台机床上刀具的品类、数量和寿命等的透明度，需要清楚刀具库房的刀具部件和成品刀具的透明度，需要清楚对刀站的透明度，需要清楚所需采购刀具的技术数据，更重要的是所有这些透明高度需要一个高效、透明的数字化管理平台。车间资源管理软件SFI RM (Shopfloor Integrate Resource Management) + 刀具管理软件MMT (Manage MyTools)就是可以执行此项任务的理想平台。

和NC程序一样，在生产工程阶段经过虚拟机床仿真验证的刀具清单由NX CAM上传至Teamcenter，然后释放到SFI RM + MMT。刀具清单中的刀具是否都存在于目标机床，缺失刀具是否在刀具成品库，缺失刀具是否需要组装，组装需要的刀具部件存放于刀具部件库的位置和组装说明指导，需要在对刀站进行测量的刀具，测量之后的数据自动传输到目标机床，新刀具安装到目标机床等，SFI RM + MMT都可以透明的管理、指导操作人员准备好需要的刀具和数据，并且在目标机床上安装好所需要的刀具，全程数据基于网络进行透明可追溯的管理。

4.4 工件生产和产品检验

生产资源就绪后，操作人员按照来自于生产工程阶段的作业指导书进行工件准备、试切，之后进入质量检测，质量检测的数据可用于产品设计、生产规划和生产工程阶段必要的改进，所有这些工作都通过Teamcenter统一管理，确保数据一致性。

5. 服务

如何减少机床停机时间和提高设备使用效率是设备维护服务的重要内容之一。

机床状态分析软件AMC (Analyze MyCondition)可以协助用户掌握透明的机床状态，定期进行设备的性能测试，提供维护建议，进行有效的预防性设备维护。

除此之外，基于开放物联网IoT操作系统的西门子工业云MindSphere的机床管理软件MMM (Manage MyMachines)，可以实时采集设备状态和用户定制的设备数据，生成设备看板和设备状态透明度，协助用户科学地规划设备使用和维护。

6. 结语

针对机床用户的整体数字化解决方案可以协助用户进行透明科学的产品全生命周期管理，从工件需求构思开始，到产品设计、规划、仿真、生产，到产品成品，到后续的产品改进和服务。

从中我们可以体验到数字化双胞胎的重要作用。软件虚拟世界的3D设计工件，和物理现实世界的实际工件，是一对产品数字化双胞胎；与此类同，软件虚拟世界的虚拟机床，和物理现实世界的实际机床，是一对设备数字化双胞胎。

全程数据基于Teamcenter进行管理，确保数据统一和一致，加上数字化双胞胎的成功应用，可以灵活地定制产品，提高生产效率和产品质量，缩短产品上市时间。