全域PDM數字化設計樹立輪軸設計新標桿

一、引言

在全球制造業智能化轉型的大背景下，（下簡稱“馬鋼交材”）始終秉持“綠色發展、智慧制造”的發展戰略，持續推進自身的創新發展。

工業產品的研發和設計創新是制造業創新鏈的起點和價值鏈的源頭，對于制造企業增強創新能力、提升產品競爭力、改善用戶體驗以及推動制造業可持續發展具有重要意義，也是制造產業升級和轉型的關鍵因素之一。

因此建設全域PDM（Product Data Management，產品數據管理）數字化設計中心，是馬鋼交材“智慧制造”戰略轉型過程中的關鍵一步。2021年馬鋼交材率先建成國內首個針對輪軸行業的全域PDM數字化設計中心，為智慧制造戰略落地奠定了堅實基礎。這標志著馬鋼交材在提升產品研發和設計效率、優化流程管理和加強數據共享方面取得了顯著進展，樹立了輪軸行業設計業務數字化的標桿。

二、傳統數字化設計系統面臨挑戰

經過60多年的積淀，馬鋼交材已成長為集材料研究、研發設計、制造、服務于一體的高科技企業，在高速輪軸、城軌低噪音輪軸、重載輪軸及大功率機車輪軸等領域，已經具備全譜系、全標準的制造和服務能力。然而，隨著國內外市場競爭的日益激烈以及客戶需求的多樣化，傳統的設計系統逐漸暴露出諸多不足之處。主要體現在以下幾個方面。

（一）手工設計效率低下

長期以來，馬鋼交材的設計業務管理模式高度依賴于線下協調和手工繪制圖紙。這種做法不僅耗時費力，還極大地依賴工程師的個人經驗，導致無法快速響應大量訂單的設計需求，難以滿足快速變化的市場需求。比如一份車輪軋制工藝以往需要一名工程師投入一周時間完成，設計質量對經驗依賴程度高，設計結果和設計過程未實現數字化，導致設計糾錯、設計復用難度大。

（二）數據管理分散且不規范

缺乏統一的數據管理平臺，大量設計資料由個人保管，版本控制混亂，信息難以共享，也增加了數據丟失的風險。此外，不同部門間的數據孤島現象嚴重，阻礙了企業內部數據資源的有效整合。

（三）智能化水平不足

盡管已初步建立了數字化設計系統，但該系統僅能支持二維設計和基本工藝標準的制定，缺少智能仿真設計功能，無法為產品研發提供強有力的技術支撐。與國際先進企業的設計模塊存在明顯差距，比如設計效率低下，導致設計和研發周期過長等。

（四）設計業務管理效率低

設計業務的線下簽審流程，嚴重增加管理和業務流程的時間成本、人力成本。面對上述問題，馬鋼交材迫切需要引入創新的數字技術來提升自身的設計能力和市場競爭力。

三、建設目標和方案選型

（一）建設目標

馬鋼交材全域PDM數字化設計中心的建設目標，是針對車輪等產品的設計業務及管理的數字化需求，打造智能化協同研發平臺，實現產品設計的“數字孿生”，提高設計效率和設計質量，滿足生產運營管理精細化和智能化發展需要，提升創新能力；并新建以PDM系統為數據管理平臺、集成AutoCAD、NX等多種二次開發CAX軟件的數字化設計系統。

該系統需要覆蓋詢單設計、參數化三維產品設計、物料、BOM及工藝設計、設計工程仿真、數控編程、項目管理等全流程設計業務領域；功能涵蓋車輪參數化三維設計、車軸參數化三維設計、熱成形坯形模具自動化設計、工藝集成仿真、售前管理、編碼管理、BOM管理、圖檔管理、工藝管理、流程管理、任務管理、項目管理、變更管理等；實現產品三維參數化設計，工藝設計參數化、自動化，工程仿真集成化，工藝數據管理轉向數字化，以及項目管理等業務的數字化。

（二）方案選型

在經過多方考察之后，馬鋼交材最終采用以國產PDM系統為數據管理系統，集成基于AutoCAD開發的車輪成形智能設計系統、基于NX開發的輪軸產品參數化三維設計系統，以及車輪加工仿真、車輪加工編程等軟件系統，形成自己的數字化設計系統，并與上下游數據系統進行集成，實現數據同源管理和共享應用（見圖1）。

馬鋼交材數字化設計系統包括如下六個功能模塊。

1.詢單管理

可以與產銷系統銷售模塊對接，處理和流轉詢單任務，支持詢單流程各階段、各節點和詢單狀態跟蹤，支持詢單文件傳輸，支持模板嵌入式成本測算和保密管理。

2.物料（零部件）管理

建立物料庫，記錄和管控產品、零部組件物料信息。以物料作為數字化設計中設計業務的主要對象和設計結果數據的主要載體。設計了以物料—BOM—工藝路線三位一體的、多維度物料定義方法和物料數據管理模式，實現物料物料管理、BOM管理、工藝路線管理，配套實施物料編碼管理、工藝路線庫管理、工序和設備組基礎庫管理等。

3.參數化產品三維建模

集成NX進行二次開發，在模型模板和特征結構庫基礎上，實現參數化產品三維建模設計，設計產物傳輸PDM系統簽審管理。

4.“一鍵式”熱成形工藝設計

集成CAD進行二次開發，以NX建模輸出物為輸入，結合工藝知識庫，實現自動化熱成形工藝設計，設計產物傳輸PDM系統簽審管理。

5.技術文件管理

支持技術文件分類和編碼管理，支持文件簽審管理，支持文件變更和版本管理。支持模板化、基于知識庫模型的工藝“一鍵式”生成。

6.項目管理

實施項目模板管理、項目計劃管理、任務輸入輸出物管理等。

四、統籌規劃、分步實施

為了成功打造先進的數字化設計系統，馬鋼交材遵循“統籌規劃、分步實施”的原則，制定了詳盡的項目實施方案。整個過程可以分為以下三個階段：

（一）基礎架構搭建（2020年）

在第一階段，公司重點完成了信息化基礎設施的升級，并啟動了首批核心系統的開發工作。主要包括：建立以PDM為核心的產品數據管理系統，確保所有設計文件及相關信息能夠集中存儲并得到有效管理；引入基于AutoCAD的車輪成形智能設計軟件，實現部分關鍵工序的自動化處理；開發NX平臺下的輪軸產品參數化三維建模工具，提高模型生成的速度與準確性；構建覆蓋詢單處理、物料清單維護、BOM編制等功能的基礎業務流程框架。

（二）功能拓展與優化（2021年）

進入第二階段后，馬鋼交材開始逐步豐富和完善數字化設計中心的各項功能，力求達到更高的應用水平。具體措施包括但不限于：擴展PDM系統與其他上下游信息系統之間的接口連接，形成完整的數據流轉鏈條；深化CAD/CAM集成應用，推進數控編程自動化進程；加強工程仿真能力，利用虛擬現實技術模擬實際生產環境中的各種情況，從而提前發現潛在問題并加以解決；引入更先進的質量控制系統，通過實時監控生產線上的各項指標保證產品質量穩定可靠。

（三）全面推廣與持續改進（2022～2023年）

在第三階段，公司致力于把數字化設計中心推向成熟階段，使之成為推動企業發展的重要力量。為此，開展的工作主要有：推廣普及基于PDM的協同研發模式，鼓勵跨部門合作創新；繼續完善主數據管理體系，建立面向未來的主題數據庫管理模式；探索網絡化協同業務模式，加強與供應鏈伙伴之間的溝通協作；定期評估系統運行效果，及時調整優化策略，確保始終保持領先優勢。

五、三大技術創新突破設計系統難題

馬鋼交材的主要產品是軌道交通用車輪、車軸等，其中以車輪、車軸為代表的產品具有典型的批量定置、離散制造的特點，其產品設計和工藝設計復雜、設計周期長。為了提高設計效率、縮短設計周期，馬鋼交材數字化設計系統的特色之處是實現以下三大技術創新，突破了設計系統難題。

（一）車輪成形工藝自動設計系統

與大學合作研究了車輪軋制過程變形和應力應變規律，在已有的生產實踐技術總結基礎上形成了新的研究成果，并總結數十年工藝模具設計經驗，創新工藝設計方法；與上海交通大學開發了還形、模具參數化設計軟件和多工步鍛壓仿真驗證系統，形成了車輪鍛壓、軋制工藝設計與仿真結合的新的設計方法和模式，為建立車輪熱軋設計與生產的“數字孿生”模型奠定了基礎。

（二）車輪熱處理工藝“一鍵式”設計模型

結合車輪熱處理工藝多年來的設計成果及工藝知識庫，利用多年在熱處理方面的沉淀，將知識庫、工藝設計成果、研發成果進行了模塊化、數字化、標準化設計，在馬鋼輪軸QMS項目中，完成了熱處理專業的工藝智慧生成系統。軋前加熱、緩冷自動根據產品自適配工藝，實現工藝生成無人值守的智慧化；在熱處理工藝方面，工程師能夠通過熱處理工藝智慧系統“一鍵式”生成數字化工藝，數字化工藝直接服務現場，控制現場操作，實現了真正的數字工藝，為后期的智慧制造提供數字支撐。

（三）參數化車輪三維建模與機加工仿真系統

基于車輪產品特點以及繪圖、建模方法和技巧，構建了三維建模的參數化模型和可重用的特征庫，在車輪設計建模的同時，可獲得用于指導現場生產和檢驗的工程圖。基于三維模型的RQQ數控加工車床之上，研發三維數控自動編程和加工仿真系統，實現車輪產品加工數控編程和仿真從二維向三維的轉變；可視化的三維人機交互界面，將機床運動部件的干涉、碰撞等災難性事件的發生幾率降為零，極大地縮短數控程序編制時間和現場程序的調試時間，

六、實施成效

馬鋼交材的數字化設計系統作為輪軸行業首個全域PDM設計業務數字化系統，開創了“一鍵式”設計模型，實現了產品、工藝高度參數化、自動化設計，樹立輪軸行業設計業務數字化的標桿，部分模塊達到國際先進水平，是馬鋼交材智能制造建設的重大成果。成效具體表現在以下幾個方面：

（一）大幅提升設計效率

借助參數化設計、自動化編程等先進技術，原本需要多名工程師耗費數天時間才能完成的任務，現在只需兩人一天即可搞定，研發周期縮短80%，提高了對銷售詢單、訂單的響應能力。

（二）有效降低不良品率

通過引入精準的質量檢測機制，產品不合格率下降5%，極大提升了客戶滿意度。

（三）縮短生產周期

得益于高效的信息傳遞機制和靈活的資源配置方式，從接到訂單到交付成品所需的時間減少了14%，為企業贏得了寶貴的市場先機。

（四）增強創新能力

依托于豐富的歷史數據積累及強大的數據分析能力，研發人員能夠更加容易地挖掘出有價值的信息點，從而激發更多創意靈感，推動技術創新不斷向前發展。

七、結語

馬鋼交材全域PDM數字化設計中心是國內首個輪軸全域PDM數字化設計中心，標志著馬鋼交材夯實了智能制造的基礎建設，向著智能制造的更高層次邁進了一大步。