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杨大汉:数字化制造将开启中国机床工业的黄金十年

2020-06-29     

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西门子(中国)有限公司数字化工业集团运动控制事业部机床数控系统总经理  杨大汉


  经历了2001年到2017年的快速发展,过去几年,中国数控机床行业进入了一个需求量下滑,行业竞争激烈的艰难周期。我从市场上的一些公开数据看到,中国每年有大概600-700家数控机床厂在市场上消失,而每年又有500-600家机床企业涌入这个市场,且无论企业性质,企业规模如何,亦或拥有多么辉煌的历史,无一不在这个动态市场中大浪淘沙。


  但如果对看似下行的“基本盘“进行分析,不难看出需求下降的主要是简易、低成本、低精度、功能简单的数控机床,而中高端机床的需求其实在逆势增长。


  这也能很好得解释了中国机床市场出现的两种变化:一方面,越来越多中国本土机床制造商在寻求产业升级,转型,并逐步向着由进口机床制造商主导的中高端领域迈进;另一方面,中国机床出口的主要市场已经由发展中国家开始向欧洲市场转移,并成为汽车等领域一些顶级制造企业的供应商。这说明,只有那些快速创新,积极升级转型的企业才可能赢得市场,已经成为大家的共识。


  虚拟调试为机床创新破题


  在机床行业里面进行创新具有很高的风险成本。很多情况下,机床企业开发一个新的机型,通过工艺性验证进行完善,最终推向市场并形成规模化应用的比例不足一半。缺乏实验验证能力和条件是国内传统机床企业的普遍难题。


  其实借助计算机进行机床3D模型设计已经是一项很成熟的技术,但是,目前机床特别是五轴机床在真实切削环境中的行为难以用计算机模拟。而虚拟调试可以解决工艺性验证这一问题。


  借助西门子数控系统的数字化双胞胎技术为机床创建一个数字化映射,用户可以在计算机对机床进行很多结构上的调整,机床完成设计后也可以作为一个虚拟机床对零件进行真实的切削加工。虚拟调试并不是一个仿真工具,它重新定义了一台机床的设计、验证和评估的全新方法和视角。


  我相信未来十年,机床设计数字化和机床工艺验证数字化,最终机床应用效能数字化这三个重点领域将有巨大的发展和变化,这也将是中国市场机床数字化制造的黄金十年。


  忽略核心过程的数字化,价值都是有限的


  机床工业的数字化通常分为两个方向,一个方向是通过对生产现场全过程的数据采集,把物流信息、工艺信息等整合到一个平台之上,再用算法对这个生产过程进行优化。例如机床的开机信息,机床的综合使用效率等就属于这个范畴。另一个方向是动态响应,即实时地对切削过程进行分析优化,解决的是刀具的转速、扭矩,起刀、转弯在一个曲面上,在一段时间内还能不能再提高效率的问题。


  如果用汽车类比,这两个发展方向的意义更容易理解。前者相当于人们从仪表盘看到的水温、油箱存油量,行驶里程等,可以通过标准传感器采集的长周期数据;后者则是油门踩下去的一刹那,发动机上的CPU以1/10毫秒的速度进行反复迭代计算,从而获得精准扭矩和油量的短周期数据。对于一辆汽车,发动机的优化显然比仪表盘的改造更为重要。


  机床的核心过程是切削。如果不对机床核心过程进行数据分析,那么可以获得的数据价值显然非常有限。针对切削过程的数据挖掘,是直接提升效益、提高质量、改善劳动生产率的关键。


  针对切削过程的数据,西门子开发了很多基于人工智能的优化算法,实现了刀库中刀具的最佳排布,系统性能大幅提升,生产时间显著缩短。例如为某个航空航天零部件制造厂商提供的“自适应切削”算法,可以将机床的位移、刀具转速、工具切削过程中受到的阻力等毫秒级数据在一个数据库里累积起来,当切削完一个工具以后,利用人工智能算法对这些数据进行全面的分析,并给出进一步优化的建议,而每一次加工过程都是在上一次基础上不断寻优。因为对于一个企业来说,没有任何东西更有价值,相比于“提高1%的生产效率”来得更直接。


  数字化是一个漫长的跨越过程


  利用数字化这个工具其实并不是毫无门槛,正如只有在拥有一部电话之后才可以讨论打电话还是发微信,机床企业有比较完备的机械结构的3D图形是进行数字化的基础,而当前国内一大批机床厂的图纸还是纸质或是2D图,并且没有一个标准化的流程去实现3D设计,这可能是进行数字化过程中一个较大的问题。


  中国机床企业在进行数字化转型的过程中要面临从“产品思维”向以“工程交付”为核心的经营思路转变。过去几十年,机床选型靠样本,机床最终交付给用户大多是以标准产品方式进行的,而当下越来越多的客户购买一台机床相当于交付一个工程,机床制造商需要根据用户的需求去设计工艺路线,选择刀具,设计物流等,需要完整的工程能力。


  这也意味着,今后越来越多的机床企业售出的机床中可能90%是以定制形式交付的,只有10%是标准产品交付,与当前的很多情况正好相反。此外,“工程服务”在机床企业销售中的比重不断提高,现在很多被免费赠送的“售后服务”会带来更大的经济效益。实现这种转变,国内机床企业在经营思路、知识储备、生产组织等方面还有很长的路要走。


  机会再一次留给有准备的人


  中国是世界最大的数控机床应用市场,仅大陆地区数控机床的购买需求就占据了全球数控机床半数以上,这一比例还可能进一步增加。我认为机床制造企业出生在这里是一种幸运。


  机床工业的根本属性决定这个行业很难“弯道超车”。由于目前机床的数字化设计、工艺验证、工程交付、以及最终到用户手里的现场管理、绩效管理等整个行业还处起步阶段,所以在这个进入数字化时代的关键时期,中国的机床工业和全球领先国家的机床工业面临着均等的机会,大家可以站在同一条起跑线上。


  西门子也通过多种渠道推动国内机床行业的思维转变和能力建设。西门子和成都高新区政府合作成立了西门子智能制造成都创新中心,在基地搭建了一套完整的机床设计和机床验证的工作场景,邀请国内重点机床合作企业进行体验,然后再基于客户自身的数字化需求做更加深入的探讨。西门子也正在尝试与更多寻求转型的企业合作,共同打造数字化的生态环境。


  同时,西门子也在积极地和国内数控领域的专业院校展开合作,推动数控专业升级和新型数控人才培养(数字化方向)的落地。


  以“数字化原生”数控系统SinumerikONE为代表的产品家族,承载了西门子60多年来在数控机床行业积累的经验,不仅支持各种机床工艺,而且提供汽车、航空航天、医疗、模具等行业解决方案,为行业的数字化未来提供了无限可能。


  多年以来,数字化为各行各业带来了巨大的机遇和改变,相信它也可以消除机床工业的愁容。正如歌中写的那样“一杯敬明天,一杯敬过往”,期盼这位伴随中国经济发展走过70年的“工业之母”,迎来她的突围和新生。


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关键词:西门子,数字化,黄金十年 | 作者 : 西门子(中国)有限公司数字化工业集团运动控制事业部机床数控系统总经理 杨大汉

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