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，機床制造業(yè)的數(shù)字化升級轉型也成為共識的發(fā)展趨勢。為此，市場上已經(jīng)有諸多不同層次的解決方案，例如，西門子的機床制造業(yè)數(shù)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(shù)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(chǎn)為例，對面向機床用戶的整體數(shù)字化解決方案進行一定的探討。 

　　機床用戶使用機床生產(chǎn)工件，一個工件如何由需求、構思到合格的產(chǎn)品，涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的全數(shù)字化方案需要包括產(chǎn)品設計，生產(chǎn)規(guī)劃，生產(chǎn)工程，生產(chǎn)執(zhí)行，服務。所有環(huán)節(jié)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺Teamcenter共享數(shù)據(jù)，互相支持和校驗，實現(xiàn)設計產(chǎn)品和實際產(chǎn)品的高度一致，數(shù)字化雙胞胎在整個過程中發(fā)揮著重要作用。

　　1. 產(chǎn)品設計

　　當工件葉輪的需求明確后，首先需要進行產(chǎn)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(chǎn)規(guī)劃

　　當產(chǎn)品設計完成之后，如何規(guī)劃后續(xù)的生產(chǎn)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，如下圖所示：

　　一個工件從構思到一個合格的產(chǎn)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(chǎn)資源規(guī)劃；到物理世界的生產(chǎn)資源的透明度，生產(chǎn)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(shù)據(jù)都由Teamcenter統(tǒng)一管理，很好的保證了數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)一致性。

　　3. 生產(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)之前，在軟件虛擬世界進行產(chǎn)品仿真驗證，支持保障后續(xù)實際生產(chǎn)。

　　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(shù)據(jù)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)驗證之前進行仿真，如下圖所示：　　 

　　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(shù)據(jù)和軟件數(shù)控系統(tǒng)Sinumerik VNCK，使用和實際物理機床相同的CNC數(shù)據(jù)確保一致的控制特性，實現(xiàn)和物理機床近乎相同的測試環(huán)境。VNCK和Sinumerik硬件數(shù)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(jīng)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(xiàn)并且規(guī)避可能的機械干涉和碰撞，精確預知了生產(chǎn)節(jié)拍，為后續(xù)生產(chǎn)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(chǎn)執(zhí)行

　　自此工件從軟件世界進入現(xiàn)實物理世界的生產(chǎn)階段，進入生產(chǎn)車間。生產(chǎn)管理非常復雜，涉及資源管理，生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)力等，并且可以將這些數(shù)據(jù)上傳到制造執(zhí)行系統(tǒng)MOM用于生產(chǎn)安排。

　　4.2 NC程序管理

　　在生產(chǎn)工程階段經(jīng)過虛擬機床仿真驗證的NC程序由NX CAM上傳至Teamcenter, 然后根據(jù)生產(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)，更重要的是所有這些透明高度需要一個高效、透明的數(shù)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(chǎn)工程階段經(jīng)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(shù)據(jù)自動傳輸?shù)侥繕藱C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(shù)據(jù)，并且在目標機床上安裝好所需要的刀具，全程數(shù)據(jù)基于網(wǎng)絡進行透明可追溯的管理。

　　4.4 工件生產(chǎn)和產(chǎn)品檢驗

　　生產(chǎn)資源就緒后，操作人員按照來自于生產(chǎn)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(shù)據(jù)可用于產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃和生產(chǎn)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(shù)據(jù)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(tài)分析軟件AMC (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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)，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

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

　　從中我們可以體驗到數(shù)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(xiàn)實世界的實際工件，是一對產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎；與此類同，軟件虛擬世界的虛擬機床，和物理現(xiàn)實世界的實際機床，是一對設備數(shù)字化雙胞胎。

　　全程數(shù)據(jù)基于Teamcenter進行管理，確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一和一致，加上數(shù)字化雙胞胎的成功應用，可以靈活地定制產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量，縮短產(chǎn)品上市時間。