全域PDM數(shù)字化設(shè)計(jì)樹(shù)立輪軸設(shè)計(jì)新標(biāo)桿

一、引言

在全球制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的大背景下，（下簡(jiǎn)稱(chēng)“馬鋼交材”）始終秉持“綠色發(fā)展、智慧制造”的發(fā)展戰(zhàn)略，持續(xù)推進(jìn)自身的創(chuàng)新發(fā)展。

工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)創(chuàng)新是制造業(yè)創(chuàng)新鏈的起點(diǎn)和價(jià)值鏈的源頭，對(duì)于制造企業(yè)增強(qiáng)創(chuàng)新能力、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、改善用戶體驗(yàn)以及推動(dòng)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，也是制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素之一。

因此建設(shè)全域PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）數(shù)字化設(shè)計(jì)中心，是馬鋼交材“智慧制造”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型過(guò)程中的關(guān)鍵一步。2021年馬鋼交材率先建成國(guó)內(nèi)首個(gè)針對(duì)輪軸行業(yè)的全域PDM數(shù)字化設(shè)計(jì)中心，為智慧制造戰(zhàn)略落地奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這標(biāo)志著馬鋼交材在提升產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化流程管理和加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享方面取得了顯著進(jìn)展，樹(shù)立了輪軸行業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)字化的標(biāo)桿。

二、傳統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)

經(jīng)過(guò)60多年的積淀，馬鋼交材已成長(zhǎng)為集材料研究、研發(fā)設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)于一體的高科技企業(yè)，在高速輪軸、城軌低噪音輪軸、重載輪軸及大功率機(jī)車(chē)輪軸等領(lǐng)域，已經(jīng)具備全譜系、全標(biāo)準(zhǔn)的制造和服務(wù)能力。然而，隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈以及客戶需求的多樣化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)逐漸暴露出諸多不足之處。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（一）手工設(shè)計(jì)效率低下

長(zhǎng)期以來(lái)，馬鋼交材的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)管理模式高度依賴(lài)于線下協(xié)調(diào)和手工繪制圖紙。這種做法不僅耗時(shí)費(fèi)力，還極大地依賴(lài)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致無(wú)法快速響應(yīng)大量訂單的設(shè)計(jì)需求，難以滿足快速變化的市場(chǎng)需求。比如一份車(chē)輪軋制工藝以往需要一名工程師投入一周時(shí)間完成，設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)程度高，設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)過(guò)程未實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，導(dǎo)致設(shè)計(jì)糾錯(cuò)、設(shè)計(jì)復(fù)用難度大。

（二）數(shù)據(jù)管理分散且不規(guī)范

缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，大量設(shè)計(jì)資料由個(gè)人保管，版本控制混亂，信息難以共享，也增加了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。此外，不同部門(mén)間的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，阻礙了企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)資源的有效整合。

（三）智能化水平不足

盡管已初步建立了數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅能支持二維設(shè)計(jì)和基本工藝標(biāo)準(zhǔn)的制定，缺少智能仿真設(shè)計(jì)功能，無(wú)法為產(chǎn)品研發(fā)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)的設(shè)計(jì)模塊存在明顯差距，比如設(shè)計(jì)效率低下，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和研發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)等。

（四）設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)管理效率低

設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的線下簽審流程，嚴(yán)重增加管理和業(yè)務(wù)流程的時(shí)間成本、人力成本。面對(duì)上述問(wèn)題，馬鋼交材迫切需要引入創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)來(lái)提升自身的設(shè)計(jì)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

三、建設(shè)目標(biāo)和方案選型

（一）建設(shè)目標(biāo)

馬鋼交材全域PDM數(shù)字化設(shè)計(jì)中心的建設(shè)目標(biāo)，是針對(duì)車(chē)輪等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)及管理的數(shù)字化需求，打造智能化協(xié)同研發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的“數(shù)字孿生”，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理精細(xì)化和智能化發(fā)展需要，提升創(chuàng)新能力；并新建以PDM系統(tǒng)為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、集成AutoCAD、NX等多種二次開(kāi)發(fā)CAX軟件的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)需要覆蓋詢(xún)單設(shè)計(jì)、參數(shù)化三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)、物料、BOM及工藝設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)工程仿真、數(shù)控編程、項(xiàng)目管理等全流程設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)領(lǐng)域；功能涵蓋車(chē)輪參數(shù)化三維設(shè)計(jì)、車(chē)軸參數(shù)化三維設(shè)計(jì)、熱成形坯形模具自動(dòng)化設(shè)計(jì)、工藝集成仿真、售前管理、編碼管理、BOM管理、圖檔管理、工藝管理、流程管理、任務(wù)管理、項(xiàng)目管理、變更管理等；實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)化、自動(dòng)化，工程仿真集成化，工藝數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)向數(shù)字化，以及項(xiàng)目管理等業(yè)務(wù)的數(shù)字化。

（二）方案選型

在經(jīng)過(guò)多方考察之后，馬鋼交材最終采用以國(guó)產(chǎn)PDM系統(tǒng)為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集成基于AutoCAD開(kāi)發(fā)的車(chē)輪成形智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)、基于NX開(kāi)發(fā)的輪軸產(chǎn)品參數(shù)化三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及車(chē)輪加工仿真、車(chē)輪加工編程等軟件系統(tǒng)，形成自己的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并與上下游數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同源管理和共享應(yīng)用（見(jiàn)圖1）。

馬鋼交材數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括如下六個(gè)功能模塊。

1.詢(xún)單管理

可以與產(chǎn)銷(xiāo)系統(tǒng)銷(xiāo)售模塊對(duì)接，處理和流轉(zhuǎn)詢(xún)單任務(wù)，支持詢(xún)單流程各階段、各節(jié)點(diǎn)和詢(xún)單狀態(tài)跟蹤，支持詢(xún)單文件傳輸，支持模板嵌入式成本測(cè)算和保密管理。

2.物料（零部件）管理

建立物料庫(kù)，記錄和管控產(chǎn)品、零部組件物料信息。以物料作為數(shù)字化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的主要對(duì)象和設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)的主要載體。設(shè)計(jì)了以物料—BOM—工藝路線三位一體的、多維度物料定義方法和物料數(shù)據(jù)管理模式，實(shí)現(xiàn)物料物料管理、BOM管理、工藝路線管理，配套實(shí)施物料編碼管理、工藝路線庫(kù)管理、工序和設(shè)備組基礎(chǔ)庫(kù)管理等。

3.參數(shù)化產(chǎn)品三維建模

集成NX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在模型模板和特征結(jié)構(gòu)庫(kù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化產(chǎn)品三維建模設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)產(chǎn)物傳輸PDM系統(tǒng)簽審管理。

4.“一鍵式”熱成形工藝設(shè)計(jì)

集成CAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，以NX建模輸出物為輸入，結(jié)合工藝知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化熱成形工藝設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)產(chǎn)物傳輸PDM系統(tǒng)簽審管理。

5.技術(shù)文件管理

支持技術(shù)文件分類(lèi)和編碼管理，支持文件簽審管理，支持文件變更和版本管理。支持模板化、基于知識(shí)庫(kù)模型的工藝“一鍵式”生成。

6.項(xiàng)目管理

實(shí)施項(xiàng)目模板管理、項(xiàng)目計(jì)劃管理、任務(wù)輸入輸出物管理等。

四、統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施

為了成功打造先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，馬鋼交材遵循“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實(shí)施”的原則，制定了詳盡的項(xiàng)目實(shí)施方案。整個(gè)過(guò)程可以分為以下三個(gè)階段：

（一）基礎(chǔ)架構(gòu)搭建（2020年）

在第一階段，公司重點(diǎn)完成了信息化基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)，并啟動(dòng)了首批核心系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。主要包括：建立以PDM為核心的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，確保所有設(shè)計(jì)文件及相關(guān)信息能夠集中存儲(chǔ)并得到有效管理；引入基于AutoCAD的車(chē)輪成形智能設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)部分關(guān)鍵工序的自動(dòng)化處理；開(kāi)發(fā)NX平臺(tái)下的輪軸產(chǎn)品參數(shù)化三維建模工具，提高模型生成的速度與準(zhǔn)確性；構(gòu)建覆蓋詢(xún)單處理、物料清單維護(hù)、BOM編制等功能的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)流程框架。

（二）功能拓展與優(yōu)化（2021年）

進(jìn)入第二階段后，馬鋼交材開(kāi)始逐步豐富和完善數(shù)字化設(shè)計(jì)中心的各項(xiàng)功能，力求達(dá)到更高的應(yīng)用水平。具體措施包括但不限于：擴(kuò)展PDM系統(tǒng)與其他上下游信息系統(tǒng)之間的接口連接，形成完整的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)鏈條；深化CAD/CAM集成應(yīng)用，推進(jìn)數(shù)控編程自動(dòng)化進(jìn)程；加強(qiáng)工程仿真能力，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的各種情況，從而提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并加以解決；引入更先進(jìn)的質(zhì)量控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)線上的各項(xiàng)指標(biāo)保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（三）全面推廣與持續(xù)改進(jìn)（2022～2023年）

在第三階段，公司致力于把數(shù)字化設(shè)計(jì)中心推向成熟階段，使之成為推動(dòng)企業(yè)發(fā)展的重要力量。為此，開(kāi)展的工作主要有：推廣普及基于PDM的協(xié)同研發(fā)模式，鼓勵(lì)跨部門(mén)合作創(chuàng)新；繼續(xù)完善主數(shù)據(jù)管理體系，建立面向未來(lái)的主題數(shù)據(jù)庫(kù)管理模式；探索網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同業(yè)務(wù)模式，加強(qiáng)與供應(yīng)鏈伙伴之間的溝通協(xié)作；定期評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行效果，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化策略，確保始終保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

五、三大技術(shù)創(chuàng)新突破設(shè)計(jì)系統(tǒng)難題

馬鋼交材的主要產(chǎn)品是軌道交通用車(chē)輪、車(chē)軸等，其中以車(chē)輪、車(chē)軸為代表的產(chǎn)品具有典型的批量定置、離散制造的特點(diǎn)，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。為了提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，馬鋼交材數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的特色之處是實(shí)現(xiàn)以下三大技術(shù)創(chuàng)新，突破了設(shè)計(jì)系統(tǒng)難題。

（一）車(chē)輪成形工藝自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

與大學(xué)合作研究了車(chē)輪軋制過(guò)程變形和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，在已有的生產(chǎn)實(shí)踐技術(shù)總結(jié)基礎(chǔ)上形成了新的研究成果，并總結(jié)數(shù)十年工藝模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)方法；與上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了還形、模具參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件和多工步鍛壓仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，形成了車(chē)輪鍛壓、軋制工藝設(shè)計(jì)與仿真結(jié)合的新的設(shè)計(jì)方法和模式，為建立車(chē)輪熱軋?jiān)O(shè)計(jì)與生產(chǎn)的“數(shù)字孿生”模型奠定了基礎(chǔ)。

（二）車(chē)輪熱處理工藝“一鍵式”設(shè)計(jì)模型

結(jié)合車(chē)輪熱處理工藝多年來(lái)的設(shè)計(jì)成果及工藝知識(shí)庫(kù)，利用多年在熱處理方面的沉淀，將知識(shí)庫(kù)、工藝設(shè)計(jì)成果、研發(fā)成果進(jìn)行了模塊化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在馬鋼輪軸QMS項(xiàng)目中，完成了熱處理專(zhuān)業(yè)的工藝智慧生成系統(tǒng)。軋前加熱、緩冷自動(dòng)根據(jù)產(chǎn)品自適配工藝，實(shí)現(xiàn)工藝生成無(wú)人值守的智慧化；在熱處理工藝方面，工程師能夠通過(guò)熱處理工藝智慧系統(tǒng)“一鍵式”生成數(shù)字化工藝，數(shù)字化工藝直接服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，控制現(xiàn)場(chǎng)操作，實(shí)現(xiàn)了真正的數(shù)字工藝，為后期的智慧制造提供數(shù)字支撐。

（三）參數(shù)化車(chē)輪三維建模與機(jī)加工仿真系統(tǒng)

基于車(chē)輪產(chǎn)品特點(diǎn)以及繪圖、建模方法和技巧，構(gòu)建了三維建模的參數(shù)化模型和可重用的特征庫(kù)，在車(chē)輪設(shè)計(jì)建模的同時(shí)，可獲得用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)和檢驗(yàn)的工程圖。基于三維模型的RQQ數(shù)控加工車(chē)床之上，研發(fā)三維數(shù)控自動(dòng)編程和加工仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪產(chǎn)品加工數(shù)控編程和仿真從二維向三維的轉(zhuǎn)變；可視化的三維人機(jī)交互界面，將機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的干涉、碰撞等災(zāi)難性事件的發(fā)生幾率降為零，極大地縮短數(shù)控程序編制時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)程序的調(diào)試時(shí)間，

六、實(shí)施成效

馬鋼交材的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)作為輪軸行業(yè)首個(gè)全域PDM設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)字化系統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了“一鍵式”設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品、工藝高度參數(shù)化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)，樹(shù)立輪軸行業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)數(shù)字化的標(biāo)桿，部分模塊達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是馬鋼交材智能制造建設(shè)的重大成果。成效具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）大幅提升設(shè)計(jì)效率

借助參數(shù)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)化編程等先進(jìn)技術(shù)，原本需要多名工程師耗費(fèi)數(shù)天時(shí)間才能完成的任務(wù)，現(xiàn)在只需兩人一天即可搞定，研發(fā)周期縮短80%，提高了對(duì)銷(xiāo)售詢(xún)單、訂單的響應(yīng)能力。

（二）有效降低不良品率

通過(guò)引入精準(zhǔn)的質(zhì)量檢測(cè)機(jī)制，產(chǎn)品不合格率下降5%，極大提升了客戶滿意度。

（三）縮短生產(chǎn)周期

得益于高效的信息傳遞機(jī)制和靈活的資源配置方式，從接到訂單到交付成品所需的時(shí)間減少了14%，為企業(yè)贏得了寶貴的市場(chǎng)先機(jī)。

（四）增強(qiáng)創(chuàng)新能力

依托于豐富的歷史數(shù)據(jù)積累及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，研發(fā)人員能夠更加容易地挖掘出有價(jià)值的信息點(diǎn)，從而激發(fā)更多創(chuàng)意靈感，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新不斷向前發(fā)展。

七、結(jié)語(yǔ)

馬鋼交材全域PDM數(shù)字化設(shè)計(jì)中心是國(guó)內(nèi)首個(gè)輪軸全域PDM數(shù)字化設(shè)計(jì)中心，標(biāo)志著馬鋼交材夯實(shí)了智能制造的基礎(chǔ)建設(shè)，向著智能制造的更高層次邁進(jìn)了一大步。