西门子王懿荪：数字化重塑机床的传统创新模式
2021-8-25 来源： 西门子 运动控制事业部机床数控系统 作者：业务拓展总监 王懿荪
古语有云：工欲善其事，必先利其器。对于制造业来说，这个“器”毫无疑问就是机床。作为“制造机械部件和机器的机器”，机床为千行百业的发展奠定根基。随着“十四五”规划纲要明确了制造业高质量发展的主线，如何提高机床自身创新发展也成为新时代的重要课题。
除政策等外部因素的助推，在“以设计为中心” 的机床制造商（OEM）和“以生产为中心”的机床使用者（最终用户）双维度下，新的需求变化已经显现。这种变化主要体现在四个方面：最为明显的是，机床制造商面对激烈的竞争迫切希望缩短机床的设计、研发、验证时间，减少试错成本，提高设计质量和设计效率，并能够快速将机床交付到市场；在机床本身的制造过程中，机床制造商同时也作为机床的使用者，需要获得加工过程相应数据的可追溯及透明性，以确保机床零部件的质量；在推广和销售阶段，传统的实体机床展示或者印刷关键参数样本的模式早已不能满足机床使用者的要求；最后，当机床进入应用环节，机床设备制造商希望获取机床的运行数据，并借助大数据分析来优化机床的设计，从而形成持续优化的闭环。
面对机床行业的挑战，运用数字化技术提升高端机床的正向设计、研发水平，实现技术的快速迭代，成为共识。
虚拟调试技术突破机床创新瓶颈
高端机床的设计、研发是一项高投入、低成功率的工作，加之回报周期长，技术与工艺需要多年积累以及长期的验证、试错渐进式迭代，成为制约机床创新的主要瓶颈。
借助虚拟调试技术，机床厂在机床研发生产过程中，可以将原来需要依次顺序完成的研发制造流程/步骤，改为并行执行。当新机床的3D模型设计完成之后，即可使用机电一体化概念设计软件和数控系统构建虚拟设计和调试软件环境，进行机床的动态设计、调试、验证，在不具备物理样机的情况下，轻松仿真检测和纠正设计错误，以及测试所有功能。
虚拟调试技术带来的价值在中国落地的项目中已经得到印证。上海机床厂有限公司作为中国知名的精密磨床制造企业，在公司改制并亟待数字化转型的关键节点，选择了西门子基于SINUMERIK 840Dsl + MCD 的机床数字化设计、验证和虚拟调试数字化双胞胎解决方案，用以优化机床设计流程，规避机械设计错误，并成功地将整体设计周期缩短30% ，现场调试时间缩短70%，加速产品上市。这是西门子最近在中国又一个落地实际销售和实施的机床行业数字化设计平台项目，也是虚拟调试技术的典型应用。
虚拟机床技术加速生产数字化验证
对于机床使用者来说，高效、高精度加工是他们追求的永恒目标。而从医疗设备，模具加工的精密零部件，到航空航天、风电领域大型结构件，随着加工计划和加工过程的复杂度越来越高，机床加工过程往往会发生衔接错误。这个阶段，数字化技术可以在物理世界进行真实加工之前，就在虚拟世界中进行产品仿真验证，支持保障后续实际生产。
针对机床使用者的金属切削数字化验证平台虚拟机床，可以在软件环境中打造一个和实际机床近乎100%一致的“投影”，在这样的软件环境下，无需使用实际机床、夹具、刀具、毛坯等实际物料，即可实现和实际机床近乎 100% 相同的试切仿真验证，并能保证仿真之后的代码程序在客户实际机床上一次性正确执行，而不用二次调整，从而可以大幅缩减试切时间，试切成本，并且可以规避碰撞。此外，虚拟机床是基于控制器级别的仿真验证，拥有众多强大的功能，以及可以达到和实际机床近乎相同精确度的速度、加速度、节拍时间等，这些天然优势是当前机床制造企业所采用的传统CAM仿真验证软件所无法比拟的。
目前，该技术已在西门子中国众多客户项目中得到了应用：例如沈阳机床、南京宁庆、深圳创世纪、友佳等。
数字化赋能机床全价值链
除关键环节的助力，数字化已经涵盖机床整个产品生命周期。当机床的设计、生产环节在虚拟世界中得到验证和优化后，数字化技术可以帮助实现产品的性能评估和改进。例如，在西门子技术支持中心网站上有一款备受关注的“网红” —— 自适应控制及监控系统ACM，它通过实时监控切削状态，优化进给倍率，可缩短30%以上的金属切削时间，同时实现机床主轴保护、刀具磨损监测、主轴驱动保护等多项功能。更重要的是，借助数字化技术当机床进行真实的生产加工之后，实际生产过程中的数据将会反馈到虚拟世界中，对产品的设计进行持续地优化改进。
数字化也正在催生新的销售和服务模式。例如，在机床销售招投标阶段，虚拟调试和虚拟机床可以作为数字化销售工具，向客户“眼见为实”地诠释机床功能及加工效果，提高方案中标率。在实际机床销售阶段，还可以搭配销售一套虚拟机床，获得更多的机床销售的附加值。此外，在机床售后培训阶段或教育培训领域，使用虚拟机床，可以对经验不足的操作编程人员进行培训，避免操作人员因经验不足导致的机床碰撞、设备损坏和经济损失，大幅节省培训投入实际机床所需的成本。
促进关键能力提升，助力机床未来发展
随着数字化技术的深度融入、制造业高质量发展，机床也不再是纯粹的单机设备和“执行者”。机床加工行业早已从单一零件单一工序的单机设备制造向复杂零件、多道工序的集成制造平台转变。生产过程中，机床越来越多参与通用设备及特殊设备之间的协同合作，以满足产品解决方案的实施，全集成自动化能力将成为提升中国制造水平的决定因素。
在执行过程中，机床产生了大量关于设计、生产以及产品的数据和信息。如何有效地采集、分析这些数据，用于生产效率的提高，也成为未来企业竞争力提升的重要支撑点。
中国机床工业一路伴随着中国经济的腾飞，经历过巅峰，也触达过低谷。如今，站在高质量发展的时代命题下，数字化技术将加速中国机床工业进入创新发展的新时期。西门子凭借60余年深耕机床数控行业的经验，以及覆盖机床制造业全生命周期的一站式解决方案，将携手各方合作伙伴，助推“工业母机”向高端制造更进一步，开启中国机床市场数字化制造的黄金十年。
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如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
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