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數字化制造將開啟中國機床工業的黃金十年

發布時間:2020-05-21 | 來源:西門子 | 作者:
     西門子(中國)有限公司數字化工業集團運動控制事業部機床數控系統總經理 楊大漢

      經歷了2001年到2017年的快速發展,過去幾年,中國數控機床行業進入了一個需求量下滑,行業競爭激烈的艱難周期。我從市場上的一些公開數據看到,中國每年有大概600-700家數控機床廠在市場上消失,而每年又有500-600家機床企業涌入這個市場,且無論企業性質,企業規模如何,亦或擁有多么輝煌的歷史,無一不在這個動態市場中大浪淘沙。

      但如果對看似下行的“基本盤“進行分析,不難看出需求下降的主要是簡易、低成本、低精度、功能簡單的數控機床,而中高端機床的需求其實在逆勢增長。

      這也能很好得解釋了中國機床市場出現的兩種變化:一方面,越來越多中國本土機床制造商在尋求產業升級,轉型,并逐步向著由進口機床制造商主導的中高端領域邁進;另一方面,中國機床出口的主要市場已經由發展中國家開始向歐洲市場轉移,并成為汽車等領域一些頂級制造企業的供應商。這說明,只有那些快速創新,積極升級轉型的企業才可能贏得市場,已經成為大家的共識。

虛擬調試為機床創新破題

      在機床行業里面進行創新具有很高的風險成本。很多情況下,機床企業開發一個新的機型,通過工藝性驗證進行完善,最終推向市場并形成規?;瘧玫谋壤蛔阋话?。缺乏實驗驗證能力和條件是國內傳統機床企業的普遍難題。

      其實借助計算機進行機床3D模型設計已經是一項很成熟的技術,但是,目前機床特別是五軸機床在真實切削環境中的行為難以用計算機模擬。而虛擬調試可以解決工藝性驗證這一問題。

      借助西門子數控系統的數字化雙胞胎技術為機床創建一個數字化映射,用戶可以在計算機對機床進行很多結構上的調整,機床完成設計后也可以作為一個虛擬機床對零件進行真實的切削加工。虛擬調試并不是一個仿真工具,它重新定義了一臺機床的設計、驗證和評估的全新方法和視角。

      我相信未來十年,機床設計數字化和機床工藝驗證數字化,最終機床應用效能數字化這三個重點領域將有巨大的發展和變化,這也將是中國市場機床數字化制造的黃金十年。

忽略核心過程的數字化,價值都是有限的

      機床工業的數字化通常分為兩個方向,一個方向是通過對生產現場全過程的數據采集,把物流信息、工藝信息等整合到一個平臺之上,再用算法對這個生產過程進行優化。例如機床的開機信息,機床的綜合使用效率等就屬于這個范疇。另一個方向是動態響應,即實時地對切削過程進行分析優化,解決的是刀具的轉速、扭矩,起刀、轉彎在一個曲面上,在一段時間內還能不能再提高效率的問題。

      如果用汽車類比,這兩個發展方向的意義更容易理解。前者相當于人們從儀表盤看到的水溫、油箱存油量,行駛里程等,可以通過標準傳感器采集的長周期數據;后者則是油門踩下去的一剎那,發動機上的CPU以1/10毫秒的速度進行反復迭代計算,從而獲得精準扭矩和油量的短周期數據。對于一輛汽車,發動機的優化顯然比儀表盤的改造更為重要。

      機床的核心過程是切削。如果不對機床核心過程進行數據分析,那么可以獲得的數據價值顯然非常有限。針對切削過程的數據挖掘,是直接提升效益、提高質量、改善勞動生產率的關鍵。

      針對切削過程的數據,西門子開發了很多基于人工智能的優化算法,實現了刀庫中刀具的最佳排布,系統性能大幅提升,生產時間顯著縮短。例如為某個航空航天零部件制造廠商提供的“自適應切削”算法,可以將機床的位移、刀具轉速、工具切削過程中受到的阻力等毫秒級數據在一個數據庫里累積起來,當切削完一個工具以后,利用人工智能算法對這些數據進行全面的分析,并給出進一步優化的建議,而每一次加工過程都是在上一次基礎上不斷尋優。因為對于一個企業來說,沒有任何東西更有價值,相比于“提高1%的生產效率”來得更直接。

數字化是一個漫長的跨越過程

      要利用數字化這個工具其實并不是毫無門檻,正如只有在擁有一部電話之后才可以討論打電話還是發微信,機床企業有比較完備的機械結構的3D圖形是進行數字化的基礎,而當前國內一大批機床廠的圖紙還是紙質或是2D圖,并且沒有一個標準化的流程去實現3D設計,這可能是進行數字化過程中一個較大的問題。

      中國機床企業在進行數字化轉型的過程中要面臨從“產品思維”向以“工程交付”為核心的經營思路轉變。過去幾十年,機床選型靠樣本,機床最終交付給用戶大多是以標準產品方式進行的,而當下越來越多的客戶購買一臺機床相當于交付一個工程,機床制造商需要根據用戶的需求去設計工藝路線,選擇刀具,設計物流等,需要完整的工程能力。

      這也意味著,今后越來越多的機床企業售出的機床中可能90%是以定制形式交付的,只有10%是標準產品交付,與當前的很多情況正好相反。此外,“工程服務”在機床企業銷售中的比重不斷提高,現在很多被免費贈送的“售后服務”會帶來更大的經濟效益。實現這種轉變,國內機床企業在經營思路、知識儲備、生產組織等方面還有很長的路要走。

機會再一次留給有準備的人

      中國是世界最大的數控機床應用市場,僅大陸地區數控機床的購買需求就占據了全球數控機床半數以上,這一比例還可能進一步增加。我認為機床制造企業出生在這里是一種幸運。

機床工業的根本屬性決定這個行業很難“彎道超車”。由于目前機床的數字化設計、工藝驗證、工程交付、以及最終到用戶手里的現場管理、績效管理等整個行業還處起步階段,所以在這個進入數字化時代的關鍵時期,中國的機床工業和全球領先國家的機床工業面臨著均等的機會,大家可以站在同一條起跑線上。

      西門子也通過多種渠道推動國內機床行業的思維轉變和能力建設。西門子和成都高新區政府合作成立了西門子智能制造成都創新中心,在基地搭建了一套完整的機床設計和機床驗證的工作場景,邀請國內重點機床合作企業進行體驗,然后再基于客戶自身的數字化需求做更加深入的探討。西門子也正在嘗試與更多尋求轉型的企業合作,共同打造數字化的生態環境。

      同時,西門子也在積極地和國內數控領域的專業院校展開合作,推動數控專業升級和新型數控人才培養(數字化方向)的落地。

      以“數字化原生”數控系統Sinumerik ONE為代表的產品家族,承載了西門子60多年來在數控機床行業積累的經驗,不僅支持各種機床工藝,而且提供汽車、航空航天、醫療、模具等行業解決方案,為行業的數字化未來提供了無限可能。

      多年以來,數字化為各行各業帶來了巨大的機遇和改變,相信它也可以消除機床工業的愁容。正如歌中寫的那樣“一杯敬明天,一杯敬過往 ”,期盼這位伴隨中國經濟發展走過70年的“工業之母”,迎來她的突圍和新生。
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