钢铁制造业基于系统工程的CAD设计的应用研究

◆王子鸣 / 文

钢铁制造业基于系统工程的CAD设计的应用研究

◆王子鸣 / 文

系统地阐述了钢铁制造业基于系统工程的CAD设计应用，并介绍了制造企业CAD设计和系统工程的应用。通过结合航天飞行器、本钢矿业矿产品厂的案例证明钢铁制造业应用基于系统工程的CAD设计的可行性，以帮助钢铁制造业解决设计、研发上的难题。

钢铁制造业；系统工程；CAD设计；研究

对制造领域的研究，可以通过系统工程和CAD设计来进行；而航天飞行器制造引领传统制造的发展。因而钢铁企业工艺、质量、结构设计等的研究，也可使用这一方法，且系统工程和CAD设计是流程优化、改进等的核心技术，尤其是在备件结构设计、设备装配、控制系统业务流程开发等上。它通过基于系统工程的CAD设计的实际应用，可有效、快捷地完成相关项目、设计或研究等。

1　制造企业CAD设计的应用研究

CAD设计可以帮助研究人员：进行大量的计算、分析和比较，以决定最优设计方案；存储大量的设计信息，并能快速地检索；充分利用CAD设计的各种软件，如AutoCAD、CAXA、CATIA、Creo、UML等，进行编辑、修改等操作；大幅度地降低工作量和成本，提高工作效率和设计质量。

CAD设计主要应用于计算机制图、软件结构设计、工业控制系统业务流程开发等。

在没有实施CAD设计之前，制图需要手绘，且难以达到高精度的计算、测量，浪费大量的人力、物力等资源；对于大规模的设计，手工制图是一项浩大的工程且需要严密的组织计划。

1.1航天飞行器制造业CAD设计的应用

美国洛克希德☒马丁公司“臭鼬工厂”开发的产品都是尖端的，如U-2、SR-71、F-117、F-35II、F-22、RQ-170和SR-72，都充分利用大型化、集成化、尖端化、敏捷的CAD设计。我国飞机制造起步晚些，但使用CAD/CAM技术也毫不逊色，如轰-6、歼-10、歼-15、歼-20、歼-31等。飞机常用的CAD设计软件包括CATIA、Siemens PLM Software等。航天飞行器制造业引领制造业发展，因而钢铁制造业实施CAD设计是完全可行的。

1.2钢铁制造业CAD设计的应用研究

在钢铁制造业，无论是机械、电气、电子、建筑等设计，还是大的总体架构或小规格、尺寸设计，亦或是软件流程、结构设计，都可充分使用CAD设计。在现阶段，本钢应用CAD设计已经甚是广泛，常用设计软件有AutoCAD、CAXA、UML等。企业在链箅机张紧轮、回转窑支座制图中已运用CAD设计。

我们知道，低精度、低规格的设计易造成生产、设备故障、停机不断，每年我国各钢铁企业均更换大量的备件，造成的故障、停机及引起的浪费实在是太多。目前，在国内钢铁行业，宝钢、首钢等在提高备件质量、改良结构设计上有重大变革和创新，其它钢厂模仿、跟风、小改小革居多，大规模设计和自主创新较少。同样，对大型业务流程开发、结构设计等也是如此。因而，进行大型CAD设计是众望所归。

2　制造企业系统工程的应用研究

系统工程是指用定性和定量相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，是系统方法运用的大型化和规范化，将不同学科联系和整合起来。系统工程尤其在复杂产品开发中，能充分解决不同角色、领域总体之间的协作和冲突，且在高端质量、技术的攻关上起着决定性作用。

系统工程可以应用到所有的制造业。制造企业应用系统工程，要基于需求的思想展开设计或开发的思路，从架构设计入手，不断迭代、优化和改进，再对部分、具体部件进行设计。系统工程可以与计划评审技术、图解评审技术等方法结合使用。

技术、质量、结构等专业领域的诸多应用工具、方法都是由系统方法导出的，因而系统工程可频繁地使用系统方法。

2.1航天飞行器制造业系统工程的应用研究

以20世纪60年代洛克希德☒马丁公司秘密部门“臭鼬工厂”研制的U-2侦察机为例，它被击落5次，虽然不断改造，增补功能，提高性能，可也只是事后的纠正措施，无法提防敌方或对手的技术升级带来的威胁，它最终退出了历史的舞台。U-2的设计捕捉现实顾客需求并不完善（飞机的功能、性能缺陷未及时暴露或更新太慢），没有挖掘到潜在客户的需求（对方的导弹系统性能如何等），以及如何有效应对变更（飞机系统进行动作、设置、改进），这表明大型CAD设计需要系统工程来支持。

我国航天制造对系统工程的应用也是很广泛的。如歼-10飞机的工程实施过程是涉及100多个参研单位、二十多个部委和行业的国家重点工程，工程计划的制定、技术方案的确定等管理保障都属于系统工程的范畴；再如，我国主导的人造卫星、登月器的研制，涉及到许多专业/领域、企业/部门、计划/技术方案，也充分利用了系统工程。

2.2钢铁制造业系统工程的应用研究

系统工程可以应用到所有的制造业。钢铁制造企业应用系统方法，要基于需求的思想展开开发或设计的思路，从架构设计入手，不断迭代、优化和改进，再对部分、具体部件进行设计。在钢铁生产、制造的关键工序中，应用系统工程可利用数据获得知识和对业务最佳决策，且节省大量的时间、成本。以下为笔者对本钢矿业矿产品厂应用系统工程的举例。

1）从链箅机箅床的设备维护着手，应用系统工程分析，见图1。

图1　箅床维护状态机图

2）对球团矿不合格品控制，应用系统工程分析，见图2。

3）对本钢矿业矿产品厂链箅机干返料量物料平衡应用系统工程分析，可得：

图2　球团矿不合格品控制活动图

4）对矿产品厂生球爆裂量应用系统工程分析，可得：

5）2012年5月矿产品厂自控系统（Simatic Wincc）的升级、改造体现了系统工程的思想。

6）本钢矿业矿产品厂的计划检修、大修都需要制定备件、点检计划，需要机动科、各车间的参与和协调，应用了系统工程。

3　钢铁制造业基于系统工程的CAD设计的应用研究

3.1钢铁制造业基于系统工程的CAD设计的应用研究

无论是在高端领域如航天、造船、武器的高端研制，还是一般或传统的制造，若想进行高质量、高效率的设计，一定离不开系统工程和CAD设计。而作为传统企业的钢铁制造业，更应效法军工企业的基于系统工程的CAD设计，更应侧重于整体、架构设计和单元、模块设计，更应侧重于系统方法的使用，降低研发的复杂度和提高质量，能很容易地和敏捷生产、制造融合，从而帮助改进设计结构、备件材质、备件选型，并能有效地将机械、电气、热力、流体、动力等学科有机结合。

笔者演绎出三种设计流程：自顶向下设计、自底向上设计和混合型设计。自顶向下设计先从整体、架构设计入手，过程为“系统→子系统→单元、模块化→细化→设计信息输入→处理→设计信息输出”。自底向上设计从捕捉设计输出信息入手，过程为“设计信息输出→逆向运算→设计信息输入→建模→集成→子系统→系统”。混合型设计则是自顶向下和自底向上的结合体。但无论是采用哪种类型的流程设计，测试都要从用户需求阶段开始，这一点与软件开发测试流程有些相似。对于大型研发项目，要尽量保证敏捷、TRIZ、精益和六西格玛等方法与其结合使用。

实施基于系统工程的CAD设计的可行性是很高的。第一，系统工程可以容许各种系统方法的使用，且系统方法的应用都可以从成功案例中获得。第二，对于系统工程、CAD设计的学习、应用、研究不是很难，工具的使用也不是问题。第三，CAD设计的各种软件的工具完备、功能全面，且应用都很广，如AutoCAD 2013、CAXA2013、Creo3.0、Enterprise Architect 10、CATIA V5等软件。第四，应用初期是需要进行一定的投入，但是真正实施起来后就可大幅降低人力资源和成本消耗。

对基于系统工程的CAD设计的要求是很明确的。首先，在系统工程的基础上进行CAD设计，要保证不受过多的约束，同时要保证投入成本和设计质量。其次，在进行CAD设计的同时，要保证各单元、模块的兼容性，设计思路要缜密和尽量发散。最后，多注意系统工程（系统方法）的应用，以灵活的方式将系统工程和CAD设计进行融合。

实施基于系统工程的CAD设计注意事项有三点。第一，系统分解要到位且要简练，系统设计要把握顾客现实需求和潜在客户的要求。第二，要控制各子系统之间的接口开发，提高各单元、模块的独立性，注意模块间的信息联系。第三，要把握设计的数据结构和算法，注意设计结果要符合要求、设计输入、预期用途和用户体验。

一般来说，钢铁制造业应用基于系统工程的CAD设计主要在流程优化、备件结构设计、设备装配、大型控制系统开发、人机交互设计等方面。而随着设计、装配精度、物理特性等的不断提高，CAD设计要逐步实现数字化。

3.2本钢矿业矿产品厂基于系统工程的CAD设计应用分析

1）本钢矿业矿产品厂柴油管理流程设计

矿产品厂柴油管理系统包括5个部分：油库领油、厂内卸油、厂内领取、厂内使用、闭环管理。以其中的厂内闭环管理模块流程图设计为例，见图3。

2）从事多工种、多任务的工作，要求质量标准高、系统化强、要求做细做强，如设计、结构、材质、质量、研究等，且可依靠CAD设计的工程项目等，则通过基于系统工程的CAD设计可大幅提高质量，缩短工期，降低成本，改善运营环境。

3）企业信息化项目，如虚拟化、MES、信息协作系统、管理系统等的开发，对程序流程图、数据流图进行CAD设计，通过系统工程进行统一部署。

图3　柴油闭环管理流程图

4）大型设备制图和装配应充分利用基于系统工程的CAD设计思想，如矿产品厂造球、三大主机等结构设计、装配。

4　结论

综上所述，研究结果表明：

1）钢铁制造业应用CAD设计是可行和有效的；

2）钢铁制造业应用系统工程是可行和有效的；

3）钢铁制造业应用基于系统工程的CAD设计是可行的、有章可循的和有效的。

通过研究，能方便、有效地解决钢铁制造业的项目、设计或研究等。但是，笔者只是依据航天飞行器和长期在本钢矿业矿产品厂的经验，且对钢铁制造业的流程、设计等的研究还比较粗浅，还需要听取行业专家、学者等的宝贵意见，并进行更正、改进，从而向其它钢铁制造业单位推广此法。

（略）

（作者单位：本钢矿业矿产品厂）