0 前言
我們知道，對制造企業(yè)專業(yè)領(lǐng)域的研究，可以通過系統(tǒng)工程和設(shè)計來進行。而鋼鐵企業(yè)工藝、技術(shù)、質(zhì)量、備件、產(chǎn)品等的研究，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、人機交互設(shè)計等上，CAD設(shè)計起著決定性的作用，且它通過基于系統(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)課題、項目或研究。
1 制造企業(yè)應(yīng)用CAD設(shè)計的研究
CAD設(shè)計可以幫助設(shè)計人員：進行大量的計算、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、Creo、UML等，進行編輯、修改等操作；大幅度地降低工作量和成本，提高工作效率和質(zhì)量。
CAD設(shè)計主要應(yīng)用于計算機制圖、軟件設(shè)計、人機交互設(shè)計、大型工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)等。
在沒有實施CAD設(shè)計之前，制圖需要手繪，且難以達到高精度的計算、測量，浪費大量的人力、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密的組織計劃。以20世紀60年代美國洛克希德公司秘密部門“臭鼬工廠”研制的U2偵察機為例就足可證明這些——它總是被擊落，雖然不斷升級，增補功能，提高性能，可也只是事后的糾正措施。U2的設(shè)計捕捉現(xiàn)實顧客需求并不完善（飛機的弱點未及時暴露），沒有挖掘到潛在客戶的需求（對方的導彈系統(tǒng)性能如何等），以及如何有效應(yīng)對變更（飛機系統(tǒng)進行應(yīng)對、設(shè)置），這表明大型CAD設(shè)計需要系統(tǒng)工程來解決。
無論是機械、電氣、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、信息設(shè)計，都可充分使用CAD設(shè)計。在現(xiàn)階段，鋼鐵制造企業(yè)應(yīng)用CAD設(shè)計已經(jīng)甚是廣泛，本鋼主要應(yīng)用AutoCAD、CAXA、UML等軟件進行設(shè)計。本鋼南芬球團鏈箅機張緊輪見圖1、回轉(zhuǎn)窯支座見圖2。
圖1 鏈箅機張緊輪圖
圖2 回轉(zhuǎn)窯支座圖
然而，低精度、低規(guī)格的設(shè)計造成設(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，引起的浪費、故障停機實在是太多。目前，在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)，寶鋼、首鋼等在提高備件質(zhì)量、改良設(shè)計結(jié)構(gòu)上有重大變革和創(chuàng)新，其它鋼廠模仿、跟風、小改小革居多，大規(guī)模設(shè)計和自主創(chuàng)新較少。因而，應(yīng)用系統(tǒng)工程進行CAD設(shè)計是眾望所歸。
2 制造企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)工程的研究
系統(tǒng)方法是從系統(tǒng)的整體性出發(fā)，把分析與綜合、分解與協(xié)調(diào)、定性與定量研究結(jié)合起來，精確處理部分與整體的辯證關(guān)系，科學地把握系統(tǒng)，達到整體優(yōu)化。系統(tǒng)方法是企業(yè)形成和發(fā)展過程的核心力量。我國在軍工、民航、電力、鋼鐵等行業(yè)均推行系統(tǒng)方法，尤其是系統(tǒng)工程在高端質(zhì)量、技術(shù)的攻關(guān)上起著決定性作用。實際上，技術(shù)、質(zhì)量等專業(yè)領(lǐng)域的諸多應(yīng)用工具、方法都是由系統(tǒng)方法導出的。
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。在鋼鐵生產(chǎn)、制造的關(guān)鍵工序中，應(yīng)用系統(tǒng)方法可利用數(shù)據(jù)獲得知識以支持及時和準確的工程與業(yè)務(wù)決策。尤其是在復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)中，它能充分解決“許多不同的角色、特殊領(lǐng)域的應(yīng)用程序、特殊領(lǐng)域的流程、項目總體規(guī)劃”之間的協(xié)作和沖突。IBM應(yīng)用系統(tǒng)方法甚至是系統(tǒng)工程甚廣，尤其是在軍工、鋼鐵、智慧數(shù)據(jù)中心等都有應(yīng)用案例，這些都值得我們學習、研究。應(yīng)用系統(tǒng)方法可節(jié)省大量的時間、成本，IBM Rational對系統(tǒng)方法設(shè)計與傳統(tǒng)方法設(shè)計的比較見圖3。
圖3 IBM Rational中系統(tǒng)方法設(shè)計和傳統(tǒng)方法設(shè)計的比較
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，再對部分、具體部件進行設(shè)計。下面是IBM Rational對飛機制造業(yè)和筆者對鋼鐵制造業(yè)系統(tǒng)工程（方法）應(yīng)用的舉例：
1）IBM Rational對飛機的架構(gòu)設(shè)計參考見圖4、圖5。
圖4 Rational應(yīng)用系統(tǒng)工程對飛行器高層信息架構(gòu)的設(shè)計
圖5 Rational應(yīng)用系統(tǒng)工程對飛機頂層信息架構(gòu)的設(shè)計
2）筆者從球團的設(shè)備維護、產(chǎn)品質(zhì)量著手，應(yīng)用系統(tǒng)方法（UML工具設(shè)計）進行設(shè)計，鏈箅機箅板更換狀態(tài)機圖見圖6、球團礦質(zhì)量不合品控制活動圖見圖7。
圖6 應(yīng)用系統(tǒng)方法設(shè)計的鏈箅機箅板更換狀態(tài)機圖
圖7 應(yīng)用系統(tǒng)方法設(shè)計的球團礦質(zhì)量不合格品控制活動圖
3）筆者對南芬球團三大主機任意一段熱力學平衡應(yīng)用系統(tǒng)工程分析，如圖8。
對鏈箅機預(yù)熱Ⅱ段，則有關(guān)系式：
圖8 應(yīng)用系統(tǒng)方法分析預(yù)熱Ⅱ段熱力學平衡
注：其中，M(s)為回轉(zhuǎn)窯供熱溫度場，Q(s)為進預(yù)熱Ⅱ段口溫度場，N(s)為熱風阻力損失場，T(s)為出預(yù)熱Ⅱ段口溫度場，P(s)為回熱溫度場，R(s)為球團吸熱溫度場預(yù)熱Ⅱ段溫度場為。
3 鋼鐵企業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的研究
無論是在高端領(lǐng)域如航天、造船、武器的研制，還是傳統(tǒng)或一般的軍械制造，若想進行高質(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。對于大型開發(fā)項目，要盡量確保敏捷、精益和六西格瑪?shù)扰c其融合使用。
實施基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的可行性也是很高的。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)用我們都可以從成功案例中獲得。第二，對于系統(tǒng)工程、CAD設(shè)計的學習、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、Creo、UML等軟件的最新版本。第四，應(yīng)用初期是需要進行一定的投入，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，是在系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上進行CAD設(shè)計，但是要保證CAD設(shè)計不要受過多的約束，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)工程或系統(tǒng)方法的應(yīng)用，以靈活地方式將系統(tǒng)工程和CAD設(shè)計進行融合。
使用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計應(yīng)注意：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。
下面筆者將舉例其應(yīng)用：
1）本鋼礦產(chǎn)品廠柴油管理流程圖
圖9 柴油管理流程圖（卸油、閉環(huán)管理模塊）
2）設(shè)備裝配圖
圖10 鏈箅機總圖
圖11 鏈箅機壓輥裝配圖
4 結(jié)論
綜上所述，鋼鐵企業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的研究結(jié)果表明，它能有效地解決如何使用CAD設(shè)計、如何使用系統(tǒng)工程、怎樣進行基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的研究，能有效、快捷地解決鋼鐵企業(yè)的課題、項目或研究等。但是，本人對鋼鐵企業(yè)的流程、各專業(yè)的研究還比較粗淺，希望行業(yè)專家、學者能多提寶貴意見，以便筆者進行更正、改進和完善。
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本文標題：2013PLM征文：鋼鐵企業(yè)應(yīng)用基于系統(tǒng)工程的CAD設(shè)計的研究
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