鋼鐵制造業(yè)基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

◆王子鳴 / 文

鋼鐵制造業(yè)基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

◆王子鳴 / 文

系統(tǒng)地闡述了鋼鐵制造業(yè)基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計應(yīng)用，并介紹了制造企業(yè)CAD設(shè)計和系統(tǒng)工程的應(yīng)用。通過結(jié)合航天飛行器、本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠的案例證明鋼鐵制造業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的可行性，以幫助鋼鐵制造業(yè)解決設(shè)計、研發(fā)上的難題。

鋼鐵制造業(yè)；系統(tǒng)工程；CAD設(shè)計；研究

對制造領(lǐng)域的研究，可以通過系統(tǒng)工程和CAD設(shè)計來進(jìn)行；而航天飛行器制造引領(lǐng)傳統(tǒng)制造的發(fā)展。因而鋼鐵企業(yè)工藝、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計等的研究，也可使用這一方法，且系統(tǒng)工程和CAD設(shè)計是流程優(yōu)化、改進(jìn)等的核心技術(shù)，尤其是在備件結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備裝配、控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程開發(fā)等上。它通過基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的實際應(yīng)用，可有效、快捷地完成相關(guān)項目、設(shè)計或研究等。

1　制造企業(yè)CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

CAD設(shè)計可以幫助研究人員：進(jìn)行大量的計算、分析和比較，以決定最優(yōu)設(shè)計方案；存儲大量的設(shè)計信息，并能快速地檢索；充分利用CAD設(shè)計的各種軟件，如AutoCAD、CAXA、CATIA、Creo、UML等，進(jìn)行編輯、修改等操作；大幅度地降低工作量和成本，提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量。

CAD設(shè)計主要應(yīng)用于計算機制圖、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、工業(yè)控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程開發(fā)等。

在沒有實施CAD設(shè)計之前，制圖需要手繪，且難以達(dá)到高精度的計算、測量，浪費大量的人力、物力等資源；對于大規(guī)模的設(shè)計，手工制圖是一項浩大的工程且需要嚴(yán)密的組織計劃。

1.1航天飛行器制造業(yè)CAD設(shè)計的應(yīng)用

美國洛克希德?馬丁公司“臭鼬工廠”開發(fā)的產(chǎn)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設(shè)計。我國飛機制造起步晚些，但使用CAD/CAM技術(shù)也毫不遜色，如轟-6、殲-10、殲-15、殲-20、殲-31等。飛機常用的CAD設(shè)計軟件包括CATIA、Siemens PLM Software等。航天飛行器制造業(yè)引領(lǐng)制造業(yè)發(fā)展，因而鋼鐵制造業(yè)實施CAD設(shè)計是完全可行的。

1.2鋼鐵制造業(yè)CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

在鋼鐵制造業(yè)，無論是機械、電氣、電子、建筑等設(shè)計，還是大的總體架構(gòu)或小規(guī)格、尺寸設(shè)計，亦或是軟件流程、結(jié)構(gòu)設(shè)計，都可充分使用CAD設(shè)計。在現(xiàn)階段，本鋼應(yīng)用CAD設(shè)計已經(jīng)甚是廣泛，常用設(shè)計軟件有AutoCAD、CAXA、UML等。企業(yè)在鏈箅機張緊輪、回轉(zhuǎn)窯支座制圖中已運用CAD設(shè)計。

我們知道，低精度、低規(guī)格的設(shè)計易造成生產(chǎn)、設(shè)備故障、停機不斷，每年我國各鋼鐵企業(yè)均更換大量的備件，造成的故障、停機及引起的浪費實在是太多。目前，在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)，寶鋼、首鋼等在提高備件質(zhì)量、改良結(jié)構(gòu)設(shè)計上有重大變革和創(chuàng)新，其它鋼廠模仿、跟風(fēng)、小改小革居多，大規(guī)模設(shè)計和自主創(chuàng)新較少。同樣，對大型業(yè)務(wù)流程開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等也是如此。因而，進(jìn)行大型CAD設(shè)計是眾望所歸。

2　制造企業(yè)系統(tǒng)工程的應(yīng)用研究

系統(tǒng)工程是指用定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)思想和方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問題，是系統(tǒng)方法運用的大型化和規(guī)范化，將不同學(xué)科聯(lián)系和整合起來。系統(tǒng)工程尤其在復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)中，能充分解決不同角色、領(lǐng)域總體之間的協(xié)作和沖突，且在高端質(zhì)量、技術(shù)的攻關(guān)上起著決定性作用。

系統(tǒng)工程可以應(yīng)用到所有的制造業(yè)。制造企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)工程，要基于需求的思想展開設(shè)計或開發(fā)的思路，從架構(gòu)設(shè)計入手，不斷迭代、優(yōu)化和改進(jìn)，再對部分、具體部件進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)工程可以與計劃評審技術(shù)、圖解評審技術(shù)等方法結(jié)合使用。

技術(shù)、質(zhì)量、結(jié)構(gòu)等專業(yè)領(lǐng)域的諸多應(yīng)用工具、方法都是由系統(tǒng)方法導(dǎo)出的，因而系統(tǒng)工程可頻繁地使用系統(tǒng)方法。

2.1航天飛行器制造業(yè)系統(tǒng)工程的應(yīng)用研究

以20世紀(jì)60年代洛克希德?馬丁公司秘密部門“臭鼬工廠”研制的U-2偵察機為例，它被擊落5次，雖然不斷改造，增補功能，提高性能，可也只是事后的糾正措施，無法提防敵方或?qū)κ值募夹g(shù)升級帶來的威脅，它最終退出了歷史的舞臺。U-2的設(shè)計捕捉現(xiàn)實顧客需求并不完善（飛機的功能、性能缺陷未及時暴露或更新太慢），沒有挖掘到潛在客戶的需求（對方的導(dǎo)彈系統(tǒng)性能如何等），以及如何有效應(yīng)對變更（飛機系統(tǒng)進(jìn)行動作、設(shè)置、改進(jìn)），這表明大型CAD設(shè)計需要系統(tǒng)工程來支持。

我國航天制造對系統(tǒng)工程的應(yīng)用也是很廣泛的。如殲-10飛機的工程實施過程是涉及100多個參研單位、二十多個部委和行業(yè)的國家重點工程，工程計劃的制定、技術(shù)方案的確定等管理保障都屬于系統(tǒng)工程的范疇；再如，我國主導(dǎo)的人造衛(wèi)星、登月器的研制，涉及到許多專業(yè)/領(lǐng)域、企業(yè)/部門、計劃/技術(shù)方案，也充分利用了系統(tǒng)工程。

2.2鋼鐵制造業(yè)系統(tǒng)工程的應(yīng)用研究

系統(tǒng)工程可以應(yīng)用到所有的制造業(yè)。鋼鐵制造企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)方法，要基于需求的思想展開開發(fā)或設(shè)計的思路，從架構(gòu)設(shè)計入手，不斷迭代、優(yōu)化和改進(jìn)，再對部分、具體部件進(jìn)行設(shè)計。在鋼鐵生產(chǎn)、制造的關(guān)鍵工序中，應(yīng)用系統(tǒng)工程可利用數(shù)據(jù)獲得知識和對業(yè)務(wù)最佳決策，且節(jié)省大量的時間、成本。以下為筆者對本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠應(yīng)用系統(tǒng)工程的舉例。

1）從鏈箅機箅床的設(shè)備維護(hù)著手，應(yīng)用系統(tǒng)工程分析，見圖1。

圖1　箅床維護(hù)狀態(tài)機圖

2）對球團(tuán)礦不合格品控制，應(yīng)用系統(tǒng)工程分析，見圖2。

3）對本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠鏈箅機干返料量物料平衡應(yīng)用系統(tǒng)工程分析，可得：

圖2　球團(tuán)礦不合格品控制活動圖

4）對礦產(chǎn)品廠生球爆裂量應(yīng)用系統(tǒng)工程分析，可得：

5）2012年5月礦產(chǎn)品廠自控系統(tǒng)（Simatic Wincc）的升級、改造體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的思想。

6）本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠的計劃檢修、大修都需要制定備件、點檢計劃，需要機動科、各車間的參與和協(xié)調(diào)，應(yīng)用了系統(tǒng)工程。

3　鋼鐵制造業(yè)基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

3.1鋼鐵制造業(yè)基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的應(yīng)用研究

無論是在高端領(lǐng)域如航天、造船、武器的高端研制，還是一般或傳統(tǒng)的制造，若想進(jìn)行高質(zhì)量、高效率的設(shè)計，一定離不開系統(tǒng)工程和CAD設(shè)計。而作為傳統(tǒng)企業(yè)的鋼鐵制造業(yè)，更應(yīng)效法軍工企業(yè)的基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計，更應(yīng)側(cè)重于整體、架構(gòu)設(shè)計和單元、模塊設(shè)計，更應(yīng)側(cè)重于系統(tǒng)方法的使用，降低研發(fā)的復(fù)雜度和提高質(zhì)量，能很容易地和敏捷生產(chǎn)、制造融合，從而幫助改進(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu)、備件材質(zhì)、備件選型，并能有效地將機械、電氣、熱力、流體、動力等學(xué)科有機結(jié)合。

筆者演繹出三種設(shè)計流程：自頂向下設(shè)計、自底向上設(shè)計和混合型設(shè)計。自頂向下設(shè)計先從整體、架構(gòu)設(shè)計入手，過程為“系統(tǒng)→子系統(tǒng)→單元、模塊化→細(xì)化→設(shè)計信息輸入→處理→設(shè)計信息輸出”。自底向上設(shè)計從捕捉設(shè)計輸出信息入手，過程為“設(shè)計信息輸出→逆向運算→設(shè)計信息輸入→建模→集成→子系統(tǒng)→系統(tǒng)”。混合型設(shè)計則是自頂向下和自底向上的結(jié)合體。但無論是采用哪種類型的流程設(shè)計，測試都要從用戶需求階段開始，這一點與軟件開發(fā)測試流程有些相似。對于大型研發(fā)項目，要盡量保證敏捷、TRIZ、精益和六西格瑪?shù)确椒ㄅc其結(jié)合使用。

實施基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的可行性是很高的。第一，系統(tǒng)工程可以容許各種系統(tǒng)方法的使用，且系統(tǒng)方法的應(yīng)用都可以從成功案例中獲得。第二，對于系統(tǒng)工程、CAD設(shè)計的學(xué)習(xí)、應(yīng)用、研究不是很難，工具的使用也不是問題。第三，CAD設(shè)計的各種軟件的工具完備、功能全面，且應(yīng)用都很廣，如AutoCAD 2013、CAXA2013、Creo3.0、Enterprise Architect 10、CATIA V5等軟件。第四，應(yīng)用初期是需要進(jìn)行一定的投入，但是真正實施起來后就可大幅降低人力資源和成本消耗。

對基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的要求是很明確的。首先，在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行CAD設(shè)計，要保證不受過多的約束，同時要保證投入成本和設(shè)計質(zhì)量。其次，在進(jìn)行CAD設(shè)計的同時，要保證各單元、模塊的兼容性，設(shè)計思路要縝密和盡量發(fā)散。最后，多注意系統(tǒng)工程（系統(tǒng)方法）的應(yīng)用，以靈活的方式將系統(tǒng)工程和CAD設(shè)計進(jìn)行融合。

實施基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計注意事項有三點。第一，系統(tǒng)分解要到位且要簡練，系統(tǒng)設(shè)計要把握顧客現(xiàn)實需求和潛在客戶的要求。第二，要控制各子系統(tǒng)之間的接口開發(fā)，提高各單元、模塊的獨立性，注意模塊間的信息聯(lián)系。第三，要把握設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法，注意設(shè)計結(jié)果要符合要求、設(shè)計輸入、預(yù)期用途和用戶體驗。

一般來說，鋼鐵制造業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計主要在流程優(yōu)化、備件結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備裝配、大型控制系統(tǒng)開發(fā)、人機交互設(shè)計等方面。而隨著設(shè)計、裝配精度、物理特性等的不斷提高，CAD設(shè)計要逐步實現(xiàn)數(shù)字化。

3.2本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計應(yīng)用分析

1）本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠柴油管理流程設(shè)計

礦產(chǎn)品廠柴油管理系統(tǒng)包括5個部分：油庫領(lǐng)油、廠內(nèi)卸油、廠內(nèi)領(lǐng)取、廠內(nèi)使用、閉環(huán)管理。以其中的廠內(nèi)閉環(huán)管理模塊流程圖設(shè)計為例，見圖3。

2）從事多工種、多任務(wù)的工作，要求質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、系統(tǒng)化強、要求做細(xì)做強，如設(shè)計、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、質(zhì)量、研究等，且可依靠CAD設(shè)計的工程項目等，則通過基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計可大幅提高質(zhì)量，縮短工期，降低成本，改善運營環(huán)境。

3）企業(yè)信息化項目，如虛擬化、MES、信息協(xié)作系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等的開發(fā)，對程序流程圖、數(shù)據(jù)流圖進(jìn)行CAD設(shè)計，通過系統(tǒng)工程進(jìn)行統(tǒng)一部署。

圖3　柴油閉環(huán)管理流程圖

4）大型設(shè)備制圖和裝配應(yīng)充分利用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計思想，如礦產(chǎn)品廠造球、三大主機等結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配。

4　結(jié)論

綜上所述，研究結(jié)果表明：

1）鋼鐵制造業(yè)應(yīng)用CAD設(shè)計是可行和有效的；

2）鋼鐵制造業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)工程是可行和有效的；

3）鋼鐵制造業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計是可行的、有章可循的和有效的。

通過研究，能方便、有效地解決鋼鐵制造業(yè)的項目、設(shè)計或研究等。但是，筆者只是依據(jù)航天飛行器和長期在本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠的經(jīng)驗，且對鋼鐵制造業(yè)的流程、設(shè)計等的研究還比較粗淺，還需要聽取行業(yè)專家、學(xué)者等的寶貴意見，并進(jìn)行更正、改進(jìn)，從而向其它鋼鐵制造業(yè)單位推廣此法。

（略）

（作者單位：本鋼礦業(yè)礦產(chǎn)品廠）