文/王懿蓀 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業務拓展總監
古語有云：工欲善其事，必先利其器。對于制造業來說，這個“器”毫無疑問就是機床。作為“制造機械部件和機器的機器”，機床為千行百業的發展奠定根基。隨著“十四五”規劃綱要明確了制造業高質量發展的主線，如何提高機床自身創新發展也成為新時代的重要課題。
除政策等外部因素的助推，在“以設計為中心” 的機床制造商（OEM）和“以生產為中心”的機床使用者（最終用戶）雙維度下，新的需求變化已經顯現。這種變化主要體現在四個方面：最為明顯的是，機床制造商面對激烈的競爭迫切希望縮短機床的設計、研發、驗證時間，減少試錯成本，提高設計質量和設計效率，并能夠快速將機床交付到市場；在機床本身的制造過程中，機床制造商同時也作為機床的使用者，需要獲得加工過程相應數據的可追溯及透明性，以確保機床零部件的質量；在推廣和銷售階段，傳統的實體機床展示或者印刷關鍵參數樣本的模式早已不能滿足機床使用者的要求；最后，當機床進入應用環節，機床設備制造商希望獲取機床的運行數據，并借助大數據分析來優化機床的設計，從而形成持續優化的閉環。
面對機床行業的挑戰，運用數字化技術提升高端機床的正向設計、研發水平，實現技術的快速迭代，成為共識。
虛擬調試技術突破機床創新瓶頸
高端機床的設計、研發是一項高投入、低成功率的工作，加之回報周期長，技術與工藝需要多年積累以及長期的驗證、試錯漸進式迭代，成為制約機床創新的主要瓶頸。
借助虛擬調試技術，機床廠在機床研發生產過程中，可以將原來需要依次順序完成的研發制造流程/步驟，改為并行執行。當新機床的3D模型設計完成之后，即可使用機電一體化概念設計軟件和數控系統構建虛擬設計和調試軟件環境，進行機床的動態設計、調試、驗證，在不具備物理樣機的情況下，輕松仿真檢測和糾正設計錯誤，以及測試所有功能。
虛擬調試技術帶來的價值在中國落地的項目中已經得到印證。上海機床廠有限公司作為中國知名的精密磨床制造企業，在公司改制并亟待數字化轉型的關鍵節點，選擇了西門子基于SINUMERIK 840Dsl + MCD 的機床數字化設計、驗證和虛擬調試數字化雙胞胎解決方案，用以優化機床設計流程，規避機械設計錯誤，并成功地將整體設計周期縮短30% ，現場調試時間縮短70%，加速產品上市。這是西門子最近在中國又一個落地實際銷售和實施的機床行業數字化設計平臺項目，也是虛擬調試技術的典型應用。
虛擬機床技術加速生產數字化驗證
對于機床使用者來說，高效、高精度加工是他們追求的永恒目標。而從醫療設備，模具加工的精密零部件，到航空航天、風電領域大型結構件，隨著加工計劃和加工過程的復雜度越來越高，機床加工過程往往會發生銜接錯誤。這個階段，數字化技術可以在物理世界進行真實加工之前，就在虛擬世界中進行產品仿真驗證，支持保障后續實際生產。
針對機床使用者的金屬切削數字化驗證平臺虛擬機床，可以在軟件環境中打造一個和實際機床近乎100%一致的“投影”，在這樣的軟件環境下，無需使用實際機床、夾具、刀具、毛坯等實際物料，即可實現和實際機床近乎 100% 相同的試切仿真驗證，并能保證仿真之后的代碼程序在客戶實際機床上一次性正確執行，而不用二次調整，從而可以大幅縮減試切時間，試切成本，并且可以規避碰撞。此外，虛擬機床是基于控制器級別的仿真驗證，擁有眾多強大的功能，以及可以達到和實際機床近乎相同精確度的速度、加速度、節拍時間等，這些天然優勢是當前機床制造企業所采用的傳統CAM仿真驗證軟件所無法比擬的。
目前，該技術已在西門子中國眾多客戶項目中得到了應用：例如沈陽機床、南京寧慶、深圳創世紀、友佳等。
數字化賦能機床全價值鏈
除關鍵環節的助力，數字化已經涵蓋機床整個產品生命周期。當機床的設計、生產環節在虛擬世界中得到驗證和優化后，數字化技術可以幫助實現產品的性能評估和改進。例如，在西門子技術支持中心網站上有一款備受關注的“網紅” —— 自適應控制及監控系統ACM，它通過實時監控切削狀態，優化進給倍率，可縮短30%以上的金屬切削時間，同時實現機床主軸保護、刀具磨損監測、主軸驅動保護等多項功能。更重要的是，借助數字化技術當機床進行真實的生產加工之后，實際生產過程中的數據將會反饋到虛擬世界中，對產品的設計進行持續地優化改進。
數字化也正在催生新的銷售和服務模式。例如，在機床銷售招投標階段，虛擬調試和虛擬機床可以作為數字化銷售工具，向客戶“眼見為實”地詮釋機床功能及加工效果，提高方案中標率。在實際機床銷售階段，還可以搭配銷售一套虛擬機床，獲得更多的機床銷售的附加值。此外，在機床售后培訓階段或教育培訓領域，使用虛擬機床，可以對經驗不足的操作編程人員進行培訓，避免操作人員因經驗不足導致的機床碰撞、設備損壞和經濟損失，大幅節省培訓投入實際機床所需的成本。
促進關鍵能力提升，助力機床未來發展
隨著數字化技術的深度融入、制造業高質量發展，機床也不再是純粹的單機設備和“執行者”。機床加工行業早已從單一零件單一工序的單機設備制造向復雜零件、多道工序的集成制造平臺轉變。生產過程中，機床越來越多參與通用設備及特殊設備之間的協同合作，以滿足產品解決方案的實施，全集成自動化能力將成為提升中國制造水平的決定因素。
在執行過程中，機床產生了大量關于設計、生產以及產品的數據和信息。如何有效地采集、分析這些數據，用于生產效率的提高，也成為未來企業競爭力提升的重要支撐點。
中國機床工業一路伴隨著中國經濟的騰飛，經歷過巔峰，也觸達過低谷。如今，站在高質量發展的時代命題下，數字化技術將加速中國機床工業進入創新發展的新時期。西門子憑借60余年深耕機床數控行業的經驗，以及覆蓋機床制造業全生命周期的一站式解決方案，將攜手各方合作伙伴，助推“工業母機”向高端制造更進一步，開啟中國機床市場數字化制造的黃金十年。
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西門子數字化工業集團（DI）是自動化和數字化領域的創新領袖。數字化工業集團與合作伙伴和客戶一起，推動過程與離散行業的數字化轉型。通過數字化企業業務組合，數字化工業集團為各類規模的企業提供可以集成在整個價值鏈的端到端產品、解決方案和服務，并實現數字化。針對各行業的不同需求，數字化工業集團不斷優化其獨特的業務組合，幫助客戶提升生產力和靈活性。數字化工業集團持續創新，將前沿科技不斷融入產品系列。西門子數字化工業集團總部在德國紐倫堡，在全球擁有大約7.6萬名員工。
關于西門子在中國：
西門子股份公司（總部位于柏林和慕尼黑）是全球領先的技術企業，成立170余年來，始終以卓越的工程技術、不懈的創新追求、優良的品質、出眾的可靠性及廣泛的國際性在業界獨樹一幟。西門子業務遍及全球，專注于服務樓宇和分布式能源系統的智能基礎設施，以及針對過程工業和制造業的自動化和數字化等領域。西門子致力于促進數字化世界和物理世界的融合，讓廣大客戶乃至全社會受益。通過其交通業務，西門子正幫助塑造全球客運和貨運服務市場。西門子交通業務是軌道和道路交通領域領先的智能交通解決方案供應商。憑借在上市公司西門子醫療的多數股權，西門子也是醫療科技和數字化醫療服務領域全球領先的供應商。此外，西門子持有西門子能源的少數股權，西門子能源是全球輸電和發電領域的領軍企業，自2020年9月28日起在證券交易所上市。西門子自1872年進入中國，近150年來始終以創新的技術、卓越的解決方案和產品堅持不懈地對中國的發展提供全面支持。2020財年（2019年10月1日至2020年9月30日），西門子在中國的總營收達到73億歐元，擁有超過3萬名員工。西門子已經發展成為中國社會和經濟不可分割的一部分，并竭誠與中國攜手合作，共同致力于實現可持續發展。如需了解詳細信息，請訪問www.siemens.com.cn。
