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关键词: 精密小叶轮;数控加工;变形
精密小叶轮是在油泵中高转速工作,材料为16Cr3NiWMoVNbE,
材质较硬,而且结构特殊,叶片极薄,精度要求高,加工时极易变形;叶片与叶片之间的基体要求为曲面,而基体与叶片之间小圆角光滑转接,易产生应力集中,在工作中产生裂纹;叶尖部分是由不同曲率半径构成的空间曲面,相关尺寸精度要求高,加工难度大,是零件制造的难点之一。针对零件的加工难点,充分利用数控设备,运用UG软件进行建模、编程,反复调试、试切,优化数控程序,最终实现精密小叶轮的数控加工,并且该数控加工技术可以推广到其它十余种同类零件的加工中。
1 航空精密小叶轮的加工难点
精密小叶轮在油泵中高转速工作,设计人员根据复杂的空间流体动力学理论设计出符合流体流动规律的叶片形状,因而叶片形状复杂,是复杂曲面零件的典型代表,而且公差要求高,只有严格按照图纸要求加工出的叶轮,才能满足整台发动机的性能要求。叶轮零件的叶片型面薄壁且弯曲,对其表面的完整性有着严格的要求,对叶片与基体转接处的应力也需要严格控制,避免工作中产生裂纹。我们所研究的叶轮结构特殊,属于整体叶轮,加工时装夹困难,薄壁叶片加工时极易变形,叶尖处为了减小工作时的阻力,提高转速,还设计为上下倒角的型面,不易加工。叶轮零件主要结构如图1所示,结构看似简单,实际加工难度极大。
1.1 叶轮基体的加工
叶轮基体部分的加工既要保证设计图要求的尺寸结构,如花键、孔、槽等,但也要兼顾加工叶片时的基准问题,因此基体部分加工工序安排的先后、加工精度对叶片加工有很大影响。
1.2 薄壁叶片部分的加工
作为整体叶轮,其相邻叶片的流道较小,是空间曲面,而且在径向上随着半径的减小,相邻叶片间的流道越来越窄,因此,加工叶轮叶片曲面时,除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外,刀具也极易与相邻叶片发生干涉;由于整体叶轮叶片的厚度较薄,1mm左右,在加工过程中存在比较严重的弹塑性变形。
1.3 叶片的弯曲
根据设计图要求,叶片机械加工完成后,要有一个弯曲的角度,如图2所示。
2 叶轮的加工
2.1 工艺方案的制定
在试验加工之前,根据叶轮设计图,主要加工路线如下:
粗铣叶片半精铣叶片精铣叶片精铣叶尖倒角钳工修磨弯曲前检验弯曲叶片。
2.2 加工设备的选择
按工艺规程,上述铣削加工安排在四坐标加工中心上进行,利用专用铣刀及机夹刀具。
2.3 设备及工艺方案的论证
按最初制定的工艺方案,叶型部分在四坐标加工中心上用T型铣刀和端铣刀加工,由于设备功能所限,无法实现四轴联动,需要先粗铣去余量,再半精铣铣出基本叶型,然后小切削余量精铣叶片,此时对切削力、切削余量、切削速度都要进行严格控制,防止叶片变形。同时,由于叶片根部圆角较小且需光滑转接,加工时又要避免应力集中产生裂纹,因此加工难度很大,加工后还需要钳工修磨,还要铣削叶尖部分的两面倒角。一个叶轮零件的叶型部分加工下来至少需要10小时以上,而且合格率较低。
经过分析研究,选定了UCP600五坐标加工中心,采用软三爪快速装夹。根据选定的设备,调整了叶轮加工工艺路线:
铣叶片及叶尖倒角钳工修整弯曲前检验弯曲叶片。
2.4 方案的实施
2.4.1 叶片的加工
文中所研究的航空精密小叶轮的叶片厚度均一,没有锥度和曲率变化,属于最基础的直线元构型,因此从数控线接触加工的原理出发,研究刀具面族、刀具轴迹面和特征线的构造方法;在深入分析被加工曲面局部特征的基础上,提出了采用球头铣刀在扫描面上规划刀具路径的方法,进而利用UG建模,构造出叶轮的基本形状,如图1所示。构建出叶轮的模型后,需要制定合理走刀轨迹,进行数控加工编程,选择合适的刀具,确定最佳的切削参数。
根据零件的结构和材料的特点,综合考虑加工质量、加工效率和刀具寿命,制定了出粗加工、半精加工、精加工的铣削小叶片的数控加工路线。在编程时,不仅考虑到保证零件加工质量,如何实现高效加工也是要解决的问题之一。而数控加工增效的技术途径之一就是选择合理的切削参数。高效数控加工在选择转速、进给、切深综合优选时,存在多个切削稳定区,在此区域内选择的切削参数一般都可以保证零件质量,但效率却大大不同。对此次叶轮零件的加工,大胆地改变传统加工的思维模式,选择较高转速和进给的加工稳定区域,加工效率大大提高。同时,由于叶片属于薄壁结构,极易变形,通过选择较高的主轴转速,降低了切削力,减少了叶片变形,从而提高了零件加工质量。
铣削叶片时,按流道和叶身分成粗加工——半精加工——精加工,其走刀轨迹,如图3所示:
程序形成后,利用试件进行试加工,先是空走程序验证程序的进刀点、退刀点选择是否正确,同时检验刀具是否干涉。经过反复调试程序,确定了最后的加工程序,进行了零件的加工。按上述方案及切削参数,最终实际纯切削时间缩短为180分钟。
加工出的叶片表面粗糙度符合设计图纸的要求,不需要再进行手工抛光,加工时间也会大大缩短。由于程序量较大,而叶轮5个叶片相同,数控程序可以采用循环调用,节省设备储存量,因此生成的数控程序为加工一个曲面的程序。
2.4.2 叶片的弯曲
叶片加工合格后,需将叶片弯曲成图2中的结构。叶轮零件整体尺寸较小,分布着5个叶片,而叶轮零件材料为16Cr3NiWMoVNbE,属于新材料,热处理后硬度较高,在弯曲时易产生裂纹或断裂,还要考虑叶片弯曲后的回弹问题,因此在弯曲成型模具的设计时采用涨块型模具,通过反复修磨模具,最终完成了叶片的弯曲。
3 分析与结论
通过论证、分析并经试加工,完成了叶轮加工工艺的攻关,制定了新的、切实可行的工艺方案,在五坐标加工中心上进行叶轮的加工,利用UG建模、编程,采叶轮流道与叶身分别粗精加工,并选择合理的走刀轨迹、切削参数,经过反复调试,加工出了合格零件,从而掌握了航空精密小叶轮零件数控加工技术,为今后同类件的研制做了技术积累;同时按此方案加工一个叶轮,纯切削时间为3小时,相较于最初方案的10小时加工一个零件,效率提高了3倍有余,加工质量也得到了保障,解决了叶轮加工的瓶颈问题。
参考文献:
沈阳航空工业学院是一所为航空航天工业和地方经济建设培养高级专业技术人才的普通高等学校。学院道义新校区选址在沈阳市新城子区道义开发区内,地处沈阳市北部城郊结合处,位于沈阳市总体规划的北部大学城区域内,基地西临101国道,与正在建设的辽宁大学道义校区隔道相望。
校区总体规划土地面积78.4ha,规划以三条轴线(两实一虚)和两个环型道路为骨架把组织校园各个要素。图书馆处于整个校园的核心位置。
新校区图书馆是一座集图书藏阅和教学研究为一体的综合性建筑,包括图书馆部分和网络中心部分。建筑占地面积10 806m2,总建筑面积40 564m2。本图书馆是全校的信息网络中心,同时又承担着消防、防范,监控等任务,是组织整个校园教学和公共活动的中心。
设计构思
新图书馆处于校园的核心位置,位于三条轴线和第一道圆形环路交汇处以内,其显要位置是不言而喻的。在刚刚接到这个设计投标的时候,我们有些茫然,甲方之所以要把很多系的用房和本应独立的图书馆建筑组织在一起,目的无非是想加大建筑的体量,使其具有足够的标志性。在设计中,要求总体上与现有校园规划相协调,功能上必须安排好各种用房,组织好各种流线,形式上必须体现建筑的标志性,同时要具有北方建筑的特征以及航空学校的特征。看起来这是一件有点难度的事情。几轮“激战”过后,似乎没有得到一个满意的结果,而且为了追求建筑的雄伟高大和细部刻画,方案显得越发琐碎了。索性什么都不想了,试图清空头脑里的一切杂念。
在几天的停滞状态中,我们开始思考未来的图书馆到底应该以一个怎么的姿态呈现出来。它应该是现代的,同时又蕴涵某些历史信息;它还应该是端庄大气的,同时又成为校园的标志性景观。
勒・柯布西耶曾经做过这样一段论述:“建筑是一些搭配起来的体块在光线下辉煌、正确,聪明的表演。我们的眼睛是造来观看光线下的各种形式的。光和阴显示形式:立方,圆锥、球、圆柱和方锥是光线最善于显示的伟大的基本形式,它们的形象对于我们来说是明确的、肯定的,毫不含糊的。因此它们是美的形式和最美的形式。”他用宣言般的语汇向后人指明了现代建筑的光辉之路。沿着这样的思想,我们的方案也慢慢浮出了水面。
我们从校园总体规划形态出发,在圆型环跆内部,图书馆要同时照顾三条轴线上的景观效果一条是西南方向的校园主轴线,一条是正北方向的校园次轴线,还有一条是正东方向的景观虚轴线。综合考虑,我们认为圆形是一个比较理想的形式。
由于圆没有明确的方向性,各向是均质的,所以无论从哪个方向上看都形成中心感很强的整体效果,巧妙解决与校园中三条轴线良好的顺应关系,并且与圆型环路在形态上相协调。基于形式的简洁性,给建筑带来明确的体量感和一气呵成的效果,能够承担作为校园核心建筑的职能。与此同时,我们也试图通过对“圆形”这种人类在古希腊、古罗马时代就开始使用的形式元素进行再挖掘与再创造,运用类型学的方法把该元素的诸多历史因素重新诠释,激发人们潜意识中的历史神经元,获得一种跨越时空的历史感与精神体验。通过这样的分析研究,我们最终确定了以“圆”作为图书馆形式构成的初始元素。
建筑形式
在投标的方案中,我们创造了一个完整的圆形建筑物,中间是一个开敞的庭院,整体上以实墙开窗为主,局部运用玻璃幕墙。整个建筑表现出内向与封闭的特性。在评审会上,有评委认为建筑的封闭性,安全性和保密性使其具有极简主义和神秘主义气氛,应该增加一些通透感和活泼的感觉。但整体上简洁有力,有北方建筑的特点。
在征求了多方的意见和甲方的修改要求之后,经过五轮的方案调整和完善,最终得到了一个各方面都相对成熟和完善的方案。
在建筑语汇上,运用几何原型作为形式构成元素:建筑造型以圆形为母体,整体上表现为两个环型的套叠。外侧大环以红色面砖为主要材料体现校园建筑的端庄和历史文化特性,并且与校区已建建筑在色彩上相互统一。梭形立柱穿插玻璃幕墙的造型构成了略高的内环,以米白色石材和玻璃为材料体现航空学院的高科技性。与此同时,在内环穿插了红色面砖材料的实墙开窗面,在外环尤其是主入口敞开面暴露出米白色石材的巨型立柱和玻璃幕墙,一方面改善了建筑过于封闭的形象:另一方面,使得两类不同的构成要素相互穿插,达到你中有我,我中有你的辨证统一。
在形体的塑造上,主要运用“减法”保持建筑形式的整体感,强调完型性和雕塑感,整体体现现代建筑的纯粹与简约,同时运用轴线对称,尺度权衡等手法表达出建筑端庄稳重的气质,是古典与现代的融合。立面处理上,由于沈阳地处北方,冬季寒冷,不宜开启大面积的玻璃幕墙,所以我们选择了在墙面上均质密集连续地开启错位的竖向条形窗,造成一种特别的肌理感,形成立面的韵律和节奏。
在建筑材料上,我们着重运用面砖本身的质感和性能去强化空间形态的特色和建筑的性格;通过玻璃。石材这样的材料与面砖在质感、肌理、色彩、虚实上形成大尺度上的对比关系,突出建筑的雕塑感与简洁的特征,同时又不缺乏细部的塑造,成为新校园中的焦点。
为了打破先前方案的封闭感和内向性,在建筑主入口处打开外环,暴露出体现航空学校高科技特性的玻璃一“金属”环,与整体以竖向条形窗为主的建筑实墙面形成了大的虚实对比,以强化建筑入口,增加建筑的通透感。也使得内庭院与外部大环境相互渗透。
建筑整体形象犹如一个巨大的书架,里面存储了无数的信息、知识和智慧,成为整个校园中的信息存储器:它同时有古罗马斗兽场的某些身影在晃动,是一种对历史原型的现代演绎,整个建筑从上空看又犹如一个飞机的涡轮发动机,金属感的梭形立柱如同发动机的叶片,能够很好的体现航空学院的特点。多重的意义使得这座形体简洁的建筑超越了现代建筑的单一性而趋向复杂。
外部空间
圆形的体量自然围合了一个圆形的院子。“庭院”作为中国建筑意匠的精髓所在,它可被看作是一个“原型”,在这里我们再一次把这个“原型”进行类型学的转换,创造了一个半月型类庭院空间,同时创造了一个生动的小世界。路易斯・康把庭院看作是思想和身体集会的场所。在这样的“露天大厅”中,人们可以随处交流思想,小栖,玩耍,也给前来看书的师生创造了一个室外的阅读场所。当师生每一次与内聚性庭院发生“碰撞”时,都会产生一些非正式的交往仪式,以庭院所构成的内向性公共空间为核心来构成“事件”发生的场所。这里会成为学生留有许多回忆――学习,交谈、欢乐与惆怅的处所。
内庭院的形成同时有效地抵御了冬季寒风,两个过街楼的设置又使得内外相互交融,促进空气流通。在建筑高度与内环尺度上我们做了精心的设计和研究,使这个内庭
院在冬季也能够成为阳光明媚的场所,从而形成相对舒适的微环境,有利于学生在庭院中交流学习。这恐怕比在建筑物的入口前做一个大广场要好一些,尤其在沈阳这样的北方城市,冬季大广场会无人问津。
圆形的图书馆安静的坐落在一个0.9m高的圆盘上,尺度宜人。首层的墙体退进形成柱廊空间,人们可以从各个方向踏上圆盘,与建筑亲密接触,方便地出入建筑和庭院空间。由于庭院的存在,创造出了一个特殊的空间序列:行走在校园主轴线上――进入图书馆大厅――到达围合的内庭院空间,景观与室内外空间的切换给人的是全新的空间体验。
建筑功能
建筑的功能可归纳为两个部分:图书馆部分和网络中心部分。其中图书馆分为借阅区、学习区,服务区,采编区、行政办公区,学术报告厅及辅助设备用房;网络中心分为信息网络中心,电子系、计算机学院、自动控制系,经济系和管理系。另外还有保卫处供消防。防范。报警之用,有独立的出入口直接对外。
由于图书馆的人流量非常大,所以将“图书馆部分”布置在一至五层。一层主要设置图书馆部分公共大厅,展厅、基藏库,采编工作区,监控中心、消防控制室、变电站和库房等功能。二层至五层主要分布各个阅览室,使得阅览室相对于其它部分即安静又方便到达。两个学术报告厅设置在裙房中,充分考虑了其使用的便捷性。人们既可以从一层图书馆大厅直接进入,也可以从庭院中直接上二层进入,满足安全疏散和独立使用的要求。除了文献服务功能外,图书馆在多处设置了供人们休息和交流的空间,给读者提供更多的关怀和体贴,使图书馆摆脱了以往的藏、借、阅之单纯性而趋向一种更加开放的系统。
六到九层布置网络中心部分,即信息网络中心、电子系。计算机学院、自动控制系,经济系和管理系用房。九层设有室外观景和休息平台。整体上使“图书馆部分”和“信息网络中心”两部分功能处于不同的楼层,从而达到了功能分区的合理性。考虑到学校今后发展,图书馆扩容后,可以将“网络中心部分”迁出图书馆,使整个建筑成为纯粹的图书馆。
在整个建筑的设计过程中,我们根据图书馆和网络中心两大功能块考虑了两大群体,即去图书馆的群体和去信息网络中心的群体。图书馆的主要人流通过图书馆的大厅变通枢纽来分流,而信息网络中心的人流主要由另外两个人流相对较少的入口通过竖向交通体系来组织。图书馆的设计中,我们针对管理和使用的不同需求,在人流方面也分为两大群体:学生(外)和办公人员(内)的彼此独立。内外分开的矛盾主要体现在首层和垂直交通上,在首层,设置了不同出入口,使两者不相干扰。
空间格局
一、江苏拥有发展航空航天制造业的较好基础
江苏发展航空航天制造业的基础与优势,主要包括以下几个方面:
紧邻“大飞机”落户地上海。上海是长三角地区经济发展的龙头城市,对全国各区域经济发展的影响力在不断增强,而“大飞机落户上海”所带来的要素集聚效应,将对包括江苏在内的诸多省域航空制造业发展产生深远影响。据估算,国家对整个大飞机的预期研发投入在300亿元到500亿元之间,整个研制过程能带来巨大的产业拉动、价值传导和经济增长效应。在制造过程中,一架大飞机需要由数千家配套厂商生产并提供共计300万到500万个零部件,由此,拉动配套产业,使其得到不断升级的机会,并最终形成庞大的产业链。另一方面,江苏与上海的关系愈加密切,时空距离在不断缩短,这有利于江苏抓住“大飞机落户上海”的发展契机,“抢先”对接,并依托由此而产生的产业集聚效应,形成航空工业的产业链。
雄厚的经济基础。江苏的强大经济实力为发展航空航天制造业提供了充足的资金支持。2012年全省实现生产总值54058.2亿元,位居全国第二,按可比价格计算,比上年增长10.1%,高新技术产业投资4059.0亿元,增长5.6%,占工业投资的比重达24.5%。同年,江苏省高新技术产业实现产值45041.48亿元,比上年增长17.36%,完成出货值11460.94亿元,比上年增长4.96%;其中,航空航天制造业实现工业总产值218.30亿元,占高新技术产业总产值的0.48%,该行业已成为江苏高新技术产业的主导产业之一。可见,在经济强有力的支撑下,江苏航空航天制造业的发展潜力巨大。
强大的科技实力。作为科技强省,江苏研发投入资金雄厚,境内的航空院校和科研院所数量众多,具有较大的人才技术优势。2012年,全社会研究与发展(R&D)活动经费1230亿元,占地区生产总值的2.3%,已建国家和省级重点实验室105个,科技服务平台296个,工程技术研究中心2141个,企业院士工作站326个。在航空航天器制造领域,江苏R&D人员全时当量、R&D经费内部支出、科技机构数自2000年起开始稳步上升,2011年分别达到839人年、1.45亿元、20个,其中,内部支出达到历史最高值。尤其在南京地区,南京航空航天大学、南京大学、东南大学、南京理工大学等航空航天相关院校和研究院所的数量众多,拥有以航空宇航科学与技术为核心的国家重点学科群,每年培养输送1000多名航空专业研究生,为航空工业发展提供可观的研发人才。
江苏在航空航天领域所投入的科技人力、物力、财力,对创新能力的提升已经开始发挥作用。中航工业集团公司的607所、614所、716所,中国电子科技集团公司的14所、28所、55所、58所,以及南航大无人机研究院都是国内专门从事关键技术研究的单位,研发水平达到或超过国家先进水平,有的甚至达到国际先进水平。可见,以经济繁荣为后盾,江苏强大的科技实力正逐步转化为航空航天产业创新发展的推动力。
初具规模的产业集聚载体建设。江苏省内各市根据自身地理特点及产业优势,已经打造出一批航空产业园或航空产业集群,成为行业集聚发展的重要载体。江苏先后成立了南京江宁的空港产业园、江苏省航空动力高技术特色产业基地、昆山航空产业园、镇江新区的航空材料科技产业园、滨海新区的航空装备制造产业园、江苏蓝天航空航天产业园等,成为自主创新和高新技术产业的重要集聚。
近些年,南京地区依托于金城集团、晨光集团、南京航空航天大学等一批龙头企业和科研院所,以江宁空港产业园和溧水开发区为载体,将轻型航空动力、机载机电和航空电子系统设备作为重点发展方向,形成基于产学研一体化的航空产业集聚链,并初步构建整机制造、动力系统制造、机体制造、机载设备制造、航空地面设施制造等比较完备的航空制造产业体系。
二、江苏发展航空航天制造业面临的矛盾与问题
由于特定的历史条件和长期实行计划经济体制,江苏航空航天制造业积累了许多深层次的矛盾和难题。
航空航天企业规模偏小。江苏省的航空航天企事业单位数列于全国第三,但仍存在“多、散、小”的局面。以2011年为例,江苏省有29个航空航天企业,总量位居华东第一,但就业人数、总产值与主营业务收入的企业平均值分别是607人、6.52亿元和6.98亿元;而全国的平均水平为1562人、8.54亿元和8.64亿元,华东的平均值为839人、6.66亿元和6.64亿元,安徽省的企业平均值为2322人、16.30亿元和16.75亿元,江西的企业平均值为2869人、20.70亿元和18.30亿元。显然,江苏省航空航天企业的平均生产规模远不及安徽省和江西省的水平,在华东地区乃至全国都居于后列。不可否认,多数航空制造企业的规模偏小,在很大程度上造成企业很少具备整机生产能力,大多属于机载系统企业,在技术、实力上难以与大型主机企业相抗衡,当与其他大型企业进行合作的时候较难拥有主动权,容易受制于人。
航空航天制造业产品结构偏低。江苏大多数企业生产的产品仍局限机制造所需全部零部件,缺乏综合制造能力,难以把众多的产品链条连接起来,形成一个完整的制造系统,航空制造业整体上还处在航空产业链的中低端,产品技术含量和附加值都处于劣势地位。例如,航空电子设备要占飞机总价的30%以上,但国产航空电子系统多限于军用,民用航空电子设备的进口量偏大;国产仪器仪表普遍存在以下问题:可靠性较差,平均无故障工作时间比国外低1~2个数量级,性能、功能较为落后,测量精度比国外差1个数量级。
航空航天企业“软实力”不足。江苏航空航天制造业竞争力不足,研发创新能力有待于更大幅度的提高。省内的很多厂家将目光过多停留在国内配套产品上,制约了自身发展。如今,民用航空装备的飞机几乎都是进口,民机市场基本被波音、空客、庞巴迪和巴西航空等国外航空业巨头所占据,仅仅是大量参与国际航空转包业务,国外大飞机制造商有60%左右的部件在中国、日本、韩国等地转包。由于航空零部件制造技术和整机制造技术之间存在巨大差异,多年的零部件转包没能学习到制造大型客机和运输机的核心技术,这导致了航空工业技术创新能力严重滞后,真正参与航空主体制造的航空企业相对较少,未能形成反映行业先进水平的独立技术和独立品牌。
三、加快江苏航空航天制造业发展的建议
牢牢抓住大型飞机项目带来的发展契机。江苏省与上海市在产业方面有互补优势,且历来联系较为紧密。目前江苏完全有资格和实力参与到大型商用飞机的研发生产。实际上,昆山航空产业园已形成了飞机维修改装、航材保税物流、飞机零部件加工制造、教育培训研发和航空工业旅游等产业,而南京、镇江、无锡、苏州等地也抢先与大飞机项目对接,但不可否认,继续抓住大型飞机项目带来的发展契机,积极支持和主动参与该项目,仍将是江苏航空工业发展所面临的重要任务之一。
大型民航飞机的研制,是一项周期长、投资大、技术密集、高度集成、协调复杂、风险性高的高新技术系统工程。因此,江苏要对大型民航飞机研制项目的协调发展的现状和未来,进行科学的评价、合理规划,积极借助上海打造航空产业的集群效应,成立航空航天研究机构与大规模的并行工程团队,并在已有产业园区基础上,完善政策及技术服务,积极支持和主动参与大型客机项目的协作配套,全力打造航空制造产业集群。
加快集聚产业发展的资源要素。按照国家航空工业的总体战略部署,紧密围绕江苏航空工业的发展规划,在适当的前提条件下,制定优惠政策,努力打造中外航空航天企业交流合作的重要平台,营造良好的投资和行业发展环境,加快集聚产业发展的资源要素。例如,对研发投入以及风险投资给予支持和鼓励;制订吸引国内外航空科技专家、企业家参与航空领域高新技术开发和创业的优惠政策,推进航空科技研发及航空科技成果转化、科技企业孵化以及高新技术产业化;通过引进国际先进航空技术和一批国外航空制造重大技术装备项目落户江苏,承接航空企业的跨国转移,与世界接轨,为企业提供良性的竞争环境,鼓励其间的公平竞争,互相促进提升自主创新能力,从而整体提高省内现有航空航天产品的质量水平和竞争实力。
积极搭建航空产业平台。产业政策与区域政策相结合,制定相关发展规划,确定一批有条件有基础的区域作为航空航天制造业的重要基地,通过政策倾斜、依托园区平台,在产业园区内进行合理的分工协作,有效提高航空航天制造业的区域化集聚水平。在园区建设时,要避免过去不相关企业简单堆积现象,根据地区比较优势与企业特有优势,引导航空工业相关企业进入园区,建立产业分工体系,设立相应的研发机构、人才服务机构、融资平台等,实现航空工业经济信息、基础设施等资源共享,降低生产要素成本,有效发挥区域化经济优势。总之,面临来自周边省份的有力竞争,江苏必须抢先一步,通过建立航空产业园等方式搭建平台,积极投入,力争在竞争中抢占先机。
大力促进航空航天制造业发展的民。目前,江苏拥有不少具有军工背景的航空航天制造企业,如凯联航空发动机(苏州)有限公司、中国航天科工集团南京晨光集团有限公司、常州兰翔机械有限公司、常州飞机制造有限公司等,都具有较好的物质基础和一定的比较优势。为了大力促进航空航天制造业发展的民过程,江苏应在市场化改革中建立军民统筹体制机制,不断创新联合思路,实现投资主体的多元化、组织形式股份化,继续进行区域化集团的建设,通过多种形式的联合,实施技术资源和生产能力的优化配置,把军民产业在航空工业体系内有机统一起来,形成良性互动,带动全系统的共同发展,共同托起航空工业的未来。
工业电气自动化主要是针对产品的选材、加工、装配等工序,在我国经济发展过程中是极为重要的,但是随着近年来我国工业电气自动化的不断发展,工业电气自动化获得了广阔的发展空间。随着我国工业电气自动化规模的不断扩大,对于工业电气自动化水平的提高还是需要一定的加强。我国的工业电气自动化的水平与国外工业电气自动化的水平相比还存在一定差距,就当前我国工业电气自动化的生产状况而言,我国的工业电气自动化产品还是处于中低档的产品。随着工业电气自动化发展,工业电气工程以及自动化系统虽得到了深入发展,但是其没有针对实际问题进行针对发展,几乎所有工业项目都是采取的一个集成控制系统,这往往与工程的实际需要相违背,根据已有的技术进行系统设计,但是系统模式并没有很大的变化,这也导致了生产成本的上升,而且我国对工业电气工程以及自动化的设计并没有创新性,多数都是引进国外的设计,缺乏相关专业人才,如果要进行工业电气工程及其自动化系统创新设计则会消耗过多时间。工业电气工程以及自动化系统在网络布线以及应用软件设计上还存在以下问题:网络控制技术不佳、软件设计时间过长、系统安全性低等,对系统成功运行直接产生影响。此外系统运行的网络结构复杂,难以操作,应用起来容易因为操作不规范对系统稳定性造成一些干扰,再加上控制技术所需要的精确性、准确性与网络构架的复杂性。
2工业电气自动化数字技术的应用情况
2.1数字技术在航空工业中的应用
航空市场发展问题对于我国的经济发展都是极为重要的,就我国当前的航空市场现状而言,已经存在许多的航空巨头,但是我国实际的航空技术水平与国外航空技术水平相比还是存在一定差距的,尽管随着我国航空技术也在迅速发展,差距正在不断缩小,但是对于一些高科技技术缺乏相应的自主创新产权,多数需要依靠国外技术。对于大多数的航空机械加工都是需要高精度的工业技术来实现,但是我国明显还是无法实现的,如果通过人工也是无法实现的,实际航空机械器件所使用的合金就是我国当前工业技术无法实现的,所以加强我国工业电气自动化中数字技术的发展对于我国航空技术的发展十分重要。
2.2数字技术在汽车工业中的应用
随着经济的发展,人们生活水平的不断提高,汽车的使用量不断提高,这对于汽车工业的发展无疑是一个巨大的发展机会。我国当前工业电气自动化的生产水平要想满足当前汽车工业的发展,应加强数字技术在汽车工业中的应用,提高汽车工业生产力的发展,提高我国汽车工业加工效率,通过应用数字技术发展汽车工业的柔性生产线,此外,还需要结合虚拟工业技术、集成控制技术等。
2.3数字技术的高性价比
把数字技术大量地运用到实际的工业电气中去,从而实现工业电气自动化,这样就能够让设备实现最大化地高效运行等智能化工作状态。运用数字技术能够实现设备数据资料收集一体化等功能,实现设备智能化控制和工作。数字技术能够为企业节约大量的时间和成本。例如,用仪器设备进行数据收集分析时,可以利用数字技术中的测试、样品分析定位,在线数据分析和结果评估来进行数据的收集和分析,这样就能够在设备收集的数据和分析出的数据之间进行很好的比较和分析,并且还可以运用多项数字技术来进行多设备之间的数据收集和相互比较,这可以大大节约因为多设备数据量大而造成的工作量大容易失误等问题。在工业电气自动化中运用数字技术可以大大提升设备的精确度,实现最大化的设备性价比的提升。
3数字技术在工业电气自动化的发展趋势
数字技术对于工业发展有着重要作用,所以在工业电气自动化中加强应用数字技术对于工业电气自动化的发展是极为重要的。在未来数字技术的发展中,数字技术主要用于智能化系统的发展,通过数字技术控制各个模块进行工业生产,对于工业效率的发展需要重视应该数字技术。在未来数字技术主要是用于智能化控制,例如电机参数的自适应控制、自动识别负载控制、自动选型控制等智能化控制,所以数字技术的发展主要是向智能化控制方向发展。只有不断加深数字技术在工业自动化方面的影响,才能够推进我国工业电气自动化的发展和创新。
4结语
春节前的一个下午,《中国信息化周报》与李义章董事长进行了一个半小时的高端访谈,聆听了李总的创业经历,在畅谈企业发展与制造业产业形势的同时,探讨了两化融合的症结和突破的思路与方法。
《中国信息化周报》:索为系统作为一家长期致力于研发连接、驱动工业软件的工程中间件的高科技公司发展已近十年,您也已经是这个领域的专家,咱们先从最初谈起,先谈谈您的职业经历和索为系统成立的初衷。
李义章:我是学飞行器工程专业的,我的同学有很多仍然在做导弹设计、火箭发动机。但我还在学校时接触到CAE就着了迷。在1996年左右,基于计算流体力学的CAE软件还比较新,比如锅炉内的燃烧如何仿真、汽轮机中的流转如何仿真,国内好多企业没见过。因为对CAE的浓厚兴趣,我放弃了博士学位的继续研读,投身到CAE行业中,一干就是八年。
刚开始,CAE软件是一个小众市场,一套要卖十几、二十万美元,用的企业还很少。到了2005年左右,很多制造型企业意识到CAE的必要性,因为从设计画图到生产制造的流程太长,企业需要通过CAE仿真手段来缩短这个周期,降低生产风险,从而CAE的价值逐渐得到重视。
用户市场的旺盛需求吸引了很多人去做CAE软件的生意。很多国内的公司都是由在外企做过CAE的人出来后,带着两三个工程师创办起来的,主要靠国外CAE产品,签完合同两三个月就可以回款,赚钱比较容易。但对用户企业而言,买了CAE软件后的使用效果并不十分理想。某航空研究所做过统计,他们买了很多软件工具,但使用起来的还不到30%。类似的情况在当时比较普遍。
看到行业变成如此局面,我个人内心很不是滋味,就像当年在中关村卖电脑是很高大上的工作,但后来谁都能卖电脑了是一个道理。所以,当时我就决定换一个角度,站在用户端来看问题,比如飞机的设计到底该怎么设计最合理,这些优秀的软件工具该怎么用才能发挥最大的作用。在这样的背景下,我在2006年成立了索为系统公司,帮助用户做软件工具的集成应用平台。
索为系统成立至今一直没有正式过任何国外软件,尽管我们对CAD、CAE、PLM等工具的理解甚至比很多国内很多原厂商同行的理解还要深。因为我们认为,一旦形成了正式关系,索为系统就得站在软件厂商角度考虑怎么赚钱,从某种程度上有所违背要站在用户角度思考问题的初衷了。索为系统要做的就是站在用户角度看整个工程过程怎么样才更加有效,软件工具该如何组合使用效果最佳,从工程的角度去考虑IT工具怎么服务于工程。
《中国信息化周报》:这样看来,索为系统与其他公司成立的初衷和发展路径的确不太一样。在1995年左右,国家提出甩图板、甩图纸的“两甩工程”,很多公司就是在那个时期通过国外软件发展起来的。但索为不做,不是冲着生意去做,而站在用户端看怎么用IT工具。
李义章:对,IT技术和工业技术该怎么结合?站在IT端,每家厂商都觉得自己是老大,都觉得自己的产品是最牛的,能够解决用户所有的问题,但如果站在工业一端来看,并不是这样。从工业角度看,每个IT厂商解决的都是一个特定的问题,一定要很好地组合在一起,才能发挥最大价值。
我们从2005年就开始在小范围研究飞机设计,2006年成立索为系统公司,直到2010年我们都在做如何集成应用各种工具软件实现飞机总体设计。我们花了一年多时间做了一个原型系统,到沈阳某研究所交流,时任所长带着总工程师、主任来考察,均表示理念很新颖。因为当时,供应商到客户那里都是讲CAD、CAE和PDM、PLM等的,很少人去讲集成,介绍如何把这些工具串起来用的策略和方法。
其实,从2006年到2010年,索为系统公司的成长发展还是非常艰难的。因为市场成熟度不够,集成应用的概念还没普及,索为系统等于在做科普、做市场引导的工作,这通常是全球大厂商领导者才会去做的工作。但索为系统一直坚持研究飞机总体设计,经过四五年的努力,一步一步地打开了国内航空的一部分市场,包括之后又有了机遇进入到航天领域,陆续又挺进兵器、船舶等领域。发展至今,索为系统的业务结构在各领域均得到了较为均衡的发展,这在很大程度上得益于索为系统前几年在航空领域的知识和技术积累。
到了2012年,索为系统的发展模式又有了新变化——开始集团合作模式。原来索为系统的业务模式就是跟各个研究所一对一做项目。2012年,索为与中国航空工业集团展开战略合作,中航工业集团选择索为Sysware作为全集团的统一集成研发平台。今天来看,这是一次非常成功的合作,价值巨大,因为如果不用统一的平台,整个知识体系是无法搭建起来的。
2015年,索为系统又与北京神舟航天软件技术有限公司(简称“神舟软件”)签署了战略合作协议,共同服务航天科技市场。
总而言之,从一开始专注机总体设计然后到进入各个行业领域,再到展开集团级垂直化经营,这就是索为系统发展近十年来大致的历程。
《中国信息化周报》:了解了您和索为系统的发展历程,我们再来看看整个产业的发展。最近几年,中国的航空航天事业发展红火。但在整体经济下行趋势下,其他的制造业并不理想,索为系统了解的情况如何?
李义章:目前索为系统的客户大多是国防军工领域的企事业单位,他们受整体经济影响相对没有那么大。通过我们的观察和体会,国防军工领域的单位越来越重视信息化了,呈现的还是整体向上的趋势。但就信息化应用水平而言,实际上,包括航天航空在内的高端制造行业与我们所想像的水平还是有一定的差距。
《中国信息化周报》:就像您刚刚讲的军工行业的信息化投入比较大,但实际上信息化还没有达到应该有的高度,发挥出该有的价值。这其实深层次讲的就是国家、工信部需要破的题——信息化、工业化两化如何深度融合?到底突破口在哪?
李义章:从两化融合到两化深度融合,我们国家一直在推动,这也从一个侧面反映出这个问题还没有得以解决。我感觉目前的信息化和工业化还是有些“油”和“水”的关系。
《中国信息化周报》:这里面的症结在哪?
李义章:有人认为是信息化的投入还是不够。我个人不这么看,其实中国信息化的投入已经力度很大了,比如国防军工的很多研究所,几乎拥有了所有的先进软件和IT系统。所以,我认为症结并不在信息化这端,而是在工业化这端。本来信息化和工业化的属性就不一样,就像油是油的属性,水是水的属性,想要融合除非改变各自的属性。打个比方,这就像写文章,原来是用纸和笔写,现在用word在计算机里写,手段虽然已经是信息化了,但word和计算机是不能保证能写出好文章的。因为写出好文章的关键还是在人的大脑里存储的知识、经验、方法,道理是一样的。
所以,我觉得中国要实现两化融合,当务之急是要改变工业技术的属性,只有这样才有可能和信息化更好地融合。这也就解释了为什么GE通用电气提出口号是未来五年内它要成为最大的软件公司。GE不是要成为微软那样的软件公司,而是要把它的工业技术都软件化,只有把工业技术都显性化、软件化出来,才是与信息化成功的融合。而目前,我国的工业化受到的重视远远不够,尤其是工业技术体系,这方面比较匮乏。
《中国信息化周报》:那么,工业技术体系都包括哪些内容?该如何固化、沉淀?
李义章:工业技术体系涉及很多内容,从基础的原材料的标准、规范、方法及理论基础等;到产品层面,比如螺钉螺母如何才能真正做好;再到行业层面,比如各种飞机很多是共性的东西,应该形成共享的知识体系。我们比较缺乏可继承、可复用、可分享的金字塔形的工业技术体系。
波音、空客在工业技术体系构建方面优势明显。比如波音787的整个研制过程使用了8000多款软件,这其中只有1000多款是商业软件,像CAD、CAE等,还有7000多款是属于波音公司自己的、非商业化的软件。这是波音几十年积累下来的,包括飞机怎么设计、优化以及工艺等的关键知识经验都在这7000多款软件里,波音把工业技术体系都软件化到了这7000多款软件里,这才是波音的核心竞争力。这些是外界同行通过交流、学习、考察无法看到和学到的。
空客也类似,工程师每完成一个成果还要同时提交一份方法报告,说明这个成果是怎么做的,之后这个报告会提交到COC部门(能力中心)去做归纳总结整理。如此一来,每个人做的工作都是在前人的基础之上,协同完成整体工作。遇有个别人的离开也不会影响整体工程,因为其他人知道他那部分是怎么做的。
而目前我们国内还没有形成这样的一整套完善的技术管理体系,每个人的方法各异,老前辈专家离职或者退休之后,那些知识和方法都随着这些人的离去而被带走了,后来的人来还得自己摸索实践自己的方法。索为系统刚开始就是想站在用户的角度来解决怎么用好各种软件工具的问题,后来逐渐从工具拓展到团队、数据和知识,把中间过程封装成一个个模块,其实恰恰解决的就是相关技术体系的封装和沉淀,沉淀下来之后可以重用、共享。结果很重要,但过程更重要!
《中国信息化周报》:据说已累计投入3亿元的索为系统核心平台化产品——Sysware就是在努力实现上述所有功能。能否请您介绍一下,Sysware平台产品本身从最初解决用户怎么用好、用通各种软件工具到实现知识自动化的演变过程?
李义章:索为系统做Sysware平台,最开始就是要实现CAD 、CAE的集成,通过集成支撑飞机总体设计,后来演变成做工具的中间件,通过它可以把操作工具的知识封装在一个组件里,如此一来,让不会用CAD、CAE等软件的人能用、用好各种工具。比如设计飞机机翼,要用CAD画出来是很复杂的,老专家就不会用CAD建三维模型,但有了这个知识组件就好实现了。
刚开始,Sysware是局限在对工具的操作层面,我们在美国的专利就是IDE(集成设计环境)这部分,通过把工具的操作知识封装成知识组件,实现重用、共享,让不会操作的人可以直接用这些工具。到后来,工具层面的问题解决之后就更涉及团队的问题了。团队之间如何协作共享?团队协作是靠好的管理者或者总师开会协调,实现协作,但如何实现这个过程的自动化、规范化、更高效?Sysware又添加了过程中间件P2M(项目流程管理)。再后来又涉及到过程中的数据管理,是我们的EDM(工程数据管理)产品,然后操作过程和协作中产生了很多知识,又出现了知识中间件KE来实现知识管理。就这样,到目前形成了工具管理的工具中间件、过程管理的工程中间件、数据管理的数据中间件和知识管理的知识中间件,四个系列产品构成了Sysware平台的完整的产品结构体系。
《中国信息化周报》:索为系统宣传Sysware是一个横跨、兼容所有CAD、CAE、PDM、PLM产品的软件工具,这种兼容不是开发层面,而是使用操作层面,对全过程的一个横跨。但PLM产品也是从设计到生产、制造的全生命周期管理,与Sysware全过程的区别是什么?
李义章:PLM的核心是产品的生命周期的管理,是以产品为中心的,包括BOM(物料清单)、模型产品数据的全生命周期管理。比如设计一个飞机时,PLM技术解决的是一个飞机设计出来之后,它的机翼、机身模型数据都在哪里,包括零部件、材料等数据以及工艺设计。但机翼是怎么出来的,从需求到草图,会产生哪些问题,这些是PLM并不能解决。虽然PLM也是全生命周期的,包括画图、结构、工艺、制造,但它恰恰不管生成的这个过程。通俗地讲,PLM管的还是结果,而产生结果的过程是可以通过Sysware平台来管理和控制的。
过程的核心是工程设计方法,它跟信息化没多大关系,但工程的过程方法必须显性化、软件化。原来一个机翼设计生产出来时工程师是说不清楚它是怎么出来的,索为系统就是要实现这个过程的显性化和软件化。
《中国信息化周报》:中航工业全集团统一的集成研发平台全面采用Sysware平台,并由索为系统提供技术支持,请问这个项目的进展和平台的应用效果如何?
李义章:中航工业集团目前还不能说做到100%的过程沉淀,但已经把主要的过程知识沉淀下来了,不可避免地还有一小部分需要依靠线下手动来实现。索为系统的客户中有一家企业做的相对比较彻底,它是位于上海的中航商用发动机有限责任公司,他们有超过1000名设计人员。公司要求他们上班就要登录Sysware平台直到下班方可退出,目的就是要记录设计工程师们一天工作中所接受任务、用的工具、用工具完成的过程以及过程中产生的数据知识,都在这个系统里。系统里不只有结果,还有产生结果的过程。
《中国信息化周报》:应用Sysware这个平台给中航商发带来的效果和效益是什么?
李义章:第一是规范化,因为系统中定制了大量操作流程,比如叶轮的分析等设计人员都是要按照规范流程去做,实现了流程的规范化;第二是过程可追溯,因为过程是被全程记录下来的,如果有问题,这个模型和数据一步步是怎么来的是可以被追溯,从而进行修改;第三是提高效率,索为系统给商发做了很多知识组件,可以将其工作效率提高数倍,甚至原来需要十天的工作量现在一天就可以完成。
《中国信息化周报》:C9飞机的下线也是之前比较热的话题。请问C9飞机的设计制造过程中,关键部位的设计、研发和生产管理等各个环节是否都有索为系统公司的鼎力支持,不知能否具体介绍?
李义章:我们非常荣幸的参与其中!对于C9飞机,索为系统用Sysware平台帮助中国商用飞机有限责任公司(简称中国商飞)解决了三个系统层面的问题:一是飞机总体设计系统;二是其结构设计系统;三是复合材料设计分析系统。
《中国信息化周报》:索为系统在军转民方面做的怎么样,有怎样的规划。
李义章:像北汽福田、玉柴都是我们的客户,接下来也会继续加大投入。我们帮助玉柴做一个选件匹配系统:比如一个发动机的设计,因客户不同需求产品的成本、交货周期也都不同,原来玉柴的做法是需要工程师拿到需求后核算,一般三周算出来,但现在通过索为的系统一天就能给出结果。
《中国信息化周报》:国产软件就工业软件产业本身而言,有人认为核心技术还是掌握在国外厂商手中,国产工业软件发展并不如意,也有人认为随着国产化进程推进以及航天航空等领先技术发展,工业软件大有可为。索为系统怎么看?
李义章:目前索为系统的产品全部拥有自主知识产权。对于自主,我认为CAD国产化是可能的,但CAE很难,因为CAE门类繁多。其实基础的CAD、CAE、PLM软件已经很成熟了,国产软件厂商的竞争空间比较小。而工程中间件领域有很大的机会。索为系统理解的工程中间件是一种开放的工业软件平台,对下可以兼容集成各种工业软件和设备,对上可以承载企业工业技术体系。一旦在工程中间件平台建立工业技术的知识自动化体系后,底层用谁的工业软件和工业控制系统已经不重要,工业体系的技术安全和数据安全也可以得到有效保证。本质上看,工程中间件和知识自动化也是一种横向开放的生态系统。如果能借鉴互联网发展的模式,集中力量形成整个制造业工业技术的知识自动化体系,那么中国的工业技术体系,将走出一条不同于西方国家的模式,真正实现工业技术的自主、可控与安全。
《中国信息化周报》:索为系统规划公司最新的发展方向及战略是什么?
李义章:我们的目标是希望用3-5年时间,在国防军工领域统一平台,让更多的知识效益得到最大化的提升。我们的最终的目标还是服务好工程师人群,让他们通过使用索为的平台来让自身工作更规范、更高效。如果知识自动化平台是统一的,那么对工程师来说就意味着有更多的资源可用,很多模块能让他们更加快速和高效的完成工作。我们要不断打磨、优化我们的产品,增加工程师人群的粘性,熟练地使用Sysware平台。
《中国信息化周报》:2016年索为系统制定的年度工作目标是什么?
李义章:一是通过行业战略合作,把垂直市场做透,扩大产品覆盖面;二是持续优化我们的实施模式,将项目周期缩短。
《中国信息化周报》:很多企业都在借助资本实现外延式发展,索为系统在这方面的情况如何?
李义章:索为系统2013年就开始运用资本手段了,引入了三家外部的投资方,IPO也在准备中。
记者手记
从采访邀约到认识熟悉再到完成访谈,与索为系统公司的交流过程让人感觉顺畅舒服,访谈内容也让记者受益匪浅。
为什么说舒服,体现在三方面。第一是索为系统市场部的热情与细心:电话、邮件沟通反馈迅速,又专门面谈加深了解、沟通提纲,访谈现场的纸、笔、水、录音笔,虽然记者都有自备,但也让人倍感舒服贴心;第二,访谈当天,记者在索为系统听到,老员工都称呼董事长李义章为“老李”;第三,李义章的讲话风格是客观而实际,既不是说半天等于没说的“太极”风,也不是从头到尾都是“王婆”的自夸风,更不是动辄“智能制造”满嘴跑的口号风,而是真正站在产业践行者和观察者的角度,务实地来谈从业务和行业发展。
作为一次企业访谈,我们并没有就企业说企业,反而“两化融合”成为了访谈重点内容。
说到两化融合,国家有国家高瞻远瞩的战略,行业有行业切身的体会和看法。曾记得,一位资深前辈对记者说过,中国的两化融合得以大飞机等整机制造为主体,以仪器仪表和通用装备制造为两翼展开,重点在工业端,而不是信息化,这与李义章两化融合的关键是工业技术体系的建立的观点异曲同工。
记者也深以为然。对我国的两化融合而言,不在工业端下功夫,没有工业技术体系基础,没有质量过硬的产品,不改变生产方式,即便有再大的信息化投入,所谓的工业4.0、智能制造也只能在远方向我们招手。
而对于建立工业技术体系,我们只能说:结果很重要,但过程更重要。