沈阳机床中捷立加的协同设计

沈阳机床综合运营总部 刘士玉 任大鹏

数控机床是电子信息与传统机床技术相结合的机床一体化产品。数控机床设计融合了机、电、液、气等工程学科，是系统性工程。

传统的机床设计是由设计主管（项目负责人）根据企业决策即机床设计任务书的总体要求来组织实施的。设计主管一般由机械工程师担任。设计过程中，设计主管主要担负机床总体结构设计、参数的确定，机床总体性能、精度的确定，机床重点功能部件的选定，对电气系统提出功能要求，指导其他部件设计员设计，实施由上而下的组织管理流程。所有的设计员集中在技术部门实施设计，和外界合作少、交流更少，用 “闭门造车”四个字来形容虽然有些夸张，但却很实际。如立式加工中心的设计，要求主管设计员首先确定机床的主要结构并绘制相应的机床结构图，确定机床的总体尺寸，各部分的相对位置、相互关系等；确定机床的参数，如主轴转速、进给速度、工作台尺寸、快移速度、机床主要的精度指标等；确定系统、丝杠、导轨、轴承等主要外购件的厂家、规格型号等消息。各部件设计员根据设计主管的要求展开工作，完成详细的部件设计工作。传统的机床设计存在设计、生产周期长，产品更新换代慢，不能快速响应客户需求的弊端。

设计主管致力于对于机床结构与性能的追求，而成本意识相对淡泊，往往根据经验对机床进行估价，然而成本＝铸件+系统+外购件+电气+液压润滑件+制造成本+管理人工，很难科学地把握机床具体的价格和获利空间。

沈阳机床所属的中捷立加事业部采用全新的协同设计理念而展现设计，实施跨职能的内部协同和跨组织的外部协同设计，实现用合理的设计控制机床成本、稳定产品质量。

一、跨职能的内部协同

2008年，中捷立加事业部根据市场需求状态、通过市场分析认为，文教科研、普通机械加工等行业使用的经济型立加产品将成为竞争焦点，经济型占立加需求的30%市场份额（见图1），而立加事业部在经济型领域还没有开发相应产品，于是决定开发VMC850E系列经济型产品。

1.以市场为导向，实施设计成本倒推

按竞争对手的销售价格，确定850E系列产品市场售价和目标成本。850规格经济型立加（见图2）的主要市场竞争对手是汉川、大连、宝鸡和其他国内机床企业。首先分析竞争对手产品结构、性能及价格。通过分析认定，这些机床厂家的立加产品共同的特点是，使用昆明台正机械有限公司等企业生产的立加光机、配置数控系统、电气原件和整机防护，实施OEM式的生产组织。通过预测，认定850规格立加竞争对手的产品价格为：光机＋数控系统＋钣金件＋电气原件＋毛利＝最低售价P1。

图1

图2

中捷立加事业部依此为依据，结合本事业部综合管理费用水平，确定目标销售价为竞争对手最低售价P1，毛利率设定为X1，管理费用率设定为X2，最终控制目标成本价为：目标成本价P2＝P1×（1-X1-X2）。

设计的出发点是实现利润目标，机床的总成本为P2，一切设计工作依此为基础，协同实施展开。但在实践中数控系统、钣金件和电气原件等外购件的价格是相对固定的、降价空间有限，设计中的成本只能从自身的制造、外协中想办法。

2.三维产品设计优化产品价值链

开发设计中全部应用CAD技术，在机床整机的优化设计和关键件设计中应用SolidWorks、Solidedge、Pro/E等三维CAD软件和Visual Nastran、ANSYS工程分析等软件，在产品设计阶段采用实体建模、虚拟装配、静动力学特性有限元分析、系统动态仿真等技术，增加了零件及结构设计的合理性，减少产品在生产和装配过程中的差错，提高了设计工作的质量和效率，降低了产品开发研制成本。

三维设计系统具有可视化好、形象直观、设计效率高和支持并行工程等优点。利用三维实体软件对VMC850E的整机和主要部件进行几何建模。在此过程中，可利用数学方法和计算机手段实现主要结构件的形状和尺寸优化，同时对主要功能部件特性实施优化，如主轴部件中主轴的支距及其静动态特性；伺服进给系统的驱动特性和响应特性等；机床重点零部件 (主轴、丝杠、导轨、工作台等)进行设计计算和校核计算，以保证计算的准确性和快速性；三维设计使得庞杂的管线排布在设计环节得以彻底的解决。设计样图如图3所示。

图3

虚拟装配模拟产品三维装配过程，以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。在对VMC850E的床身、滑座、主传动系统、进给传动系统、装卡系统，分别建立模型（如图4所示），并在虚拟工件和刀具的基础上，可利用虚拟装配技术，得到虚拟数控模型。实施全局干涉检查、运动分析、有限元分析，可减少设计差错，提高设计质量，自动生成BOM，避免错漏零部件。因此，在设计阶段就使得产品的成本和出错率降到最低，最终使产品的生产周期大大缩短，实现快速投放市场。

图4

3.控制铸件重量，降低成本

铸件在机械产品中占有很大的比重。铸件主要用作机器零部件的毛坯，大部分结构件和主要部件都是以铸件为坯料的。铸件约占机床体积和重量的70%，机床铸件质量的好坏，对机床整机质量、寿命、精度保持性都有着至关重要影响。立加的铸件包括床身、工作台、立柱、横梁、滑座、主轴箱等。机床的铸件采用树脂砂、实型铸造，材质采用HT250、HT300或球墨铸铁。

图5

原材料价格的不断上涨是机床制造商不得不面对的难题。在产品充分市场竞争的前提下，立加产品很难通过提高价格，将价格上涨因素传导到下游用户，企业只能自我消化原材料涨价所造成的压力。财务对铸件成本的核算通常是以重量为基础进行的，通过设计常减少钢材使用量，合理使用铸件重量成为各个企业必选的办法。铸件的结构设计不仅要考虑使用的要求，还必须考虑铸造工艺及铸造性能的要求。中捷立加事业部协同银丰铸造事业部的铸造工艺人员一同实施铸件设计。立加的设计员完成铸件的结构设计，而银丰铸造的工艺员规划铸件的工艺性。如图5的立加立柱和主轴箱的设计，均采用箱式结构，合理布局内部筋型结构和有效的支撑点，保证铸件刚性，减少设计重量；另外以精确的有限元分析为依据，合理地设计铸件结构，减少铸件厚度，简化铸造工艺、改善铸件质量，减少铸件加工余量，实现了降低生产成本、稳定质量、提高生产加工效率的目的。

4.工艺协同，降低机加成本

传统的机床设计是以设计优先，在满足机床功能的前提下，设计员首先设计机床结构，完成设计图样后，由工艺员编制生产、加工工艺，指导车间生产与装配。但 “术业有专攻、学科有区别”，设计员很难全面了解机床各个部件的加工、装配环节，而工艺员对机床结构了解也不全面。

为便于加工，减少调整点，方便装配，提升效率，立加事业部引入协同理念，把工艺前置，工艺员与设计员一起实施设计。工艺员借助CAM、CAPP软件，对设计模型实施工艺预生产。其内容涉及：核准零件尺寸、公差及精度等加工要求、设定毛坯、确定工件装卡方式、选择加工刀具、确定加工方法、确定加工工艺路线、设定工艺参数等。例如在VMC850E床身（见图6）设计中，工艺员建议床身结构设计为斜面结构便于废屑收集，床身侧面无加工面,只加工上面，在实际加工中，利用龙门加工中心可一次装卡，完成床身上面的全部加工工序。为减少换刀车间工艺员提出将床身上螺纹孔尺寸尽量统一，设计人员通过分析采纳了这一建议，将螺纹孔集中在M8、M12等几个规格。实践证明不仅加工时减少了换刀时间，而且简化了刀具管理，最大的好处是减少了刀具的采购种类，通过批量订货降低了刀具采购费用。

图6

5.防护协同设计

机床防护设计是集工业造型、人机功能学于一起的学科。当今的机床产品，正摆脱傻、大、粗、笨的陈旧外观，人们对产品的要求已不满足于结实耐用的可靠性方面，而且对产品外观美、材料精、工艺细乃至色彩感觉、均衡变化、富于个性等更多的方面都提出了越来越高的审美要求。

安全防护包括两个方面：一是对机床工作部件如运动导轨、丝杠、电机等的防尘、防屑、防污和防磁保护；其二是防止高速加工过程中物体 (如铁屑、冷却液和刀具碎片等)从加工区中飞出，对人身安全造成危害。对高速加工而言，这两方面的保护都很重要，尤其是后者——对人身安全的保护，因为，切屑、刀具碎片由于装夹或安装不牢而从高速主轴上飞出，其速度将达到180～300km/h，若打在人体上足以造成人体伤害！

机床防护的主体是钣金，钣金的成型作为独立的学科，机械设计员很少有深入研究的。为此立加事业部协同板焊事业部的防护设计员一同实施协同设计。设计之初，中捷立加事业部提出了机床防护罩在板焊事业部预装、整体调运的要求，以彻底解决机床 “跑、冒、滴、漏”的发生，机床防护罩预装、整体调运是沈阳机床的第一次尝试。在防护设计中，针对机床常见事故进行分析，结合防护钣金工艺展开防护设计。

在机床外防护设计时，首先分析主要竞争对手立式加工中心的外观，确定采用棱型设计——机床界的主流外观形式，实现机床外观时尚、简洁、紧凑、实用的目的；机床的整体外防护设计采用三维软件进行钣金造型，然后进行装配干涉检验,采用通用有限元分析软件，对防护变形问题进行了数值模拟，合理布置防护的内部结构，实现了最初设计目的。设计实例如图7所示。

图7

6.模块化设计，实现产品通用化、系列化

中捷立加事业部在进行机床设计时，针对不同的机械、电气设计部分，总体上继承了原有的模式，事业部R、E、B、P和S五大系列机床的设计均有对应负责的产品经理。但是，立加在进行产品设计时已经植入了协同理念。这主要体现在两个方面：其一，设计人员主动考虑是否能将外形或功能相近的零部件做成通用的；其二，尽管使用通用件、标准件会增加产品设计的困难，但是，设计人员只要能够使用通用件、标准件，就绝不使用专用件，使用专用件时要有主管副总签字。

另外，中捷立加事业部协同设计中还有一点值得称道的是，设计员主动配合新产品生产制造和客户需求来进协同产品设计。这样设计出来的产品不但能够贴近市场，而且还便于制造部门的装配，保证工作效率。

图8

中捷立加事业部零部件通用化得以实现有两个关键条件：其一，可通用部位零部件的外形尺寸和技术参数设计成相近；其二，通用件产销量大，能够满足大量订购的要求。

例如：中捷立加事业部全系列产品的三轴电机座、轴承、丝杠座的实现了通用化，最初由于各部件分属不同的设计员设计，导致三轴驱动结构（见图8）大同小异，零件结构也相近，但零件的不统一，给工艺编程、加工带来极大的不便，根据制造车间的反应设计部门发现的，只有将相近零件的尺寸稍作调整，就可实现统一化。三轴电机座、轴承、丝杠座的通用，实现加工程序的统一，刀具、卡具的一致，极大地提高了加工效率。

二、跨组织与供应商一起实施外部协同设计

立加事业部积极开展与外部供应商的外部协同设计，如，VMC850E立式加工中心三轴采用直线导轨结构，导轨压块用于使导轨靠近侧基准面，消除导轨轴向弯曲带来的影响，压块调整导轨的直线度。设计之初采用了30°斜度的金属压块。金属压块是立加中最小的、最容易忽略的零件，但用量大、制造成本较高。

技术部发现，其他竞争对手立加产品使用的粉末冶金压块，立加事业部决定借鉴到了这一优点并引入到自身的产品中。首先立加事业部将三轴原本不同规格的导轨压块通用为同一规格，要求供应商提供的是30°的粉末冶金压块，但供应商限于自身的技术水平无法提供。在保证原有金属压块技术参数的前提下，经立加事业部和供应商的共同设计，供应商提出粉末冶金压块模具的开模角应为7°～10°，而30°斜度的粉末冶金压块从技术上无法实现，最后双方达成一致使用8°的粉末冶金压块（见图9）。立加的这一做法体现了其在产品设计时与供应商之间的协同性。另外，此举可以为立加节约不少的成本。原来的一个金属压块市场价大概在12元左右，而一个粉末冶金压块的市场价只有4～5元左右。就VMC850E而言，单台共需压块86个，每台可以节约成本600元；立加事业部仅压块一项年需求约15万件，可节约成本100万。

图9

三、协同设计的成果

2008年，通过市场反馈及8月份以后的金融危机，迅速催化了E系列产品的诞生；2009年，E系列产品批量推向市场，以此为基础，经过三年的发展，完善了中捷立加事业部五大产品系列。

（1）R系列（Rapid）快捷型，TC500 TC700，机床特点：高速、高精、高可靠性，适用行业：3C产品、小型模具、汽车零部件等。

（2）E系列（Economy）经济型，性价比高、结构紧凑，VMC650E VMC850E；机床特点：节能、经济、实用；适用行业：适用于钻孔、高速攻丝、铣削、镗孔等各种通用行业机械加工。

（3）B系列（Base）经典型，VMC850B、VMC1000B、 VMC1100B、 VMC1300B VMC1600B、VMC2100B；机床特点：可靠、稳定、通用；适用行业：满足航空航天、汽车、铁路、IT、模具等各个行业的机械零件加工。

（4）P系列（Performance）卓越型，VMC850、VMC1000、VMC1100、VMC1300、 VMC1600；机床特点：高速、高精、高刚性；适用行业：航空航天、汽车、铁路、IT、模具等各个行业的机械零件加工。

（5）S系列（Strong）强力型，VMC2180C、VMC21100C；机床特点：重切削、高刚性、大承载；适用行业：箱体、壳体、模具、盘类零件的理想加工设备，充分满足重切削、大工件的要求。

2011年上半年立加系列产品产销突破1200台，其中850E系列产品突破800台，成为国内最大的专一经营立加系列产品企业。

四、结束语

沈阳机床中捷立加事业部的协同设计还有诸多方面的内容，由于作者水平有限，不再展开进一步的分析，其协同设计理论可简单概括为：以市场分析为突破口，科学分析，确定机床售价、目标成本，通过内外部的协同设计实现机床的最佳性价比。