鋼鐵制造業基于系統工程的CAD設計的應用研究

◆王子鳴 / 文

鋼鐵制造業基于系統工程的CAD設計的應用研究

◆王子鳴 / 文

系統地闡述了鋼鐵制造業基于系統工程的CAD設計應用，并介紹了制造企業CAD設計和系統工程的應用。通過結合航天飛行器、本鋼礦業礦產品廠的案例證明鋼鐵制造業應用基于系統工程的CAD設計的可行性，以幫助鋼鐵制造業解決設計、研發上的難題。

鋼鐵制造業；系統工程；CAD設計；研究

對制造領域的研究，可以通過系統工程和CAD設計來進行；而航天飛行器制造引領傳統制造的發展。因而鋼鐵企業工藝、質量、結構設計等的研究，也可使用這一方法，且系統工程和CAD設計是流程優化、改進等的核心技術，尤其是在備件結構設計、設備裝配、控制系統業務流程開發等上。它通過基于系統工程的CAD設計的實際應用，可有效、快捷地完成相關項目、設計或研究等。

1　制造企業CAD設計的應用研究

CAD設計可以幫助研究人員：進行大量的計算、分析和比較，以決定最優設計方案；存儲大量的設計信息，并能快速地檢索；充分利用CAD設計的各種軟件，如AutoCAD、CAXA、CATIA、Creo、UML等，進行編輯、修改等操作；大幅度地降低工作量和成本，提高工作效率和設計質量。

CAD設計主要應用于計算機制圖、軟件結構設計、工業控制系統業務流程開發等。

在沒有實施CAD設計之前，制圖需要手繪，且難以達到高精度的計算、測量，浪費大量的人力、物力等資源；對于大規模的設計，手工制圖是一項浩大的工程且需要嚴密的組織計劃。

1.1航天飛行器制造業CAD設計的應用

美國洛克希德?馬丁公司“臭鼬工廠”開發的產品都是尖端的，如U-2、SR-71、F-117、F-35II、F-22、RQ-170和SR-72，都充分利用大型化、集成化、尖端化、敏捷的CAD設計。我國飛機制造起步晚些，但使用CAD/CAM技術也毫不遜色，如轟-6、殲-10、殲-15、殲-20、殲-31等。飛機常用的CAD設計軟件包括CATIA、Siemens PLM Software等。航天飛行器制造業引領制造業發展，因而鋼鐵制造業實施CAD設計是完全可行的。

1.2鋼鐵制造業CAD設計的應用研究

在鋼鐵制造業，無論是機械、電氣、電子、建筑等設計，還是大的總體架構或小規格、尺寸設計，亦或是軟件流程、結構設計，都可充分使用CAD設計。在現階段，本鋼應用CAD設計已經甚是廣泛，常用設計軟件有AutoCAD、CAXA、UML等。企業在鏈箅機張緊輪、回轉窯支座制圖中已運用CAD設計。

我們知道，低精度、低規格的設計易造成生產、設備故障、停機不斷，每年我國各鋼鐵企業均更換大量的備件，造成的故障、停機及引起的浪費實在是太多。目前，在國內鋼鐵行業，寶鋼、首鋼等在提高備件質量、改良結構設計上有重大變革和創新，其它鋼廠模仿、跟風、小改小革居多，大規模設計和自主創新較少。同樣，對大型業務流程開發、結構設計等也是如此。因而，進行大型CAD設計是眾望所歸。

2　制造企業系統工程的應用研究

系統工程是指用定性和定量相結合的系統思想和方法處理大型復雜系統的問題，是系統方法運用的大型化和規范化，將不同學科聯系和整合起來。系統工程尤其在復雜產品開發中，能充分解決不同角色、領域總體之間的協作和沖突，且在高端質量、技術的攻關上起著決定性作用。

系統工程可以應用到所有的制造業。制造企業應用系統工程，要基于需求的思想展開設計或開發的思路，從架構設計入手，不斷迭代、優化和改進，再對部分、具體部件進行設計。系統工程可以與計劃評審技術、圖解評審技術等方法結合使用。

技術、質量、結構等專業領域的諸多應用工具、方法都是由系統方法導出的，因而系統工程可頻繁地使用系統方法。

2.1航天飛行器制造業系統工程的應用研究

以20世紀60年代洛克希德?馬丁公司秘密部門“臭鼬工廠”研制的U-2偵察機為例，它被擊落5次，雖然不斷改造，增補功能，提高性能，可也只是事后的糾正措施，無法提防敵方或對手的技術升級帶來的威脅，它最終退出了歷史的舞臺。U-2的設計捕捉現實顧客需求并不完善（飛機的功能、性能缺陷未及時暴露或更新太慢），沒有挖掘到潛在客戶的需求（對方的導彈系統性能如何等），以及如何有效應對變更（飛機系統進行動作、設置、改進），這表明大型CAD設計需要系統工程來支持。

我國航天制造對系統工程的應用也是很廣泛的。如殲-10飛機的工程實施過程是涉及100多個參研單位、二十多個部委和行業的國家重點工程，工程計劃的制定、技術方案的確定等管理保障都屬于系統工程的范疇；再如，我國主導的人造衛星、登月器的研制，涉及到許多專業/領域、企業/部門、計劃/技術方案，也充分利用了系統工程。

2.2鋼鐵制造業系統工程的應用研究

系統工程可以應用到所有的制造業。鋼鐵制造企業應用系統方法，要基于需求的思想展開開發或設計的思路，從架構設計入手，不斷迭代、優化和改進，再對部分、具體部件進行設計。在鋼鐵生產、制造的關鍵工序中，應用系統工程可利用數據獲得知識和對業務最佳決策，且節省大量的時間、成本。以下為筆者對本鋼礦業礦產品廠應用系統工程的舉例。

1）從鏈箅機箅床的設備維護著手，應用系統工程分析，見圖1。

圖1　箅床維護狀態機圖

2）對球團礦不合格品控制，應用系統工程分析，見圖2。

3）對本鋼礦業礦產品廠鏈箅機干返料量物料平衡應用系統工程分析，可得：

圖2　球團礦不合格品控制活動圖

4）對礦產品廠生球爆裂量應用系統工程分析，可得：

5）2012年5月礦產品廠自控系統（Simatic Wincc）的升級、改造體現了系統工程的思想。

6）本鋼礦業礦產品廠的計劃檢修、大修都需要制定備件、點檢計劃，需要機動科、各車間的參與和協調，應用了系統工程。

3　鋼鐵制造業基于系統工程的CAD設計的應用研究

3.1鋼鐵制造業基于系統工程的CAD設計的應用研究

無論是在高端領域如航天、造船、武器的高端研制，還是一般或傳統的制造，若想進行高質量、高效率的設計，一定離不開系統工程和CAD設計。而作為傳統企業的鋼鐵制造業，更應效法軍工企業的基于系統工程的CAD設計，更應側重于整體、架構設計和單元、模塊設計，更應側重于系統方法的使用，降低研發的復雜度和提高質量，能很容易地和敏捷生產、制造融合，從而幫助改進設計結構、備件材質、備件選型，并能有效地將機械、電氣、熱力、流體、動力等學科有機結合。

筆者演繹出三種設計流程：自頂向下設計、自底向上設計和混合型設計。自頂向下設計先從整體、架構設計入手，過程為“系統→子系統→單元、模塊化→細化→設計信息輸入→處理→設計信息輸出”。自底向上設計從捕捉設計輸出信息入手，過程為“設計信息輸出→逆向運算→設計信息輸入→建模→集成→子系統→系統”。混合型設計則是自頂向下和自底向上的結合體。但無論是采用哪種類型的流程設計，測試都要從用戶需求階段開始，這一點與軟件開發測試流程有些相似。對于大型研發項目，要盡量保證敏捷、TRIZ、精益和六西格瑪等方法與其結合使用。

實施基于系統工程的CAD設計的可行性是很高的。第一，系統工程可以容許各種系統方法的使用，且系統方法的應用都可以從成功案例中獲得。第二，對于系統工程、CAD設計的學習、應用、研究不是很難，工具的使用也不是問題。第三，CAD設計的各種軟件的工具完備、功能全面，且應用都很廣，如AutoCAD 2013、CAXA2013、Creo3.0、Enterprise Architect 10、CATIA V5等軟件。第四，應用初期是需要進行一定的投入，但是真正實施起來后就可大幅降低人力資源和成本消耗。

對基于系統工程的CAD設計的要求是很明確的。首先，在系統工程的基礎上進行CAD設計，要保證不受過多的約束，同時要保證投入成本和設計質量。其次，在進行CAD設計的同時，要保證各單元、模塊的兼容性，設計思路要縝密和盡量發散。最后，多注意系統工程（系統方法）的應用，以靈活的方式將系統工程和CAD設計進行融合。

實施基于系統工程的CAD設計注意事項有三點。第一，系統分解要到位且要簡練，系統設計要把握顧客現實需求和潛在客戶的要求。第二，要控制各子系統之間的接口開發，提高各單元、模塊的獨立性，注意模塊間的信息聯系。第三，要把握設計的數據結構和算法，注意設計結果要符合要求、設計輸入、預期用途和用戶體驗。

一般來說，鋼鐵制造業應用基于系統工程的CAD設計主要在流程優化、備件結構設計、設備裝配、大型控制系統開發、人機交互設計等方面。而隨著設計、裝配精度、物理特性等的不斷提高，CAD設計要逐步實現數字化。

3.2本鋼礦業礦產品廠基于系統工程的CAD設計應用分析

1）本鋼礦業礦產品廠柴油管理流程設計

礦產品廠柴油管理系統包括5個部分：油庫領油、廠內卸油、廠內領取、廠內使用、閉環管理。以其中的廠內閉環管理模塊流程圖設計為例，見圖3。

2）從事多工種、多任務的工作，要求質量標準高、系統化強、要求做細做強，如設計、結構、材質、質量、研究等，且可依靠CAD設計的工程項目等，則通過基于系統工程的CAD設計可大幅提高質量，縮短工期，降低成本，改善運營環境。

3）企業信息化項目，如虛擬化、MES、信息協作系統、管理系統等的開發，對程序流程圖、數據流圖進行CAD設計，通過系統工程進行統一部署。

圖3　柴油閉環管理流程圖

4）大型設備制圖和裝配應充分利用基于系統工程的CAD設計思想，如礦產品廠造球、三大主機等結構設計、裝配。

4　結論

綜上所述，研究結果表明：

1）鋼鐵制造業應用CAD設計是可行和有效的；

2）鋼鐵制造業應用系統工程是可行和有效的；

3）鋼鐵制造業應用基于系統工程的CAD設計是可行的、有章可循的和有效的。

通過研究，能方便、有效地解決鋼鐵制造業的項目、設計或研究等。但是，筆者只是依據航天飛行器和長期在本鋼礦業礦產品廠的經驗，且對鋼鐵制造業的流程、設計等的研究還比較粗淺，還需要聽取行業專家、學者等的寶貴意見，并進行更正、改進，從而向其它鋼鐵制造業單位推廣此法。

（略）

（作者單位：本鋼礦業礦產品廠）