西門子王懿蓀：數(shù)字化重塑機床的傳統(tǒng)創(chuàng)新模式
2021-8-25 來源： 西門子 運動控制事業(yè)部機床數(shù)控系統(tǒng) 作者：業(yè)務(wù)拓展總監(jiān) 王懿蓀
古語有云：工欲善其事，必先利其器。對于制造業(yè)來說，這個“器”毫無疑問就是機床。作為“制造機械部件和機器的機器”，機床為千行百業(yè)的發(fā)展奠定根基。隨著“十四五”規(guī)劃綱要明確了制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的主線，如何提高機床自身創(chuàng)新發(fā)展也成為新時代的重要課題。
除政策等外部因素的助推，在“以設(shè)計為中心” 的機床制造商（OEM）和“以生產(chǎn)為中心”的機床使用者（最終用戶）雙維度下，新的需求變化已經(jīng)顯現(xiàn)。這種變化主要體現(xiàn)在四個方面：最為明顯的是，機床制造商面對激烈的競爭迫切希望縮短機床的設(shè)計、研發(fā)、驗證時間，減少試錯成本，提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，并能夠快速將機床交付到市場；在機床本身的制造過程中，機床制造商同時也作為機床的使用者，需要獲得加工過程相應(yīng)數(shù)據(jù)的可追溯及透明性，以確保機床零部件的質(zhì)量；在推廣和銷售階段，傳統(tǒng)的實體機床展示或者印刷關(guān)鍵參數(shù)樣本的模式早已不能滿足機床使用者的要求；最后，當機床進入應(yīng)用環(huán)節(jié)，機床設(shè)備制造商希望獲取機床的運行數(shù)據(jù)，并借助大數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化機床的設(shè)計，從而形成持續(xù)優(yōu)化的閉環(huán)。
面對機床行業(yè)的挑戰(zhàn)，運用數(shù)字化技術(shù)提升高端機床的正向設(shè)計、研發(fā)水平，實現(xiàn)技術(shù)的快速迭代，成為共識。
虛擬調(diào)試技術(shù)突破機床創(chuàng)新瓶頸
高端機床的設(shè)計、研發(fā)是一項高投入、低成功率的工作，加之回報周期長，技術(shù)與工藝需要多年積累以及長期的驗證、試錯漸進式迭代，成為制約機床創(chuàng)新的主要瓶頸。
借助虛擬調(diào)試技術(shù)，機床廠在機床研發(fā)生產(chǎn)過程中，可以將原來需要依次順序完成的研發(fā)制造流程/步驟，改為并行執(zhí)行。當新機床的3D模型設(shè)計完成之后，即可使用機電一體化概念設(shè)計軟件和數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建虛擬設(shè)計和調(diào)試軟件環(huán)境，進行機床的動態(tài)設(shè)計、調(diào)試、驗證，在不具備物理樣機的情況下，輕松仿真檢測和糾正設(shè)計錯誤，以及測試所有功能。
虛擬調(diào)試技術(shù)帶來的價值在中國落地的項目中已經(jīng)得到印證。上海機床廠有限公司作為中國知名的精密磨床制造企業(yè)，在公司改制并亟待數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵節(jié)點，選擇了西門子基于SINUMERIK 840Dsl + MCD 的機床數(shù)字化設(shè)計、驗證和虛擬調(diào)試數(shù)字化雙胞胎解決方案，用以優(yōu)化機床設(shè)計流程，規(guī)避機械設(shè)計錯誤，并成功地將整體設(shè)計周期縮短30% ，現(xiàn)場調(diào)試時間縮短70%，加速產(chǎn)品上市。這是西門子最近在中國又一個落地實際銷售和實施的機床行業(yè)數(shù)字化設(shè)計平臺項目，也是虛擬調(diào)試技術(shù)的典型應(yīng)用。
虛擬機床技術(shù)加速生產(chǎn)數(shù)字化驗證
對于機床使用者來說，高效、高精度加工是他們追求的永恒目標。而從醫(yī)療設(shè)備，模具加工的精密零部件，到航空航天、風電領(lǐng)域大型結(jié)構(gòu)件，隨著加工計劃和加工過程的復雜度越來越高，機床加工過程往往會發(fā)生銜接錯誤。這個階段，數(shù)字化技術(shù)可以在物理世界進行真實加工之前，就在虛擬世界中進行產(chǎn)品仿真驗證，支持保障后續(xù)實際生產(chǎn)。
針對機床使用者的金屬切削數(shù)字化驗證平臺虛擬機床，可以在軟件環(huán)境中打造一個和實際機床近乎100%一致的“投影”，在這樣的軟件環(huán)境下，無需使用實際機床、夾具、刀具、毛坯等實際物料，即可實現(xiàn)和實際機床近乎 100% 相同的試切仿真驗證，并能保證仿真之后的代碼程序在客戶實際機床上一次性正確執(zhí)行，而不用二次調(diào)整，從而可以大幅縮減試切時間，試切成本，并且可以規(guī)避碰撞。此外，虛擬機床是基于控制器級別的仿真驗證，擁有眾多強大的功能，以及可以達到和實際機床近乎相同精確度的速度、加速度、節(jié)拍時間等，這些天然優(yōu)勢是當前機床制造企業(yè)所采用的傳統(tǒng)CAM仿真驗證軟件所無法比擬的。
目前，該技術(shù)已在西門子中國眾多客戶項目中得到了應(yīng)用：例如沈陽機床、南京寧慶、深圳創(chuàng)世紀、友佳等。
數(shù)字化賦能機床全價值鏈
除關(guān)鍵環(huán)節(jié)的助力，數(shù)字化已經(jīng)涵蓋機床整個產(chǎn)品生命周期。當機床的設(shè)計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)在虛擬世界中得到驗證和優(yōu)化后，數(shù)字化技術(shù)可以幫助實現(xiàn)產(chǎn)品的性能評估和改進。例如，在西門子技術(shù)支持中心網(wǎng)站上有一款備受關(guān)注的“網(wǎng)紅” —— 自適應(yīng)控制及監(jiān)控系統(tǒng)ACM，它通過實時監(jiān)控切削狀態(tài)，優(yōu)化進給倍率，可縮短30%以上的金屬切削時間，同時實現(xiàn)機床主軸保護、刀具磨損監(jiān)測、主軸驅(qū)動保護等多項功能。更重要的是，借助數(shù)字化技術(shù)當機床進行真實的生產(chǎn)加工之后，實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)將會反饋到虛擬世界中，對產(chǎn)品的設(shè)計進行持續(xù)地優(yōu)化改進。
數(shù)字化也正在催生新的銷售和服務(wù)模式。例如，在機床銷售招投標階段，虛擬調(diào)試和虛擬機床可以作為數(shù)字化銷售工具，向客戶“眼見為實”地詮釋機床功能及加工效果，提高方案中標率。在實際機床銷售階段，還可以搭配銷售一套虛擬機床，獲得更多的機床銷售的附加值。此外，在機床售后培訓階段或教育培訓領(lǐng)域，使用虛擬機床，可以對經(jīng)驗不足的操作編程人員進行培訓，避免操作人員因經(jīng)驗不足導致的機床碰撞、設(shè)備損壞和經(jīng)濟損失，大幅節(jié)省培訓投入實際機床所需的成本。
促進關(guān)鍵能力提升，助力機床未來發(fā)展
隨著數(shù)字化技術(shù)的深度融入、制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，機床也不再是純粹的單機設(shè)備和“執(zhí)行者”。機床加工行業(yè)早已從單一零件單一工序的單機設(shè)備制造向復雜零件、多道工序的集成制造平臺轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)過程中，機床越來越多參與通用設(shè)備及特殊設(shè)備之間的協(xié)同合作，以滿足產(chǎn)品解決方案的實施，全集成自動化能力將成為提升中國制造水平的決定因素。
在執(zhí)行過程中，機床產(chǎn)生了大量關(guān)于設(shè)計、生產(chǎn)以及產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和信息。如何有效地采集、分析這些數(shù)據(jù)，用于生產(chǎn)效率的提高，也成為未來企業(yè)競爭力提升的重要支撐點。
中國機床工業(yè)一路伴隨著中國經(jīng)濟的騰飛，經(jīng)歷過巔峰，也觸達過低谷。如今，站在高質(zhì)量發(fā)展的時代命題下，數(shù)字化技術(shù)將加速中國機床工業(yè)進入創(chuàng)新發(fā)展的新時期。西門子憑借60余年深耕機床數(shù)控行業(yè)的經(jīng)驗，以及覆蓋機床制造業(yè)全生命周期的一站式解決方案，將攜手各方合作伙伴，助推“工業(yè)母機”向高端制造更進一步，開啟中國機床市場數(shù)字化制造的黃金十年。
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