基于数控机床的客户需求元建模方法研究分析 机械制造专业

题目：基于数控机床的客户需求元建模方法研究摘要数控机床是制造业乃至整个国民经济的加工母机，对经济的发展起着至关重要的推动作用。虽然我国机床产业在经历了几十年的发展，很多方面都取得了令人瞩目的成就，但是仍面临着精度和效率偏低、可靠性不高、市场占有率低等诸多严峻的挑战。为此企业在加大技术研究和资金投入力度的同时，要考虑将传统的以产品为中心的生产制造模式转变为以客户需求为中心的生产经营模式，这已经成为企业制造生产的一种必然趋势。本文基于数控机床的客户需求收集分析管理系统研究对机床生产企业快速响应市场需求赢得客户满意度具有一定的促进作用和指导意义。关键词：数控机床；建模；客户需求元；目录第一章 引言 11.1研究背景 11.2研究目的与意义 11.3国内外研究现状 2第二章 相关理论概述 32.1客户需求元的概述 32.2客户需求信息的获取 32.3数控机床产品客户需求的特点 32.4我国数控机床技术存在的问题 42.4数控机床的模块化设计 5第三章客户需求元建模分析 73.1客户需求信息的整理 73.2数控机床中的模块化技术 73.2.1基于模块化技术的产品开发一般程序 73.2.2模块化技术的应用探索和实践 83.3数控机床的模块化框架设计 9第四章案例分析 114.1模块组成部分的非标准连接模式 114.2模块化组成单元 124.3模块化设计的效果 13第五章结论与展望 14参考文献 15附录 16致谢 17引言伴随工业4.0的快速发展，现代制造业正推动经济发展迈向了一个崭新的浪潮，而数控机床则是现代制造业不可或缺的关键部分。瞬息万变的市场需求，工业发展的快速步伐，使人们对数控机床的设计研发提出了个性化、柔性化和高效化的要求，必须要有一种更具继承性、创新性的方法来提高数控机床的整体设计质量，创新设计思路，丰富设计内容，缩短设计周期，提高用户体验程度，同时又要降低成本，保证良好的售后维修和配件的更新服务。1.1研究背景我国在加入世界贸易组织之后，国内企业乃至整个国民经济都迎来了新的发展机遇。国外先进的生产技术和管理模式促进了中国经济的发展。但与此同时，经济全球化使企业在生存和发展过程中面临着巨大的挑战，国外市场对中国市场形成了相当大的影响。我国数控机床在市场上占有的比例较低，对中高端机床的需求大，高新技术与国外机床之间仍存在较大差距。相关从事机床行业的研究人员应当深入研究，不断提高这方面的技术并且可以增加我国在国际市场上的占有份额。与此同时，企业的市场地位发生了深刻的变化，正面临着从简单的产品制造商和营销人员的角色向服务提供者的转变。机床行业在这方面存在的差距不小，将会错过很多商机。在全球经济逐渐进入一体化的形势下，很多老牌发达国家的优势也在一步步丧失，企业之间，国家之间的竞争都越演愈烈。各个企业为了生存和发展，都对产品提出越来越高的要求，对于产品的质量、价格以及交货期甚至是别致化个性化，都希望能够做到极致，做到最好。在如此的市场条件下，客户的需求正在不停的发生变化，很难预料，导致市场动向模糊不定，很难把握，企业生存面临更严峻的考验。但是面向客户需求进行生产制造和产品更新已经成为一种必然趋势，不容争议。数控机床行业的生产制造也相同，如何能够迅速响应市场，准确把握客户需求，已经成为了一个亟待解决的问题。客户的个性化需求随着技术的不断进步也在不断的发生着改变，机床企业应该更加重视多品种小批量生产，更加关注大合作和大竞争的动态，以保持企业的可持续发展。为了最大限度的满足不同客户的挑剔的客户需求，企业必须把客户需求应用到产品的设计中，并拥有快速响应市场的能力，这样才能在激烈的市场竞争中蛇立不倒。1.2研究目的与意义产品的客户需求指的是客户对产品的服务、属性、价格、外形、结构、性能、功能以及生产环节等需求指标进行一个描述，这是目前产品开发的基础步骤。不恰当的需求理解，不但会导致预算溢出和交货期的变长，更容易造成产品与客户真实需求的不一致性，从而导致产品的开发失败，其中因为返工或者产品不合格造成的报废产品，会极大的给公司带来经济损失。需求管理指的是企业能够迅速响应市场需求，提高企业整体竞争力，从而扩大企业产品的市场占有率。因此，本文提出面向客户需求的数控机床模块化设计，从客户需求出发，建立产品结构模型，使产品模块划分更加合理，更能满足客户的需求。1.3国内外研究现状（1）国外研究现状在国际上，不少人在日常需求管理的工作活动中，开发并研究出了不少需求管理工具。虽然这些工具的应用使需求管理更加规范、更加精确。但是大部分缺乏多重实践途径的验证，并不能完全解决需求管理中存在的所有问题。（2）国内研究现状我国于1958年研制出首台数控机床，数控机床发展过程大致可分为三个阶段。第一阶段是由于我国基础理论研究滞后，相关产业基础薄弱，尤其是电子技术落后，数控机床系统还没有突破。虽然中国在数控机床方面的起步并不晚，但发展并不顺利。二十世纪六、七十年代，由于文化大革命等因素，我国与发达国家的差距开始拉大。20世纪70年代，中国数控机床国家组织取得了一定的成果，并陆续引进了一些数控机床，但从整体上看，中国数控机床行业还处于起步阶段。在第二阶段，从日本以及西方发达国家引进了数控系统技术。利用引进的技术能够合资生产数控机床，而且还在引进过程中解决了日本、美国、德国、意大利、英国、法国、瑞士、匈牙利、奥地利、韩国、台湾等国的可靠性和稳定性问题，并已正式生产和使用数控机床。并逐渐往前走。第三阶段国家从科技研究和技术改造阶段对数控机床的生产进行重点扶持，加快了我国数控系统的发展。数控系统的成功开发为数控机床的商业化和大规模生产奠定了基础。有的数控机床主机厂设置床身、箱体、主轴、轴套等机组，在工厂组织专业生产，生产水平进一步提高。cad/1apple/cam开始应用，开发能力、工艺水平和产品质量进一步提高，为工业化奠定了基础。数控机床技术逐渐进入了高速发展阶段。毛雪涛等人设计了一种需求管理工具，以实现需求变化的管理。邱树伟特别指出了良好沟通和团队合作在需求分析中的重要性。凌劲如强调在需求管理的基础上有明确的产品分类模板。郭伟专注于收集产品需求信息，对产品进行整个生命周期的管理。甘小红指出，需求分析过程与客户之间的良好沟通密切相关，并给出了一系列要求质量评价原则。浙江大学的崔健等人在该平台上学习研究需求管理。相关理论概述2.1客户需求元的概述客户需求信息的实现可以体现在产品所具有的满足于客户需求的特点、功能及属性等。这也就是说客户不会关注产品是如何设计和制造的，他们所关注的问题只有一个，那就是企业所提供的产品是否是实现了客户的所有需求。这就要求公司在进行产品设计和开发时，一定要注重如何才能把客户需求比较完善的转化成为产品特性。对数控机床产品来说，客户需求就是客户对于产品和服务能够满足其某些需要的期望，当然对于不同类型，不同用途的数控机床，需求内容也会更加具体。2.2客户需求信息的获取通常客户需求信息包括三个部分：客户对产品的需求表达，各项用户需求的重要度以及用户对本公司和竞争对手的产品的满意度。客户需求获取的过程主要包括确定合理的调查对象和调查方式、进行市场调查、整理客户需求等。为了全面收集客户的信息，在客户需求获取过程中，应该注意以下几点：合理确定调查对象：市场调査，不仅从客户视角设计需求调查方法，而且要从设计师视角设计市场调查方法，形成客户和设计师双向视角的调查方法；调查内容要包括定性和定量的客户需求信息，把握产品发展方向，用头脑风暴的方式对调查得出的客户需求进行筛选和补充；根据调査对象、地点、人数等因素合理选择合适的调查方法。2.3数控机床产品客户需求的特点本文是关于数控机床产品的客户需求的研究，基于需求特点、数控机床需求划分分类和机床自身在设计、加工生产、运输装配和生产使用中的特点，总结数控机床客户需求与其他产品需求的区别性，具有以下特有特征：（1）面向对象为机械产品加工生产企业，这类产品往往对精度要求严格，而且加工生产过程复杂多变，这就要求数控机床加工范围更大，自动化程度更高精度更精确。（2）机床产品零部件复杂，一旦加工成型，很难变更。一定要变更的情况一旦出现，可能就会给客户或者企业带来巨大损失。这就给需求信息的变更管理带来困难，这就要求企业在生产加工前认真核实客户需求，重复考虑设计方案，且在产品付诸实际加工前对需求信息进行变更。（3）数控机床产品类属机械产品类，且是现代产品加工母机，体型庞大，操作复杂，加工生产中具有相当的技术含量，而客户往往不能完全掌握。这就要求机床生产企业满足客户提出的协助运输、安装、售后技术指导和维修等最基本的客户需求。（4）数控机床产品往往价格比较昂贵，且从设计到生产到使用直到报废整个生命周期会十分的长，几年甚至是几十年。这不但导致机床企业销售渠道受制，也导致客户不能及时掌握新的生产方法、加工工具进行生产，影响经济收益。所以顾客希望以低廉的价格购买到使用更方便、精度更精确、更新周期更短的新科技产品，以保证生产收益。2.4我国数控机床技术存在的问题（1）缺乏核心技术据统计，数控机床的核心技术主要是数控系统里面几部分组成，其中包括显示器、控制器、传感器以及各类开关等部分。但当前90%的中国数控机床核心技术需要从国外进口。例如，在上海有工厂的德国gitmo集团，以及意大利的利雅路机床集团，在烟台有工厂的韩国大宇综合机械有限公司。这些厂房虽然建在国内，但是制造机床的最关键技术还是掌握在这些工厂的外国人手里。国内一般无法依靠核心技术来制造数控机床，大多都是在装配制造环节做中高端的数控机床。国内数控机床的关键部件和技术主要依靠进口，国内大型、大型企业不多。目前，世界上最大的三家制造商是：日本三菱和发那客以及德国西门子；剩下的制造水平还可以的公司有西班牙的凡高公司以及法国的扭姆公司。中国内部有航天数控和华中数控等。我国数控系统研究才刚刚开始，产业化和水平质量远远不够，高级系统都是进口的。近年来，中国中部地区数控技术发展迅速，软件水平相当好，但在电气硬件方面还需要进一步完善。目前，中国的一些大型工厂还没有采用中央数控。数值控制函数组件是另一个薄弱环节。从某种意义上说，功能组件将在21世纪构建现代数控机床。数控机床的价格和性能决定于功能部件的价格和性能，对一台数控机床来说，功能部件并不是配件部分，而是这台数控机床的核心代表。国内的数控机床出现故障为问题最大一部分都来自于功能部件，这是影响国产数控机床使用的主要原因。从目前国产数控机床的使用以及发展情况来观测，其中迫切需要解决功能部件技术方面存在的问题。其中最主要的问题体现在可靠性以及寿命等方面，目前来看，国内大多数数控机床滞后问题的比较严重，不论是质量方面，还是性能方面，都远远不够，无法满足客户对于数控机床使用的要求。由于我国数控机床寿命短、品种少，十分影响数控机床的使用效率，由此大部分企业都采用进口数控机床，但是进口的数控机床，价格十分昂贵，客户无法负担由此带来的成本，一定程度也给企业经济效益带来了很大的影响。（2）和国际品牌存在差距一组数控机床用户使用数据抽查表明，在国际上众多数控机床的牌子里面，大多数使用的企业对日本、韩国以及大部分西方国家的机床品牌关注较多。这些国家的数控机床品牌在国际市场上占有比例超过60%。由于对于品牌的认同度带来的影响，导致用户对国内的品牌不自信，阻碍了国内数控机床的发展。如哈尔滨发动机(集团)有限公司缸体生产线的自动生产线，使用韩国大宇沉重的粗加工自动专线，最后，选择了交叉平面HULLE公司传送机，汽缸加工线是由德国交叉脱壳机公司生产高速加工中心和特殊的传送机，自动在线测量机由德国、日本自动密封测试机和清洗机，精加工生产线是由日本抛光机、动平衡机和高速CBN磨床组成的。（3）研究成果转化率低能够满足用户需求开发新的市场，技术创新是关键所在，而企业想要在激烈的市场竞争环境中不被淘汰，做好产品是基础保证。而当前我国的实际情况却是大部分企业忽视数控机床方面的创新，市场定位不明确，无法集中精力，突破重点，带动整体，项目安排盲目。一是盲目顺应国际技术潮流，提高产能。数控机床行业自身发展水平的关键在于企业创新能力、人员素质和企业素质的提高。近年来，重组重组取得了一些初步成效，并不容易。面对日益增长的市场需求，我们必须保持对市场的清醒认识，审慎发展。我们还必须抓住前面和后面（即抓住发展，抓住销售，抓住质量，抓住服务），并仔细掌握能力。中国应当大力加快技术开发，成为一个制造市场，而并非简单的加工市场。对于数控机床行业来说，也要坚持技术方面研发投入，正确看待产业创新的观念。二是技术创新取得成果后，缺乏全面的市场化安排；质量保证体系不完善，没有制定相应的规范和标准。生产工艺研究严重滞后。因此，数控机床的市场份额逐年下降；第三，不注重质量和服务。当市场好转时，企业应多关注优质和服事务，对用户更体贴、更热情。公司的品牌往往是在市场好的时候建立起来的，它也常常在市场的好时候丢失。（4）缺乏先进的管理机制企业普遍存在生产经营积极性不高、自我约束机制不完善、劳动生产率低等问题。以企业为主体，产学研相结合，适应市场经济发展需要的技术创新体系尚未建立。缺乏吸引高层次、高素质创新创业人才的环境，难以成功的整合各方面经济发展、技术创新以及资源方面的优势，让各方条件达到最优，共同搭建技术创新平台。因此，根据经济发展的客观要求，必须建立以法律为主要内容的现代企业制度。必须要把以用户为中心的市场推广理念放在首位，切实做好产品结构调整方面的内容，让市场在资源配置中发挥最为本质的作用。2.4数控机床的模块化设计众所周知，伴随着数控机床市场竞争的愈加激烈，客户的需求性也愈加呈现多样性，而机床的功能越多，性能越好，成本也就越高。在设计阶段，数控机床的产品性能以及产品测算总成本就能得到一个基本数值。另外，为了能够适应市场变化带来的影响，需要我们加快速度研发新的产品。但是一个新产品研发很难能在短时间内完成，这与响应市场需求之间产生了矛盾。所以，我们在数控机床研发中要采用模块化设计，这种方法不仅能够提高产品的质量和性能，还能降低生产成本，加快研发的速度，减少周期。数控机床的模块化设计，能够很好的解决制造成本、研发周期以及机床功能三者间的矛盾关系。

第三章客户需求元建模分析随着市场越来越由客户需求所驱动，做好客户需求分析就变得尤为关键。客户对产品的需求实际上是对产品功能本身的需求，而产品是企业的生命，设计出满足客户对产品功能需求的产品才能使企业在激烈的市场竞争中生存并持续发展。因此，准确分析客户需求，计算客户需求重要度，建立产品客户需求模型是产品设计重要的一步，也是实现产品客户需求模型到产品功能模型、产品功能模型到产品结构模型映射的第一步。3.1客户需求信息的整理经过调查收集到的原始客户需求信息往往形式多样，一般要对这个来开展选择、归纳以及整理等步骤。本文采用亲和图法（ＫＪ法）对客户需求信息进行层次化分析。ＫＪ法常常用于大量繁杂信息的处理，按其亲和性，形成层次清晰、表达准确的资料，是一种十分有效的处理客户信息的方法。其主要步骤如下：①整理得到的每一项客户需求，分别写在每一张卡片上。②把意思相同的卡片分在同一组，每组只保留一张卡片，将每组其它卡片废弃并记录它们重复的频次。③将所表达意思内容相近的卡片集中到一起，分成不同组。④用一个词句对相近项进行描述，为高层次的客户需求项。⑤将步骤④得到的客户需求项目按意思相近的原则集中到一起，再次分组。⑥重复步骤④，用代表性的语句来描述每一组，即可获得更高层次的客户需求项。⑦重复步骤③④，并且根据实际情况，可以继续归并直到获得合理的客户需求的层次化结构。3.2数控机床中的模块化技术3.2.1基于模块化技术的产品开发一般程序模块化技术要想能够在实际操作中充分应用，产品的设计和开发过程阶段必须得概念设计和市场研究两方面起步。数控机床在概念设计阶段的时候，模块化数控机床产品系列规范必要按照之前市场调查的数据结果来构建，而且要采取模块化的方法。系列产品设计过程里的关键环节本质上是系列产品的模块化设计，基于模块化技术的产品开发的一般程序如图1所示。模块化设计出了要遵循一般技术系统的设计原则之外，还要让每个重要的零件和组件，在整个产品系列中处于通用的位置。3.2.2模块化技术的应用探索和实践(1)市场调查分析。模块化设计成功的前提便是市场调查分析。必须注意并预测市场对同类产品的需求，需求比，从用户需求分析入手，分析模块化设计的可行性。如何开发和生产一系列产品，保证良好的制造质量，低价成本，广泛的适应性，需求可以在很短的时间内，迅速对市场做出反应，这是调查的重点。高市场竞争力的出发点是采用模块化设计，缩短设计和生产周期，降低生产成本。(2)产品功能分析和产品系列光谱测定。通过对产品功能、性能和技术水平的分析，合理组合、划分和确定产品系列以及考虑模块化设计原则，该工艺需要符合市场需求和客观技术规律。(3)确定参数范围和主要参数。根据产品结构特点和一般使用范围规则，合理确定模块化设计所涵盖的产品规格范围。规范范围太大，太多的规范，市场应变能力强，有利于占领市场，但设计是困难的，工作量很大，甚至在一定程度上导致模块化技术的应用是困难的；相反，市场应变能力减弱，但设计很简单，工作量小，容易提高产品性能和目标。例如，铣床，其产品规格主要取决于产品的参数，包括尺寸参数(表尺寸)、运动参数(三冲程)和动态参数(功率、扭矩)，应合理确定，如果太宽浪费太低太窄不能满足要求。此外，根据使用需求，参数范围内值的大小和分布也非常重要。(4)模块结构分析和模块类型确定模块化设计的原则是尽量用几个模块形成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品性能稳定、结构简单、成本低廉，模块结构应尽可能简单、规范。因此，如何科学地划分模块是模块化设计中的一项艺术性和批判性工作。既要满足市场需求和使用要求，又要考虑生产管理的便利性。模块类型的确定需要设计简单，模块数量尽可能少，降低制造成本。(5)模块设计与模块库的建立由于模块要有多种可能的组合方式，所以在设计时应该考虑到模块的零件越多，合适的参数范围应该是良好的制造和装配工艺，应该尽量采用标准化的结构。(6)编制技术文件模块的模块化设计最终必须以技术文档的形式确定其组成，以便与特定的产品相关联。因此，有必要保证技术文件编制的正确性和完整性，以便有机地连接不同的功能模块，指导制造和检验过程。3.3数控机床的模块化框架设计总体上说，数控机床的模块化设计要实现三个功能：首先是机床所具备的基本加工功能，即各个模块部分集合为整台数控机床必须能够生产加工；且加工成品精度高，质量好。其次是各个组成模块相互之间的兼容性应良好，适应性强；这样可以满足不同地点、不同时间、不同产品的加工要求；最后是各个模块组成设备应维护、维修便捷，容易实现。若出现模块中某个设备损坏或部分配件寿命期限终止，应立即更换，不影响生产加工，即通用性强。模块化设计虽然是非标组合生产的思路，但仍要坚持标准化原则进行设计研究。图2总体框架设计第四章案例分析数控机床的模块化系统设计指的是用户提出的个性化需求，在对使用情况以及功能需求的分析基础上，设计并划分出可互换、功能类似的模块，其中包括系统、部件、组件等，各模块拥有不同的功能，利用模块的拆分以及组合能够满足市场的不同需求，增加了机床设计的变化性。这种设计，让数控机床的零部件实现了标准化，缩短了设计周期，提高了生产效率，加强了机床的加工精度以及稳定性，增强了企业的竞争力。本文选用了铣床XK5032来建立满足客户需求的模块化设计。该铣床的XK5032的主要技术参数如图3所示：图3XK5032数控铣床的技术参数4.1模块组成部分的非标准连接模式当数控机床实行模块化设计后，模块与模块之间采用非标准连接模式对机床连接模式进行定义。矩阵的行列表示机床的6个主要功能模块，分别用模块1-6表示，例如：1-数控系统，2-主轴模块等。考虑到每个模块的结合面至多不超过7个，故对矩阵的每个元素用一个两位十进制ij表示，意为该行模块的第i个与该列模块的第j个相结合。4.2模块化组成单元（1）数控系统模块数控系统模块内安装有数控装置，包括CNC装置和PLC装置，数控装置正面有LCD显示器、机床操作面板和控制键盘，完成人机交互信息的传递。CNC装置是数控机床的中枢指挥系统。拥有和数控机床功能符合的接口单元以及功能模块。数控装置背面存在不同的连接装置，包括伺服接口、PLC端子等。PLC装置的逻辑控制通过内部存储器实现—顺序控制、逻辑运算、计数和算数运算、定时等。PLC的主要功能为控制过程映像输入信号和输出信号、实现M功能控制及数据处理等。为了考虑兼容性和适用的广泛性，数控装置可以使用华中HNC-21、广数GSK980、西门子802C等。（2）机床本体模块数控机床的大型机械结构件是机床的本体模块，其中包括进给运动部件以及主运动部件两个部分。其中进给运动部件由传动部件以及机床工作台两部分组成，主运动部件则由主轴、床身导轨、立柱以及箱体组成。（3）主轴模块一般数控机床主轴采用变频器和异步电机，伺服驱动器和同步电机也是常采用的一种方式。每个主轴模块包含1个对应的异步电机和1个变频器。在数控机床中应用电主轴模块能够将机床主轴的传动链缩短为零，省去了中间传动环节，使得主轴的零件数量减少到最少，也使转速更快，效率更高；同时，减少中间传动环节的外力作用，增大了传动的平稳性，也提升了数控机床的加工精度。（4）进给系统模块每个进给模块有1个伺服驱动器和1个对应的伺服电机组成。由220V交流电源给伺服进给模块供电。该模块使电动机产生的机械能用来移动部件，简化了模块结构，便于数控机床的拆卸与回收，可满足数控机床高速、高精度的加工要求。（5）刀库模块刀库由PLC控制输出点，PLC传感器检测刀具位置，可向PLC输入反馈信号。刀库模块在设计时要考虑数控机床自身的多种因素，如数控机床的型号、规格；其次需要考虑所加工工件的类型，结构的复杂程度，只有合理选择，才能发挥其应用效果。（6）辅助功能模块辅助功能主要实现润滑、冷却电机、操作刀库电机等。辅助功能模块由接触器和小功率异步电机等构成。①润滑、切削液冷却部分：是数控机床中必不可少辅助模块。该辅助模块可以提升切削液的冷却性能，增大润滑程度，提高加工效率，同时能够快速合成切削液。②自动排屑部分：使用结构简单的气动装置，有效实现切屑与切削液过滤分开，在实际工作中实现高频率、高效率的工作效果。此外，还可以使得切削液循环使用，节约了资源。③液压自动夹紧模块：该模块使用的液压传动装置实现了工作台和机床夹具的自动夹紧和松开功能。通过较大的机械力，促使机械结构更加紧凑，动作位置精准可靠。同时，液压自动夹紧模块在使用过程中还具有调节简单，噪声较小的优点。④自动对刀模块：该模块节省了人力对刀的时间和对刀的误差，减少了加工准备时间，促使生产效率得到显著的提升。4.3模块化设计的效果XK5032立式数控铣床是由x5032立式铣床加数控系统而来，配置了先进的数控系统实现三座标三联动，并可根据用户要求提供第四坐标，完成直线，斜线，曲线轮