沈陽機床中捷立加的協(xié)同設計

沈陽機床綜合運營總部 劉士玉 任大鵬

數(shù)控機床是電子信息與傳統(tǒng)機床技術(shù)相結(jié)合的機床一體化產(chǎn)品。數(shù)控機床設計融合了機、電、液、氣等工程學科，是系統(tǒng)性工程。

傳統(tǒng)的機床設計是由設計主管（項目負責人）根據(jù)企業(yè)決策即機床設計任務書的總體要求來組織實施的。設計主管一般由機械工程師擔任。設計過程中，設計主管主要擔負機床總體結(jié)構(gòu)設計、參數(shù)的確定，機床總體性能、精度的確定，機床重點功能部件的選定，對電氣系統(tǒng)提出功能要求，指導其他部件設計員設計，實施由上而下的組織管理流程。所有的設計員集中在技術(shù)部門實施設計，和外界合作少、交流更少，用 “閉門造車”四個字來形容雖然有些夸張，但卻很實際。如立式加工中心的設計，要求主管設計員首先確定機床的主要結(jié)構(gòu)并繪制相應的機床結(jié)構(gòu)圖，確定機床的總體尺寸，各部分的相對位置、相互關(guān)系等；確定機床的參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、工作臺尺寸、快移速度、機床主要的精度指標等；確定系統(tǒng)、絲杠、導軌、軸承等主要外購件的廠家、規(guī)格型號等消息。各部件設計員根據(jù)設計主管的要求展開工作，完成詳細的部件設計工作。傳統(tǒng)的機床設計存在設計、生產(chǎn)周期長，產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，不能快速響應客戶需求的弊端。

設計主管致力于對于機床結(jié)構(gòu)與性能的追求，而成本意識相對淡泊，往往根據(jù)經(jīng)驗對機床進行估價，然而成本＝鑄件+系統(tǒng)+外購件+電氣+液壓潤滑件+制造成本+管理人工，很難科學地把握機床具體的價格和獲利空間。

沈陽機床所屬的中捷立加事業(yè)部采用全新的協(xié)同設計理念而展現(xiàn)設計，實施跨職能的內(nèi)部協(xié)同和跨組織的外部協(xié)同設計，實現(xiàn)用合理的設計控制機床成本、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

一、跨職能的內(nèi)部協(xié)同

2008年，中捷立加事業(yè)部根據(jù)市場需求狀態(tài)、通過市場分析認為，文教科研、普通機械加工等行業(yè)使用的經(jīng)濟型立加產(chǎn)品將成為競爭焦點，經(jīng)濟型占立加需求的30%市場份額（見圖1），而立加事業(yè)部在經(jīng)濟型領域還沒有開發(fā)相應產(chǎn)品，于是決定開發(fā)VMC850E系列經(jīng)濟型產(chǎn)品。

1.以市場為導向，實施設計成本倒推

按競爭對手的銷售價格，確定850E系列產(chǎn)品市場售價和目標成本。850規(guī)格經(jīng)濟型立加（見圖2）的主要市場競爭對手是漢川、大連、寶雞和其他國內(nèi)機床企業(yè)。首先分析競爭對手產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能及價格。通過分析認定，這些機床廠家的立加產(chǎn)品共同的特點是，使用昆明臺正機械有限公司等企業(yè)生產(chǎn)的立加光機、配置數(shù)控系統(tǒng)、電氣原件和整機防護，實施OEM式的生產(chǎn)組織。通過預測，認定850規(guī)格立加競爭對手的產(chǎn)品價格為：光機＋數(shù)控系統(tǒng)＋鈑金件＋電氣原件＋毛利＝最低售價P1。

圖1

圖2

中捷立加事業(yè)部依此為依據(jù)，結(jié)合本事業(yè)部綜合管理費用水平，確定目標銷售價為競爭對手最低售價P1，毛利率設定為X1，管理費用率設定為X2，最終控制目標成本價為：目標成本價P2＝P1×（1-X1-X2）。

設計的出發(fā)點是實現(xiàn)利潤目標，機床的總成本為P2，一切設計工作依此為基礎，協(xié)同實施展開。但在實踐中數(shù)控系統(tǒng)、鈑金件和電氣原件等外購件的價格是相對固定的、降價空間有限，設計中的成本只能從自身的制造、外協(xié)中想辦法。

2.三維產(chǎn)品設計優(yōu)化產(chǎn)品價值鏈

開發(fā)設計中全部應用CAD技術(shù)，在機床整機的優(yōu)化設計和關(guān)鍵件設計中應用SolidWorks、Solidedge、Pro/E等三維CAD軟件和Visual Nastran、ANSYS工程分析等軟件，在產(chǎn)品設計階段采用實體建模、虛擬裝配、靜動力學特性有限元分析、系統(tǒng)動態(tài)仿真等技術(shù)，增加了零件及結(jié)構(gòu)設計的合理性，減少產(chǎn)品在生產(chǎn)和裝配過程中的差錯，提高了設計工作的質(zhì)量和效率，降低了產(chǎn)品開發(fā)研制成本。

三維設計系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設計效率高和支持并行工程等優(yōu)點。利用三維實體軟件對VMC850E的整機和主要部件進行幾何建模。在此過程中，可利用數(shù)學方法和計算機手段實現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)件的形狀和尺寸優(yōu)化，同時對主要功能部件特性實施優(yōu)化，如主軸部件中主軸的支距及其靜動態(tài)特性；伺服進給系統(tǒng)的驅(qū)動特性和響應特性等；機床重點零部件 (主軸、絲杠、導軌、工作臺等)進行設計計算和校核計算，以保證計算的準確性和快速性；三維設計使得龐雜的管線排布在設計環(huán)節(jié)得以徹底的解決。設計樣圖如圖3所示。

圖3

虛擬裝配模擬產(chǎn)品三維裝配過程，以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。在對VMC850E的床身、滑座、主傳動系統(tǒng)、進給傳動系統(tǒng)、裝卡系統(tǒng)，分別建立模型（如圖4所示），并在虛擬工件和刀具的基礎上，可利用虛擬裝配技術(shù)，得到虛擬數(shù)控模型。實施全局干涉檢查、運動分析、有限元分析，可減少設計差錯，提高設計質(zhì)量，自動生成BOM，避免錯漏零部件。因此，在設計階段就使得產(chǎn)品的成本和出錯率降到最低，最終使產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大縮短，實現(xiàn)快速投放市場。

圖4

3.控制鑄件重量，降低成本

鑄件在機械產(chǎn)品中占有很大的比重。鑄件主要用作機器零部件的毛坯，大部分結(jié)構(gòu)件和主要部件都是以鑄件為坯料的。鑄件約占機床體積和重量的70%，機床鑄件質(zhì)量的好壞，對機床整機質(zhì)量、壽命、精度保持性都有著至關(guān)重要影響。立加的鑄件包括床身、工作臺、立柱、橫梁、滑座、主軸箱等。機床的鑄件采用樹脂砂、實型鑄造，材質(zhì)采用HT250、HT300或球墨鑄鐵。

圖5

原材料價格的不斷上漲是機床制造商不得不面對的難題。在產(chǎn)品充分市場競爭的前提下，立加產(chǎn)品很難通過提高價格，將價格上漲因素傳導到下游用戶，企業(yè)只能自我消化原材料漲價所造成的壓力。財務對鑄件成本的核算通常是以重量為基礎進行的，通過設計常減少鋼材使用量，合理使用鑄件重量成為各個企業(yè)必選的辦法。鑄件的結(jié)構(gòu)設計不僅要考慮使用的要求，還必須考慮鑄造工藝及鑄造性能的要求。中捷立加事業(yè)部協(xié)同銀豐鑄造事業(yè)部的鑄造工藝人員一同實施鑄件設計。立加的設計員完成鑄件的結(jié)構(gòu)設計，而銀豐鑄造的工藝員規(guī)劃鑄件的工藝性。如圖5的立加立柱和主軸箱的設計，均采用箱式結(jié)構(gòu)，合理布局內(nèi)部筋型結(jié)構(gòu)和有效的支撐點，保證鑄件剛性，減少設計重量；另外以精確的有限元分析為依據(jù)，合理地設計鑄件結(jié)構(gòu)，減少鑄件厚度，簡化鑄造工藝、改善鑄件質(zhì)量，減少鑄件加工余量，實現(xiàn)了降低生產(chǎn)成本、穩(wěn)定質(zhì)量、提高生產(chǎn)加工效率的目的。

4.工藝協(xié)同，降低機加成本

傳統(tǒng)的機床設計是以設計優(yōu)先，在滿足機床功能的前提下，設計員首先設計機床結(jié)構(gòu)，完成設計圖樣后，由工藝員編制生產(chǎn)、加工工藝，指導車間生產(chǎn)與裝配。但 “術(shù)業(yè)有專攻、學科有區(qū)別”，設計員很難全面了解機床各個部件的加工、裝配環(huán)節(jié)，而工藝員對機床結(jié)構(gòu)了解也不全面。

為便于加工，減少調(diào)整點，方便裝配，提升效率，立加事業(yè)部引入?yún)f(xié)同理念，把工藝前置，工藝員與設計員一起實施設計。工藝員借助CAM、CAPP軟件，對設計模型實施工藝預生產(chǎn)。其內(nèi)容涉及：核準零件尺寸、公差及精度等加工要求、設定毛坯、確定工件裝卡方式、選擇加工刀具、確定加工方法、確定加工工藝路線、設定工藝參數(shù)等。例如在VMC850E床身（見圖6）設計中，工藝員建議床身結(jié)構(gòu)設計為斜面結(jié)構(gòu)便于廢屑收集，床身側(cè)面無加工面,只加工上面，在實際加工中，利用龍門加工中心可一次裝卡，完成床身上面的全部加工工序。為減少換刀車間工藝員提出將床身上螺紋孔尺寸盡量統(tǒng)一，設計人員通過分析采納了這一建議，將螺紋孔集中在M8、M12等幾個規(guī)格。實踐證明不僅加工時減少了換刀時間，而且簡化了刀具管理，最大的好處是減少了刀具的采購種類，通過批量訂貨降低了刀具采購費用。

圖6

5.防護協(xié)同設計

機床防護設計是集工業(yè)造型、人機功能學于一起的學科。當今的機床產(chǎn)品，正擺脫傻、大、粗、笨的陳舊外觀，人們對產(chǎn)品的要求已不滿足于結(jié)實耐用的可靠性方面，而且對產(chǎn)品外觀美、材料精、工藝細乃至色彩感覺、均衡變化、富于個性等更多的方面都提出了越來越高的審美要求。

安全防護包括兩個方面：一是對機床工作部件如運動導軌、絲杠、電機等的防塵、防屑、防污和防磁保護；其二是防止高速加工過程中物體 (如鐵屑、冷卻液和刀具碎片等)從加工區(qū)中飛出，對人身安全造成危害。對高速加工而言，這兩方面的保護都很重要，尤其是后者——對人身安全的保護，因為，切屑、刀具碎片由于裝夾或安裝不牢而從高速主軸上飛出，其速度將達到180～300km/h，若打在人體上足以造成人體傷害！

機床防護的主體是鈑金，鈑金的成型作為獨立的學科，機械設計員很少有深入研究的。為此立加事業(yè)部協(xié)同板焊事業(yè)部的防護設計員一同實施協(xié)同設計。設計之初，中捷立加事業(yè)部提出了機床防護罩在板焊事業(yè)部預裝、整體調(diào)運的要求，以徹底解決機床 “跑、冒、滴、漏”的發(fā)生，機床防護罩預裝、整體調(diào)運是沈陽機床的第一次嘗試。在防護設計中，針對機床常見事故進行分析，結(jié)合防護鈑金工藝展開防護設計。

在機床外防護設計時，首先分析主要競爭對手立式加工中心的外觀，確定采用棱型設計——機床界的主流外觀形式，實現(xiàn)機床外觀時尚、簡潔、緊湊、實用的目的；機床的整體外防護設計采用三維軟件進行鈑金造型，然后進行裝配干涉檢驗,采用通用有限元分析軟件，對防護變形問題進行了數(shù)值模擬，合理布置防護的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最初設計目的。設計實例如圖7所示。

圖7

6.模塊化設計，實現(xiàn)產(chǎn)品通用化、系列化

中捷立加事業(yè)部在進行機床設計時，針對不同的機械、電氣設計部分，總體上繼承了原有的模式，事業(yè)部R、E、B、P和S五大系列機床的設計均有對應負責的產(chǎn)品經(jīng)理。但是，立加在進行產(chǎn)品設計時已經(jīng)植入了協(xié)同理念。這主要體現(xiàn)在兩個方面：其一，設計人員主動考慮是否能將外形或功能相近的零部件做成通用的；其二，盡管使用通用件、標準件會增加產(chǎn)品設計的困難，但是，設計人員只要能夠使用通用件、標準件，就絕不使用專用件，使用專用件時要有主管副總簽字。

另外，中捷立加事業(yè)部協(xié)同設計中還有一點值得稱道的是，設計員主動配合新產(chǎn)品生產(chǎn)制造和客戶需求來進協(xié)同產(chǎn)品設計。這樣設計出來的產(chǎn)品不但能夠貼近市場，而且還便于制造部門的裝配，保證工作效率。

圖8

中捷立加事業(yè)部零部件通用化得以實現(xiàn)有兩個關(guān)鍵條件：其一，可通用部位零部件的外形尺寸和技術(shù)參數(shù)設計成相近；其二，通用件產(chǎn)銷量大，能夠滿足大量訂購的要求。

例如：中捷立加事業(yè)部全系列產(chǎn)品的三軸電機座、軸承、絲杠座的實現(xiàn)了通用化，最初由于各部件分屬不同的設計員設計，導致三軸驅(qū)動結(jié)構(gòu)（見圖8）大同小異，零件結(jié)構(gòu)也相近，但零件的不統(tǒng)一，給工藝編程、加工帶來極大的不便，根據(jù)制造車間的反應設計部門發(fā)現(xiàn)的，只有將相近零件的尺寸稍作調(diào)整，就可實現(xiàn)統(tǒng)一化。三軸電機座、軸承、絲杠座的通用，實現(xiàn)加工程序的統(tǒng)一，刀具、卡具的一致，極大地提高了加工效率。

二、跨組織與供應商一起實施外部協(xié)同設計

立加事業(yè)部積極開展與外部供應商的外部協(xié)同設計，如，VMC850E立式加工中心三軸采用直線導軌結(jié)構(gòu)，導軌壓塊用于使導軌靠近側(cè)基準面，消除導軌軸向彎曲帶來的影響，壓塊調(diào)整導軌的直線度。設計之初采用了30°斜度的金屬壓塊。金屬壓塊是立加中最小的、最容易忽略的零件，但用量大、制造成本較高。

技術(shù)部發(fā)現(xiàn)，其他競爭對手立加產(chǎn)品使用的粉末冶金壓塊，立加事業(yè)部決定借鑒到了這一優(yōu)點并引入到自身的產(chǎn)品中。首先立加事業(yè)部將三軸原本不同規(guī)格的導軌壓塊通用為同一規(guī)格，要求供應商提供的是30°的粉末冶金壓塊，但供應商限于自身的技術(shù)水平無法提供。在保證原有金屬壓塊技術(shù)參數(shù)的前提下，經(jīng)立加事業(yè)部和供應商的共同設計，供應商提出粉末冶金壓塊模具的開模角應為7°～10°，而30°斜度的粉末冶金壓塊從技術(shù)上無法實現(xiàn)，最后雙方達成一致使用8°的粉末冶金壓塊（見圖9）。立加的這一做法體現(xiàn)了其在產(chǎn)品設計時與供應商之間的協(xié)同性。另外，此舉可以為立加節(jié)約不少的成本。原來的一個金屬壓塊市場價大概在12元左右，而一個粉末冶金壓塊的市場價只有4～5元左右。就VMC850E而言，單臺共需壓塊86個，每臺可以節(jié)約成本600元；立加事業(yè)部僅壓塊一項年需求約15萬件，可節(jié)約成本100萬。

圖9

三、協(xié)同設計的成果

2008年，通過市場反饋及8月份以后的金融危機，迅速催化了E系列產(chǎn)品的誕生；2009年，E系列產(chǎn)品批量推向市場，以此為基礎，經(jīng)過三年的發(fā)展，完善了中捷立加事業(yè)部五大產(chǎn)品系列。

（1）R系列（Rapid）快捷型，TC500 TC700，機床特點：高速、高精、高可靠性，適用行業(yè)：3C產(chǎn)品、小型模具、汽車零部件等。

（2）E系列（Economy）經(jīng)濟型，性價比高、結(jié)構(gòu)緊湊，VMC650E VMC850E；機床特點：節(jié)能、經(jīng)濟、實用；適用行業(yè)：適用于鉆孔、高速攻絲、銑削、鏜孔等各種通用行業(yè)機械加工。

（3）B系列（Base）經(jīng)典型，VMC850B、VMC1000B、 VMC1100B、 VMC1300B VMC1600B、VMC2100B；機床特點：可靠、穩(wěn)定、通用；適用行業(yè)：滿足航空航天、汽車、鐵路、IT、模具等各個行業(yè)的機械零件加工。

（4）P系列（Performance）卓越型，VMC850、VMC1000、VMC1100、VMC1300、 VMC1600；機床特點：高速、高精、高剛性；適用行業(yè)：航空航天、汽車、鐵路、IT、模具等各個行業(yè)的機械零件加工。

（5）S系列（Strong）強力型，VMC2180C、VMC21100C；機床特點：重切削、高剛性、大承載；適用行業(yè)：箱體、殼體、模具、盤類零件的理想加工設備，充分滿足重切削、大工件的要求。

2011年上半年立加系列產(chǎn)品產(chǎn)銷突破1200臺，其中850E系列產(chǎn)品突破800臺，成為國內(nèi)最大的專一經(jīng)營立加系列產(chǎn)品企業(yè)。

四、結(jié)束語

沈陽機床中捷立加事業(yè)部的協(xié)同設計還有諸多方面的內(nèi)容，由于作者水平有限，不再展開進一步的分析，其協(xié)同設計理論可簡單概括為：以市場分析為突破口，科學分析，確定機床售價、目標成本，通過內(nèi)外部的協(xié)同設計實現(xiàn)機床的最佳性價比。