基于西門子機床制造業(yè)數字化的工件研發(fā)和生產

西門子（中國）有限公司數字化工廠集團運動控制部 周繁榮

一個工件如何由構思到合格的產品？西門子可提供涵蓋整個產品生命周期的全數字化方案，實現靈活地定制產品，提高生產效率和產品質量，縮短產品上市時間。

機床工業(yè)是制造業(yè)中的基礎工業(yè)，其水平和質量對于制造業(yè)的發(fā)展至關重要。西門子長期致力于機床制造業(yè)的發(fā)展，針對市場需求可提供整體解決方案：機床制造業(yè)的數字化。設計制造一臺機床和使用一臺機床有著不同的需求，為此，針對機床用戶和機床制造商，西門子可提供定制化的數字化解決方案，如下圖所示：

本文就一個樣例工件 - 葉輪的研發(fā)和生產為例，對西門子針對機床用戶的整體數字化解決方案進行一定的探討。

機床用戶使用機床生產工件，一個工件如何由需求、構思到合格的產品，西門子可提供涵蓋整個產品生命周期的全數字化方案：產品設計，生產規(guī)劃，生產工程，生產執(zhí)行，服務。所有環(huán)節(jié)基于統(tǒng)一的數據管理平臺Teamcenter共享數據，互相支持和校驗，實現設計產品和實際產品的高度一致，數字化雙胞胎在整個過程中發(fā)揮著重要作用。

1. 產品設計

當工件葉輪的需求明確后，首先需要進行產品設計。NX CAD可以協(xié)助我們高效地完成葉輪的3D設計。

2. 生產規(guī)劃

當產品設計完成之后，如何規(guī)劃后續(xù)的生產和確保質量，Teamcenter工件工藝規(guī)劃模塊Part Planner可以協(xié)助我們進行科學、透明可追溯的規(guī)劃，如圖1所示：

圖 1

一個工件從構思到一個合格的產品，需要科學合理透明的規(guī)劃，涵蓋從軟件虛擬世界的工藝規(guī)劃，3D設計，切削策略，測量策略，以及機床設備、工裝夾具、切削刀具等生產資源規(guī)劃；到物理世界的生產資源的透明度，生產資源準備，工件在機床設備的實際切削和成品的質量檢測和質量控制。全過程的所有數據都由Teamcenter統(tǒng)一管理，很好地保證了數據共享和數據一致性。

3. 生產工程

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

葉輪工件使用NX CAD進行3D設計之后，使用NX CAM結合Teamcenter制造資源庫中豐富的刀具數據制定加工策略，之后可以生成NC程序、刀具清單和作業(yè)指導書用于后續(xù)的實際機床生產使用。

NC程序有沒有語法錯誤？葉輪工件在機床的加工過程中有沒有機械干涉和碰撞？加工節(jié)拍多長時間？虛擬機床可以在工件的實際機床生產驗證之前回答諸如此類的問題，是工件加工仿真的理想環(huán)境，如圖2所示。

圖 2

虛擬機床可集成于NX CAM環(huán)境中，基于真實的包括工裝夾具、工件和刀具的機床3D數據和西門子軟件數控系統(tǒng)Sinumerik VNCK，使用和實際物理機床相同的CNC數據確保一致的控制特性，實現和物理機床近乎相同的測試環(huán)境。VNCK和Sinumerik硬件數控系統(tǒng)具備相同的控制內核，虛擬工件在由VNCK驅動的虛擬機床上進行切削加工仿真，整個仿真加工過程和實際工件在物理機床的加工過程近乎一致。

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

4. 生產執(zhí)行

自此工件從軟件世界進入現實物理世界的生產階段，進入生產車間。生產管理非常復雜，涉及資源管理，生產安排等，本文僅就資源管理做一定的探討，如圖3所示：

圖 3

(1) 機床管理。生產安排需要機床設備的實時狀態(tài)和設備效率，機床績效分析軟件AMP (Analyze MyPerformance)可以實時采集機床狀態(tài)，分析機床的整體設備效率 (OEE)、可用性、生產力等，并且可以將這些數據上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)MES用于生產安排。

（2）NC程序管理。在生產工程階段，經過虛擬機床仿真驗證的NC程序由NX CAM上傳至Teamcenter,然后根據生產安排把N C程序通過程序管理軟件MMP (Manage MyPrograms)釋放到目標機床。MMP還可以標注程序版本和屬性，管理使能，集中有效透明地管理NC程序。

（3）切削刀具管理。切削刀具的管理是一項重要但復雜的工作，需要清楚每臺機床上刀具的品類、數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數據，更重要的是所有這些透明高度需要一個高效、透明的數字化管理平臺。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)行此項任務的理想平臺。

和NC程序一樣，在生產工程階段經過虛擬機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機床？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什么位置？如何組裝？哪些刀具需要在對刀站進行測量？測量之后數據如何傳輸到目標機床？新刀具如何安裝到目標機床？SFI RM + MMT可以透明的管理、指導操作人員準備好需要的刀具和數據，并且在目標機床上安裝好所需要的刀具，全程數據基于網絡進行透明可追溯的管理。

（4）工件生產和產品檢驗。生產資源就緒后，操作人員按照來自于生產工程階段的作業(yè)指導書進行工件準備、試切，之后進入質量檢測，質量檢測的數據可用于產品設計、生產規(guī)劃和生產工程階段必要的改進，所有這些工作都通過Teamcenter統(tǒng)一管理，確保數據一致性。

5. 服務

如何減少機床停機時間，提高設備使用效率？設備的維護是重要的服務內容之一。

機床狀態(tài)分析軟件A M C(Analyze MyCondition)可以協(xié)助用戶掌握透明的機床狀態(tài)，定期進行設備的性能測試，提供維護建議，進行有效的預防性設備維護。

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

6. 結語

西門子針對機床用戶的整體數字化解決方案可以協(xié)助用戶進行透明科學的產品全生命周期管理，從工件需求構思開始，到產品設計、規(guī)劃、仿真、生產，到產品成品，到后續(xù)的產品改進和服務。

從中我們可以體驗到數字化雙胞胎的重要作用。軟件虛擬世界的3D設計工件，和物理現實世界的實際工件，是一對產品數字化雙胞胎；與此類同，軟件虛擬世界的虛擬機床，和物理現實世界的實際機床，是一對設備數字化雙胞胎。

全程數據基于Teamcenter進行管理，確保數據統(tǒng)一和一致，加上數字化雙胞胎的成功應用，可以靈活地定制產品，提高生產效率和產品質量，縮短產品上市時間。 □