摘要：機床制造業的數字化整體方案可以靈活地定制工件產品，提高生產效率和產品質量，縮短產品上市時間。

Abstract：Holistic digitalization in machine tool manufacturing realizes parts production with enhancing flexibility, increasing efficiency and quality, reducing time-to-market.

機床工業是制造業中的基礎工業，其水平和質量對于制造業的發展至關重要，機床制造業的數字化升級轉型也成為共識的發展趨勢。為此，市場上已經有諸多不同層次的解決方案，例如，西門子的機床制造業數字化整體解決方案，面向機床用戶和機床制造商，針對設計制造機床和使用機床的不同需求，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 - 葉輪的研發和生產為例，對面向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，涵蓋整個產品生命周期的全數字化方案需要包括產品設計，生產規劃，生產工程，生產執行，服務。所有環節基于統一的數據管理平臺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可以協助我們高效地完成葉輪的3D設計。

2.生產規劃

當產品設計完成之后，如何規劃后續的生產和確保質量，Teamcenter工件工藝規劃模塊Part Planner可以協助我們進行科學、透明可追溯的規劃，如下圖所示：

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劃，涵蓋從軟件虛擬世界的工藝規劃，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統一管理，很好的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、刀具清單和作業指導書用于后續的實際機床生產使用。

NC程序中的語法錯誤，葉輪工件在機床加工過程中的機械干涉和碰撞，加工節拍等和機床切削過程密切相關的重要事項，都可以通過虛擬機床在工件的實際機床生產驗證之前進行仿真，如下圖所示：

虛擬機床可集成于NX CAM環境中，基于真實的包括工裝夾具、工件和刀具的機床3D數據和軟件數控系統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境。VNCK和Sinumerik硬件數控系統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，提前發現并且規避可能的機械干涉和碰撞，精確預知了生產節拍，為后續生產執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，如下圖所示：

4.1 機床管理

生產安排需要機床設備的實時狀態和設備效率，機床績效分析軟件AMP (Analyze MyPerformance)可以實時采集機床狀態，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行系統MOM用于生產安排。

4.2 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NC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。

4.3 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位置和組裝說明指導，需要在對刀站進行測量的刀具，測量之后的數據自動傳輸到目標機床，新刀具安裝到目標機床等，SFI RM + MMT都可以透明的管理、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。

4.4 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、生產規劃和生產工程階段必要的改進，所有這些工作都通過Teamcenter統一管理，確保數據一致性。

5. 服務

如何減少機床停機時間和提高設備使用效率是設備維護服務的重要內容之一。

機床狀態分析軟件AMC (Analyze MyCondition)可以協助用戶掌握透明的機床狀態，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操作系統的西門子工業云MindSphere的機床管理軟件MMM (Manage MyMachines)，可以實時采集設備狀態和用戶定制的設備數據，生成設備看板和設備狀態透明度，協助用戶科學地規劃設備使用和維護。

6. 結語

針對機床用戶的整體數字化解決方案可以協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、規劃、仿真、生產，到產品成品，到后續的產品改進和服務。

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。